黃文成,帥 斌,張 玥,于耀程,徐逸飛
(西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院,四川 成都 610031)
鐵路貨物運(yùn)輸系統(tǒng)承擔(dān)著我國超過50%的石油、液化氣、濃硫酸、濃氨水等各種危險(xiǎn)化工原料的運(yùn)輸任務(wù),這些貨物一般具有易燃易爆、易揮發(fā)、劇毒等特點(diǎn)。當(dāng)鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)存在人員疏忽、檢修不當(dāng)、運(yùn)輸貨物本身危險(xiǎn)特性、溫度突變、力突變、管理缺陷等危險(xiǎn)因素時(shí),各種因素之間相互耦合、疊加、交織,從而產(chǎn)生新的風(fēng)險(xiǎn)或加大風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度,將極易導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸、泄漏等事故,一旦在人口密集的地區(qū)發(fā)生,將會(huì)造成無法估量的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境破壞[1]。研究鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的形成機(jī)理,將有助于為我國鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)安全事故的事前預(yù)防、事中控制、事后應(yīng)急救援及安全疏散提供一定理論支撐,為鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故的現(xiàn)場工作提供一定實(shí)踐指導(dǎo)。
目前較少有學(xué)者研究鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的形成機(jī)理。大多研究各類系統(tǒng)耦合風(fēng)險(xiǎn)的形成機(jī)理,或基于耦合風(fēng)險(xiǎn)概念評估各種系統(tǒng)的安全性。如:薛曄等[2]基于災(zāi)害系統(tǒng)和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估理論對耦合災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分類,借助觸發(fā)器討論耦合災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的形成機(jī)理;張津嘉等[3]基于復(fù)雜系統(tǒng)理論和觸發(fā)器概念,界定瓦斯爆炸事故風(fēng)險(xiǎn)耦合的含義、類型、風(fēng)險(xiǎn)傳導(dǎo)路徑和內(nèi)在機(jī)理,從風(fēng)險(xiǎn)涌現(xiàn)角度構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)耦合層次網(wǎng)絡(luò)模型;林嘉豪等[4]采用耦合理論分析航空事故的本質(zhì)致因和耦合風(fēng)險(xiǎn),指出耦合風(fēng)險(xiǎn)的原因是各系統(tǒng)組元在容錯(cuò)性、兼容性和標(biāo)準(zhǔn)化等方面存有缺陷。既有文獻(xiàn)大多采用耦合理論分析航海、航空、能源、地質(zhì)災(zāi)害等領(lǐng)域的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn),較少將其應(yīng)用于鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的研究。王鈺等[5]采用災(zāi)場風(fēng)險(xiǎn)場模型及風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度解釋風(fēng)險(xiǎn)對城市區(qū)域系統(tǒng)的影響,說明了模型中各參數(shù)含義,指出了風(fēng)險(xiǎn)值、風(fēng)險(xiǎn)影響范圍、風(fēng)險(xiǎn)補(bǔ)償系數(shù)等參數(shù)的確定方法;亢永等[6-7]提出城市燃?xì)夤艿老到y(tǒng)泄漏事故三維風(fēng)險(xiǎn)場概念,推導(dǎo)出城市燃?xì)夤艿老到y(tǒng)泄漏事故三維風(fēng)險(xiǎn)場的風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度公式;黃沿波等[8-9]采用三維風(fēng)險(xiǎn)等值面描述個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)分布和風(fēng)險(xiǎn)變化率,并分別疊加了爆炸、火災(zāi)和中毒3種條件下的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)及其風(fēng)險(xiǎn)梯度;王妤甜等[10]、李劍鋒等[11]也采用三維源生、派生、風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度場描述個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)及風(fēng)險(xiǎn)疊加規(guī)律,給出了風(fēng)險(xiǎn)大小和方向的計(jì)算公式;王喆等[12]采用風(fēng)險(xiǎn)場強(qiáng)模型評估鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸環(huán)境風(fēng)險(xiǎn);風(fēng)險(xiǎn)場的概念還被應(yīng)用于擁擠人群疏散[13];Wang等[14]應(yīng)用尖端災(zāi)難模型結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)場來描述鐵路系統(tǒng)安全的動(dòng)態(tài)變化過程,主要思路是利用尖端災(zāi)難模型構(gòu)建鐵路系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)框架;王建強(qiáng)等[15-16]對基于人-車-路協(xié)同的行車風(fēng)險(xiǎn)場概念和原理進(jìn)行了闡述,行車風(fēng)險(xiǎn)場包括動(dòng)能場(由道路中機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車等運(yùn)動(dòng)物體決定)、勢能場(由道路環(huán)境要素決定)和行為場(由駕駛?cè)藗€(gè)體特性決定)。因此,本文首先建立各類風(fēng)險(xiǎn)因素形成的風(fēng)險(xiǎn)場,采用風(fēng)險(xiǎn)場疊加-觸發(fā)原理分析鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)形成機(jī)理。
