基于監(jiān)測數據挖掘的高鐵氣象災害風險評估方法研究*

包 云，高 歌，李亞群，馬 禎，陳中雷

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081；2.中國氣象局國家氣候中心，北京 100081；3.北京經緯信息技術有限公司，北京 100081)

大風、強降雨等氣象災害及其次生災害對列車運行具有重要的影響，崔新強等[1]對我國1950-2015年間鐵路沿線氣象災害及其次生災害進行了分析，得出大風、降雪、雷電、強降雨及其引發(fā)的山洪、滑坡、泥石流、塌方等次生災害是影響我國鐵路運行的主要災害，約占全部災害的 97.3% ，強降雨及次生災害占全部災害的78.0% 。另外，根據相關統(tǒng)計分析，鐵路29%的設備故障是由惡劣天氣造成的[2]。為保障高鐵列車運行安全，我國高鐵隨工程建設同步建設有高速鐵路自然災害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)[3-4](以下簡稱災害監(jiān)測系統(tǒng))，對風、雨、雪等氣象要素進行監(jiān)測，當監(jiān)測值超過閾值時進行報警，列車調度員根據報警信息進行限速或停車處置，保障災害天氣下的列車運行安全。

氣象災害風險評估是加強氣象災害認知和防御的重要手段。代娟[5]從氣象災害對高速鐵路的影響機理入手，分析制定了高鐵氣象災害風險區(qū)劃方案。崔新強等[6]采用層次分析法、專家打分法和加權綜合評價法對滬漢蓉高鐵線路暴雨災害風險區(qū)劃進行了研究。吳艷華等[7]研究了基于鐵路事故歷史數據的鐵路風、降雨、能見度等災害風險評估模型。在高鐵建設初期，也有關于高鐵強風、降雨等災害的相關特征研究[8]。高鐵災害監(jiān)測系統(tǒng)經過十余年的運行，積累的數據可作為高鐵災害風險評估的支撐，本文擬通過結合氣象災害風險評估方法和高鐵災害監(jiān)測數據研究高鐵氣象災害風險評估體系和評估方法。

1 氣象災害對鐵路的影響

影響鐵路建設及運營的氣象要素主要有大風、強降雨、降雪、溫度、雷電等,其中，以大風、強降雨、降雪的影響最大[9]。

(1)大風。風對鐵路具有重要影響。強風可摧毀鐵塔、損壞輸電線路等基礎設施；可使車體產生較大的側向力，降低列車運行穩(wěn)定性，達到臨界狀態(tài)時可能導致列車脫軌或傾覆；風攜帶卷雜的砂石可能導致列車和軌道損壞。另外，大風可能造成鐵路外部環(huán)境侵限，如大風將彩鋼板、塑料袋、風箏等異物吹入鐵路限界內、懸掛在接觸網上等影響行車秩序，甚至造成列車運行中斷等。

(2)降雨。降雨對鐵路具有顯著的影響，尤其是對普速鐵路。降雨易引發(fā)洪水，連續(xù)降雨和突發(fā)性暴雨可能導致路堤及地基失穩(wěn)，易產生塌陷和路堤溜坍，隧道襯砌變形開裂、掉塊和隧道積水等病害[9]，可能造成路基、橋梁、電力等基礎設施的損毀。降雨尤其暴雨是滑坡、泥石流等災害的重要觸發(fā)因素，降雨引發(fā)的滑坡、泥石流、崩塌等次生災害易造成異物侵限，導致列車運行中斷、脫軌等事故，威脅列車運行安全。

(3)降雪。降雪主要影響列車運行，積雪過深可能導致列車無法正常運行；積雪可能夾在道岔中間，使道岔無法轉向；降雪結冰后，冰雪覆蓋使軌道表面更加光滑，摩擦力減小，容易引發(fā)事故；冰雪可能導致供電線路上電線積冰，影響正常供電。另外，過厚的冰雪使供電線路桿塔不堪重負而損壞，造成較大范圍斷電等；另外，低溫降(雨)雪導致的結冰還會對通信信號、線路行車設備造成破壞，使設備無法正常工作，車底覆冰融化后可能打壞地面信號設備等。

