基于能量意外逸散理論的高鐵行車事故機理研究

王艷艷

（西安鐵路職業技術學院 交通運輸系，講師，陜西 西安 710014）

高速鐵路列車速度的明顯提高和行車密度的顯著增大，使高速行駛的列車運行對設備、人員和管理等因素產生了新的變化。復雜、動態的高速鐵路行車安全系統也呈現出許多新的特點，如高速鐵路基礎設備標準提高造成采購標準提高、列車密度大造成行車組織困難、列車動能大導致制動困難、弓網關系復雜導致穩定供電困難、地面信號顯示線路狀態辨認難、突發事故的產生導致應急處理難〔1-2〕。目前，針對鐵路行車事故的研究多采用事故樹分析的方法對行車事故進行宏觀性質分析，而針對高速鐵路行車安全研究較為零散，多從危險因素、司乘因素、監控信息傳輸方面定性探討高速鐵路行車安全的重要性和管理措施，未能從微觀的角度對高速鐵路行車事故形成機理進行研究。因此，從微觀角度出發，應用能量意外逸散理論，對高速鐵路行車事故機理進行研究，更深入的挖掘危及高速鐵路行車安全的因素，進一步預防高速鐵路行車事故的發生。

1 能量意外逸散理論分析

能量意外逸散理論是事故致因理論發展過程中的重要一步，由學者吉布森提出，美國運輸部安全局局長哈登在1966年針對美國鐵路行車安全進行引申。兩位學著從能量的觀點出發，指出人體受傷害的原因只是某種能量向原本能量平衡的人體的轉移，而事故是能量的意外轉移。而且，每次能量意外轉移都存在能量源、路徑和接受者，可以通過控制能量源或者切斷能量轉移的途徑和載體或幫助能量接受者采取措施來預防傷害事故的發生。

高速鐵路系統正常運轉的前提是高速鐵路行車過程中的能量相互轉換。在正常條件下，能量按照自身的循環規律在高速鐵路運輸系統中生成、轉換并消耗。當遇到高速鐵路行車工作人員的意外操作、設備運轉失常、鐵路行車中遇上風雪、地震等自然災害外界因素干擾時，能量的正常運行規律被破壞，在高速鐵路系統內出現異常波動并借助于動車組、行車設備、鋼軌等介質釋放造成行車事故。因此，可以應用吉布森和哈登引申的能量意外逸散理論對高速鐵路行車事故機理進行研究。分析高速鐵路行車過程能量逸散因素，建立高速鐵路行車事故能量意外逸散應用模式如圖1〔3〕。

圖1 高速鐵路行車事故能量意外逸散應用模式

2 高鐵行車事故能量意外逸散研究

2.1 應用模型原理 水流聚集的基本原理是由小到大、由弱到強，即支流流量小，但數量多，干流流量大，但數量少。能量亦遵循由小到大、由弱到強的聚集過程。應用能量聚集原理理解高速鐵路行車事故為行車系統具有層次性和繼承性，聚集的每一級能量作為下一級能量系統的能量源輸入，經過不同路徑的不斷轉移，最后能量作用于乘客或行車設備，當能量超出乘客或行車設備的承受極限時，即發生高速鐵路行車事故。高速鐵路行車事故能量聚集圖見圖2。

圖2 高速鐵路行車事故能量聚集圖

2.2 高速鐵路行車事故能量逸散模型 根據高速鐵路行車事故能量聚集圖建立高速鐵路行車事故能量逸散模型如下：

1）定義第i個初級能量源在t時間段能量為Cti，初級能量源個數為j.

2）當初級能量源釋放能量時，外界現存高速鐵路防護設施對其控制程度為αt，初級能量源t時間聚集的中級能量為：

其中：k=1，2，3，……，l

3）當中級能量源釋放時，外界現存高速鐵路防護設施對其控制程度為βt，中級能量源在t時間段內聚集的高級能量源為：

其中：m=1，2，3，……，n

4）當高級能量源釋放時，外界現存高速鐵路防護設施對其控制程度為γt。

5）最終能量為

式中：p為人對于能量承受的極限；

q為行車設備對能量承受的極限。

2.3 實例分析 2005年4月25日，日本JR福知山線由家冢駛往學研的快速列車沖入住宅大廈重大交通事故，造成100多人死亡，500多人受傷，列車破損嚴重，住宅大廈毀壞。

