基于改進(jìn)ISM-FRAM鐵路運(yùn)輸事故致因分析*

徐逸飛，帥 斌，張 玥，于耀程，尹德志，張 銳，黃文成

(1.西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 611756;2.綜合交通運(yùn)輸智能化國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611756;3.綜合交通大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611756)

0 引言

鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)是由多個(gè)子系統(tǒng)相互耦合構(gòu)成的復(fù)雜社會(huì)-技術(shù)系統(tǒng)，運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)龐大、作業(yè)環(huán)境多樣、業(yè)務(wù)性質(zhì)復(fù)雜、不確定影響因素多、作業(yè)流程各環(huán)節(jié)間耦合性強(qiáng)，易受人員失誤、車輛故障、極端環(huán)境、管理缺失等因素影響發(fā)生事故。因此，確定鐵路事故致因，保障各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合高效完成運(yùn)輸任務(wù)具有一定實(shí)踐意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者利用系統(tǒng)分析方法對(duì)鐵路事故展開研究：Chen等[1]基于Accimap分析中國甬溫鐵路事故；Ruth等[2]采用人因分析和分類系統(tǒng)(HFACS)方法研究鐵路事故致因，解釋鐵路系統(tǒng)主動(dòng)因素和潛在因素關(guān)系及事故因果路徑；Min等[3]采用事故模型(STAMP)分析中國膠濟(jì)鐵路交通事故并提出改進(jìn)措施；李佳遙等[4]提出基于事故鏈情景本體建模的推理方法，識(shí)別鐵路潛在風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)性，進(jìn)一步解釋鐵路事故致因機(jī)理；王卓等[5]采用灰色理論分析鐵路事故致因，確定不同事故類型中各風(fēng)險(xiǎn)因素主次關(guān)系。

Patriarca等[6]采用蒙特卡洛仿真上游功能輸出時(shí)間和精度概率變化；張明潔等[7]采用FRAM分析航空維修事故致因；Costantino等[8]基于FRAM風(fēng)險(xiǎn)分析優(yōu)勢，識(shí)別復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)臨界性；Lee等[9]提出基于FRAM的人機(jī)交互事故分析新方法，分析海事領(lǐng)域事故致因；Li等[10]采用事故原因分析與分類(ACAT)法改進(jìn)FRAM風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)；喬萬冠等[11]建立STEP-FRAM模型，分析煤礦重大事故致因，有效梳理事件序列(STEP)，使FRAM模型時(shí)間維度更清晰；高揚(yáng)等[12]基于 AHP與FRAM量化分析上游功能輸出和下游功能輸入表型，通過賦權(quán)表型方式確定功能模塊失效連接。

現(xiàn)有改進(jìn)FRAM均未將環(huán)境變化作為獨(dú)立功能模塊，研究與其它功能交互耦合作用，對(duì)功能可變性定量計(jì)算研究較少。本文將改進(jìn)功能共振分析方法(Functional Resonance Analysis Method,FRAM)應(yīng)用于鐵路運(yùn)輸事故致因分析，基于已有功能模塊，增加環(huán)境功能模塊，刻畫環(huán)境模塊與人員、技術(shù)、組織功能的交互耦合情況，并引入解釋結(jié)構(gòu)模型(Interpretative Structural Modeling Method,ISM)，計(jì)算各層級(jí)和各功能模塊結(jié)構(gòu)重要度，改進(jìn)區(qū)間值猶豫模糊熵，計(jì)算功能模塊變化概率，確定模塊功能可變性及耦合損失度，給出有效功能屏障設(shè)置方法，為我國鐵路事故致因分析提供理論參考。

1 鐵路事故致因分析的FRAM模型適應(yīng)性改進(jìn)

1.1 FRAM模型

FRAM功能模塊描述人員、技術(shù)和組織為完成各自職能需要履行的行為。功能共振指各功能完成自身職能同時(shí)，不斷調(diào)整自身行為以適應(yīng)工作條件變化，這種微小變化難以觀測，可視為隨機(jī)噪聲，系統(tǒng)其它部分功能變化與隨機(jī)噪聲共同作用，使微小信號(hào)被系統(tǒng)檢測到。功能共振原理示意如圖1所示。

圖1 功能共振原理

FRAM事故分析方法包括以下4個(gè)步驟：

STEP1：功能識(shí)別與功能描述。功能描述包括功能特征描述及功能關(guān)系描述，功能特征可通過功能模塊六角形模型描述[13]，如圖2所示，功能特征包括輸入I、輸出O、前提P、資源R、時(shí)間T、控制C 6個(gè)方面。

