列車脫軌誘因系統(tǒng)化定量分析及防控措施研究

仝鳳壯,高 亮,朱建華

(北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

目前，我國軌道交通事業(yè)快速發(fā)展，已從大規(guī)模建設(shè)階段逐步轉(zhuǎn)變?yōu)殚L期安全穩(wěn)定運(yùn)營階段，如何科學(xué)維護(hù)軌道交通運(yùn)營線路，使其長期保持高安全、高穩(wěn)定、高可靠的運(yùn)營品質(zhì)，是我國現(xiàn)階段面臨的重大科學(xué)問題.

列車脫軌作為最嚴(yán)重的軌道交通安全事故，會導(dǎo)致重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡等后果.然而，不同因素引發(fā)列車脫軌的危害程度存在很大差異，如2008年膠濟(jì)線4·28脫軌事故，造成72人死亡，100多人受傷；2010年的滬昆線脫軌事故造成19人死亡，70余人受傷；2011年甬溫線7·23脫軌事故造成72人死亡，170余人受傷；2020年3·30列車脫軌事故造成1人死亡、4人重傷、123人輕傷；2020年6月7日貴廣線動車組脫線事故未造成人員傷亡[1-5].這些傷亡數(shù)字差異表明不同脫軌誘因造成的列車脫軌事故會產(chǎn)生不同程度的危害，因此在研究列車脫軌機(jī)理及防控措施之前有必要深入了解列車脫軌事故與影響因素及脫軌后危害程度之間的復(fù)雜交互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)針對特定運(yùn)行條件下列車脫軌事故精細(xì)化防控預(yù)防策略的制定、評估和實(shí)施，最大限度地降低由列車脫軌帶來的危害.

國內(nèi)外學(xué)者針對列車脫軌因素分析做了大量研究，同時也取得了很大的成果.部分學(xué)者從列車脫軌機(jī)理角度進(jìn)行分析，提出列車脫軌防控措施，進(jìn)而在一定程度上減少了列車脫軌事故的發(fā)生[6-9]，但由于列車脫軌因素眾多，事故誘因判別相當(dāng)復(fù)雜，因而未涉及脫軌誘因與脫軌頻率、災(zāi)難程度等之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系的研究.翟婉明等[10]針對列車脫軌事故原因的復(fù)雜性，開發(fā)研制了脫軌事故智能分析支持系統(tǒng)(Intelligent Derailment Analysis Support System, IDASS)，為脫軌事故調(diào)查分析提供了新的現(xiàn)代化分析手段.譚躍進(jìn)[11]提出了社會調(diào)查方法及統(tǒng)計(jì)分析方法，為脫軌事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與定量化分析提供了理論參考.文獻(xiàn)[12]對美國華盛頓貨車脫軌數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究了主線上貨運(yùn)列車脫軌誘因?qū)ω涇嚸撥壩：Τ潭鹊挠绊懸?guī)律，發(fā)現(xiàn)脫軌次數(shù)和脫軌車輛總數(shù)分別與列車脫軌率和車輛脫軌率直接相關(guān).Anderson[13]分析了干線貨運(yùn)列車脫軌的風(fēng)險(xiǎn)，研究了貨運(yùn)列車脫軌概率與列車編組數(shù)量、列車運(yùn)行軌道和行駛距離之間的關(guān)系，得到列車越長發(fā)生脫軌事故的可能性越大的結(jié)論.Schafer等[14]總結(jié)了列車編組數(shù)量對列車編組系統(tǒng)脫軌頻率的影響規(guī)律，列車編組數(shù)量越長列車脫軌頻率越大，但是相對整個列車編組系統(tǒng)車輛脫軌率有所降低.Samantha等[15]探明了在平交道口汽車類型及列車速度對列車脫軌發(fā)生概率大小的影響，大型汽車車輛如半掛牽引車，會造成不成比例的脫軌，但車輛尺寸不影響脫軌的嚴(yán)重程度，對汽車車輛碰撞速度和列車碰撞速度的檢測表明，在較高的汽車車速和較低的列車速度下更容易發(fā)生脫軌.Liu等[16]分析了美國貨運(yùn)列車誘發(fā)脫軌因素，結(jié)果表明鋼軌斷軌是貨運(yùn)列車脫軌的主要因素.Kawprasert[17]提出了鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)定量評估方法，以確定在不同因素條件下，造成最大風(fēng)險(xiǎn)的運(yùn)輸路線和路段，識別出事故率最高的路段以及影響風(fēng)險(xiǎn)的各種因素.Schlake[18]為了降低列車脫軌頻率，對列車車載故障檢測系統(tǒng)展開了研究，旨在車輛缺陷導(dǎo)致列車脫軌事故之前及時識別故障并報(bào)警.

