鐵路貨車脫軌事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究

張鐵金

（北京鐵路局調(diào)度所，北京 100860）

0 引言

列車脫軌會(huì)給生命財(cái)產(chǎn)造成重大損害。1998年6月德國(guó)發(fā)生其鐵路有史以來(lái)最為慘重的列車脫軌事故，造成100人死亡，60余人重傷，運(yùn)輸技術(shù)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(fā)生了近40年來(lái)最為嚴(yán)重的列車脫軌事故，傷亡人數(shù)達(dá)500余人。近10年來(lái)，脫軌事故在我國(guó)鐵路行車重大較大事故中的比率高達(dá)70%左右。嚴(yán)重的脫軌事故，不僅導(dǎo)致車輛、線路的損壞，甚至造成人員傷亡，造成巨大的直接經(jīng)濟(jì)損失，而且由于長(zhǎng)時(shí)間行車中斷，還會(huì)影響社會(huì)的安定，同時(shí)給鐵路運(yùn)輸?shù)男抛u(yù)帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p害。因此，研究列車脫軌具有重要的理論意義、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值。

1 既有鐵路貨車脫軌安全評(píng)價(jià)方法

最早對(duì)脫軌的研究可追溯到19世紀(jì)末。1896年，Nadal首先根據(jù)爬軌車輪出現(xiàn)爬軌趨勢(shì)的靜力平衡條件，提出了臨界脫軌系數(shù)[Q／P]的計(jì)算式，并以此作為車輪開始脫軌的評(píng)判準(zhǔn)則。此后，各國(guó)從理論計(jì)算和試驗(yàn)兩個(gè)方面研究了[Q／P]的量值，并制定了各自的規(guī)范限值。

我國(guó)《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》（GB 5599—85）規(guī)定的脫軌系數(shù)安全標(biāo)準(zhǔn)為：Q／P≤1．0為允許限度，Q／P≤1．2為危險(xiǎn)限度。 不過(guò)，我國(guó)近幾年來(lái)進(jìn)行的幾次大規(guī)模脫軌試驗(yàn)均未完全執(zhí)行GB 5599—85，而是參考了日本標(biāo)準(zhǔn)或做相應(yīng)的調(diào)整，否則，大量工況將被鑒定為脫軌，試驗(yàn)將不能順利進(jìn)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(xù)作用時(shí)間均應(yīng)小于0．035s作為車輪脫軌的安全限度，并提出了對(duì)國(guó)標(biāo)GB 5599—85進(jìn)行修改的建議方案。薛弼一對(duì)Nadal脫軌系數(shù)經(jīng)典公式進(jìn)行了改進(jìn)，得出的結(jié)論是：Nadal脫軌系數(shù)公式過(guò)于保守，應(yīng)采用改進(jìn)公式進(jìn)行車輛脫軌安全性評(píng)價(jià)。曾宇清基于Nadal脫軌系數(shù)經(jīng)典公式，提出了修正的脫軌安全動(dòng)態(tài)限度，認(rèn)為可以減小脫軌系數(shù)的誤判率。

上述國(guó)內(nèi)外關(guān)于脫軌的研究并沒(méi)有改變Nadal脫軌系數(shù)的根本思想，都是單輪在假定荷載下的計(jì)算和試驗(yàn)，沒(méi)有從事故中分析脫軌之所以發(fā)生的影響因素，也沒(méi)有從脫軌風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性中提取有用信息，應(yīng)用相關(guān)理論和方法將脫軌發(fā)生的概率降到最低。因而需要建立一套評(píng)價(jià)方法，綜合考核各方面的安全狀況，以期對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的安全性作出全面系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。

2 安全評(píng)價(jià)指標(biāo)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(jié)果。它是一種隨機(jī)性事件，換言之，列車編組方式、列車運(yùn)行速度、機(jī)車操縱工況、線路技術(shù)狀態(tài)和車輛技術(shù)狀態(tài)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(dǎo)致車輛脫軌。因此，找出對(duì)貨車脫軌影響最大的因素，盡量減少這些不利因素的發(fā)生，削弱它的強(qiáng)度，降低其耦合機(jī)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(guò)對(duì)既有評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究分析，選取了違章作業(yè)、機(jī)車車輛因素、鋼軌路基因素、環(huán)境因素和心理因素等五大類評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 模糊綜合評(píng)價(jià)簡(jiǎn)介

3． 1 模糊綜合評(píng)判的基本要素

模糊綜合評(píng)判包括六個(gè)基本要素：評(píng)判因素論域、評(píng)語(yǔ)等級(jí)論域、模糊關(guān)系矩陣、評(píng)判因素權(quán)向量、合成算子和評(píng)判結(jié)果向量。

3． 2 模糊評(píng)價(jià)步驟

3．2．1 建立評(píng)價(jià)因素集U＝｛u1， u2， …， un｝

即首先確定評(píng)價(jià)因素體系，解決從哪些方面利用哪些因素來(lái)評(píng)價(jià)客觀對(duì)象的問(wèn)題。這在上面已經(jīng)完成。

3．2．2 建立評(píng)價(jià)集V＝｛v1， v2， …， vn｝

確定評(píng)價(jià)集可使模糊綜合評(píng)判得到了一個(gè)模糊評(píng)判向量，被評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)各評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬程度的信息通過(guò)該模糊向量表示，體現(xiàn)評(píng)判的模糊特性。例如，評(píng)價(jià)集可以設(shè)定為｛安全，較安全，一般，較危險(xiǎn)，危險(xiǎn)｝或｛好，中，差｝，等等。