圖2 功能模塊六角形模型圖示

STEP2：識(shí)別功能變化。主要包括識(shí)別功能模塊潛在變化和實(shí)際變化。

STEP3：分析功能耦合。FRAM功能模塊耦合包括潛在耦合和實(shí)際耦合，模塊間非線性耦合形成功能共振，使模塊間鏈接斷裂，導(dǎo)致事故發(fā)生。

STEP4：功能防護(hù)與控制。提出作用于功能模塊的防護(hù)和控制措施，避免功能耦合帶來的損害。

1.2 增加環(huán)境功能模塊的FRAM模型

環(huán)境功能指系統(tǒng)中環(huán)境條件的保障，包括鐵路系統(tǒng)內(nèi)部和外部環(huán)境條件變化。環(huán)境功能模塊變化包含內(nèi)生變化和外生變化：內(nèi)生變化指環(huán)境功能模塊所處狀態(tài)的自發(fā)改變，受溫度、濕度、天氣等因素影響，內(nèi)生變化極易對(duì)人員與組織功能產(chǎn)生影響；外生變化指環(huán)境功能模塊受影響產(chǎn)生的被動(dòng)變化，人員、設(shè)備、組織功能模塊變化會(huì)引起環(huán)境功能模塊外生變化。環(huán)境功能變化影響見表1。

表1 環(huán)境功能變化影響

分析環(huán)境功能變化對(duì)下游模塊輸出影響，重點(diǎn)考察時(shí)間和精度2方面：從時(shí)間角度出發(fā)，輸出分為“過早”、“適時(shí)”、“過遲”和“未發(fā)生”4種類型，用于評(píng)判系統(tǒng)滿足環(huán)境要求的時(shí)間準(zhǔn)確性，時(shí)間相關(guān)可能輸出變化見表2；從精度角度出發(fā)，輸出分為“精確”、“可接受”和“不精確”3種類型，一般情況下輸出不易達(dá)到“精確”程度，而“可接受”程度易被管理者接受。精度相關(guān)可能輸出變化見表3。

表2 時(shí)間相關(guān)可能輸出變化

表3 精度相關(guān)可能輸出變化

2 改進(jìn)ISM-FRAM模型

2.1 模型改進(jìn)

FRAM存在多種功能相互耦合模糊不確定、無法清晰表達(dá)結(jié)構(gòu)層次和功能影響關(guān)系等問題，而ISM法[14]適用于變量眾多且結(jié)構(gòu)不清晰的復(fù)雜系統(tǒng)。因此，本文通過引入ISM法劃分FRAM功能網(wǎng)絡(luò)圖結(jié)構(gòu)層次，計(jì)算各功能模塊結(jié)構(gòu)重要度。結(jié)構(gòu)層次劃分基于FRAM功能模塊遞階層級(jí)結(jié)構(gòu)。

改進(jìn)ISM-FRAM模型主要包括以下4個(gè)步驟：

STEP1：系統(tǒng)要素分析。分析鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)功能并確定FRAM功能模塊，以FRAM功能模塊為主要因素，編號(hào)Si，Si∈{S1,S2,…,Si,…,SN}。

STEP2：建立鄰接矩陣A?；贔RAM功能網(wǎng)絡(luò)圖建立ISM關(guān)系有向圖，用N階矩陣A=[aij]表示功能模塊相互關(guān)系，N為功能模塊個(gè)數(shù)。若上游功能模塊Si輸出對(duì)下游功能模塊Sj有直接影響或直接聯(lián)系，則aij= 1，反之a(chǎn)ij= 0。

STEP3：計(jì)算可達(dá)矩陣M。對(duì)鄰接矩陣A進(jìn)行布爾運(yùn)算，得到可達(dá)矩陣M，如式(1)所示：

M=(A+I)n=(A+I)n+1≠(A+I)n-1

(1)

式中：I表示單位矩陣。

STEP4：分解可達(dá)矩陣M并建立遞階層次結(jié)構(gòu)。通過可達(dá)矩陣結(jié)構(gòu)分析，依次得到可達(dá)集R(Si)、先行集Q(Si)和共同集T(Si)。其中，可達(dá)集R(Si)表示可達(dá)矩陣M中要素Si對(duì)應(yīng)行中含有1的元素對(duì)應(yīng)列的功能集合；先行集Q(Si)表示可達(dá)矩陣M中要素Si對(duì)應(yīng)列中含有1的矩陣元素對(duì)應(yīng)行的功能集合；共同集T(Si)為可達(dá)集R(Si)與先行集Q(Si)交集。最后，按照條件T(Si)=R(Si)重復(fù)層級(jí)抽取，得到ISM-FRAM網(wǎng)絡(luò)分層。改進(jìn)ISM-FRAM事故致因分析網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 改進(jìn)ISM-FRAM事故致因分析網(wǎng)絡(luò)