總結(jié)現(xiàn)有研究成果分析發(fā)現(xiàn)，從機(jī)理角度對列車脫軌進(jìn)行的研究，只考慮單一或少數(shù)影響因素，且研究成果被獨(dú)立運(yùn)用到列車安全評估中.此外，大多研究是通過對某一特定運(yùn)行條件下列車脫軌數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究特定運(yùn)營環(huán)境下列車脫軌規(guī)律并提出特定的防脫軌措施，鮮見有系統(tǒng)化定量分析脫軌時不同線型、時速以及誘因等因素交互作用對車輛脫軌特征的影響規(guī)律.

本文作者通過獲取我國鐵路系統(tǒng)1997年至2020年所發(fā)生的較大列車脫軌事故報(bào)告摘要，以高度聚合的方式獲取統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，基于多元統(tǒng)計(jì)分析法對我國近年來發(fā)生的列車脫軌事件的誘因類型、線路類型、脫軌時速及車輛脫軌后特征展開系統(tǒng)化定量分析，旨在獲得上述不同因素對列車脫軌頻率及脫軌危害程度交互作用規(guī)律.該研究可以為進(jìn)一步深入了解特定運(yùn)行條件下列車脫軌事故精細(xì)化預(yù)防策略的制定、評估和實(shí)施提供理論依據(jù)，為針對性開展列車脫軌事故誘發(fā)機(jī)理及綜合防控措施的研究提供參考.

1 列車脫軌誘因分析

1.1 列車脫軌誘因概述

列車脫軌即為列車車輪擺脫鋼軌約束，誘發(fā)列車脫軌的因素眾多，并且各種因素之間存在復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系，分析我國近年來列車脫軌事故誘因并對其進(jìn)行歸納分類，主要因素可總結(jié)為：軌道狀態(tài)不良、列車故障、列車超速、自然災(zāi)害、列車等因素，詳細(xì)劃分如表1所示，表1中，主觀人為因素(盜取鋼軌、盜取列車通信電纜、擅自改變鋼軌道岔方向等)誘發(fā)的列車脫軌單獨(dú)列為人為錯誤操作來考慮，而非主觀人為因素導(dǎo)致的列車脫軌則列為直接因素.線路不平順不包含脹軌跑道引起的方向不平順及軌距加寬引起的軌距不平順；線路不平順超限包含：軌向、高低、三角坑、復(fù)合不平順等不明因素；列車運(yùn)行狀態(tài)不良包含：車輛懸掛剛度、車輪病害等不明因素.