3．2．3 進(jìn)行單因素評(píng)價(jià)，建立評(píng)價(jià)矩陣R

其中，rij為U中元素ui對(duì)應(yīng)V中等級(jí)vi的隸屬關(guān)系，即r1，r2，…rn是由第i個(gè)指標(biāo)的評(píng)分值分別代入對(duì)v1，v2，…，vn隸屬函數(shù)中計(jì)算出來(lái)的。

3．2．4 建立因素權(quán)重集A＝｛a1， a2， …， an｝

A是U中各因素對(duì)被評(píng)價(jià)對(duì)象的隸屬關(guān)系。為反映各因素的重要程度，應(yīng)對(duì)各因素給予一定的權(quán)重ai。根據(jù)各指標(biāo)因素對(duì)應(yīng)的頻率和九級(jí)標(biāo)度規(guī)則來(lái)判斷各個(gè)指標(biāo)間的相對(duì)重要程度，依據(jù)數(shù)學(xué)上求判斷矩陣的特征根和特征向量的方法，計(jì)算出各因素的權(quán)重。各因素權(quán)重的確定已在上一節(jié)完成。

3．2．5 選擇合成算子， 進(jìn)行綜合評(píng)判

模糊綜合評(píng)判的基本模型可用下式表示：

式中， “。”代表合成算子。

根據(jù)綜合評(píng)判的最后結(jié)果，用最大隸屬度原則得出最后的評(píng)價(jià)結(jié)果。

4 案例分析

4． 1 事故概況

2006年7月18日5時(shí)02分沈陽(yáng)鐵路局通遼機(jī)務(wù)段DF4B7422號(hào)機(jī)車牽引86401次貨物列車，編組57輛， 總重1 290t， 計(jì)長(zhǎng)68．4m。 列車以46km／h速度通過(guò)通霍線72km＋325m處時(shí)，機(jī)后第1、2、3位車輛脫軌。脫軌后司機(jī)發(fā)現(xiàn)列車速度下降，使用非常制動(dòng)將列車停于通霍線73km＋669m處（脫軌后走行1 345m），并立即報(bào)告舍伯吐車站。經(jīng)復(fù)舊，于8時(shí)32分開通線路，中斷行車3小時(shí)30分。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，斷軌部位是鋁熱焊焊縫，脫軌點(diǎn)處線路位于無(wú)縫線路地段直線上，線路坡度為1．0‰上坡。檢查脫軌點(diǎn)前后各100m線路幾何尺寸無(wú)失格記錄。線路鋼軌扣件失效不超限，存在空吊現(xiàn)象。機(jī)車走行部各部尺寸正常，無(wú)配件脫落；車輛各配件無(wú)脫落，各部尺寸符合規(guī)定。

4． 2 事故原因

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和分析，事故原因可歸為以下幾點(diǎn)：

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

b）探傷人員進(jìn)行探傷檢查時(shí)，沒(méi)有按規(guī)定用小鏡子檢查軌底部分，未能發(fā)現(xiàn)鋼軌底部存在的夾沙問(wèn)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(xiàn)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(shí)發(fā)現(xiàn)處理，這是造成列車脫軌的又一原因。

4． 3 模糊評(píng)價(jià)分析

4．3．1 建立評(píng)價(jià)因素集

建立評(píng)價(jià)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(jī)操作；

u4——線路違章施工；

u5——段檢列檢疏忽；

u6——線路長(zhǎng)期失修零件松動(dòng)；

u7——線路施工后存隱患；

u8——人為破壞；

u9——自裝貨物加固狀態(tài)。

4．3．2 建立評(píng)判集

將評(píng)價(jià)結(jié)果為“好”、“中”、“差”三個(gè)等級(jí)，建立評(píng)判集如下：

V＝｛v1， v2， …， vn｝＝｛好， 中，差｝

4．3．3 進(jìn)行單因素評(píng)判

根據(jù)通霍線86401次貨物列車脫軌險(xiǎn)性事故調(diào)查報(bào)告，首先請(qǐng)沈陽(yáng)鐵路局專門從事貨車運(yùn)行維護(hù)與維修的專業(yè)技術(shù)人員及親身參與86401次貨物列車脫軌調(diào)查的相關(guān)專家進(jìn)行打分（見(jiàn)表4－1）。

表4 －1 專家打分表

將各因素所得分?jǐn)?shù)代入隸屬函數(shù)，可得每個(gè)因素對(duì)評(píng)價(jià)集中每個(gè)等級(jí)的隸屬度。例如，對(duì)u1的分?jǐn)?shù)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(píng)價(jià)矩陣如下：

4．3．4 各因素權(quán)重的確定

各因素的權(quán)重已在上一節(jié)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(píng)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(duì)應(yīng)的貨車運(yùn)行狀況隸屬區(qū)間為“差”，因此判斷此列車脫軌的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為高，很可能發(fā)生脫軌事故。事實(shí)上也確實(shí)發(fā)生了事故，證明該事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法是可行的。此模型可用于對(duì)在線運(yùn)行的貨車進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)于運(yùn)行狀況隸屬度為“中”和“差”的車輛及時(shí)預(yù)警，必要時(shí)停車檢查，對(duì)防止貨車脫軌事故的發(fā)生具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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

[2]楊文安.高速公路經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)的模糊層次評(píng)價(jià)[J].工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2006，（3）：122-124.