中國高速鐵路電務(wù)安全指數(shù)指標體系構(gòu)建

韓安平， 闞佳鈺， 姜錫義， 王衛(wèi)東， 富德佶， 劉鵬

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081；2.中國國家鐵路集團有限公司調(diào)度指揮中心工電調(diào)度處，北京 100844）

0 引言

“安全”一直是鐵路運輸永恒的主題，更是鐵路運輸產(chǎn)品最重要的質(zhì)量特征［1］。隨著我國鐵路路網(wǎng)規(guī)模快速擴大，鐵路運營安全面臨更加嚴峻的風險和挑戰(zhàn)［2］。提升運營安全水平一直是國內(nèi)外各行業(yè)十分關(guān)注與重視的問題，我國多個行業(yè)都先后引入“安全指數(shù)”這一指標用以量化某一時期的安全狀況。例如，王明武［3］在研究中提出，為了預(yù)測通航的安全水平，適應(yīng)通航快速發(fā)展的趨勢，探究采用灰色區(qū)間法建立一種評估航空運輸系統(tǒng)安全指數(shù)的指標體系。在韓延勝［4］的研究中，運用壓力-狀態(tài)-響應(yīng)PSR 概念模型建立了長江水上交通安全評價指標體系，通過AHP 分析法給指標賦權(quán)重，并編制程序計算指標的綜合權(quán)重，最后對長江水上交通安全進行評價。周涂強等［5］引入仿真方法，提出基于蒙特卡洛仿真的水上交通安全評價方法，建立改進綜合安全指數(shù)模型，通過風險概率分布的形式表示特定時間或特定空間范圍內(nèi)的水上交通安全評價方法。這些行業(yè)對于安全指數(shù)的研究，為提升本行業(yè)運輸安全水平提供了良好的參考和借鑒。

我國鐵路安全指數(shù)的相關(guān)研究十分缺乏，而國際鐵路聯(lián)盟（UIC）發(fā)布的鐵路安全指數(shù)沒有考慮隱患的影響，且計算方法的規(guī)定大多與我國現(xiàn)有安全規(guī)章不符，實際計算時很難實現(xiàn)。因此，有必要建立我國的鐵路安全指數(shù)體系，尤其是高速鐵路安全指數(shù)體系。

在此，研究構(gòu)建中國高速鐵路電務(wù)安全指數(shù)指標體系，并選取典型線路和典型時間進行試算，以期能夠以電務(wù)安全指數(shù)為基礎(chǔ)，跟蹤分析全國高速鐵路電務(wù)安全狀況及變化趨勢，針對電務(wù)安全保障的薄弱環(huán)節(jié)，提出改進相關(guān)工作的建議，從而保證高速鐵路電務(wù)設(shè)備高效運行。

1 高鐵電務(wù)安全指數(shù)的定義及意義

電務(wù)安全的內(nèi)容廣泛，涵蓋了電務(wù)設(shè)備的方方面面［6-7］。車載設(shè)備、信號基礎(chǔ)設(shè)備、列控地面設(shè)備、計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)、調(diào)度集中系統(tǒng)（CTC 系統(tǒng)）、通信設(shè)備六大類型設(shè)備是高鐵電務(wù)設(shè)備的重要組成部分，是高鐵電務(wù)安全的根本保障，以下用電務(wù)“六大類型設(shè)備”代指上述設(shè)備。而六大類型設(shè)備中每一類型的設(shè)備又包含子系統(tǒng)或部件，每個部件都會影響到電務(wù)安全的整體狀態(tài)和發(fā)展趨勢，目前對電務(wù)安全的評價主要針對六大類型設(shè)備分別進行評價。

1.1 定義

高鐵電務(wù)安全指數(shù)是以高速鐵路電務(wù)設(shè)備為研究對象，表征電務(wù)設(shè)備運營階段狀態(tài)的安全指標體系。針對六大類型設(shè)備，每一類型的設(shè)備都為1 個分指數(shù)，每個分指數(shù)都由若干個指標合成，由于大部分的構(gòu)成設(shè)備為微電子設(shè)備，且微電子設(shè)備的故障規(guī)律基本相似，因此各分指數(shù)的指標基本相似。電務(wù)安全指數(shù)對電務(wù)安全進行定量評價，為保障電務(wù)設(shè)備安全可靠運行提供理論支撐。