表1 列車脫軌因素

1.2 列車脫軌誘因敏感性分析

為系統(tǒng)量化造成列車脫軌的誘因影響規(guī)律，對不同子因素展開詳細(xì)研究，采用脫軌頻率衡量列車脫軌頻發(fā)程度，列車車輛脫軌總數(shù)綜合表征列車?yán)鄯e脫軌危害程度，平均脫軌車廂數(shù)表征單次脫軌危害程度.列車脫軌因素眾多，面對列車脫軌事故，首先展開誘發(fā)列車脫軌因素敏感性分析，通過對原始數(shù)據(jù)中相同誘因的脫軌事故進(jìn)行歸類處理，各因素脫軌事故次數(shù)與脫軌事故總數(shù)的比值表征各因素的脫軌頻率，因此獲得脫軌頻率與脫軌誘因之間的關(guān)系.列車一旦脫軌將造成巨大的人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失，因此有必要開展不同因素對列車脫軌危害程度的敏感性進(jìn)行分析.我國鐵路部門一般利用列車脫軌車廂數(shù)、傷亡人數(shù)、阻斷通行時長等參數(shù)對列車脫軌事故嚴(yán)重程度評價(jià)，為研究不同脫軌因素對列車脫軌造成的危害程度，統(tǒng)計(jì)了不同脫軌因素誘發(fā)脫軌后造成的平均脫軌車輛數(shù).脫軌車輛總數(shù)綜合說明了列車脫軌誘因所帶來的累計(jì)危害程度，因此，對不同因素下累計(jì)脫軌車輛數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.針對脫軌誘因造成的脫軌頻率、事故嚴(yán)重程度與累積危害程度統(tǒng)計(jì)情況如表2所示.

由表2可知，誘發(fā)列車脫軌頻率敏感性較強(qiáng)的前五位因素分別為：山體滑坡、追尾脫軌、人為錯誤操作、脹軌跑道、線路不平順超限.其原因是隨著我國鐵路系統(tǒng)自動化水平不斷提高，列車運(yùn)行安全控制精細(xì)化程度也在提升，常規(guī)的列車脫軌誘因得到很大程度上防控，而山體滑坡受降雨、地質(zhì)條件等多種因素影響，災(zāi)難發(fā)生具有隨機(jī)性，控制難度較大，因此由于自然災(zāi)害因素誘發(fā)列車脫軌概率位居前列.危害程度位于前五位的分別為：制動失效、曲線超速、脹軌跑道、線路不平順超限、橫風(fēng)，其中列車制動失效造成的列車脫軌事故危害程度最大，其原因是列車制動裝置失效導(dǎo)致列車放飏，一旦脫軌則造成的事故危害程度極大.由脹軌跑道和山體滑坡造成列車脫軌的累計(jì)脫軌車輛數(shù)最大，線路不平順超限次之，由此可以分析出這三種因素導(dǎo)致脫軌后對旅客安全及經(jīng)濟(jì)損失造成的巨大損失不容忽視.

表2 脫軌因素?cái)?shù)值表

同時考慮列車脫軌頻率及危害程度，綜合分析不同因素對列車脫軌的影響規(guī)律，如圖1所示，圖1中橫軸為列車脫軌頻率，縱軸為列車脫軌危害程度，為便于比較不同原因的相對頻率和危害程度，根據(jù)平均脫軌概率及平均脫軌危害程度將該圖分為四個象限，平均脫軌概率計(jì)算式為

圖1 我國列車脫軌頻率及危害程度

(1)

式中：Pi為各因素下列車脫軌頻率；N為脫軌誘因總數(shù).

平均脫軌危害程度計(jì)算式為

(2)

式中：Hi為各因素下列車脫軌危害程度；N為脫軌誘因總數(shù).

第一象限的脹軌跑道、線路不平順超限引發(fā)列車脫軌，最有可能造成最大的事故風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樗鼈兠撥夘l率更頻繁、每次脫軌造成的危害相對更嚴(yán)重.位于第二象限的制動失效、曲線超速、橫風(fēng)三個因素較為重要，因?yàn)橛稍撊N原因產(chǎn)生的脫軌事件的平均嚴(yán)重程度很高，一旦由這三種因素誘發(fā)列車脫軌將造成災(zāi)難性的事故.位于第四象限的山體滑坡脫軌概率最高，并且其脫軌影響程度也接近平均值.由此可以分析出，應(yīng)針對山體滑坡、脹軌跑道、線路不平順超限、制動失效、曲線超速等因素開展列車脫軌事故誘發(fā)機(jī)理及防控措施的深化研究.

