城市軌道交通系統運營安全性指標研究

張娣 何杰 張曉輝

(東南大學交通學院,210096,南京∥第一作者,碩士研究生)

城市軌道交通系統運營安全性指標研究

張娣 何杰 張曉輝

(東南大學交通學院,210096,南京∥第一作者,碩士研究生)

從城市軌道交通系統的運營安全性出發,針對目前評價軌道交通安全性缺乏量化指標的問題,根據城市軌道交通系統的組成及運行特點,在參照目前研究得到的安全性定性指標基礎上,利用數理統計方法提出事故后果嚴重程度、事故發生頻率、系統的穩定性等指標,由此分析得出較為系統的軌道交通安全性指標。該指標體系能夠定量表述事故后果嚴重程度,分析系統的穩定性,論述系統整體網絡的安全性強弱,在實際應用中,指標體系中的各項統計指標均可獲得,可操作性較強。

城市軌道交通系統;運營安全性;數理統計方法;安全性指標

First-author's addressTransportation College,Southeast University,210096 Nanjing,China

城市軌道交通系統運營安全性,是指在整個系統運營過程中,保障乘客和員工不受傷害以及設備不遭破壞的能力。安全性研究中對事故的研究比較成熟,因此文獻[1]中為衡量事故對運營的影響程度,參考可靠性理論,利用事故的頻率及嚴重程度,提出一些城市軌道交通系統的運營安全性指標,但只是局限于事故層面加以分析,沒有從系統的角度深入研究。文獻[2]定性地分析影響地鐵運營安全的危害因素并找出影響城市地鐵系統運營安全的薄弱環節和關鍵性因素,但沒有論述可行的軌道交通系統運營安全性的定量指標。

在軌道交通安全性指標研究中,對事故后果嚴重程度行為指標的定義和應用已經比較成熟。但是由于對軌道交通安全分析的研究才開始不久,加之不同的軌道交通的諸多特點,因此,目前還沒有提出較為實用和有效的安全性指標。

1 現有安全評價指標分析

由于城市軌道交通系統與道路交通系統有一定的相通之處,而道路交通安全定量評價指標已經比較成熟[3],因此,根據城市軌道交通系統的運營特性,評價其安全性的絕對指標包括:事故次數、死亡人數、受傷人數和經濟損失。

“保障乘客和員工不受傷害以及設備財產不遭破壞的能力”是城市軌道交通系統的運營安全性宏觀指標。在此基礎上,文獻[1]提出了軌道交通安全性的定量指標,包括運營安全度、運營事故間隔時間、運營事故分布函數、運營事故、運營事故率、平均運營事故間隔時間。分析這些指標不難發現:事故次數、運營安全度、運營事故間隔時間、運營事故分布函數、運營事故率、平均運營事故間隔時間等定量評價指標的實質,都是從不同角度對事故發生頻率評價;死亡人數、受傷人數、經濟損失等定量評價指標,是從不同角度對事故的嚴重程度評價。這些評價指標沒有從系統工程的角度分析軌道交通安全性。

根據城市軌道交通系統的組成及運行特點[4],在參照目前研究得到的安全性定量指標基礎上,本文提出了較為系統的軌道交通安全性指標。該指標體系能夠定量地表述事故后果嚴重程度,分析系統的穩定性,描述系統整體網絡的安全性強弱。

2 運營安全性指標

2.1 事故后果嚴重程度指標

城市軌道交通運營事故可以分為輕傷、重傷、重大傷亡及特大傷亡事故4個級別[1](見表1)。

為了把事故嚴重程度量化,參照道路交通安全有關標準及有關安全標準,再按照事故等級給予賦值(見表2)。

表1 運營事故級別分類

表2 運營事故賦值表

設M為評價周期(如1年),Ni為第i類事故在評價周期M內發生的次數,Ci為第i類事故對應嚴重程度的參照分值。則:

式中:

I——平均事故嚴重程度;

i——運營事故級別;

Tij——第i類事故第j次發生的持續時間。

由式(1)可以看出,I是在評價周期中,軌道交通系統中所發生的所有事故嚴重程度的期望值,它反應了所有事故可能給軌道交通系統帶來不利影響的平均值大小。

2.2 事故發生頻率指標

系統的安全性與系統發生事故的頻率存在一定的關系,可用事故發生的時間間隔來表示事故發生的頻率。所謂運營事故間隔時間是指在軌道交通運營中,兩次運營事故間隔的時間。

由于事故的等級不同,造成后果不同,對軌道交通穩定性的影響也不相同,因此在考慮運營事故時間的同時要考慮事故的等級。參照前文的事故等級賦值表,定義不同等級事故運營時間間隔的權重。若定義λi為第i類事故的間隔時間權重,則有[5]:

式中:

λi——第i類事故的時間間隔權重;

tij——第i類事故,發生第 j次的時間間隔;其余符號同前。

由式(2)中可以看出,t為在評價周期內,基于事故嚴重等級的所有事故的時間間隔的期望值。其中第j次運營事故間隔時間tj的性質由第(j+1)次運營事故的性質決定,即tij中i的取值與第(j+1)次運營事故的級別i的取值相同。

2.3 系統穩定性指標

如果系統中每一個可能的偶然事故發生后,均可以通過代價不大的操作,及時恢復整個系統的安全性,那么就可以認為該系統具有較強的穩定性[6]。城市軌道交通系統是一個復雜的關聯系統,某一線路中某個子系統可能發生的任何一個故障都有可能對其他子系統產生影響,從而影響整個軌道交通網絡的運營安全性。如果在發生某一偶然事故后,均可以及時通過某種操作盡量減小或不影響其他子系統的運作,那么就可以認為該軌道交通系統具有較強的穩定性。