(4)溫度。高溫和低溫對鐵路均有重要的影響。高鐵由于全線鋪設無縫鋼軌，高溫使無縫線路長鋼軌的縱向壓力增大，可能發(fā)生漲軌跑道事故。另外，高溫可能導致軌道板翹曲變形造成軌道板與砂漿之間的離縫等病害。低溫會產生路基凍脹等基礎設施病害，低溫雨雪天氣容易使接觸網等設備覆冰，影響行車安全。

(5)雷電。雷電易引起接觸網設備損壞或線路跳閘、列車失電，中斷運輸。另外，雷電對列車信號系統(tǒng)也有一定的影響，雷電電磁脈沖易造成信號系統(tǒng)的故障等。

(6)其他氣象災害。沙塵暴、干旱等其他氣象要素對鐵路也有一定的影響[9]。

2 鐵路氣象災害風險分析

鐵路氣象災害是由于異?；驑O端天氣超出鐵路承災體正常運營的承受能力從而產生災損的事件。鐵路氣象災害風險分析是研究發(fā)生在鐵路沿線的氣象災害可能對鐵路系統(tǒng)產生的破壞和損失，區(qū)別于公路、水路等交通方式[10]，鐵路以鐵軌為導向，分布于我國廣袤的地區(qū)，線廣面大。而氣象災害具有發(fā)生頻率高、分布面廣的特點，因此，氣象災害對鐵路具有顯著的影響。鐵路氣象災害風險是因氣象致災因子的危險性及其與鐵路特殊承災體易損性相互作用而造成可能的損失。致災因子和承災體是風險產生和存在的兩個必要條件。致災因子危險性一般用災害的強度和災變頻率(或災變可能性)度量，承災體易損性一般由承災體暴露性和脆弱性度量，脆弱性一般采用承災體災損敏感性和防災減災能力度量，防災減災能力一般又包含應對能力和重建能力。鐵路氣象災害風險評估因素構成如圖1所示。

圖1 鐵路氣象災害風險評估因素

2.1 鐵路氣象災害風險評估因子的選擇

建立災害風險評估指標體系是進行災害風險評估的前提，在進行鐵路氣象災害風險分析時，鐵路作為特定承災體，致災因子危險性、脆弱性及物理暴露等指標都與氣象災害風險評估不同。由于鐵路呈線(帶)狀布局，致災因子的危險性更關心對鐵路線(帶)狀分布的基礎設施和線上運行的列車等的影響，承災體包括線、站、橋、隧、涵等基礎設施以及動車組、客車、貨車等移動裝備。

2.1.1 致災因子危險性

災害風險評估首先要確定危險源，即氣象致災因子。風、雨、雪、溫度、雷電等均會對鐵路建設及運行造成影響，本文重點關注對列車運行的影響，選取對列車運行影響較大的風、雨、雪氣象要素進行研究。致災因子的危險性主要考慮各要素出現(xiàn)的頻率、強度及持續(xù)時間。

目前高鐵主要采用瞬時風速進行大風報警，具有時空精細化程度高的特點，能很好的反映沿線大風對高鐵運行的可能影響及危害。根據鐵路技術管理規(guī)程(高速鐵路部分)[11]，大風天氣下行車規(guī)定如表1所示，可選擇不同等級大風報警次數、持續(xù)時間作為大風危險性指標。

表1 大風天氣下行車規(guī)定

降雨、降雪對鐵路的影響是一個積少成多的過程，其影響程度主要取決于降雨、降雪的頻率、強度和持續(xù)時間[5]，可以選擇降雨報警次數、降雨報警持續(xù)時間、累計降雨量和降雪報警次數、降雪報警持續(xù)時間、積雪深度等作為危險性分析的指標。

2.1.2 承災體易損性

承災體易損性從承災體暴露性和脆弱性兩方面衡量。

(1)承災體的暴露性。暴露性是承災體可能受到的氣象危險因子威脅的所有人和財物，鐵路線路類型和線路長度、車站類型和數量、路網密度、列車類型和開行數量、客運量等均可作為表征承災體暴露性的指標，暴露性越大，災害風險越大。

(2)承災體的脆弱性。脆弱性是衡量承災體遭受一定災害打擊損害損失的程度，一般利用災情數據構建承災體脆弱性指標[12],可以用鐵路氣象歷史災情數據反映鐵路在遭受災害時的脆弱性，包括歷史災害次數、災害中斷行車時間、人員傷亡、經濟損失等。承災體脆弱性又可以通過孕災環(huán)境敏感性和防災減災能力來表示。