1.2 意義

構(gòu)建高鐵電務(wù)安全指數(shù)指標體系，定期開展全國高鐵線路的安全測算，跟蹤分析全國高速鐵路電務(wù)安全狀況及變化趨勢，針對高鐵電務(wù)安全保障的薄弱環(huán)節(jié)，提出改進相關(guān)工作的建議，為相關(guān)部門對故障的防范、對設(shè)備做出相應(yīng)的維修決策提供參考，能夠不斷提升高鐵電務(wù)安全保障能力，以保證高速鐵路電務(wù)設(shè)備安全可靠運行。

通過編制高鐵電務(wù)安全指數(shù)，可以用統(tǒng)一的評價標準，全面地反映不同地區(qū)線路的高鐵電務(wù)設(shè)備安全狀況，可以在不同線路之間橫向比較，也可對同一條線路在不同時期進行縱向比較，最大限度地發(fā)揮指數(shù)的作用。高鐵電務(wù)安全指數(shù)的相關(guān)研究，對長期評價高鐵電務(wù)設(shè)備的運營狀態(tài)具有重要意義。

電務(wù)工作是一項專業(yè)性、綜合性都較強的工作，公眾對電務(wù)的發(fā)展狀況認知相對有限，采用一個簡潔的指數(shù)表征電務(wù)安全，有利于公眾進一步認識和理解電務(wù)工作。同時，建立并不斷完善高鐵電務(wù)安全指數(shù)，也為構(gòu)建我國鐵路整體的運營安全指數(shù)體系提供基礎(chǔ)。

2 高鐵電務(wù)安全指數(shù)指標體系的構(gòu)建

2.1 總體框架

參考借鑒國內(nèi)外相關(guān)指數(shù)構(gòu)建方法，采取目標層、準則層、指標層的結(jié)構(gòu)框架［8-10］。目標層為高鐵電務(wù)安全指數(shù)；準則層也是分指數(shù)層，根據(jù)實際情況需要，選取高鐵電務(wù)設(shè)備的主要組成部分進行研究，圍繞不同的方面進行分指數(shù)設(shè)置；指標層包括影響高鐵電務(wù)安全的若干基礎(chǔ)指標，每個指標均對應(yīng)準則層的1個分指數(shù)。

2.2 準則層選取

準則層主要圍繞高鐵電務(wù)設(shè)備的重要組成部分——電務(wù)六大類型設(shè)備進行研究，每一類設(shè)備均為1 個分指數(shù)，每個分指數(shù)分別對應(yīng)指標層的幾個具體指標。

2.2.1 車載設(shè)備

我國高速鐵路列控車載設(shè)備主要包括CTCS3-300T型列車超速防護系統(tǒng)（ATP）車載設(shè)備、CTCS3-300H型ATP 車載設(shè)備、CTCS3-300S 型ATP 車載設(shè)備、CTCS2-200C 型 ATP 車載設(shè)備、CTCS2-200H 型 ATP 車載設(shè)備等。

2.2.2 地面設(shè)備

我國高速鐵路信號地面設(shè)備主要包含以下4類：

（1）信號基礎(chǔ)設(shè)備：主要包括信號機、道岔、軌道電路、電源、電纜電線等。

（2）列控地面設(shè)備：主要包括列控中心（含地面電子單元LEU）、臨時限速服務(wù)器（TSRS）、無線閉塞中心（RBC）、應(yīng)答器等。

（3）計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)。

（4）CTC系統(tǒng)。

2.2.3 通信設(shè)備

我國高速鐵路商用通信設(shè)備主要包括機車綜合無線通信設(shè)備（CIR）；鐵路專用全球移動通信系統(tǒng)（GSM-R）設(shè)備，如基站、核心網(wǎng)交換機、通用無線分組業(yè)務(wù)（GPRS）服務(wù)器等；骨干通信網(wǎng)設(shè)備，如光纜、同步數(shù)字傳輸體制（SDH） 設(shè)備、光傳送網(wǎng)（OTN）設(shè)備等；數(shù)據(jù)網(wǎng)，如交換機、路由器、網(wǎng)管系統(tǒng)等。