2.2 ISM-FRAM網(wǎng)絡(luò)功能結(jié)構(gòu)重要度計(jì)算

基于分層網(wǎng)絡(luò)圖確定不同層級(jí)結(jié)構(gòu)重要度，并根據(jù)有向圖網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)出入度計(jì)算各功能模塊結(jié)構(gòu)重要度。

1)模型改進(jìn)指在ISM-FRAM分層網(wǎng)絡(luò)中，假設(shè)系統(tǒng)為N層，各層級(jí)用L表示，L∈{1,2,3,…,N}。假設(shè)ISM-FRAM模型各層級(jí)權(quán)重大小為ML，如式(2)所示：

(2)

2)基于節(jié)點(diǎn)出入度引入功能模塊出入度，計(jì)算各層級(jí)功能模塊結(jié)構(gòu)重要度。入度功能指向待計(jì)算功能，待計(jì)算功能指向功能為出度功能。待計(jì)算功能模塊認(rèn)為，非輸出端和輸出端具有同等級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)重要程度，各層級(jí)功能模塊結(jié)構(gòu)重要度如式(3)所示：

(3)

2.3 功能模塊可變性定量方法

功能模塊可變性指功能模塊在FRAM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中變化程度，直觀表現(xiàn)為功能模塊輸出端變化差異性大小。假設(shè)某功能模塊輸出結(jié)果與正常輸出結(jié)果偏差較大，認(rèn)為該功能模塊可變性較大，反之較小。

表4 功能變化評(píng)分

對(duì)已發(fā)生事故功能變化，根據(jù)功能模塊實(shí)際輸出情況確定；對(duì)正常運(yùn)行FRAM網(wǎng)絡(luò)，難以確定各功能變化程度概率。因此，本文通過改進(jìn)區(qū)間值猶豫模糊熵[15]計(jì)算功能模塊變化程度概率。主要包括以下4個(gè)步驟：

2)專家K對(duì)任一功能模塊i評(píng)分，得到功能模塊i時(shí)間變化范圍猶豫模糊元和精度變化范圍猶豫模糊元，如式(4)～(5)所示：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

功能模塊功能可變性Ai如式(10)所示：

(10)

定義功能耦合損失度，描述模塊發(fā)生功能耦合造成損失程度，結(jié)合ISM-FRAM結(jié)構(gòu)重要度與功能可變性，Bi如式(11)所示：

(11)

3 案例研究

3.1 改進(jìn)ISM-FRAM模型分析

列車運(yùn)行控制系統(tǒng)CTCS是軌道交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)備，包括運(yùn)輸管理層、通信傳輸層、地面設(shè)備層和車載設(shè)備層，CTCS系統(tǒng)組成如圖4所示。本文基于CTCS-2系統(tǒng)層級(jí)完成基本功能劃分，并結(jié)合事故報(bào)告和案例分析需求，進(jìn)一步完善功能模塊。功能模塊F1～F21分別代表車站終端、行車環(huán)境、列車運(yùn)行環(huán)境條件檢查、列車運(yùn)行環(huán)境條件二次檢查、調(diào)度中心終端、牽引供電、軌道電路信息傳輸、STM軌道電路信息接收、識(shí)別區(qū)間軌道占用、地面應(yīng)答器信息傳輸、BTM應(yīng)答器信息接收、 GSM-R無線通訊、列車調(diào)度控制、車站聯(lián)鎖、進(jìn)路控制、人員培訓(xùn)、D301列車出站、D301列車運(yùn)行、D3115列車出站、D3115列車運(yùn)行及D3115列車制動(dòng)，新增環(huán)境功能模塊F2。利用FRAM可視化工具FRAM Model Visualiser，將FRAM功能網(wǎng)絡(luò)圖轉(zhuǎn)換為有向圖，采用ISM劃分有向圖結(jié)構(gòu)層次，建立改進(jìn)ISM-FRAM模型事故分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示。

圖4 CTCS系統(tǒng)組成

圖5 改進(jìn)ISM-FRAM模型事故分層網(wǎng)絡(luò)分析圖

表5 功能模塊變化概率

由表6可知，環(huán)境模塊F2，人員模塊F3、F4，技術(shù)模塊F12和組織模塊F16可變性程度較大。其中，環(huán)境模塊F2變化不易觀測、輸出精度差異性較大，功能可變性最高；F3、F4可變性較高，說明工作人員安全意識(shí)與操作需進(jìn)一步規(guī)范化；F16可變性高，說明需提高人員組織與培訓(xùn)保障力度。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，上述功能模塊易與相連模塊發(fā)生功能共振，造成功能鏈接斷裂引發(fā)交通事故，需加強(qiáng)事故功能變化分析，設(shè)置有效功能屏障。將改進(jìn)ISM-FRAM模型結(jié)構(gòu)分層代入式(2)，得到網(wǎng)路層級(jí)重要度，見表7。將層級(jí)重要度與功能節(jié)點(diǎn)出入度代入式(3)，得到功能模塊結(jié)構(gòu)重要度，見表8。

