事故樹分析法在中低速磁浮交通運(yùn)營事故分析中的應(yīng)用*

魏慶朝 潘姿華 初智杰 李敏

(1. 北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 100044， 北京;2. 河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息與經(jīng)濟(jì)研究所， 050051， 石家莊//第一作者，教授)

中低速磁浮交通復(fù)雜的系統(tǒng)組成,使其具有轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)、振動(dòng)噪聲小及節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)勢，但也增加了運(yùn)營安全影響因素的復(fù)雜性。目前，既有研究[1-6]多從工程技術(shù)角度分析了磁浮交通單一線路或某一事故類型的致災(zāi)因素，但缺乏從系統(tǒng)角度對事故致因及救援措施的有效性等方面進(jìn)行深入探討。本文將在詳細(xì)分析磁浮交通運(yùn)營事故影響因素和類型特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用事故樹分析法，對中低速磁浮交通運(yùn)營事故致因及防范措施加以分析。

1 事故特點(diǎn)及分類

1.1 事故特點(diǎn)

中低速磁浮交通有復(fù)雜的技術(shù)原理，具有整體移動(dòng)道岔等特殊軌道線路設(shè)施，其運(yùn)營事故的致因比輪軌式地鐵更為復(fù)雜。

在懸浮導(dǎo)向方面，中低速磁浮列車通過功率斬波器、懸浮控制器、間隙傳感器、加速度傳感器、電流傳感器等元件間的電信號(hào)反饋和校正，可完成對2個(gè)懸浮電磁鐵的控制和驅(qū)動(dòng)，從而共同實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架上1點(diǎn)的懸浮[7]。一旦供電系統(tǒng)及懸浮元件等發(fā)生故障，都可能使列車無法保持正常懸浮間隙，從而出現(xiàn)列車落軌或電磁鐵吸死在軌道F軌的磁極面上的情況。

在牽引驅(qū)動(dòng)方面，中低速磁浮列車一般1節(jié)車廂配置10臺(tái)直線感應(yīng)電機(jī)，并設(shè)有短接保護(hù)設(shè)施。在列車運(yùn)行過程中，如出現(xiàn)直線電機(jī)短接保護(hù)蓋損壞故障，則列車在推動(dòng)牽引手柄瞬間會(huì)出現(xiàn)車輛主斷路器跳開、且司機(jī)室顯示屏顯示“接地跳主斷”的現(xiàn)象，使列車無法正常運(yùn)行[8]。此外，司機(jī)在駕駛時(shí)誤碰磁浮列車司機(jī)控制器的方向手柄，則可能造成列車方向信號(hào)丟失，存在使列車在正常運(yùn)行時(shí)觸發(fā)緊急制動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)[9]。

在軌道設(shè)施方面，F(xiàn)型軌道與鋼軌枕共同組成的軌排結(jié)構(gòu)是否正確安裝也會(huì)影響磁浮列車的正常運(yùn)行。例如，當(dāng)站前道岔處的軌排未滿足測速傳感器安裝板300 mm范圍內(nèi)除軌道外無其他金屬物的要求時(shí)，車載傳感器在感應(yīng)線路軌枕位置時(shí)很可能輸出異常速度信號(hào)，影響列車的驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)系統(tǒng)。長沙磁浮快線在調(diào)試階段就曾出現(xiàn)列車測速系統(tǒng)受道岔處與 F 軌平行的金屬物影響，使已靜止的列車再次啟動(dòng)電制動(dòng)效應(yīng)，使列車出現(xiàn)反向驅(qū)動(dòng)[10]。

此外，中低速磁浮交通采用三點(diǎn)定心結(jié)構(gòu)式道岔，依靠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和鎖定系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行解鎖、轉(zhuǎn)轍、鎖緊操作，由鋼梁整體進(jìn)行轉(zhuǎn)轍。一旦曲柄搖桿、減速電機(jī)、滑槽、臺(tái)車等驅(qū)動(dòng)裝置和鎖銷裝置發(fā)生故障，輕則延遲道岔的轉(zhuǎn)轍時(shí)間，降低線路運(yùn)輸能力，重則造成沖突碰撞等惡性事故。若道岔結(jié)構(gòu)中的F軌角平分裝置或移動(dòng)梁體間的過渡裝置等薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生故障，則會(huì)降低列車懸浮系統(tǒng)通過道岔區(qū)時(shí)的穩(wěn)定性和平順性，為行車安全帶來隱患[12]。