2.3 指標層選取

高鐵電務(wù)設(shè)備大部分為微電子設(shè)備，故障發(fā)生具有隨機性，根據(jù)前期研究的大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計和經(jīng)驗分析，微電子設(shè)備的故障受部件壽命影響較大，因此選擇“開通運行時間”為其中1個指標。

事故的發(fā)生情況是衡量運營安全的一個重要指標，掌握事故情況、分析事故規(guī)律和總結(jié)經(jīng)驗教訓，才能采取針對性措施加以預(yù)防，減少事故的發(fā)生。根據(jù)《鐵路交通事故應(yīng)急救援和調(diào)查處理條例》規(guī)定，對我國鐵路事故進行分類和等級劃分，指標層設(shè)置“發(fā)生事故等級”指標。

只考慮事故的類型、人員受害程度、傷亡人數(shù)以及事故責任等事故情況，而沒有考慮隱患的影響是不全面的，實際上隱患對于安全有著不容忽視的影響，因此設(shè)置“發(fā)生故障數(shù)量”指標。

受到部分數(shù)據(jù)不完整和保密等問題影響，在指標層的基礎(chǔ)指標選擇上，暫時只選擇開通運行時間、發(fā)生故障數(shù)量和發(fā)生事故等級3個基礎(chǔ)指標進行研究。

2.4 準則層和指標層的權(quán)重設(shè)置

關(guān)于準則層和指標層的權(quán)重方面，在充分梳理和借鑒其他相關(guān)指標體系權(quán)重的思路和方法基礎(chǔ)上，結(jié)合高鐵電務(wù)安全指數(shù)自身含義，采取會議研討和函詢的方式，廣泛征求電務(wù)領(lǐng)域?qū)＜液托姓藛T的意見。在準則層的分指數(shù)設(shè)置上，由于車載設(shè)備、列控地面設(shè)備和計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)對行車的安全有著至關(guān)重要的影響，其分指數(shù)的權(quán)重設(shè)置較大。而信號基礎(chǔ)設(shè)備、CTC 系統(tǒng)和通信設(shè)備一般不會導(dǎo)致行車事故，且通信設(shè)備故障不影響行車安全，CTC 系統(tǒng)故障主要短時影響行車調(diào)度指揮，信號基礎(chǔ)設(shè)備受室外環(huán)境和自然災(zāi)害的影響較大，故障多為機械故障，一旦發(fā)生故障能通過其他系統(tǒng)進行提示，一般不會直接影響行車安全，因此以上分指數(shù)的權(quán)重設(shè)置相對較小。指標層的各分指標對于總指標的影響程度不分伯仲，任何1個指標都對行車安全有影響，因此各指標的權(quán)重相等。高鐵電務(wù)安全指數(shù)體系架構(gòu)及各指標權(quán)重見表1。

表1 高鐵電務(wù)安全指數(shù)體系架構(gòu)及各指標權(quán)重

3 高鐵電務(wù)安全指數(shù)

3.1 計算公式

基于上述研究與分析，構(gòu)建高速鐵路電務(wù)安全指數(shù)（High-speed Railway Electricity Safety Index，HRESI），該指數(shù)由車載設(shè)備、信號基礎(chǔ)設(shè)備、列控地面設(shè)備、計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)、CTC 系統(tǒng)、通信設(shè)備6 個分指數(shù)構(gòu)成，分別表征每條線路上的車載設(shè)備、信號基礎(chǔ)設(shè)備、列控地面設(shè)備、計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)、CTC 系統(tǒng)、通信設(shè)備安全狀況，每個分指數(shù)都根據(jù)設(shè)備的開通運行時間、發(fā)生故障數(shù)量和事故情況進行加權(quán)計算得出，綜合反映高鐵電務(wù)安全情況，安全指數(shù)數(shù)值越大，發(fā)生故障概率越小，表明安全性越高。其計算公式為：