表6 功能模塊可變性

表7 網(wǎng)絡(luò)層級(jí)重要度

表8 功能模塊結(jié)構(gòu)重要度

由圖5可知，事故根源層中，行車環(huán)境(環(huán)境)、車站終端(設(shè)備)和人員培訓(xùn)(人員、組織)對(duì)事故發(fā)生有根源性質(zhì)影響。事故網(wǎng)絡(luò)第8層中，行車運(yùn)行環(huán)境檢查與2次檢查模塊是列車安全運(yùn)行基礎(chǔ)條件，事故第1次檢查忽視和2次檢查失效，導(dǎo)致未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備損壞，事故預(yù)防屏障失效，第8層環(huán)境檢查信息向第7層列車調(diào)度中心傳遞時(shí)，功能鏈接斷裂；事故網(wǎng)絡(luò)第5層車站終端發(fā)現(xiàn)軌道電路功能未恢復(fù)時(shí)，兩列車均已駛?cè)胧鹿蕝^(qū)間；事故網(wǎng)絡(luò)第4層，列車與車站間無法正常通訊，D301列車軌道電路發(fā)碼異常，按照目視行車模式在區(qū)間內(nèi)運(yùn)行；事故網(wǎng)絡(luò)第3層，D3115列車按照調(diào)度中心指示發(fā)車，行車至接近D301列車所在事故區(qū)間時(shí)，車站通過通訊設(shè)備GSM-R聯(lián)系司機(jī)，但無回應(yīng)；事故網(wǎng)絡(luò)第2層，D3115次列車接收軌道電路信息顯示前方無車輛，識(shí)別區(qū)間軌道電路占用功能與下游列車制動(dòng)功能間鏈接斷裂，D3115列車未采取剎車制動(dòng)；事故表象層中，車站終端通過GSM-R聯(lián)系到司機(jī)并通知前方區(qū)間有車，D3115次列車司機(jī)采取緊急制動(dòng)不及時(shí)，導(dǎo)致事故發(fā)生。根據(jù)事故致因分析，確定功能模塊功能共振，得到事故功能共振影響及功能鏈接失效，見表9。將表5和表7計(jì)算結(jié)果帶入式(11)，計(jì)算功能變化對(duì)FRAM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)耦合損失度，見表10。

表9 功能共振影響及功能鏈接失效表

表10 功能耦合損失度

由表10可知，F(xiàn)2、F3、F4、F13和F16功能耦合損失度較大，說明上述模塊發(fā)生功能耦合時(shí)風(fēng)險(xiǎn)較大。

3.2 有效功能屏障設(shè)置

根據(jù)功能可變性與耦合損失度，篩選出鐵路事故重點(diǎn)關(guān)注功能模塊F2、F3、F4、 F13、F16，針對(duì)上述功能模塊設(shè)置有效功能屏障。

進(jìn)一步重視高速鐵路技術(shù)設(shè)備研發(fā)工作，嚴(yán)格遵循“事故導(dǎo)向安全”技術(shù)原則，進(jìn)一步加大高鐵設(shè)備研發(fā)至設(shè)備使用過程的監(jiān)管力度。

行車環(huán)境功能模塊可變性與耦合損失度相對(duì)較高。鐵路工作人員更依賴設(shè)備帶來的安全保障，忽視環(huán)境變化對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)影響；雷暴天氣難以進(jìn)行人為控制，直接針對(duì)環(huán)境模塊設(shè)置功能屏障效果不佳，為盡量避免雷電與軌道電路功能耦合，可通過調(diào)度列車?yán)@過雷擊區(qū)域線路等方式規(guī)避功能耦合。

列車運(yùn)行環(huán)境條件檢查、列車運(yùn)行環(huán)境條件二次檢查及列車調(diào)度控制屬于比較重要的人員功能模塊，模塊中人員操作受人員培訓(xùn)輸出結(jié)果直接影響。需進(jìn)一步加強(qiáng)人員培訓(xùn)力度，重點(diǎn)培養(yǎng)人員操作安全意識(shí)。

4 結(jié)論

1)改進(jìn)FRAM模型能直觀展示環(huán)境變化及環(huán)境變化與其它功能模塊交互耦合作用。

2)ISM劃分改進(jìn)FRAM功能網(wǎng)絡(luò)，可得到清晰事故流程層次，有助于進(jìn)一步理清事故發(fā)生根本原因及表象原因。

3)改進(jìn)區(qū)間值猶豫模糊熵計(jì)算功能可變性及耦合損失度，可彌補(bǔ)FRAM風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估定量分析不足；有效功能屏障設(shè)置，可提高資源利用率。