2 列車脫軌特征研究

2.1 列車脫軌的速度特征

將不同速度范圍內(nèi)誘發(fā)列車脫軌事故的不同因素進(jìn)行比較，如表3所示，由于脫軌時速度范圍在120 km/h以上的脫軌事故僅發(fā)生了兩起，分別是4·28膠濟(jì)鐵路列車相撞重大事故與7·23溫州動車追尾脫軌重大事故，這兩起事故誘發(fā)脫軌因素單一，因此并未在表中表明.由表3可知，脫軌速度在40～80 km/h范圍及80～120 km/h范圍內(nèi)列車脫軌誘因相對復(fù)雜多樣，而脫軌速度在0～40 km/h范圍內(nèi)列車脫軌誘因相對較少，該速度范圍內(nèi)誘發(fā)脫軌的因素不包含脹軌跑道及軌道不平順超限等，其原因是當(dāng)列車以運(yùn)行較低的速度通過軌道不平順超限及脹軌地段，極少造成列車脫軌事故.山體滑坡導(dǎo)致列車脫軌事故發(fā)生的速度大多在40 km/h以上的范圍內(nèi)，其原因是當(dāng)列車以較低的車速經(jīng)過山體滑坡地段，列車司機(jī)通過瞭望路況，可以有足夠時間對列車采取應(yīng)急措施來避免列車脫軌事故的發(fā)生.因此，在研究列車脹軌跑道、軌道不平順超限、山體滑坡等因素對列車運(yùn)行安全性影響時，需要將列車運(yùn)行速度設(shè)置在40 km/h以上.

表3 不同速度范圍內(nèi)累積脫軌車輛數(shù)

2.2 列車脫軌的線路類型特征

不同的線路類型具有不同的運(yùn)行功能，因此可能造成不同的事故類型及后果，例如過岔超速引起的列車脫軌僅發(fā)生在岔線區(qū).因此，需要對不同線路條件下列車脫軌因素進(jìn)行細(xì)化研究，不同線路類型上列車脫軌因素影響如圖2所示.由圖2可知，發(fā)生在直線段脫軌的因素最多，其中由直線段山體滑坡、線路不平順、脹軌跑道三種因素造成列車脫軌的累計(jì)脫軌車輛數(shù)較多.車站區(qū)脫軌誘因包含列車制動失效、溜逸、追尾等，其中列車制動失效造成的列車脫軌影響最大，其原因是列車在進(jìn)站過程中，制動裝置使用頻繁，造成制動裝置失效概率增大；而列車溜逸次之，造成列車溜逸的原因是列車進(jìn)站?？亢?，未啟動制動裝置，引發(fā)列車溜滑，撞擊后方已停車輛最終造成脫軌事故.在曲線段主要由軌距加寬、曲線超速、山體滑坡三種因素造成列車脫軌，其中軌距加寬及曲線超速兩種因素僅發(fā)生在曲線段，其原因是當(dāng)列車進(jìn)入曲線段后，鋼軌在輪對反復(fù)橫向沖擊作用下引發(fā)軌道失穩(wěn)，軌距加大導(dǎo)致輪對脫軌.另外為保證列車安全通過曲線段，在曲線設(shè)計(jì)過程中會根據(jù)曲線要素及通過速度設(shè)置合理的曲線超高，當(dāng)列車超速通過曲線時，列車自身重力及所受摩擦力合力不能提供列車所需的向心力，因此列車發(fā)生離心運(yùn)動誘發(fā)脫軌.而有誘發(fā)道岔區(qū)列車脫軌的主要因素為過岔超速、道岔結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、人為破壞及道岔故障，其中超速過岔大多是由于信號故障、列車司機(jī)臆測等原因造成，道岔結(jié)構(gòu)失穩(wěn)通常是由于列車在過岔時輪軌產(chǎn)生較大的側(cè)向沖擊造成道岔結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，誘發(fā)列車脫軌.

