事故樹分析法在中低速磁浮交通運營事故分析中的應用*

魏慶朝 潘姿華 初智杰 李敏

(1. 北京交通大學土木建筑工程學院， 100044， 北京;2. 河北省農林科學院農業信息與經濟研究所， 050051， 石家莊//第一作者，教授)

中低速磁浮交通復雜的系統組成,使其具有轉彎半徑小、爬坡能力強、振動噪聲小及節能環保等諸多優勢，但也增加了運營安全影響因素的復雜性。目前，既有研究[1-6]多從工程技術角度分析了磁浮交通單一線路或某一事故類型的致災因素，但缺乏從系統角度對事故致因及救援措施的有效性等方面進行深入探討。本文將在詳細分析磁浮交通運營事故影響因素和類型特點的基礎上，運用事故樹分析法，對中低速磁浮交通運營事故致因及防范措施加以分析。

1 事故特點及分類

1.1 事故特點

中低速磁浮交通有復雜的技術原理，具有整體移動道岔等特殊軌道線路設施，其運營事故的致因比輪軌式地鐵更為復雜。

在懸浮導向方面，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反饋和校正，可完成對2個懸浮電磁鐵的控制和驅動，從而共同實現轉向架上1點的懸浮[7]。一旦供電系統及懸浮元件等發生故障，都可能使列車無法保持正常懸浮間隙，從而出現列車落軌或電磁鐵吸死在軌道F軌的磁極面上的情況。

在牽引驅動方面，中低速磁浮列車一般1節車廂配置10臺直線感應電機，并設有短接保護設施。在列車運行過程中，如出現直線電機短接保護蓋損壞故障，則列車在推動牽引手柄瞬間會出現車輛主斷路器跳開、且司機室顯示屏顯示“接地跳主斷”的現象，使列車無法正常運行[8]。此外，司機在駕駛時誤碰磁浮列車司機控制器的方向手柄，則可能造成列車方向信號丟失，存在使列車在正常運行時觸發緊急制動的風險[9]。

在軌道設施方面，F型軌道與鋼軌枕共同組成的軌排結構是否正確安裝也會影響磁浮列車的正常運行。例如，當站前道岔處的軌排未滿足測速傳感器安裝板300 mm范圍內除軌道外無其他金屬物的要求時，車載傳感器在感應線路軌枕位置時很可能輸出異常速度信號，影響列車的驅動/制動系統。長沙磁浮快線在調試階段就曾出現列車測速系統受道岔處與 F 軌平行的金屬物影響，使已靜止的列車再次啟動電制動效應，使列車出現反向驅動[10]。

此外，中低速磁浮交通采用三點定心結構式道岔，依靠驅動系統和鎖定系統自動進行解鎖、轉轍、鎖緊操作，由鋼梁整體進行轉轍。一旦曲柄搖桿、減速電機、滑槽、臺車等驅動裝置和鎖銷裝置發生故障，輕則延遲道岔的轉轍時間，降低線路運輸能力，重則造成沖突碰撞等惡性事故。若道岔結構中的F軌角平分裝置或移動梁體間的過渡裝置等薄弱環節發生故障，則會降低列車懸浮系統通過道岔區時的穩定性和平順性，為行車安全帶來隱患[12]。

中低速磁浮交通多采用高架線路。這使得突發事故發生時列車位于高架橋上的概率顯著增大，同時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，其線下空間復雜，難以保證應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])，當大量乘客需要橋上進行長距離緊急疏散時，既有疏散設施的疏散效率尚有待檢驗。

1.2 事故分類

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

2 事故樹致因分析

事故樹分析(FTA)法是系統工程中邏輯性強、應用廣泛的圖形演繹法[15]。

2.1 FTA原理

采用FTA法進行定性分析時，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系；再后，運用布爾代數規則確定頂上事件與若干最小割集之間的關系；最后，計算各基本事件對頂上事件的影響力度，即結構重要度系數，并對各基本事件的結構重要度排序。FTA步驟如圖1所示。

表1 中低速磁浮系統運營事故類型

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、列車沖突(碰撞)、列車運緩(途停)等3類事故的事故樹，如圖2～4所示。

2.3 基本事件結構重要度計算

采用FTA法定性分析時，需求解最小割集、最小徑集和基本事件的結構重要度。最小割集是引起頂上事件發生的基本事件最低限度集合。最小徑集是指使頂事件不發生的最低數量基本事件組合。最小割集越多，系統的危險性越大。最小徑集越多，系統安全性越高。

當基本事件的發生概率難以準確獲取時，可先假定各基本事件發生概率相等，通過計算各基本事件的結構重要度系數，分析基本事件的發生對頂層事件發生所產生的影響程度。基本事件Xi結構重要度為[15]：

圖2 磁浮列車火災事故樹

圖3 磁浮列車沖突(碰撞)事故樹

圖4 磁浮列車運緩(途停)事故樹

(1)

式中：

I(i)——基本事件Xi結構重要度系數的判別值；

Kj——基本事件Xi所在的最小割(徑)集，其中j為最小割(徑)集個數；

n——基本事件Xi所在集合的基本事件個數。

3 運緩(途停)事故案例分析

中低速磁浮交通因系統原理獨特，其運緩(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、最小徑集和結構重要度系數

根據布爾代數計算原理，該事故樹的結構函數表達式為

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，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。轉換后的成功樹結構函數為：

T3=M1M2M3=

(X1X4X5X6X7X14)(X2+X3)

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

X1X2X4X5X6X7X10X11X14X8X12+

X1X2X4X5X6X7X10X11X14X8X13+

X1X2X4X5X6X7X10X11X14X9X12+

X1X2X4X5X6X7X10X11X14X9X13+

X1X3X4X5X6X7X10X11X14X8X12+

水力旋流器入口設為速度入口，連續相介質為水，流速為3 m/s，設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，壓力設置為0，設置溢流口為逃逸，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個最小割集，即為原運緩(途停)事故樹的最小徑集。據式(1)，計算中低速磁浮列車運緩(途停)事故樹的基本事件結構重要度并排序。計算結果如表2所示。

由表2，基本事件結構重要度排序為I(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 構建致災集合及防范措施分析

表2 中低速磁浮列車運緩(途停)事故樹基本事件結構重要度系數

對應基本事件結構重要度排序，致災集合的重要度排序為A=C=E>B=D=F。可見，在正常運營條件下，若要避免運緩(途停)事故發生，應首先加強對“突發緊急事故、行車條件喪失和牽引驅動系統失效”三類致災事件的防范與檢查，提高中低速磁浮列車走行能力的穩定性和可靠性；通過視頻監控、人工巡檢等方式，可消除來自線路外部環境的不安全因素，確保良好的行車條件。此外，還應確保列車懸浮系統的穩定性、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，確保牽引驅動系統正常工作更為重要(E>D=F)。這是因為當列車喪失懸浮能力時，仍可通過備用走行輪實現列車移動，從而避免列車對線路的占用。

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

表3 事故樹結構重要計算分析表

4 結語

中低速磁浮交通的牽引、懸浮、導向等技術原理與其他軌道交通不同，有獨特的線路軌道及道岔結構。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：未來應構建磁浮交通致災事件及故障率統計數據庫，進一步探明磁浮交通運營事故的特點及規律；采用加強線路巡檢、增設視頻監控設備等方式，消除外部線路環境和人員因素造成的致災條件，加強車輛、人員的安保工作和設備設施檢測，提高中低速磁浮列車各子系統間的綜合協調能力，為提供有針對性的防范措施提供基礎，為磁浮交通的安全運營提供重要保障。