铁路货车脱轨事故风险评价研究

张铁金

（北京铁路局调度所，北京 100860）

0 引言

列车脱轨会给生命财产造成重大损害。1998年6月德国发生其铁路有史以来最为惨重的列车脱轨事故，造成100人死亡，60余人重伤，运输技术装备（车辆、线路和桥梁等）遭受重大损失。2005年4月25日日本发生了近40年来最为严重的列车脱轨事故，伤亡人数达500余人。近10年来，脱轨事故在我国铁路行车重大较大事故中的比率高达70%左右。严重的脱轨事故，不仅导致车辆、线路的损坏，甚至造成人员伤亡，造成巨大的直接经济损失，而且由于长时间行车中断，还会影响社会的安定，同时给铁路运输的信誉带来严重损害。因此，研究列车脱轨具有重要的理论意义、经济效益和社会价值。

1 既有铁路货车脱轨安全评价方法

最早对脱轨的研究可追溯到19世纪末。1896年，Nadal首先根据爬轨车轮出现爬轨趋势的静力平衡条件，提出了临界脱轨系数[Q／P]的计算式，并以此作为车轮开始脱轨的评判准则。此后，各国从理论计算和试验两个方面研究了[Q／P]的量值，并制定了各自的规范限值。

我国《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》（GB 5599—85）规定的脱轨系数安全标准为：Q／P≤1．0为允许限度，Q／P≤1．2为危险限度。 不过，我国近几年来进行的几次大规模脱轨试验均未完全执行GB 5599—85，而是参考了日本标准或做相应的调整，否则，大量工况将被鉴定为脱轨，试验将不能顺利进行下去。为此，翟婉明提出用Q／P大于1．0及AP／P0大于0．6的最大持续作用时间均应小于0．035s作为车轮脱轨的安全限度，并提出了对国标GB 5599—85进行修改的建议方案。薛弼一对Nadal脱轨系数经典公式进行了改进，得出的结论是：Nadal脱轨系数公式过于保守，应采用改进公式进行车辆脱轨安全性评价。曾宇清基于Nadal脱轨系数经典公式，提出了修正的脱轨安全动态限度，认为可以减小脱轨系数的误判率。

上述国内外关于脱轨的研究并没有改变Nadal脱轨系数的根本思想，都是单轮在假定荷载下的计算和试验，没有从事故中分析脱轨之所以发生的影响因素，也没有从脱轨风险发生的可能性中提取有用信息，应用相关理论和方法将脱轨发生的概率降到最低。因而需要建立一套评价方法，综合考核各方面的安全状况，以期对评价对象的安全性作出全面系统的评价。

2 安全评价指标的选取

车辆脱轨往往不是由单一因素造成的，是多种因素综合作用的结果。它是一种随机性事件，换言之，列车编组方式、列车运行速度、机车操纵工况、线路技术状态和车辆技术状态等都是造成车辆脱轨的因素。诸多因素在最不利条件下耦合导致车辆脱轨。因此，找出对货车脱轨影响最大的因素，尽量减少这些不利因素的发生，削弱它的强度，降低其耦合机率，是解决“主要原因不清”的车辆脱轨事故的有效途径。笔者通过对既有评价指标的研究分析，选取了违章作业、机车车辆因素、钢轨路基因素、环境因素和心理因素等五大类评价指标。

3 模糊综合评价简介

3． 1 模糊综合评判的基本要素

模糊综合评判包括六个基本要素：评判因素论域、评语等级论域、模糊关系矩阵、评判因素权向量、合成算子和评判结果向量。

3． 2 模糊评价步骤

3．2．1 建立评价因素集U＝｛u1， u2， …， un｝

即首先确定评价因素体系，解决从哪些方面利用哪些因素来评价客观对象的问题。这在上面已经完成。

3．2．2 建立评价集V＝｛v1， v2， …， vn｝

确定评价集可使模糊综合评判得到了一个模糊评判向量，被评价对象对各评价等级的隶属程度的信息通过该模糊向量表示，体现评判的模糊特性。例如，评价集可以设定为｛安全，较安全，一般，较危险，危险｝或｛好，中，差｝，等等。

3．2．3 进行单因素评价，建立评价矩阵R

其中，rij为U中元素ui对应V中等级vi的隶属关系，即r1，r2，…rn是由第i个指标的评分值分别代入对v1，v2，…，vn隶属函数中计算出来的。

3．2．4 建立因素权重集A＝｛a1， a2， …， an｝

A是U中各因素对被评价对象的隶属关系。为反映各因素的重要程度，应对各因素给予一定的权重ai。根据各指标因素对应的频率和九级标度规则来判断各个指标间的相对重要程度，依据数学上求判断矩阵的特征根和特征向量的方法，计算出各因素的权重。各因素权重的确定已在上一节完成。