然而更實際情況是:在城市軌道交通系統所有可能的偶然事故中,存在能夠及時處理但同時后果嚴重的事故,也存在不能夠及時處理但后果嚴重程度卻較低的事故。此時并不能簡單的通過處理事故及時就認為前者的穩定性比后者強。

由此,應同時考慮事故持續的時間(即排除事故的時間)T,從事故發生后到事故排除前沒有受到影響的運營班次數K,從事故發生后到事故排除前受到影響的班次數K',及事故后果的嚴重程度C。定義G為評價周期內軌道交通系統運營穩定性參數,則:

式中:

Kij——第i類事故第j次發生的事故在持續時間內沒有受到影響的運營班次數;

K′ij——第 i類事故第j次發生的事故在持續時間內受到影響的運營班次數;

其余符號同前。

由式(3)可以看出G反應了在考慮事故嚴重程度以后,所對應的軌道交通系統的運營穩定性強弱。一方面,對于K值較大的偶然事故,如果它的后果較為嚴重,那么該K值對G指標的正面影響也會因此而被削弱;如果系統中這樣的事故較多,則系統整體的運營網絡就不能認為是強的,在G值上也會有所體現。公式中使用Kij+1,K′ij+1,是為了考慮K值為0的偶然事故對系統穩定性的影響。

對于規模較大的系統,某些事故所對應的不受事故影響的運營班次會很多(即K值會很大,可能不容易全部找到,即使全部找到也沒有太大的實際意義),因此需要制定K值的上限。考慮軌道交通發生事故后果的影響,取K=300,超過300的按300處理。對于軌道交通系統癱瘓的事故,其K=0;對其他運營班次沒有影響的事故,其K′=0。

2.4 系統安全性指標

不論是事故后果嚴重程度指標、事故發生的頻率指標還是系統穩定性強弱指標,都只反映了系統安全性的一個側面,目前需要有一種指標能夠將它們結合起來,用以描述系統的整體安全性。為此,定義系統整體安全性指標為:

式中:

S——評價周期內,軌道交通系統安全性指標;

t——評價周期內,軌道交通系統平均事故間隔時間;

G——評價周期內,軌道交通系統的運營穩定性參數;

I——評價周期內,軌道交通系統平均事故嚴重程度指標。

由式(4)可見,S充分利用了事故后果嚴重程度指標、事故間隔時間和軌道交通網絡的復雜關聯性,能夠更充分地從網絡的角度反映系統對突發性偶然事故的應變能力,較為客觀地表征了軌道交通系統安全性的強弱。

某一時期內,在t,G指標不變的情況下,各偶然事故對系統造成的后果嚴重程度I越小,則S值越大,表明系統安全性越高;在t,I不變的情況下,G指標越大,S值也越大,表明系統安全性越高;在G,I不變的情況下,t指標越大,S值也越大,也能表明系統安全性越高。需要注意的是,t、G與I指標并不是互相孤立的,在實際運行中,它們具有一定的內在聯系:當一個系統的穩定性越強(即G大),則事故間隔時間越大、事故可能造成的影響越小,導致t指標越大,I指標也比較小,最終體現的S指標值越大。顯然,這樣的系統安全性也較高。這也是S指標的意義所在。

3 結語

基于對軌道交通系統運營安全性定量評估的考慮,應用數理統計方法,給出了包括事故嚴重程度指標、事故發生頻率指標、系統穩定性指標、系統安全性指標等在內的定量評估系統運營安全的指標體系;并對新指標進行了初步探討,驗證了各評價指標的確可以描述軌道交通系統運營安全性的不同特點。在實際應用中,指標體系中的各項統計指標均可獲得,可操作性較強。今后,將對各個評價指標的重要性與敏感性進行研究,逐步建立與各項指標相適應的評價標準。

[1]趙惠祥.城市軌道交通系統的運營安全性與可靠性研究[D].上海:同濟大學,2006.

[2]王洪德,潘科,姜福東.基于A HP的影響城市地鐵運營安全的危害分析及預防對策[J].鐵道學報,2007,29(2):35.

[3]郭應時,袁偉,付銳.道路交通安全評價指標特性分析[J].公路交通科技,2006,23(5):102.

[4]劉天順,朱效潔,徐瑞華.城市軌道交通系統運營安全和可靠性分析[J].城市軌道交通研究,2006(1):15.

[5]劉芳,戴葵,王志英,吳丹.基于概率統計的系統安全性定量評估技術[J].計算機工程,2004,18(9):18.

[6]劉偉,郭志忠.配電網安全性指標的研究[J].中國電機工程學報,2003,23(8):85.

Operation Security Index of Urban Mass Transit System

Zhang Di,He Jie,Zhang Xiaohui

To analyze the operation security of urban mass transit system and to solve the quantitative index problem,based on former qualitative indexes,this paper introduces the index of severity fault,the frequency of fault and the strength of stability by using probability and mathematical statistics,then puts forward the holistic security index of the system,which can quantitatively describe the severity of fault,stability of system and security of holistic security,therefore can be the basic of static security analysis for the whole network.

urban mass transit system;operation security;mathematical statistics;security indexes

X 913:U 231

2009-01-04)