高速铁路信号系统的安全评估方法的研究

孙晓明　周冬梅

摘要：近年来，我国高速铁路发展迅猛，由此各国高铁事故频频发生，且许多事故与信号系统未能充分发挥作用、无法满足安全要求有关，对于信号系统的安全评估研究迫在眉睫。该文对我国铁路信号系统的安全评估方法进行分析，提出并探讨了其安全评估方法的选择和采用层次分析和灰色理论相结合的方法对高铁信号系统进行风险分析。

关键词：高速铁路信号系统；安全评估；层次分析法；灰色理论

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）18-0075-02

铁路运输凭借其安全、快速、大容量、气候适应性强等优势，在交通运输系统中扮演着越来越重要的角色。高速铁路包括运营速率不小于250km/h的高速新线，以及改造后最高运营速率不小于200km/h的线路。我国现有高速铁路里程已超过1.6万公里，而且其智能化和信息化程度越来越高。因此，高速铁路信号系统作为列车安全高速运行的保障变得更加重要。

1.高速铁路信号系统安全评估的研究意义

高速铁路信号系统是铁路路况、行车信号等数据的采集、处理中心，也是整个铁路运输系统的控制枢纽，它涉及电子、通信、计算机和控制技术等多个领域，与整个铁路运输系统的安全和效率紧密相连。铁路信号设备发生故障或铁路信号系统出现错误，都会影响列车的正常运行，甚至导致事故，造成经济损失和人员伤亡。这就要求在高速铁路前期规划、整个建设过程、运营和维修中都要考虑信号系统的安全性能。如何在系统的整个生命周期对其进行安全检测和评估是一项复杂的任务，因此，研究铁路信号系统的安全评估问题意义重大。

安全评估，又称安全分析、安全评价、危险评价或风险评价。顾名思义，安全评估是以实现系统、工程安全为目的，运用一定的方法评价和预测拟建或者已有系统、工程可能存在的危险以及可能产生的后果，这是其广义的内涵。狭义的安全评估则是对系统固有的潜在危险及严重程度进行分析和预测并作出定量评估。根据安全评估指标，对系统的有害因素、薄弱环节进行判别，从而采用改进技术，制定相应的防范措施，尽量降低系统的失效率，提高可靠性。

2.高速铁路信号系统安全评估的方法

1）预先危险性分析（PHA）

在项目初期，通常对系统的潜在危险没有全面的把握，在这种情况下预先危险性分析（PHA）是一种比较合适的方法。PHA适用于小规模系统，是在项目设计、试验、生产或施工之前，预先对系统进行全面细致的分析，识别其中可能出现的危险、安全隐患和产生危险的条件，同时对其严重性即危险等级进行预测。针对PHA的分析结果就可以制定相应的措施以最大限度地避免潜在危险的发生。

2）专家评估法

专家评估法，顾名思义，就是由一群工作经验丰富、专业知识扎实的专家来完成评估工作。由于我国高速铁路信号系统的发展速度非常快，在安全评估中存在许多无法确定的因素（如系统工作的人员管理问题），这些难以量化的因素就必须依靠专家分析法来解决。通常的方式有表决法、评分法和安全检查表（Safety Check List，SCL）法。

3）故障模式与影响分析（FMEA）

故障模式和影响分析（Failure Modes and Effects Analysis，FMEA）将系统划分为多个子系统，也可按实际需要将子系统细分到设备元件，分析这些独立的评估单元可能产生的故障类型和故障影响。通过FMEA可以分析出元件、设备的故障类型以及可能对系统产生的影响，同时辨别出单一故障和系统故障。进而根据结果采取措施减少或避免这些影响，提高设备的可靠性。FME是故障树分析的基础，通常采用故障树分析法评估时都要先进行故障模式分析。

4）事件树分析（ETA）

事件树分析（Event Tree Analysis，ETA）是一种时序逻辑的事故分析方法，它按事故发展的时间顺序由初始事件推出可能产生的后果，以此实现危险源的识别。由于事故的发生通常是多个原因事件相继发生的结果，部分事件以另一些事件的发生作为前提条件，又可能引起其它事件。因而它们之间存在因果逻辑关系。ETA以树枝状图来表示事件之间的关系，以一个初始事件为起点，依据事故的发展顺序，分阶段一步一步进行分析，每一事件可能的后续事件取完全对立的两种状态（如成功或失败、安全或危险、正常或故障等）。通过ETA，可以进行故障诊断、分析系统的薄弱环节、实现系统的优化设计等。因而ETA在风险评价中使用较为普遍。

3.基于层次分析法和灰色理论的安全评估

1）层次分析法

层次分析法是美国运筹学家萨蒂应用网络系统理论和多目标综合评价方法提出的一种层次权重决策分析方法。AHP将要评价的对象层次化，根据问题性质和目标将其分解为不同的组成元素，按照各因素间的相互关系和隶属关系将其分层组合形成一个多层次结构模型。即通过被评价对象的影响因素及各因素的重要程度来决定评价结果。它建立在一定的主观判断基础上。最终归结为最底层（指标、措施、方案等）相对于最高层（总目标）相对重要度的权值或相对优劣次序问题。主要分为建立层次结构模型、构造判断矩阵、计算权重、最大特征根法、一致性检验、层次总排序五个基本步骤。

2）灰色理论

灰色系统理论包括灰色预测法、灰色关联度分析等多种研究方法。而在本论文中，主要用到灰色系统中的“灰数”这一概念以及灰数的白化方法。灰数，指的是对于一个研究对象，只知其大致范围却不知道其确切取值的数。灰数的白化，就是将不明确的灰数进行清晰化和确切化。在此过程中要用到白化权函数。该函数是直角坐标中的一条三折线或S曲线，用来定量地描述某一评估对象隶属于某个灰类的程度。常用的白化权函数有左升右降的连续典型白化权函数、下限级白化权函数、上限级白化权函数和三角白化权函数。

3）灰色层次法的评估过程及在安全评估中的应用

灰色层次分析法就是将灰色理论应用于层次分析法中，用不同的灰色统计数来表示不同指标对各评价等级的隶属度。“隶属度”指的是一个指标属于某一个等级的程度。区别于清晰集合里面“非此即彼”的界定性质，模糊数学通过“隶属度”这一概念将其扩展为“亦此亦彼”的界定方式，用“属于程度”来替代“属于”和“不属于”，同时把定性评价转化为定量分析。例如假设我们认为人的身高x（cm）达到180则为高个子，并且给定如下的隶属度函数：

若有一个人身高为175cm，则f（x）=0.75，即这个人以0.75的隶属度属于高个子。

在安全评估的应用中，将灰色理论和层次分析法结合，根据灰色评价矩阵和权重向量计算各准则下指标的风险矩阵，再根据准则权重向量和各准则下指标的风险矩阵计算隶属度矩阵。将系统属于各安全等级的隶属度矩阵与灰类等级分值矩阵相乘，得到系统的风险。根据最大隶属度原则及灰类分值得出系统所处的风险等级。在理论分析的基础上，选取高速铁路信号系统中的计算机联锁系统，将系统分为目标层、准则层和指标层进行分析。在专家评价样本矩阵和两两判断矩阵的基础上，根据评价流程得出分析结果。

4.结束语

本文在阐述高速铁路信号系统安全评估意义的基础上，结合常用的安全评估方法，对各方法的选择依据进行分析。又通过在层次分析和灰色理论中，通过对层次分析法和灰色理论的分析，提出并阐述了灰色层次分析法的评估过程。