圖2 不同線路類型上累積脫軌車輛數(shù)

2.3 車輛脫軌編組位置特征

調(diào)研不同脫軌事故發(fā)現(xiàn)，不同列車脫軌誘因所引起的車輛脫軌所在整體編組的機(jī)位數(shù)存在很大差異，然而機(jī)車車輛部門為限制鐵路車輛脫軌后偏離軌道的程度，最大限度地減輕脫軌的后果，通常設(shè)計(jì)可安裝在轉(zhuǎn)向架上的限制裝置，以倒L型限制裝置及懸掛止擋為主，用來限制車輛在脫軌過程中的側(cè)向位移，但是限制裝置安裝的位置及數(shù)量直接影響最終防護(hù)效果[19].為綜合考慮防脫軌裝置安裝的安全性、經(jīng)濟(jì)性，需要對整個編組中列車脫軌車輛所處的位置特征與不同脫軌誘因之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行量化分析.不同事故誘因下車輛脫軌位置特征如圖3所示，圖3中利用車輛脫軌位置因數(shù)來表征脫軌車輛位于整個編組的位置，其中車輛位置系數(shù)為0則表示脫軌車輛位于編組頭部，車輛脫軌位置系數(shù)為1則表示脫軌車輛位于編組尾部.通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)獲取車輛脫軌的位置系數(shù)，結(jié)合列車編組數(shù)目可以得出發(fā)生脫軌車輛具體編組位置，為進(jìn)一步精細(xì)化加強(qiáng)車輛防脫軌措施提供指導(dǎo).由圖3可知，不同的脫軌誘因?qū)е旅撥壾囕v所在編組位置特征存在很大差異，山體滑坡、追尾及人為因素導(dǎo)致列車脫軌位于第一位的機(jī)車脫軌概率最大，機(jī)后位次越靠車尾則脫軌的概率越低，因此應(yīng)著重考慮通過防脫軌裝置的設(shè)計(jì)與研發(fā)來降低前幾位機(jī)車及車輛脫軌概率.而線路不平順超限、曲線超速、軌距加寬等脫軌誘因，更易造成位于編組中間的車輛發(fā)生脫軌事故，這幾項(xiàng)列車脫軌事故誘因需要結(jié)合改良軌道幾何狀態(tài)措施來降低列車脫軌概率.

圖3 不同誘因車輛脫軌位置特征的關(guān)聯(lián)性

3 列車脫軌事故預(yù)防策略

我國鐵路養(yǎng)修部門在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)或研究成果中總結(jié)了一系列的防脫軌措施，例如，軌道幾何檢查和維護(hù)通?；谝恍┛蓽y量的指標(biāo)，其中軌道質(zhì)量指數(shù)(Track Quality Index，TQI)，車載檢測系統(tǒng)旨在識別并在車輛缺陷導(dǎo)致事故之前報(bào)警，但是這些技術(shù)和措施并不能百分之百地有效地防止列車脫軌事故的發(fā)生.綜合考慮脫軌頻率與脫軌車輛數(shù)，對不同列車脫軌誘因敏感性展開了分析，通過列車脫軌誘因敏感性分析，可以最大化實(shí)現(xiàn)預(yù)防列車脫軌措施的有效性.列車脫軌誘因敏感性分析是實(shí)現(xiàn)資源合理配置，以最經(jīng)濟(jì)有效的方式減少列車脫軌事故發(fā)生的關(guān)鍵，為進(jìn)一步高效開展列車脫軌防控措施的研究指明了方向.各針對性的預(yù)防策略如下：

1)山體滑坡對列車脫軌概率敏感性最強(qiáng)，需要針對該誘因展開相應(yīng)的防控措施，由于地形原因在多降水的情況下邊坡容易發(fā)生擾動，進(jìn)而出現(xiàn)山體滑坡，嚴(yán)重威脅列車運(yùn)行安全，因此在降雨頻繁地區(qū)的路塹及隧道口地段加設(shè)軌道中心副軌或者護(hù)軌等裝置用以限制列車脫軌不偏離軌道.

