鐵路貨車脫軌事故風險評價研究

張鐵金

（北京鐵路局調度所，北京 100860）

0 引言

列車脫軌會給生命財產造成重大損害。1998年6月德國發生其鐵路有史以來最為慘重的列車脫軌事故，造成100人死亡，60余人重傷，運輸技術裝備（車輛、線路和橋梁等）遭受重大損失。2005年4月25日日本發生了近40年來最為嚴重的列車脫軌事故，傷亡人數達500余人。近10年來，脫軌事故在我國鐵路行車重大較大事故中的比率高達70%左右。嚴重的脫軌事故，不僅導致車輛、線路的損壞，甚至造成人員傷亡，造成巨大的直接經濟損失，而且由于長時間行車中斷，還會影響社會的安定，同時給鐵路運輸的信譽帶來嚴重損害。因此，研究列車脫軌具有重要的理論意義、經濟效益和社會價值。

1 既有鐵路貨車脫軌安全評價方法

最早對脫軌的研究可追溯到19世紀末。1896年，Nadal首先根據爬軌車輪出現爬軌趨勢的靜力平衡條件，提出了臨界脫軌系數[Q／P]的計算式，并以此作為車輪開始脫軌的評判準則。此后，各國從理論計算和試驗兩個方面研究了[Q／P]的量值，并制定了各自的規范限值。

我國《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》（GB 5599—85）規定的脫軌系數安全標準為：Q／P≤1．0為允許限度，Q／P≤1．2為危險限度。 不過，我國近幾年來進行的幾次大規模脫軌試驗均未完全執行GB 5599—85，而是參考了日本標準或做相應的調整，否則，大量工況將被鑒定為脫軌，試驗將不能順利進行下去。為此，翟婉明提出用Q／P大于1．0及AP／P0大于0．6的最大持續作用時間均應小于0．035s作為車輪脫軌的安全限度，并提出了對國標GB 5599—85進行修改的建議方案。薛弼一對Nadal脫軌系數經典公式進行了改進，得出的結論是：Nadal脫軌系數公式過于保守，應采用改進公式進行車輛脫軌安全性評價。曾宇清基于Nadal脫軌系數經典公式，提出了修正的脫軌安全動態限度，認為可以減小脫軌系數的誤判率。

上述國內外關于脫軌的研究并沒有改變Nadal脫軌系數的根本思想，都是單輪在假定荷載下的計算和試驗，沒有從事故中分析脫軌之所以發生的影響因素，也沒有從脫軌風險發生的可能性中提取有用信息，應用相關理論和方法將脫軌發生的概率降到最低。因而需要建立一套評價方法，綜合考核各方面的安全狀況，以期對評價對象的安全性作出全面系統的評價。

2 安全評價指標的選取

車輛脫軌往往不是由單一因素造成的，是多種因素綜合作用的結果。它是一種隨機性事件，換言之，列車編組方式、列車運行速度、機車操縱工況、線路技術狀態和車輛技術狀態等都是造成車輛脫軌的因素。諸多因素在最不利條件下耦合導致車輛脫軌。因此，找出對貨車脫軌影響最大的因素，盡量減少這些不利因素的發生，削弱它的強度，降低其耦合機率，是解決“主要原因不清”的車輛脫軌事故的有效途徑。筆者通過對既有評價指標的研究分析，選取了違章作業、機車車輛因素、鋼軌路基因素、環境因素和心理因素等五大類評價指標。

3 模糊綜合評價簡介

3． 1 模糊綜合評判的基本要素

模糊綜合評判包括六個基本要素：評判因素論域、評語等級論域、模糊關系矩陣、評判因素權向量、合成算子和評判結果向量。

3． 2 模糊評價步驟

3．2．1 建立評價因素集U＝｛u1， u2， …， un｝

即首先確定評價因素體系，解決從哪些方面利用哪些因素來評價客觀對象的問題。這在上面已經完成。

3．2．2 建立評價集V＝｛v1， v2， …， vn｝

確定評價集可使模糊綜合評判得到了一個模糊評判向量，被評價對象對各評價等級的隸屬程度的信息通過該模糊向量表示，體現評判的模糊特性。例如，評價集可以設定為｛安全，較安全，一般，較危險，危險｝或｛好，中，差｝，等等。

3．2．3 進行單因素評價，建立評價矩陣R

其中，rij為U中元素ui對應V中等級vi的隸屬關系，即r1，r2，…rn是由第i個指標的評分值分別代入對v1，v2，…，vn隸屬函數中計算出來的。

3．2．4 建立因素權重集A＝｛a1， a2， …， an｝

A是U中各因素對被評價對象的隸屬關系。為反映各因素的重要程度，應對各因素給予一定的權重ai。根據各指標因素對應的頻率和九級標度規則來判斷各個指標間的相對重要程度，依據數學上求判斷矩陣的特征根和特征向量的方法，計算出各因素的權重。各因素權重的確定已在上一節完成。