孕災環(huán)境是形成災害的場所或環(huán)境條件，高鐵大風災害與地形地貌、地質條件、軌道類型、動車組類型等有關。雨雪等災害還與地形地質、水系、植被等環(huán)境因素有關。高鐵一般采用高架橋設計，在路基地段受降雨影響較大，可選擇路基占整條線路的比例作為孕災環(huán)境因子。因此，根據氣象災害對高鐵的影響機理，大風影響主要選擇地形、車型等因素作為敏感性指標；降雨影響主要選擇路基所占比例及路基地段高程、高差、坡度、地質(土壤、巖石等)類型、植被覆蓋率等環(huán)境因子作為敏感性評估指標體系；降雪影響主要選擇線路地理位置(0°等溫線以北等)等作為敏感性評估指標。

防災減災能力是受災區(qū)對氣象災害的抵御和恢復能力，包括應急管理能力、減災投入、資源儲備等[5]。在對公路等災害風險評估中，防災減災能力一般取決于影響區(qū)域的社會經濟水平，如地均GDP、人均GDP及當地政府的投入預算等。由于鐵路特殊的行業(yè)屬性，防災減災能力更多依賴行業(yè)內部管理及資源調配。各線路防災設施的配置(如災害監(jiān)測點建設數量、擋風墻設置等)、災害應急響應機制能力等一定程度上體現(xiàn)了防災能力，因此，選擇高鐵災害監(jiān)測點建設數量、擋風墻配置情況、災害應急響應及災害重建能力作為防災減災能力評估因子。

綜上所述，建立高鐵風、雨、雪等氣象災害風險評估指標體系如圖2所示。

需要說明的是，承災體脆弱性與孕災環(huán)境敏感性及防災減災能力并不獨立，孕災環(huán)境敏感性和防災減災能力一般較難以定量刻畫，而承災體脆弱性相關指標有時較易統(tǒng)計，因此，評估指標選取可根據指標值獲得的難易程度進行選擇。

圖2 高鐵氣象災害風險評估指標體系

2.2 鐵路氣象災害風險評估方法

氣象災害的風險度R是災害的危險度(h)和承災體易損度(v)的邏輯乘[13]：

R=f(h,v)=Hh∩Vb。

(1)

式中：Hh是致災因子的危險性，Vb是承災體的易損性 。

對于同一風險源，如大風，不同承災體(車站、動車、線路、通信設施等)的物理暴露性、脆弱性、防御風險的能力以及不可防御的風險不同，因此，鐵路災害風險分析需要針對每類承災體進行評估。災害對第i種承災體的風險計算模型如下：

Rdi=Hh∩{Ei·Vdi·[ai+(1-ai)(1-Cdi)]},(i=1,2,…n)。

(2)

式中：Ei是第i種承災體的物理暴露性，Vdi表示第i種承災體災損敏感性，Cdi是對第i種承災體防災減災能力，包括防災、抗災救災和災后重建能力，防災減災能力越強，承災體的脆弱性越弱。ai為第i種承災體不可防御的風險。

總風險為該區(qū)域范圍內所有的承災體風險之和：

(3)

對于多種災害的綜合評估一般選擇層次分析法、熵權法、灰色關聯(lián)度法以及定性和定量相結合的混合評價方法[14-15]。由于災害影響一般較難以完全定量計算，一般采用定性和定量結合的方法。對于單一災害的評價一般采用層次分析法、灰色關聯(lián)度、模糊綜合評價等方法[6,10，14-16]。

表2 高鐵大風災害風險評估指標

3 案例分析

下面以大風對運營期高鐵列車運行影響的災害風險評估為例，建立大風災害對列車運行影響的風險評估指標體系。大風致災因子危險性從大風強度、報警頻率和報警持續(xù)時間三個方面考慮，大風強度包含一、二、三、四個等級，大風報警次數和報警持續(xù)時間可用大風報警累計持續(xù)時間表示。承災體暴露指標主要考慮了列車開行對數，脆弱性從大風影響(晚點、中斷)列車運行時間、人員傷亡和經濟損失等方面考慮，建立高鐵大風災害評估指標如表2所示。

對于某一線路，列車開行對數可以根據運行圖數據獲得，大風災害影響行車時間可根據列車到發(fā)時刻進行有針對性的統(tǒng)計，下面重點分析大風危險性，通過下式計算高鐵第i個風監(jiān)測點大風致災因子危險性指數。