1）條件分析。列車在前方站伊丹站停車時冒進出站信號，致使列車從伊丹站出發時晚點1 min30 s，列車行至家冢學研區間，事發當地彎道列車限速70 km/h，而列車為了趕正點遇彎道不減速，試圖以130 km/h通過彎道，因市區快速列車軌道上的不明白色粉末減低了輪軌摩擦系數，自動停車裝置的自動停車系統版本老舊，造成列車制動不及時，沖入市區一棟住宅大廈，列車最終扭曲成“T”字形。

2）應用模型分析。根據快速列車沖撞事故成因，應用能量逸散模型進行分析。能量源為動車組動能、列車輪軌摩擦阻力、列車慣性沖量；能量載體為輪對和軌道；能量接受者為乘客和車體。

3）建立高速鐵路行車事故能量逸散模型（見圖3）。

圖3 高速鐵路行車事故能量逸散模型

動車組動能、輪軌摩擦阻力及列車慣性等能量為初始能量源，其自身在列車正常運行時不存在任何破壞強度和破壞力。在動能、慣性力的作用下，能量開始向輪對、軌道聚集，使得輪對發生傾斜，列車顛簸。能量繼續聚集，經過一定時間后，列車沿曲線運行的向心力與曲線外軌超高高度不相符合導致列車脫軌。經過一定時空演化，能量相繼逐漸積累，破壞強度和破壞力隨之急劇增大，其結果使能量系統整體上處于一種極度不穩定的相對平衡狀態。當能量載體進一步耦合疊加，形成較強能量場，從而發生較激烈的災變過程。當聚集的能量達到或超出列車顛覆臨界失穩強度時，破壞作用放大，此時存儲的載體能力全部釋放，導致事故發生。

3 高速鐵路行車事故預防措施

高速鐵路行車事故能量意外逸散模型闡明了行車事故發生的物理本質，只有控制約束好條件能量的轉換，才能阻止其意外逸散才能防止事故發生。由于乘客和行車設備對能量的承載極限固定不變，控制約束條件Dt＞p，Dt＞q 效果不佳，此時，主要控制能量釋放過程中外界現存高速鐵路防護設施對事故的控制程度αt、βt、γt。外界現存高速鐵路防護設施主要有行車設備、行車環境和行車工作人員。高速鐵路行車事故預防也主要控制行車設備、行車環境和行車工作人員對事故的影響。

1）嚴格把控行車設備質量關。高速鐵路行車安全遵循設備保障安全的觀念，通過大量使用質量良好的安全設備來達到高速鐵路安全生產的目的。首先，從高速鐵路行車相關設備質量問題著手，在設備采購期，嚴格把控設備入口關，所有設備必須是經過權威和有資質部門驗證合格的產品；其次在設備使用中期養護時，根據設備運行的條件，積極做好設備的動態檢修和定期維修，保證設備隨時處于健康的良好工作狀態，高速鐵路行車部門根據設備檢修標準公里數和設備疲勞強度，按時對行車設備進行維修和更換，動車組中的某些重要零部件隨時或完成當天行車任務后進行檢查；最后，在設備報廢方面，嚴格按照技術標準，對有質量缺陷和隱患的設備及時撤出，避免安全隱患，即重要部件在動車組行駛到鐵道部規定的運行里程后進行更換。

2）維持行車環境良好。以良好的行車環境條件作間接保障，安全防護系統加強對線路重點處所的監控，清除侵入鐵路限界的建筑物和進入鐵路線路內的路外人員，發現問題及時停車或減速運行，保障行車安全。

3）提高行車工作人員應急操作能力。對行車工作人員通過預案、演練等途徑，提高行車工作人員的綜合素質，提高處理應急事故的能力，從而防止事故的發生或減輕事故損失。

4 結束語

能量意外逸散理論通過控制能量源，或切斷能量轉移的路線和載體，或幫助能量接受者采取有效防范措施預防事故的發生。應用能量意外逸散理論分析高速鐵路行車事故發生機理，使高速鐵路行車能量釋放過程中設備、環境和人三種防護因素充分發揮作用，確保高速鐵路行車安全。

〔1〕張貴良，董桂秋.試論高速鐵路與安全的關系〔J〕.科技信息（科學教研），2007（17）：267-268

〔2〕N.D.Pankratova.System strategy for guaranteed safety of complex engineering systems.Cybernetics and Systems Analysis 2010 46（2）

〔3〕蔣稚君，楊其新.基于能量釋放事故致因模型的地鐵火災防治思路〔J〕.現代隧道技術，2006（05）：96-99