本文風(fēng)險(xiǎn)識別指對鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)中存在的所有風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行科學(xué)分類,以正確認(rèn)識運(yùn)營管理過程中所面臨的風(fēng)險(xiǎn)種類,是后續(xù)風(fēng)險(xiǎn)度量、評估、控制等風(fēng)險(xiǎn)管理工作的研究基礎(chǔ)。鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)識別方法較多,如專家調(diào)查法、安全檢查表法(SCA)、工作-風(fēng)險(xiǎn)分解法(WBS-RBS)、情景分析法、故障樹分析法(FTA)、事件樹分析法(ETA)、危險(xiǎn)與可操作性分析(HAZOP)等。根據(jù)具體運(yùn)輸情況,本文采用上述方法分析如下5類風(fēng)險(xiǎn)。
1)人的不安全行為往往是鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸過程中事故發(fā)生的主要原因。涉及2類人員,一是運(yùn)輸過程中參與托運(yùn)、裝卸、貯存、運(yùn)輸、管理等環(huán)節(jié)的人員。不正確的工作態(tài)度和操作(對工作產(chǎn)生厭煩和怠慢心理、夾帶或匿報(bào)品名、違章改變介質(zhì)、押運(yùn)人脫崗等)、運(yùn)輸各環(huán)節(jié)的技術(shù)和知識不足(如裝卸作業(yè)操作失誤)、人員自身身體不適、不良的工作環(huán)境(大部分危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸是長途運(yùn)輸,工作時(shí)間長,工作人員容易產(chǎn)生生理和心理上的疲勞),易使人產(chǎn)生不安全行為;二是其他路外人員,如企業(yè)人員裝車過程中違規(guī)超量裝載、夾帶或匿報(bào)品名、非鐵路人員違法扒乘、偷乘、沿途擊打列車等無意或蓄意破壞危險(xiǎn)品的行為,極易引發(fā)安全事故。
2)設(shè)施設(shè)備存在的風(fēng)險(xiǎn)因素。一般包含2部分,一部分是在危險(xiǎn)貨物辦理站,裝卸機(jī)具技術(shù)性能故障、車輛編組作業(yè)時(shí)未禁止溜放、連掛作業(yè)時(shí)未限速連掛、未編組隔離車輛等都可能造成危險(xiǎn)事故;另一部分為載運(yùn)危險(xiǎn)品的鐵路機(jī)車車輛等設(shè)備的非正常工況運(yùn)行、設(shè)備維修不到位、設(shè)備本身存在缺陷等,如:車載運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)故障,車底故障,裝載罐體缺陷,上次運(yùn)輸殘留在車輛內(nèi)的危險(xiǎn)貨物未清理干凈,機(jī)車車輛設(shè)備疲勞、磨損、老化等。
3)車載危險(xiǎn)品本身的風(fēng)險(xiǎn)因素,其理化特性,如易燃易爆性、腐蝕性、毒性、感染或輻射性以及危險(xiǎn)貨物包裝不到位等危險(xiǎn)因素。
4)沿途環(huán)境存在的風(fēng)險(xiǎn)因素。如鐵路貨物運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)、鐵路貨運(yùn)線周邊環(huán)境等屬于環(huán)境子系統(tǒng),包括:大風(fēng)、雷電、極端溫度、暴雨、鐵路線路塌方、接觸網(wǎng)電弧火花等。
5)管理缺陷帶來的風(fēng)險(xiǎn)因素。如相關(guān)法律法規(guī)和安全生產(chǎn)規(guī)章制度欠缺或存在疏漏、預(yù)案編制和演練管理欠缺、非法運(yùn)輸、不合理運(yùn)輸路線和運(yùn)輸時(shí)間、安全防御措施欠缺、調(diào)度命令下達(dá)不準(zhǔn)確等。
在識別系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因素的基礎(chǔ)上,建立鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)場模型。定義如下:
1)將存在危險(xiǎn)因素的鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)或子系統(tǒng)定義為風(fēng)險(xiǎn)源,風(fēng)險(xiǎn)源存在相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)因素。
2)將鐵路機(jī)車車輛、隨車人員及裝載的危險(xiǎn)品定義為鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)內(nèi)部風(fēng)險(xiǎn)場承受體。
3)將鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)周邊環(huán)境中的其他系統(tǒng)定義為外部風(fēng)險(xiǎn)場承受體。
風(fēng)險(xiǎn)源產(chǎn)生的各風(fēng)險(xiǎn)因素形成的風(fēng)險(xiǎn)場首先作用于內(nèi)部風(fēng)險(xiǎn)場承受體,當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)源突破內(nèi)部風(fēng)險(xiǎn)場承受體防御系統(tǒng)后,風(fēng)險(xiǎn)源將發(fā)生危險(xiǎn)事故,從而釋放風(fēng)險(xiǎn)源的能量,進(jìn)而影響外部風(fēng)險(xiǎn)場承受體;當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)場突破外部風(fēng)險(xiǎn)場承受體的防御系統(tǒng)后,外部風(fēng)險(xiǎn)場承受體將發(fā)生危險(xiǎn)事故,進(jìn)而發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)鏈?zhǔn)绞鹿省>唧w如圖1所示。

