基于量化風險分析的城市軌道交通安全評估

彭北華 永 秀

(1.科進(亞洲)有限公司,518031，深圳；2.深圳市地鐵集團有限公司，518026，深圳//第一作者,高級工程師)

隨著國內城市軌道交通建設的快速發展，軌道交通運營安全問題也越來越突出。有統計資料顯示，從1969年至2010年全國發生有影響的地鐵事故僅13起，而2011年就發生了7起。分析事故實例，發現大部分事故都是由于工程質量、設計缺陷、系統設備、運營管理以及人為因素等問題導致的。要預防城市軌道交通事故的發生，開展城市軌道交通安全評估是十分必要的。

國際上通常采用風險為本的方法開展安全評估工作。根據歐盟標準(如EN 5012x系列標準、IEC 61508標準等)，從項目建設開始，對于鐵路系統，特別是安全關鍵系統，必須由獨立且具有相應資質的機構，開展獨立安全評估(ISA)及審查工作。英國法規明確要求:鐵路建設單位及運營單位須在建設周期內開展安全保障工作，識別、評估運營風險，并采取相應措施,降低風險;在運營前，政府主管部門將審查建設單位及運營單位的系統保障工作，并頒發安全證書;在運營階段，定期開展第三方評估及審查，驗證鐵路安全實際工作是否符合安全計劃的安排，并評估安全管理體系是否仍然有效，評估或審查的深度取決于風險等級以及鐵路組織的范圍。

1 量化風險模式安全評估的意義

目前國內軌道交通安全保障通常采用的“安全評價體系”，是對已運營的線路而言的。它通過評價運營過程中相關的安全法規、標準的實施來保障運營安全，即通過設置安全評價機制進行安全控制。評價過程是依據專家以往的經驗制定“評價表”，根據表中評估指標評估線路的實際情況。該評價方式是符合性檢查，不能量化評估指標，且主觀性較大。

各城市軌道交通運營線路的實際狀況各有不同，有的運營線路故障集中表現為設備設施問題，有的線路則更側重為管理問題，而有的線路由于地質問題更多表現為土建設施問題，所以很難用同一標準來衡量與評估。因此，必須建立一套具備風險量化(即風險度量)的評估體系，對運營線路的風險進行評價和估量，既要包括對風險發生可能性大小(概率大小)的評價和估量，又要包括對風險后果嚴重以及風險隱藏程度的評估;其目標是要制定具有前瞻性的風險應對措施，避免事故的發生。

量化風險的安全評估采用科學系統方法確定運行體系存在的危險性，并根據其風險大小采取相應的措施，以達到安全運營的目的。

2 量化風險模型

風險量化必須確定以下幾個要素：風險發生的概率,風險引發事故的后果嚴重性,風險的隱蔽程度。

2.1 風險發生概率

風險發生概率F={f1,f2,f3,…,f10}。F包含機電系統設備、土建設施、管理程序、人為因素等方面造成運營事故的概率。根據以往城市軌道交通運營經驗，可對發生事故次數與風險概率做出定義見表1。

表1 事故發生次數與風險概率

2.2 風險引發事故的后果嚴重性

風險引發事故的后果嚴重性R={r1,r2,r3,r4}。R包括機電系統設備、土建設施、管理程序、人為因素等風險所導致事故的嚴重性。事故嚴重性可根據人員(包括工作人員、乘客)的傷亡、服務中斷的時間來確定。

人員的傷亡分類：死亡,重傷,輕傷。

服務中斷分類：城市軌道交通網絡服務中斷,線路服務中斷,車站服務中斷。值得注意的是，風險引發后果的嚴重性不等于事故等級。R的定義見表2:r1為不可接受類，r2為不理想類，r3為可容忍類，r4為可接受類。

表2 風險引發事故嚴重性定義

2.3 風險隱蔽程度

風險隱蔽程度S={s1,s2,s3,s4}，由于風險度量是與風險隱蔽程度密切相關的，易于發現的風險既可能屬于高風險等級，也可能屬于低風險等級，因此,評估模型須引入風險隱蔽程度概念才能完整和準確地評估風險數值大小。風險隱蔽程度定義見表3。

表3 風險隱蔽度定義

2.4 量化風險模型

建立量化風險模型就是確定風險發生概率(F)、風險引發事故的后果嚴重性(R)以及風險隱蔽程度(S)三者的關系。通常采用F、R和S三者的乘積來計算風險數值P的大小。即：

P=FRS

在實際評估過程中，針對F、R和S在機電系統設備、土建設施、管理程序、人為因素的相對重要程度進行加權計算，即P=FμRυSω。其中μ、υ、ω分別為F、R、S的權重系數，μ、υ、ω∈[0,1]，且μ+υ+ω=1，P∈[0,1]。權重反映F、R、S在評估過程中的相對重要性。