2)溜逸及制動失效多發(fā)生在車站區(qū)，因此除了對列車加強(qiáng)制動裝置的日常檢修外，還應(yīng)在車站區(qū)間設(shè)置針對性的溜逸及制動失效防護(hù)設(shè)施，以減少車站區(qū)內(nèi)的脫軌事故.

3)軌距加寬多發(fā)生在曲線區(qū)段，建議養(yǎng)修過程中加強(qiáng)對曲線段軌距加寬病害的巡檢，及時維修.

4)脹軌跑道引發(fā)列車脫軌的頻率及危害程度較大，特別是無縫鋼軌在南方高溫條件下，會產(chǎn)生較大的溫度力，容易造成鋼軌失穩(wěn)形成脹軌跑道，因此，鐵路養(yǎng)修部門應(yīng)在夏季加強(qiáng)對軌道穩(wěn)定性的狀態(tài)檢查，避免脹軌跑道現(xiàn)象發(fā)生.

5)曲線超速造成的危害程度在眾多脫軌誘因中排名前三，因此在列車經(jīng)過曲線區(qū)段前要嚴(yán)格控制列車速度，使列車以合理的運(yùn)行速度通過曲線，同時在曲線區(qū)段安裝防脫軌裝置.

6)機(jī)車車輛部門為限制鐵路車輛脫軌后偏離軌道的程度，最大限度地減少脫軌的后果，而制定了一系列脫軌后限制措施，不同限制措施的制定應(yīng)充分參考車輛脫軌位置特征來合理有效地安裝相應(yīng)限制裝置，列車脫軌位置特征如圖3所示，編組前5位車輛應(yīng)加強(qiáng)設(shè)計(jì)車載限制裝置，以降低列車脫軌后偏離軌道程度.

4 結(jié)論

1)山體滑坡、脹軌跑道、線路不平順超限、制動失效、曲線超速等因素，綜合危害程度較大，應(yīng)加強(qiáng)開展列車脫軌事故誘發(fā)機(jī)理及防控措施的深化研究.

2)軌距加寬誘導(dǎo)脫軌多發(fā)生在曲線段，超速誘發(fā)脫軌多發(fā)生在道岔區(qū)及曲線段，溜逸及制動失效多發(fā)生在車站區(qū)，應(yīng)結(jié)合列車服役的不同線路類型開展列車脫軌防控措施的研究.

3)研究脹軌跑道及軌道不平順超限因素誘發(fā)列車脫軌機(jī)理時，設(shè)定列車試驗(yàn)速度應(yīng)大于40 km/h.

4)山體滑坡引發(fā)列車脫軌敏感性較高，在降雨頻繁、地質(zhì)不良地區(qū)的路塹及隧道口地段應(yīng)加設(shè)軌道中心副軌或者副軌等裝置用以限制列車脫軌不偏離軌道，以最大限度地降低脫軌帶來的危害.

5)由車輛脫軌編組位置特征可以看出前5位車輛脫軌概率較大，應(yīng)在前5位車輛安裝用以限制列車脫軌不偏離軌道的車載裝置.

6)若實(shí)現(xiàn)列車脫軌事故預(yù)防策略進(jìn)行系統(tǒng)化優(yōu)化，還需要進(jìn)一步積累完善脫軌案例(考慮市域鐵路、城軌鐵路)數(shù)據(jù)，后續(xù)我們將開展更為完善的脫軌事故預(yù)防策略優(yōu)化研究.