3．2．5 選擇合成算子， 進行綜合評判

模糊綜合評判的基本模型可用下式表示：

式中， “。”代表合成算子。

根據綜合評判的最后結果，用最大隸屬度原則得出最后的評價結果。

4 案例分析

4． 1 事故概況

2006年7月18日5時02分沈陽鐵路局通遼機務段DF4B7422號機車牽引86401次貨物列車，編組57輛， 總重1 290t， 計長68．4m。 列車以46km／h速度通過通霍線72km＋325m處時，機后第1、2、3位車輛脫軌。脫軌后司機發現列車速度下降，使用非常制動將列車停于通霍線73km＋669m處（脫軌后走行1 345m），并立即報告舍伯吐車站。經復舊，于8時32分開通線路，中斷行車3小時30分。

現場調查發現，斷軌部位是鋁熱焊焊縫，脫軌點處線路位于無縫線路地段直線上，線路坡度為1．0‰上坡。檢查脫軌點前后各100m線路幾何尺寸無失格記錄。線路鋼軌扣件失效不超限，存在空吊現象。機車走行部各部尺寸正常，無配件脫落；車輛各配件無脫落，各部尺寸符合規定。

4． 2 事故原因

根據現場調查和分析，事故原因可歸為以下幾點：

a）焊接過程中沒有嚴格執行焊接工藝，造成焊接面存有黑核、夾渣和兩個φ2mm的氣孔，該焊接缺陷的存在造成鋼軌強度下降，在列車車輪沖擊力的作用下發生折斷，這是造成鋼軌折斷的直接原因；

b）探傷人員進行探傷檢查時，沒有按規定用小鏡子檢查軌底部分，未能發現鋼軌底部存在的夾沙問題，這是造成鋼軌折斷的間接原因；

c）鋼軌折斷后，因該處線路存在不均勻空吊現象，造成兩端頭不在同一水平面上，加大了車輪與鋼軌的沖擊力，也加劇了鋼軌的彈性變形，致使車輪跳起后脫軌，這是造成列車脫軌的直接原因；

d）通霍線夜間巡道員擅離職守，造成鋼軌折斷后不能及時發現處理，這是造成列車脫軌的又一原因。

4． 3 模糊評價分析

4．3．1 建立評價因素集

建立評價因素集如下：

U＝｛u1，u2， …， u9｝

式中：u1——超載偏載；

u2——值班員操作；

u3——司機操作；

u4——線路違章施工；

u5——段檢列檢疏忽；

u6——線路長期失修零件松動；

u7——線路施工后存隱患；

u8——人為破壞；

u9——自裝貨物加固狀態。

4．3．2 建立評判集

將評價結果為“好”、“中”、“差”三個等級，建立評判集如下：

V＝｛v1， v2， …， vn｝＝｛好， 中，差｝

4．3．3 進行單因素評判

根據通霍線86401次貨物列車脫軌險性事故調查報告，首先請沈陽鐵路局專門從事貨車運行維護與維修的專業技術人員及親身參與86401次貨物列車脫軌調查的相關專家進行打分（見表4－1）。

表4 －1 專家打分表

將各因素所得分數代入隸屬函數，可得每個因素對評價集中每個等級的隸屬度。例如，對u1的分數為92， 因此可以算出， μ1（92）＝0．903。 同理， μ2（92）＝0．080，μ3（92）＝0．061。 因此隸屬度Ru1為：Ru1＝ ［0．903 0．080 0．601］。

同理，可得其他影響因素的的隸屬度，得到單因素評價矩陣如下：

4．3．4 各因素權重的確定

各因素的權重已在上一節中算出，即：A＝｛0．125， 0．140， 0．125，0．156， 0．140， 0．050， 0．15 6， 0．058， 0．050｝。

4．3．5 綜合評判

采用M（●，⊕）合成算子：

B＝A·R＝｛0．300 0．067 0．666｝

按最大隸屬原則選取0．666對應的貨車運行狀況隸屬區間為“差”，因此判斷此列車脫軌的風險等級為高，很可能發生脫軌事故。事實上也確實發生了事故，證明該事故風險評價方法是可行的。此模型可用于對在線運行的貨車進行評價，對于運行狀況隸屬度為“中”和“差”的車輛及時預警，必要時停車檢查，對防止貨車脫軌事故的發生具有重要的現實意義。

[1]楊浩.關于防止貨車空車脫軌的研究[D].北京：北京交通大學，2003.

[2]楊文安.高速公路經營風險的模糊層次評價[J].工業技術經濟，2006，（3）：122-124.