城市軌道交通行車設(shè)備安全保障系統(tǒng)設(shè)計*

朱復(fù)呂 李琪 肖黃菊 成皓宇 王一沫

（江蘇理工學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院）

城市軌道交通是一種主要技術(shù)特征為軌道交通的現(xiàn)代公共運輸方式，是公共客運交通的中堅力量，為城市提供主要的客運服務(wù)。在城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）發(fā)展歷程中，公共安全事故，如踩踏事件發(fā)生的概率很小，而發(fā)生較為頻繁且影響較為嚴(yán)重的是列車事故、火災(zāi)事故和水災(zāi)事故。由于設(shè)備故障造成的列車相撞、脫軌、停電所占比例分別是16%、13%和7%[1]，因此設(shè)備故障造成的事故數(shù)量占比接近40%。本文主要從信號系統(tǒng)和供電系統(tǒng)兩個方面分析事故發(fā)生的影響因素，建立城軌行車設(shè)備風(fēng)險評價指標(biāo)體系，通過模糊綜合評價法確定城軌行車設(shè)備的安全等級。

在城軌運營安全保障系統(tǒng)研究方面，蘇宏明等[2]首次提出風(fēng)險主動防控理論，并構(gòu)建全局級的安全保障系統(tǒng)，完成系統(tǒng)層面的風(fēng)險評估和控制；張彧鋒等[3]從運營安全保障平臺功能入手，對平臺體系架構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，并對部分功能進(jìn)行了仿真實踐；任星辰[4]建立了較為綜合，且有針對性的城市軌道交通運營設(shè)施設(shè)備安全評價指標(biāo)體系對運營設(shè)施設(shè)備進(jìn)行評價。Ding等[5]通過數(shù)據(jù)挖掘進(jìn)行風(fēng)險源分析，基于故障日志學(xué)習(xí)法進(jìn)行城軌安全保障系統(tǒng)的設(shè)計。

一、構(gòu)建地鐵行車安全評價指標(biāo)體系

（一）地鐵行車事故分析

地鐵的安全運營依靠不同領(lǐng)域的技術(shù)保障，地鐵運行安全受內(nèi)在和外在因素、硬件設(shè)施和“軟環(huán)境”等多方面的影響[6]。為了量化分析地鐵事故的成因，本文對國內(nèi)外百余起地鐵事故進(jìn)行統(tǒng)計分析[7]，結(jié)果表明，在地鐵運營事故分類中占比較多的是火災(zāi)（24.2%）、列車相撞（16.2%）和爆炸（15.2%），所涉及的事故類型較多的是脫軌和列車相撞，因此本文主要對脫軌和列車相撞的事故進(jìn)行分析。

本文選取兩起典型的地鐵行車事故，即日本兵庫尼崎列車脫軌事故和上海地鐵10號線相撞事故，運用事故樹分析法對事故原因進(jìn)行分析。通過Freefta軟件繪制事故樹，直觀地分析造成行車安全事故的原因。通過事故樹的分析可以看出，在日本兵庫尼崎列車脫軌事故中，舊式信號系統(tǒng)的不完善是主要原因之一。上海地鐵10號線相撞事故中，主要原因是供電系統(tǒng)故障導(dǎo)致信號系統(tǒng)的非正常工作，以及由供電系統(tǒng)故障引發(fā)的集中站信號故障。因此，列車相撞和脫軌兩類事故主要是由于信號系統(tǒng)、供電系統(tǒng)設(shè)備的不安全狀態(tài)以及人的不安全行為造成的。

（二）評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

信號系統(tǒng)是確保行車安全的關(guān)鍵設(shè)備。主要的信號設(shè)備包括軌道電路、計軸設(shè)備、道岔、網(wǎng)絡(luò)及計算機(jī)設(shè)備及信號電纜[8]；供電系統(tǒng)發(fā)生故障也會造成地鐵的運行癱瘓，故城市軌道交通安全運營的前提是供電系統(tǒng)保持安全可靠[9]。在此基礎(chǔ)之上建立城軌行車設(shè)備風(fēng)險評價指標(biāo)體系，行車設(shè)備風(fēng)險指標(biāo)分為準(zhǔn)則層和子準(zhǔn)則層兩個部分。準(zhǔn)則層包括信號系統(tǒng)和供電系統(tǒng)，子準(zhǔn)則層中的道岔、計軸器、軌道電路、信號電纜絕緣狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)及計算機(jī)設(shè)備屬于信號系統(tǒng)的評價細(xì)分；主變電所、牽引供電系統(tǒng)、動力照明系統(tǒng)屬于供電系統(tǒng)的評價細(xì)分。

二、基于模糊綜合評判法的行車設(shè)備安全評價

模糊綜合評判法是將評估目標(biāo)視為由多個因素組成的模糊集，即建立因子集U，再設(shè)置評估等級形成模糊評判，即評估集V，這是評估者確定的所有可能的判斷結(jié)果的合集[10]。