式中：Et為各設(shè)備的開通運行時間系數(shù)；Ea為事故類型系數(shù)；Ef為故障系數(shù)；Em為線路里程系數(shù)；k為車載設(shè)備、地面設(shè)備以及通信設(shè)備中發(fā)生故障的設(shè)備類型總數(shù)，如k=6；n為線路上某類設(shè)備發(fā)生的事故件數(shù)；Eti、Efi、Eaj及Etj均為根據(jù)指標類型及設(shè)備類型加權(quán)后的系數(shù)；Eti、Efi分別為第i類設(shè)備的開通運行時間系數(shù)、故障系數(shù)；Eaj為第i類設(shè)備的第j個事故的事故類型系數(shù)；Etj為第i類設(shè)備發(fā)生第j個事故時的開通運行時間系數(shù)。

3.2 系數(shù)賦值

3.2.1 開通運行時間系數(shù)

在設(shè)備剛開始使用時，由于元器件設(shè)計、材料、制造和安裝過程中的缺陷等原因，失效率較高，表現(xiàn)為早期故障，在此時期對元器件故障原因必須盡早發(fā)現(xiàn)并消除，才能使故障率降低。當排除了所有能排除的缺陷后，元器件或系統(tǒng)的失效率近似保持不變，進入偶然故障期。對于元器件而言，此時處于最佳工作狀態(tài)，并希望失效率盡可能低于要求值，而且希望這一時期的持續(xù)時間盡可能長。但是隨著使用時間的增加，元器件和系統(tǒng)開始老化，進入損耗故障期。這3個時期的曲線連接在一起，形狀與浴盆特別相似，稱為浴盆曲線［11］。

根據(jù)前期大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計和研究發(fā)現(xiàn)，各典型高鐵線路的開通時間與高鐵電務(wù)故障發(fā)生情況的關(guān)系與浴盆曲線的形狀極為相似。在剛開通運營初期故障相對較多，隨時間增長故障發(fā)生下降；基本最晚到2 年左右時間故障發(fā)生趨于平穩(wěn)；但由于電務(wù)方面維護技術(shù)和管理水平都在提升，實際線路數(shù)據(jù)中，運行達到或接近10 年的線路，浴盆曲線的第3 階段尚未出現(xiàn)。因此假設(shè)10 年后才會出現(xiàn)浴盆曲線的第3 階段，那么目前研究第3 階段的賦值是暫時的，后續(xù)將根據(jù)實際數(shù)據(jù)情況進行優(yōu)化。根據(jù)以上分析對開通運行時間系數(shù)進行賦值，具體情況見表2 （其中：t為運行時間，年）。

表2 設(shè)備的開通運行時間系數(shù)Et賦值

3.2.2 事故類型系數(shù)

事故的發(fā)生情況是衡量運營安全的一個重要指標，《鐵路交通事故應(yīng)急救援和調(diào)查處理條例》對我國鐵路事故進行了分類和等級劃分。根據(jù)各類型事故的嚴重程度和影響范圍，對事故類型系數(shù)進行3 個層級的賦值，具體賦值情況見表3。

表3 事故類型系數(shù)Ea賦值

3.2.3 故障系數(shù)

在考慮事故類型、人員受害程度、傷亡人數(shù)及事故責任等事故情況以外，還需要考慮隱患的影響。海因里希提出的“300∶29∶1 法則”，即在1 件重大的事故背后必有29 件輕度的事故，還有300 件潛在的隱患，可以應(yīng)用于此。故障的發(fā)生數(shù)量可以一定程度地反映安全隱患，因此對于故障系數(shù)，以當年線路上實際發(fā)生的故障計數(shù)。

3.2.4 線路里程系數(shù)

不同線路的開通里程有長有短，開通里程較長的線路裝備數(shù)量較多，故障發(fā)生也相對較多。由于故障系數(shù)以當年線路上實際發(fā)生的故障計數(shù)，因此設(shè)置線路里程系數(shù)，用于對指標進行一定程度的歸一化處理。若該線路里程為100 km，則線路里程系數(shù)取值100。