圖1 風(fēng)險(xiǎn)場形成及作用過程Fig.1 Formation and action process of risk field

(1)


(2)
根據(jù)梯度計(jì)算公式可以獲得:
(3)
(4)
(5)
(6)

(7)
風(fēng)險(xiǎn)場的形成機(jī)理包含2部分內(nèi)容:第1部分屬于風(fēng)險(xiǎn)源內(nèi)部的風(fēng)險(xiǎn)場形成機(jī)理,作用于內(nèi)部風(fēng)險(xiǎn)場承受體,即風(fēng)險(xiǎn)源本身;第2部分屬于風(fēng)險(xiǎn)源外部的風(fēng)險(xiǎn)場形成機(jī)理,作用于外部風(fēng)險(xiǎn)場承受體,分為單一風(fēng)險(xiǎn)源與多風(fēng)險(xiǎn)源2種情況。只要風(fēng)險(xiǎn)因素存在,即存在對應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)場,同時(shí)作用于內(nèi)、外風(fēng)險(xiǎn)場承受體。


(8)

(9)
一般情況下單一風(fēng)險(xiǎn)場還不足以造成風(fēng)險(xiǎn)源安全事故,即無法沖破系統(tǒng)本身的防御體系。隨著風(fēng)險(xiǎn)因素的不斷增加,不同的風(fēng)險(xiǎn)場會(huì)不斷疊加,疊加后的風(fēng)險(xiǎn)場將再次沖擊系統(tǒng)的防御體系,部分或整體打破原來內(nèi)部風(fēng)險(xiǎn)場承受體的有序平衡性,從而形成新的風(fēng)險(xiǎn),或是原有的風(fēng)險(xiǎn)不斷增強(qiáng)。
隨著風(fēng)險(xiǎn)因素的不斷增加,風(fēng)險(xiǎn)場對于外部風(fēng)險(xiǎn)場承受體的威脅也越來越大;當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)場突破內(nèi)部風(fēng)險(xiǎn)場承受體的防御系統(tǒng)后,內(nèi)部風(fēng)險(xiǎn)場承受體系統(tǒng)將整體或部分崩潰、失效,釋放出能量,進(jìn)而影響周邊外部風(fēng)險(xiǎn)場承受體;當(dāng)外部風(fēng)險(xiǎn)場承受體的防御系統(tǒng)被突破后,隨之導(dǎo)致外部風(fēng)險(xiǎn)場承受體系統(tǒng)的整體或部分崩潰、失效,引發(fā)事故的連鎖反應(yīng)。
1)單一風(fēng)險(xiǎn)源


(10)
各風(fēng)險(xiǎn)因素形成的風(fēng)險(xiǎn)場強(qiáng)矢量疊加后形成總的風(fēng)險(xiǎn)場強(qiáng):