（一）層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重

在諸多影響因素中，各因素對行車系統(tǒng)安全的影響程度不相同，用權(quán)重來表示，即wij表示各個因素uij的權(quán)重集。本文采用層次分析法（AHP）進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的確定。結(jié)合評價因素的定性分析、評價標(biāo)度的含義以及專家意見對各指標(biāo)進(jìn)行重要性賦值，構(gòu)建各層次的判斷矩陣，其中aij為判斷矩陣，Wi為權(quán)重集。

由式（1）～式（3）計算得指標(biāo)權(quán)重如表1所示，并檢驗其一致性。

表1 指標(biāo)權(quán)重分配表

（二）模糊綜合評判

城軌行車設(shè)備單因素模糊評價是從因子集U中判斷并確定評價對象對評價集中各元素的隸屬度。單因素評判矩陣中隸屬度的確定需要依賴于隸屬度函數(shù)，確定隸屬度函數(shù)即是建立單因素評判矩陣的首要任務(wù)。典型函數(shù)法在城軌安全運營評價中使用最多[11]，因此本文采用升半梯形分布[10]確定隸屬度，隸屬度函數(shù)如式（5），其中Fij為隸屬度值。

為了確定隸屬度，有特定的量化標(biāo)準(zhǔn)，將五個等級進(jìn)行評分，設(shè)定評分間隔，以便于對每個因素與相應(yīng)等級的隸屬度進(jìn)行評分，并建立隸屬度函數(shù)。由隸屬度函數(shù)計算得風(fēng)險因素的隸屬度取值，本文采用乘積-取大型合成算法[12]進(jìn)行綜合評判，如式（6），F(xiàn)i表示準(zhǔn)則層判度，Wi為權(quán)重值。根據(jù)成績-取大型合成算法，值越大表明對所在等級的隸屬度最高，風(fēng)險結(jié)果為最大隸屬度所在的等級。

分級綜合評判是利用準(zhǔn)則層和子準(zhǔn)則層的指標(biāo)權(quán)重，在隸屬度函數(shù)的基礎(chǔ)上對目標(biāo)層評分進(jìn)行綜合判度的計算[13]，如式（7）～式（8），其中FX為綜合判度，F(xiàn)Z為目標(biāo)層行車設(shè)備風(fēng)險的綜合判度。c為評分等級系數(shù)，W1i和W1i分別為因素集U1和U2的權(quán)重向量，WU1和WU2為因素集U的權(quán)重向量。

（三）算例

根據(jù)軌道交通線路的實際情況和評分區(qū)間劃分對子準(zhǔn)則層評價值打分，如表2所示。由隸屬度函數(shù)，計算得風(fēng)險因素的隸屬度取值，如表3所示。

由 式（1 1） 得 F1=（0,0.0924,0.5417,0.3651,0），F(xiàn)2=（0.0065,0.3590,0.6344,0,0），此時信號系統(tǒng)和供電系統(tǒng)均對V3的隸屬度最高，說明行車設(shè)備安全等級為有危險。由式（7）～式（8）計算得FZ為122，行車設(shè)備安全等級為有危險。

三、城軌行車設(shè)備安全保障系統(tǒng)開發(fā)

本文采用QT Designer軟件進(jìn)行城軌行車設(shè)備安全保障功能開發(fā)，設(shè)計的系統(tǒng)界面如圖1（a）所示，該界面是城軌行車時，記錄的設(shè)備系統(tǒng)子設(shè)備的狀態(tài)，也是城軌運營概況。系統(tǒng)界面主要分為五個模塊[14]，基本信息模塊、設(shè)備系統(tǒng)子系統(tǒng)模塊、子設(shè)備模塊、故障因素模塊、等級判定模塊。

圖1 城軌行車設(shè)備安全保障系統(tǒng)

模擬行車情景設(shè)定如下：2015年1月1日；上海地鐵1號線；信號系統(tǒng)、供電系統(tǒng)均發(fā)生故障；道岔的表示電路故障、信號電纜的對地電纜絕緣不達(dá)標(biāo)、線間電纜絕緣不良，主變電所的電壓數(shù)據(jù)顯示為0、誘發(fā)開關(guān)關(guān)閉，牽引供電系統(tǒng)的接觸網(wǎng)發(fā)生故障。模擬行車輸出界面如圖1（b）所示。

四、結(jié)論

本文分析了幾起城市軌道交通行車事故典型案例，運用事故樹分析法，直觀展現(xiàn)出影響城市軌道交通運營安全的各因素，以及各因素間的邏輯關(guān)系，為定量分析提供理論依據(jù)。在分析影響行車安全因素的基礎(chǔ)上，基于層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重值，建立城軌行車設(shè)備風(fēng)險指標(biāo)體系，嚴(yán)格計算，確保權(quán)重值的合理性。結(jié)合層次分析法確定的權(quán)重值，運用模糊綜合評判法，對城軌行車設(shè)備的安全程度進(jìn)行綜合評判。用QT Designer軟件搭建系統(tǒng)界面，將影響因素作為參數(shù)輸入，并通過編程實現(xiàn)界面的輸出，搭建出一個可實時評分的城軌行車設(shè)備安全保障系統(tǒng)。