(4)

式中：Hi為第i(i=1,2,…,n)個監(jiān)測點大風危險性指數，pij為第i個監(jiān)測點第j(j=1,2,…,m)等級大風報警累計持續(xù)時間占所有監(jiān)測點累計報警持續(xù)時間的比重，wj為第j等級大風致災因子危險性指標權重，通過歷年高鐵沿線大風報警數據的統(tǒng)計，采用熵權法[16]計算不同等級大風致災因子危險性評估指標權重，具體計算方法為：

(5)

(6)

則第j個指標的熵權為：

(7)

根據某區(qū)域3條線路風報警數據計算的大風四級報警指標的熵權值如表3所示，該區(qū)域三條線路風報警數據為開通運營至2021年6月的數據，線路1為3年的數據，線路2為2.5年的數據，線路3為5年的數據。3條線路列車運行情況如表4所示，由于列車晚點影響因素眾多，基于列車晚點數據，在沒有針對性的統(tǒng)計情況下，一般較難以區(qū)分列車晚點原因，因此，根據各線路大風報警次數類比得出大風導致的列車晚點系數。假設單條線列車運行速度是均值，列車晚點時間按照各監(jiān)測點大風報警次數分布于各監(jiān)測點限速的區(qū)間，某一監(jiān)測點的影響范圍為該監(jiān)測點與上一監(jiān)測點中心至下一監(jiān)測點中心的區(qū)間。危險性指標權重采用熵權法計算，脆弱性和準則層指標采用專家打分法確定，指標及權重值如表5所示。

表3 3條線路大風危險性評估指標權重

表4 線路基本情況

對各指標進行歸一化處理，采用加權綜合評價法[6]計算各區(qū)段的風險值，將風險分為高、較高、中、較低、低五個等級，結合線路隧道等情況，對風險進行區(qū)劃，結果如圖4所示。從圖4中可以看出，線路1的東部區(qū)段、線路2的北段受大風影響較為嚴重，是大風災害防范的重點區(qū)段，線路3整體受大風影響較小。

表5 大風災害風險指標及權重

圖4 大風風險區(qū)劃示例

基于以上方法，可進行高鐵雨、雪等災害風險區(qū)劃。與基于氣象歷史觀測數據的災害風險分析[17]相比，由于基于鐵路氣象要素歷史監(jiān)測數據的氣象災害風險分析對風、雨、雪等要素的反映更加細致，尤其是大風，監(jiān)測秒級風速風向，因此，更能代表鐵路沿線氣象要素的特征，有助于災害的精細化監(jiān)測，監(jiān)測資源有針對性的配置和優(yōu)化調整，鐵路沿線氣象災害有的放矢的防御。而基于氣象部門觀測數據的鐵路沿線氣象災害風險分析可為無鐵路沿線監(jiān)測資料情況下的鐵路選線等設計服務。

4 結語

(1)風、雨、雪、溫度、雷電等災害對鐵路建設和運營均有一定的影響，尤其是大風、強降水、降雪等災害及其次生災害對鐵路運營影響較大。鐵路氣象災害風險評估應從致災因子的危險性、承災體的暴露性和脆弱性(敏感性、防災減災能力)等方面進行，致災因子包括風、雨、雪等災害危險源，承災體包括線、橋、隧、涵等基礎設施和動車組、客車、貨車等移動裝備。評估方法一般采用定性和定量結合的方法。

(2)以大風風險評估為例，基于歷史風監(jiān)測數據，采用熵權法計算大風危險性指標權重，采用專家打分法和加權綜合評價法進行大風風險綜合評估和區(qū)劃，可識別災害重點發(fā)生區(qū)段，為鐵路氣象災害防御提供參考。

(3)本研究利用高鐵災害監(jiān)測數據開展高鐵沿線風雨雪等關鍵氣象災害風險評估，重點對評估指標和方法進行了研究。高鐵災害監(jiān)測系統(tǒng)運營時間尚短，監(jiān)測點具有一定的空間代表性，氣象部門在全國建設有綜合的觀測系統(tǒng)，數據積累時間長，下一步將開展基于鐵路部門和氣象部門監(jiān)測數據融合的高鐵氣象災害風險評估，通過兩個部門粗細粒度、長短期監(jiān)測數據的融合分析應用，進一步提高評估效果。