(11)
2)多風(fēng)險(xiǎn)源


圖2 點(diǎn)狀風(fēng)險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)場強(qiáng)疊加示意Fig.2 Schematic diagram of risk field strength superposition for point risk source
總風(fēng)險(xiǎn)勢為:
(12)
計(jì)算Pn(xn,yn,zn)的合風(fēng)險(xiǎn)場強(qiáng)度,將3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度矢量在3個(gè)坐標(biāo)軸上投影并疊加,根據(jù)平行四邊形法則可得到Pn點(diǎn)合風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度矢量的大小和方向。2個(gè)以上點(diǎn)狀風(fēng)險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)場強(qiáng)合成時(shí),可先兩兩風(fēng)險(xiǎn)場強(qiáng)合成,再與其他風(fēng)險(xiǎn)場強(qiáng)合成。合成公式如下:

(13)

(14)

(15)

(16)
為進(jìn)一步厘清各風(fēng)險(xiǎn)因素如何部分或整體打破內(nèi)外風(fēng)險(xiǎn)場承受體的有序平衡性,本文擬采用觸發(fā)器的概念分析鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的形成機(jī)理。利用觸發(fā)器原理檢驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)因素形成的風(fēng)險(xiǎn)場是否能刺激觸發(fā)器產(chǎn)生新脈沖,從而破壞鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)的平衡狀態(tài),導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)的急劇增強(qiáng)或產(chǎn)生新的風(fēng)險(xiǎn)或發(fā)生安全事故。如圖3所示。

圖3 鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)形成機(jī)理Fig.3 Formation mechanism of risk in railway dangerous goods transportation system
圖3中,T為某時(shí)間周期;R(t1)為t1時(shí)刻出現(xiàn)的合風(fēng)險(xiǎn)場脈沖信號;D(t1)為t1時(shí)刻鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)防御閾值。風(fēng)險(xiǎn)疊加觸發(fā)過程解釋如下:
1)風(fēng)險(xiǎn)因素形成的風(fēng)險(xiǎn)場經(jīng)過濾波器,進(jìn)行疊加震蕩,形成合風(fēng)險(xiǎn)場,t1時(shí)刻形成1個(gè)脈沖信號R(t1),并沖擊鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)的防御體系D(t1)。
2)若未沖破該防御系統(tǒng),系統(tǒng)仍將保持安全狀態(tài),則:
R(t1)≤D(t1),t1∈T
(17)
若沖破了該防御系統(tǒng),原有系統(tǒng)狀態(tài)被打破,導(dǎo)致危險(xiǎn)性急劇增大或產(chǎn)生新的風(fēng)險(xiǎn)或發(fā)生安全事故:
R(t1)>D(t1),t1∈T
(18)
這種風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)的變化將直接作用于內(nèi)外風(fēng)險(xiǎn)場承受體,導(dǎo)致的后果主要有3個(gè):一是內(nèi)部風(fēng)險(xiǎn)場承受體,即風(fēng)險(xiǎn)源本身的系統(tǒng)將全部或部分崩潰,系統(tǒng)失效;二是外部風(fēng)險(xiǎn)場將直接受到風(fēng)險(xiǎn)場的風(fēng)險(xiǎn)威脅;三是當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)源系統(tǒng)崩潰后,其釋放的風(fēng)險(xiǎn)場能量將會(huì)對外部風(fēng)險(xiǎn)場承受體系統(tǒng)進(jìn)行攻擊,可能導(dǎo)致外部風(fēng)險(xiǎn)場承受體的部分或整體失效,進(jìn)而產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)級聯(lián)效應(yīng)。