中低速磁浮交通多采用高架線路。這使得突發(fā)事故發(fā)生時(shí)列車位于高架橋上的概率顯著增大，同時(shí)也增加了乘客疏散和列車救援的難度。高架線路可能跨越城市繁忙交通干線或山坡、河道，其線下空間復(fù)雜，難以保證應(yīng)急救援工作面沿線貫通。而站間距較大的高架線路(長沙磁浮快線已開通車站的平均站間距近9 km[13])，當(dāng)大量乘客需要橋上進(jìn)行長距離緊急疏散時(shí)，既有疏散設(shè)施的疏散效率尚有待檢驗(yàn)。

1.2 事故分類

我國軌道交通事故按事故災(zāi)損程度分類，這難以體現(xiàn)中低速磁浮交通的事故特點(diǎn)，也難以提出系統(tǒng)的防范措施。因此，建議將磁浮列車運(yùn)營事故按不同列車狀態(tài)，以及列車同其它列車、人及物間的關(guān)系分為：列車運(yùn)緩或途停、列車火災(zāi)或爆炸、列車沖突或碰撞、其它事故4類。具體內(nèi)容如表1所示。

2 事故樹致因分析

事故樹分析(FTA)法是系統(tǒng)工程中邏輯性強(qiáng)、應(yīng)用廣泛的圖形演繹法[15]。

2.1 FTA原理

采用FTA法進(jìn)行定性分析時(shí)，首先，將事故作為頂上事件；然后，由“果”到“因”逐層確定頂上事件、中間事件和基本事件間的邏輯關(guān)系；再后，運(yùn)用布爾代數(shù)規(guī)則確定頂上事件與若干最小割集之間的關(guān)系；最后，計(jì)算各基本事件對頂上事件的影響力度，即結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)，并對各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度排序。FTA步驟如圖1所示。

表1 中低速磁浮系統(tǒng)運(yùn)營事故類型

圖1 FTA的一般步驟

2.2 事故樹編制

以T表示頂上事件、以M表示中間事件、以X表示基本事件，編制列車火災(zāi)、列車沖突(碰撞)、列車運(yùn)緩(途停)等3類事故的事故樹，如圖2～4所示。

2.3 基本事件結(jié)構(gòu)重要度計(jì)算

采用FTA法定性分析時(shí)，需求解最小割集、最小徑集和基本事件的結(jié)構(gòu)重要度。最小割集是引起頂上事件發(fā)生的基本事件最低限度集合。最小徑集是指使頂事件不發(fā)生的最低數(shù)量基本事件組合。最小割集越多，系統(tǒng)的危險(xiǎn)性越大。最小徑集越多，系統(tǒng)安全性越高。

當(dāng)基本事件的發(fā)生概率難以準(zhǔn)確獲取時(shí)，可先假定各基本事件發(fā)生概率相等，通過計(jì)算各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)，分析基本事件的發(fā)生對頂層事件發(fā)生所產(chǎn)生的影響程度。基本事件Xi結(jié)構(gòu)重要度為[15]：

圖2 磁浮列車火災(zāi)事故樹

圖3 磁浮列車沖突(碰撞)事故樹

圖4 磁浮列車運(yùn)緩(途停)事故樹

(1)

式中：

I(i)——基本事件Xi結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)的判別值；

Kj——基本事件Xi所在的最小割(徑)集，其中j為最小割(徑)集個(gè)數(shù)；

n——基本事件Xi所在集合的基本事件個(gè)數(shù)。

3 運(yùn)緩(途停)事故案例分析

中低速磁浮交通因系統(tǒng)原理獨(dú)特，其運(yùn)緩(途停)事故的致因和防范措施同地鐵差別明顯。

3.1 求解最小割集、最小徑集和結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)

根據(jù)布爾代數(shù)計(jì)算原理，該事故樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)表達(dá)式為

T3=M1+M2+M3=

(X1+X14+M4)+X2X3+(M5+M6+M7)=

X1+X2X3+X4+X5+X6+X7+

X8X9+X10+X11+X12X13+X14

(2)

從式(2)可見，該事故樹最小割集共11個(gè)，分別是{X1}，{X2X3}，{X4}，{X5}，{X6}，{X7}，{X8X9}，{X10}，{X11}，{X12X13}，{X14}

將上述事故樹中的“與”門全部改換成“或”門，全部“或”門改換成“與”門，則可得原事故樹的對偶樹，即成功樹。根據(jù)對偶原理，此成功樹的最小割集則為原事故樹的最小徑集。轉(zhuǎn)換后的成功樹結(jié)構(gòu)函數(shù)為：

T3=M1M2M3=

(X1X4X5X6X7X14)(X2+X3)