3．2．5 选择合成算子， 进行综合评判

模糊综合评判的基本模型可用下式表示：

式中， “。”代表合成算子。

根据综合评判的最后结果，用最大隶属度原则得出最后的评价结果。

4 案例分析

4． 1 事故概况

2006年7月18日5时02分沈阳铁路局通辽机务段DF4B7422号机车牵引86401次货物列车，编组57辆， 总重1 290t， 计长68．4m。 列车以46km／h速度通过通霍线72km＋325m处时，机后第1、2、3位车辆脱轨。脱轨后司机发现列车速度下降，使用非常制动将列车停于通霍线73km＋669m处（脱轨后走行1 345m），并立即报告舍伯吐车站。经复旧，于8时32分开通线路，中断行车3小时30分。

现场调查发现，断轨部位是铝热焊焊缝，脱轨点处线路位于无缝线路地段直线上，线路坡度为1．0‰上坡。检查脱轨点前后各100m线路几何尺寸无失格记录。线路钢轨扣件失效不超限，存在空吊现象。机车走行部各部尺寸正常，无配件脱落；车辆各配件无脱落，各部尺寸符合规定。

4． 2 事故原因

根据现场调查和分析，事故原因可归为以下几点：

a）焊接过程中没有严格执行焊接工艺，造成焊接面存有黑核、夹渣和两个φ2mm的气孔，该焊接缺陷的存在造成钢轨强度下降，在列车车轮冲击力的作用下发生折断，这是造成钢轨折断的直接原因；

b）探伤人员进行探伤检查时，没有按规定用小镜子检查轨底部分，未能发现钢轨底部存在的夹沙问题，这是造成钢轨折断的间接原因；

c）钢轨折断后，因该处线路存在不均匀空吊现象，造成两端头不在同一水平面上，加大了车轮与钢轨的冲击力，也加剧了钢轨的弹性变形，致使车轮跳起后脱轨，这是造成列车脱轨的直接原因；

d）通霍线夜间巡道员擅离职守，造成钢轨折断后不能及时发现处理，这是造成列车脱轨的又一原因。

4． 3 模糊评价分析

4．3．1 建立评价因素集

建立评价因素集如下：

U＝｛u1，u2， …， u9｝

式中：u1——超载偏载；

u2——值班员操作；

u3——司机操作；

u4——线路违章施工；

u5——段检列检疏忽；

u6——线路长期失修零件松动；

u7——线路施工后存隐患；

u8——人为破坏；

u9——自装货物加固状态。

4．3．2 建立评判集

将评价结果为“好”、“中”、“差”三个等级，建立评判集如下：

V＝｛v1， v2， …， vn｝＝｛好， 中，差｝

4．3．3 进行单因素评判

根据通霍线86401次货物列车脱轨险性事故调查报告，首先请沈阳铁路局专门从事货车运行维护与维修的专业技术人员及亲身参与86401次货物列车脱轨调查的相关专家进行打分（见表4－1）。

表4 －1 专家打分表

将各因素所得分数代入隶属函数，可得每个因素对评价集中每个等级的隶属度。例如，对u1的分数为92， 因此可以算出， μ1（92）＝0．903。 同理， μ2（92）＝0．080，μ3（92）＝0．061。 因此隶属度Ru1为：Ru1＝ ［0．903 0．080 0．601］。

同理，可得其他影响因素的的隶属度，得到单因素评价矩阵如下：

4．3．4 各因素权重的确定

各因素的权重已在上一节中算出，即：A＝｛0．125， 0．140， 0．125，0．156， 0．140， 0．050， 0．15 6， 0．058， 0．050｝。

4．3．5 综合评判

采用M（●，⊕）合成算子：

B＝A·R＝｛0．300 0．067 0．666｝

按最大隶属原则选取0．666对应的货车运行状况隶属区间为“差”，因此判断此列车脱轨的风险等级为高，很可能发生脱轨事故。事实上也确实发生了事故，证明该事故风险评价方法是可行的。此模型可用于对在线运行的货车进行评价，对于运行状况隶属度为“中”和“差”的车辆及时预警，必要时停车检查，对防止货车脱轨事故的发生具有重要的现实意义。

[1]杨浩.关于防止货车空车脱轨的研究[D].北京：北京交通大学，2003.

[2]杨文安.高速公路经营风险的模糊层次评价[J].工业技术经济，2006，（3）：122-124.