城市軌道交通行車設備安全保障系統設計*

朱復呂 李琪 肖黃菊 成皓宇 王一沫

（江蘇理工學院汽車與交通工程學院）

城市軌道交通是一種主要技術特征為軌道交通的現代公共運輸方式，是公共客運交通的中堅力量，為城市提供主要的客運服務。在城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）發展歷程中，公共安全事故，如踩踏事件發生的概率很小，而發生較為頻繁且影響較為嚴重的是列車事故、火災事故和水災事故。由于設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]，因此設備故障造成的事故數量占比接近40%。本文主要從信號系統和供電系統兩個方面分析事故發生的影響因素，建立城軌行車設備風險評價指標體系，通過模糊綜合評價法確定城軌行車設備的安全等級。

在城軌運營安全保障系統研究方面，蘇宏明等[2]首次提出風險主動防控理論，并構建全局級的安全保障系統，完成系統層面的風險評估和控制；張彧鋒等[3]從運營安全保障平臺功能入手，對平臺體系架構進行了設計，并對部分功能進行了仿真實踐；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施設備安全評價指標體系對運營設施設備進行評價。Ding等[5]通過數據挖掘進行風險源分析，基于故障日志學習法進行城軌安全保障系統的設計。

一、構建地鐵行車安全評價指標體系

（一）地鐵行車事故分析

地鐵的安全運營依靠不同領域的技術保障，地鐵運行安全受內在和外在因素、硬件設施和“軟環境”等多方面的影響[6]。為了量化分析地鐵事故的成因，本文對國內外百余起地鐵事故進行統計分析[7]，結果表明，在地鐵運營事故分類中占比較多的是火災（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故障導致信號系統的非正常工作，以及由供電系統故障引發的集中站信號故障。因此，列車相撞和脫軌兩類事故主要是由于信號系統、供電系統設備的不安全狀態以及人的不安全行為造成的。

（二）評價指標體系的構建

信號系統是確保行車安全的關鍵設備。主要的信號設備包括軌道電路、計軸設備、道岔、網絡及計算機設備及信號電纜[8]；供電系統發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保持安全可靠[9]。在此基礎之上建立城軌行車設備風險評價指標體系，行車設備風險指標分為準則層和子準則層兩個部分。準則層包括信號系統和供電系統，子準則層中的道岔、計軸器、軌道電路、信號電纜絕緣狀態、網絡及計算機設備屬于信號系統的評價細分；主變電所、牽引供電系統、動力照明系統屬于供電系統的評價細分。

二、基于模糊綜合評判法的行車設備安全評價

模糊綜合評判法是將評估目標視為由多個因素組成的模糊集，即建立因子集U，再設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果的合集[10]。

（一）層次分析法確定指標權重

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

由式（1）～式（3）計算得指標權重如表1所示，并檢驗其一致性。

表1 指標權重分配表

（二）模糊綜合評判

城軌行車設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，確定隸屬度函數即是建立單因素評判矩陣的首要任務。典型函數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，有特定的量化標準，將五個等級進行評分，設定評分間隔，以便于對每個因素與相應等級的隸屬度進行評分，并建立隸屬度函數。由隸屬度函數計算得風險因素的隸屬度取值，本文采用乘積-取大型合成算法[12]進行綜合評判，如式（6），Fi表示準則層判度，Wi為權重值。根據成績-取大型合成算法，值越大表明對所在等級的隸屬度最高，風險結果為最大隸屬度所在的等級。

分級綜合評判是利用準則層和子準則層的指標權重，在隸屬度函數的基礎上對目標層評分進行綜合判度的計算[13]，如式（7）～式（8），其中FX為綜合判度，FZ為目標層行車設備風險的綜合判度。c為評分等級系數，W1i和W1i分別為因素集U1和U2的權重向量，WU1和WU2為因素集U的權重向量。

（三）算例

根據軌道交通線路的實際情況和評分區間劃分對子準則層評價值打分，如表2所示。由隸屬度函數，計算得風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），F2=（0.0065,0.3590,0.6344,0,0），此時信號系統和供電系統均對V3的隸屬度最高，說明行車設備安全等級為有危險。由式（7）～式（8）計算得FZ為122，行車設備安全等級為有危險。

三、城軌行車設備安全保障系統開發

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

圖1 城軌行車設備安全保障系統

模擬行車情景設定如下：2015年1月1日；上海地鐵1號線；信號系統、供電系統均發生故障；道岔的表示電路故障、信號電纜的對地電纜絕緣不達標、線間電纜絕緣不良，主變電所的電壓數據顯示為0、誘發開關關閉，牽引供電系統的接觸網發生故障。模擬行車輸出界面如圖1（b）所示。

四、結論

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系，為定量分析提供理論依據。在分析影響行車安全因素的基礎上，基于層次分析法確定指標權重值，建立城軌行車設備風險指標體系，嚴格計算，確保權重值的合理性。結合層次分析法確定的權重值，運用模糊綜合評判法，對城軌行車設備的安全程度進行綜合評判。用QT Designer軟件搭建系統界面，將影響因素作為參數輸入，并通過編程實現界面的輸出，搭建出一個可實時評分的城軌行車設備安全保障系統。