由圖4可以得出如下結(jié)論:1)鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)勢表征了風(fēng)險(xiǎn)源對內(nèi)、外部風(fēng)險(xiǎn)場承受體產(chǎn)生安全威脅的能力或趨勢,風(fēng)險(xiǎn)勢越大,其對內(nèi)、外風(fēng)險(xiǎn)場承受體產(chǎn)生的安全威脅越大;2)等效損失以事故發(fā)生地點(diǎn)坐標(biāo)為球心、以損失最大半徑為球半徑,在最大半徑及以內(nèi)的各半球殼上呈現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)勢等值分布的情況;3)距球心越近其球殼上的等效損失值越大,當(dāng)半徑為82 m時(shí),等效損失值最小;4)等效損失值越小,同樣半徑球殼上的等效損失值越小。圖4中顏色越淺,等效損失值越大;顏色越深,等效損失值越小;5)圖4(d)是圖4(a)~(c)3種風(fēng)險(xiǎn)因素形成風(fēng)險(xiǎn)勢的代數(shù)和疊加形成;6)當(dāng)3種風(fēng)險(xiǎn)因素單獨(dú)存在時(shí),其風(fēng)險(xiǎn)勢能力對內(nèi)、外部風(fēng)險(xiǎn)場承受體造成的風(fēng)險(xiǎn)威脅較小,無法突破系統(tǒng)整體的防御體系。當(dāng)3種風(fēng)險(xiǎn)因素同時(shí)存在時(shí),疊加的風(fēng)險(xiǎn)勢能力突破系統(tǒng)的防御體系,引起事故。
由圖5得出如下結(jié)論:1)鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)場強(qiáng)表征了風(fēng)險(xiǎn)源對內(nèi)、外部風(fēng)險(xiǎn)場承受體產(chǎn)生安全威脅能力強(qiáng)弱和方向的分布情況,風(fēng)險(xiǎn)場強(qiáng)越大,其對內(nèi)、外風(fēng)險(xiǎn)場承受體產(chǎn)生的安全威脅越大,風(fēng)險(xiǎn)場強(qiáng)方向以球心向外發(fā)散;2)等效損失以事故發(fā)生地點(diǎn)坐標(biāo)為球心、以損失最大半徑為球半徑,在最大半徑及以內(nèi)的各半球殼上呈現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)場強(qiáng)等值分布的情況;3)距球心越近其球殼上的等效損失值越大,當(dāng)半徑為82 m時(shí),等效損失值最小;4)等效損失值越小,同樣半徑球殼上的等效損失值越小。圖中顏色越淺,其等效損失值越大;顏色越深,其等效損失值越小;5)圖5(d)是圖5(a)~(c)3種風(fēng)險(xiǎn)因素形成風(fēng)險(xiǎn)場強(qiáng)矢量疊加形成的。

圖4 3種風(fēng)險(xiǎn)因素及疊加形成的風(fēng)險(xiǎn)勢(色帶表示風(fēng)險(xiǎn)勢大小,單位:元/米)Fig.4 Risk potential of three kinds of risk factors and risk potential after superposition(color belt showed size of risk potential, unit: Yuan/m)

圖5 3種風(fēng)險(xiǎn)因素形成的風(fēng)險(xiǎn)場強(qiáng)(色帶表示風(fēng)險(xiǎn)場強(qiáng)大小,單位:元/米2)Fig.5 Risk field strength of three kinds of risk factors (color belt showed size of risk field strength, unit: Yuan/m2)
1)在鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)上,應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)場理論,建立鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)勢函數(shù)及對應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)場強(qiáng)模型。
2)界定鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)內(nèi)、外部風(fēng)險(xiǎn)場承受體。內(nèi)部風(fēng)險(xiǎn)場承受體風(fēng)險(xiǎn)勢和風(fēng)險(xiǎn)場強(qiáng)均為代數(shù)加和疊加;外部風(fēng)險(xiǎn)場分為單一風(fēng)險(xiǎn)源和多風(fēng)險(xiǎn)源2類,風(fēng)險(xiǎn)勢表現(xiàn)為代數(shù)加和疊加,風(fēng)險(xiǎn)場強(qiáng)疊加滿足平行四邊形法則。
3)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)的變化直接作用于內(nèi)、外部風(fēng)險(xiǎn)場承受體,內(nèi)部風(fēng)險(xiǎn)場承受體即風(fēng)險(xiǎn)源自身系統(tǒng)將全部或部分崩潰,導(dǎo)致系統(tǒng)失效;當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)源系統(tǒng)崩潰后,其釋放的風(fēng)險(xiǎn)場能量對外部風(fēng)險(xiǎn)場承受體系統(tǒng)進(jìn)行攻擊,可能導(dǎo)致外部風(fēng)險(xiǎn)場承受體的部分或整體失效,進(jìn)而產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)級聯(lián)效應(yīng)。