{(X8+X9)(X10X11)(X12+X13)}=

X1X2X4X5X6X7X10X11X14X8X12+

X1X2X4X5X6X7X10X11X14X8X13+

X1X2X4X5X6X7X10X11X14X9X12+

X1X2X4X5X6X7X10X11X14X9X13+

X1X3X4X5X6X7X10X11X14X8X12+

水力旋流器入口設(shè)為速度入口，連續(xù)相介質(zhì)為水，流速為3 m/s，設(shè)定顆粒入口處的射流源為面源，顆粒入口速度與液相入口速度相同，離散相密度為2 600 kg/m3，且顆粒粒徑分布服從Rosin-Rammler分布[11]；溢流及底流出口均為壓力出口，壓力設(shè)置為0，設(shè)置溢流口為逃逸，底流口為捕集；壓力-速度耦合方式為SIMPLE，壓力離散格式為PRESTO。其他控制方程的離散格式均采用QUICK格式。設(shè)置重力加速度為9.81 m/s2。

X1X3X4X5X6X7X10X11X14X8X13+

X1X3X4X5X6X7X10X11X14X9X12+

X1X3X4X5X6X7X10X11X14X9X13

(3)

此處所得成功樹的8個(gè)最小割集，即為原運(yùn)緩(途停)事故樹的最小徑集。據(jù)式(1)，計(jì)算中低速磁浮列車運(yùn)緩(途停)事故樹的基本事件結(jié)構(gòu)重要度并排序。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2，基本事件結(jié)構(gòu)重要度排序?yàn)镮(14)=I(11)=I(10)=I(7)=I(6)=I(5)=I(4)=I(1)>I(13)=I(12)=I(9)=I(8)=I(3)=I(2)。

3.2 構(gòu)建致災(zāi)集合及防范措施分析

表2 中低速磁浮列車運(yùn)緩(途停)事故樹基本事件結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)

對應(yīng)基本事件結(jié)構(gòu)重要度排序，致災(zāi)集合的重要度排序?yàn)锳=C=E>B=D=F。可見，在正常運(yùn)營條件下，若要避免運(yùn)緩(途停)事故發(fā)生，應(yīng)首先加強(qiáng)對“突發(fā)緊急事故、行車條件喪失和牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)失效”三類致災(zāi)事件的防范與檢查，提高中低速磁浮列車走行能力的穩(wěn)定性和可靠性；通過視頻監(jiān)控、人工巡檢等方式，可消除來自線路外部環(huán)境的不安全因素，確保良好的行車條件。此外，還應(yīng)確保列車懸浮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、備用走行部件的可靠性及人員可靠性。從磁浮列車的救援角度分析，確保牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正常工作更為重要(E>D=F)。這是因?yàn)楫?dāng)列車喪失懸浮能力時(shí)，仍可通過備用走行輪實(shí)現(xiàn)列車移動(dòng)，從而避免列車對線路的占用。

按照相同的計(jì)算分析思路，可分別求出列車火災(zāi)及列車沖突事故樹的最小割集、最小徑集和基本事件的結(jié)構(gòu)重要度。具體計(jì)算結(jié)果見表3。由計(jì)算結(jié)果可知，中低速磁浮列車火災(zāi)和沖突(碰撞)兩類事故的最小割集數(shù)量遠(yuǎn)大于最小徑集數(shù)，事故防范難度較大。列車運(yùn)緩(途停)事故的最小割集和最小徑集的數(shù)量則相對接近。

表3 事故樹結(jié)構(gòu)重要計(jì)算分析表

4 結(jié)語

中低速磁浮交通的牽引、懸浮、導(dǎo)向等技術(shù)原理與其他軌道交通不同，有獨(dú)特的線路軌道及道岔結(jié)構(gòu)。本文采用FTA法分析了中低速磁浮交通3類典型事故的致因及防范措施。提出一系列建議：未來應(yīng)構(gòu)建磁浮交通致災(zāi)事件及故障率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫，進(jìn)一步探明磁浮交通運(yùn)營事故的特點(diǎn)及規(guī)律；采用加強(qiáng)線路巡檢、增設(shè)視頻監(jiān)控設(shè)備等方式，消除外部線路環(huán)境和人員因素造成的致災(zāi)條件，加強(qiáng)車輛、人員的安保工作和設(shè)備設(shè)施檢測，提高中低速磁浮列車各子系統(tǒng)間的綜合協(xié)調(diào)能力，為提供有針對性的防范措施提供基礎(chǔ)，為磁浮交通的安全運(yùn)營提供重要保障。