P∈(0.75,1]為不可接受。此類問題指：存有嚴重錯誤和隱患,一旦發生即可導致災難性后果,必須立即處理，如無法立即徹底解決或采取特殊控制措施來控制風險，則不能投入運營服務。

P∈(0.5,0.75]為必須將風險減低至最低實際可行的水平。此類問題要求必須處理，如無法徹底解決，則可在短期內采取特殊控制措施來控制風險。此類問題是指有錯誤或遺漏、嚴重的隱患；或程序中含有直接影響到操作安全性的問題；或在開展后續階段查核之前必須先被解決的缺陷。按照運營服務保障的高水平要求，此類問題必須在投入運營服務之前被整改完畢。

P∈(0.25,0.5]為可忍受的風險，但仍須按成本效益盡量減低風險。此類問題指細小錯誤、缺陷或不足以帶來嚴重的后果，以及對安全無直接重大影響的技術缺陷等；將被識別出來，不要求立即處理。

P∈[0,0.25]為可接受的風險。此類問題指不包含錯誤，只是不完整或有瑕疵。一旦發生，將引發輕微或極輕微后果而已。

2.5 風險故障樹分析模型

在安全評估過程中，按照機電設備系統(E)、土建設施(C)、管理程序(M)、人為因素(H)等四大類，用風險量化模型P=FμRυSω，分別計算每一設備、設施的風險度數值。為保證安全評估完整性，全面反映被評估城市軌道交通企業運營安全的實際狀況，要進行兩個層次系統的故障樹分析見圖1。

圖1 風險故障樹分析模型

第一層次為機電設備系統(E)、土建設施(C)、管理程序(M)、人為因素(H)的故障樹分析。根據風險量化模型P=FμRυSω分別計算表4中x10—x42各項風險度，再對得出的所有風險數值進行故障樹分析。

第二層的計算是在第一層成果的基礎上，對計算出的機電設備系統(E)、土建設施(C)、管理程序(M)、人為因素(H)的風險度進行分析，計算時需根據被評估線路的經驗數據(即故障統計數據)分配權重并分別計算加權后風險度數值，即：E=Ek、C=cμ、M=Mυ和H=Hω,k、μ、υ、ω∈[0，10]，且k+μ+υ+ω=10(Ek為加權后的E；Cu為加權后的C；Mv為加權后的M；Hw為加權后的H)。經過上述兩個層次的故障樹計算和分析，可以得到被評估線路的風險數值。

3 案例分析

結合某一城市軌道交通安全評估的實際數據進行分析。

3.1 量化風險數據計算

首先根據以往故障數據統計分析，確定F、R和S的權重，見表4。

再根據風險量化模型P=FμRυSω，主要針對查核出的r1、r2類風險分別計算各項風險數值，計算結果見表5。

表4 第一層次各分類項的F、R、S

3.2 加權故障樹計算分析

第一層次按機電系統設備(E)、土建設施(C)、管理程序(M)、人為因素(H)的分類故障樹分析，經計算得到機電系統設備風險值(E)、土建設施風險值(C)、管理程序風險值(M)、人為因素(H)的風險值分別為：E=0.858；C=0.358；M=0.119；H=0.333。計算過程見圖2～圖6(EVENT為隱患事件的描述，Q為風險值)。

表5 各項風險數值計算值

第二層是經過對以往故障數據的整理、分析，在第一層故障樹計算結果的風險數值加權指數的基礎上進行故障樹分析。加權指數分別為4,2,1.5和2.5。即計算：Ee=E4=0.8584=0.542，Ce=c2=0.3582=0.128，Me=M1.5=0.1191.5=0.041，He=H2.5=0.3332.5=0.064,對加權后的值進行故障樹計算，得到該線路的風險數值。計算過程見圖6。

經過以上分析、計算,該線路風險數值為0.646，運營安全存在較大的隱患，特別是系統的接口、信號系統、供電、屏蔽門/安全門設備以及軌旁設備的問題，同時要加強運營與維修人員培訓，提高安全素質。

圖2 機電設備系統故障樹計算圖

圖3 土建設施故障樹計算圖

圖4 管理程序故障樹計算圖

圖5 人為因素故障樹計算圖

圖6 線路風險故障樹計算圖

4 結語

本文從風險管理、風險量化的角度，引入風險量化模型，從風險發生的概率、風險引發后果的嚴重性和風險隱蔽程度分析城市軌道交通設備設施的風險數值，同時引入加權故障樹模型來整體分析城市軌道交通安全度，能科學、系統、客觀地評估城市軌道交通的安全性。為預防城市軌道交通事故的發生提供了理論依據。