4 高鐵電務(wù)安全指數(shù)試算

4.1 試算對象的選取

在可獲得的數(shù)據(jù)中，高速鐵路開通運營的線路有100 余條，從這些線路中選取典型的高鐵線路進行分析。選取的基本原則為：投入運營超過5年、運營里程長、裝備數(shù)量大、故障件數(shù)較多。

結(jié)合國家鐵路改革發(fā)展布局的相關(guān)特點，選取典型線路開通時間較短和典型線路開通時間較長的2個年份作為試算的典型年份，同時對這2個年份的試算結(jié)果進行對比。

4.2 典型線路試算結(jié)果

利用已構(gòu)建的電務(wù)安全指數(shù)指標體系及相關(guān)數(shù)據(jù)，對某典型線路自開通以來的指數(shù)進行試算，其歷年電務(wù)安全指數(shù)試算趨勢見圖1。

圖1 某線路歷年電務(wù)安全指數(shù)試算趨勢

由圖1 可以看出，該線路安全指數(shù)整體呈上升趨勢。開通初期，所有設(shè)備處于協(xié)同工作磨合期，設(shè)備也處于典型的電子器件早期失效期，另外維護人員對新上設(shè)備也有一定的適應(yīng)期，因此開通前期安全指數(shù)相對較低，之后隨著設(shè)備的穩(wěn)定、維護保養(yǎng)的跟進和管理的加強，安全指數(shù)快速提升。

4.3 典型年份試算結(jié)果

利用已構(gòu)建的電務(wù)安全指數(shù)指標體系及相關(guān)數(shù)據(jù)，開展部分典型線路開通時間較短和全部典型線路開通時間較長的2 個年份作為試算年份，這2 個年份相差6年，試算結(jié)果及對比見圖2。

由圖2可以看出，在部分典型線路開通時間較短的n年安全指數(shù)中，線路1、2、3 處于開通頭2 年，電務(wù)安全指數(shù)相對較低，線路4雖然開通較久，已處于偶然失效期，但由于線路運營里程很短，任何一個因子的微小變化都會對試算的指數(shù)產(chǎn)生較大影響，因此該模型對極短線路的適應(yīng)性還有待進一步科學優(yōu)化。

圖2 n年及n+6年典型線路電務(wù)安全指數(shù)

全部典型線路開通時間較長的n+6年，大部分典型高鐵線路的安全指數(shù)都有提高，因為本年度典型線路上電務(wù)設(shè)備均已進入偶然失效期，相互之間安全指數(shù)僅有微小差異。造成這些差異的主要原因為：線路長度不同，即使相同數(shù)量的故障對不同線路的影響程度也不一樣；所處的自然環(huán)境不同，由冰雪雨等天氣影響造成的故障情況不同；維護人員技術(shù)水平不同，對有些故障類型的處理時間不同。從線路1、3、5可以看到，隨著后續(xù)管理的加強、維護人員素質(zhì)的提高，設(shè)備故障減少，指數(shù)明顯提高。特別是線路3，線路本身所處的自然環(huán)境好，自然災(zāi)害少，線路條件相對優(yōu)秀，且在n+6年處于運行最佳時期，其安全指數(shù)也處于較理想狀態(tài)。

5 總結(jié)

提出構(gòu)建電務(wù)安全指數(shù)指標體系的概念，并給出計算方法，同時選取典型的高鐵線路和典型年份進行試算，試算結(jié)果初步表明構(gòu)建的電務(wù)安全指數(shù)有一定的適用性。但是受到部分數(shù)據(jù)可獲得性的影響，在指標層的基礎(chǔ)指標選擇上，暫時只選擇開通運行時間、發(fā)生故障數(shù)量和發(fā)生事故等級3 個基礎(chǔ)指標進行研究，一些其他影響電務(wù)設(shè)備安全的因素，如行車密度、人為原因等暫未納入指標體系，這些將在后續(xù)研究中不斷細化完善。另外，對于一些元素權(quán)重指數(shù)的科學性，還需要擴大范圍進行深入研究。因此要獲得權(quán)威的電務(wù)安全指數(shù)還任重道遠，很多研究工作需要持續(xù)深入開展，爭取為探索高鐵運行安全狀態(tài)提供更多的基礎(chǔ)和參考。