基于叠加-触发原理的铁路危险品运输系统风险场形成机理研究*

2019-07-05黄文成于耀程徐逸飞

中国安全生产科学技术 2019年6期

黄文成，帅斌，张玥，于耀程，徐逸飞

(西南交通大学交通运输与物流学院，四川成都 610031)

0 引言

铁路货物运输系统承担着我国超过50%的石油、液化气、浓硫酸、浓氨水等各种危险化工原料的运输任务，这些货物一般具有易燃易爆、易挥发、剧毒等特点。当铁路危险品运输系统存在人员疏忽、检修不当、运输货物本身危险特性、温度突变、力突变、管理缺陷等危险因素时，各种因素之间相互耦合、叠加、交织，从而产生新的风险或加大风险强度，将极易导致火灾、爆炸、泄漏等事故，一旦在人口密集的地区发生，将会造成无法估量的人员伤亡、财产损失和环境破坏[1]。研究铁路危险品运输系统风险的形成机理，将有助于为我国铁路危险品运输系统安全事故的事前预防、事中控制、事后应急救援及安全疏散提供一定理论支撑，为铁路危险品运输事故的现场工作提供一定实践指导。

目前较少有学者研究铁路危险品运输系统风险的形成机理。大多研究各类系统耦合风险的形成机理，或基于耦合风险概念评估各种系统的安全性。如：薛晔等[2]基于灾害系统和灾害风险评估理论对耦合灾害风险分类，借助触发器讨论耦合灾害风险的形成机理；张津嘉等[3]基于复杂系统理论和触发器概念，界定瓦斯爆炸事故风险耦合的含义、类型、风险传导路径和内在机理，从风险涌现角度构建风险耦合层次网络模型；林嘉豪等[4]采用耦合理论分析航空事故的本质致因和耦合风险，指出耦合风险的原因是各系统组元在容错性、兼容性和标准化等方面存有缺陷。既有文献大多采用耦合理论分析航海、航空、能源、地质灾害等领域的系统风险，较少将其应用于铁路危险品运输系统风险的研究。王钰等[5]采用灾场风险场模型及风险强度解释风险对城市区域系统的影响，说明了模型中各参数含义，指出了风险值、风险影响范围、风险补偿系数等参数的确定方法；亢永等[6-7]提出城市燃气管道系统泄漏事故三维风险场概念，推导出城市燃气管道系统泄漏事故三维风险场的风险强度公式；黄沿波等[8-9]采用三维风险等值面描述个人风险分布和风险变化率，并分别叠加了爆炸、火灾和中毒3种条件下的个人风险及其风险梯度；王妤甜等[10]、李剑锋等[11]也采用三维源生、派生、风险强度场描述个人风险及风险叠加规律，给出了风险大小和方向的计算公式；王喆等[12]采用风险场强模型评估铁路危险货物运输环境风险；风险场的概念还被应用于拥挤人群疏散[13]；Wang等[14]应用尖端灾难模型结合风险场来描述铁路系统安全的动态变化过程，主要思路是利用尖端灾难模型构建铁路系统风险框架；王建强等[15-16]对基于人-车-路协同的行车风险场概念和原理进行了阐述，行车风险场包括动能场(由道路中机动车、非机动车等运动物体决定)、势能场(由道路环境要素决定)和行为场(由驾驶人个体特性决定)。因此，本文首先建立各类风险因素形成的风险场，采用风险场叠加-触发原理分析铁路危险品运输系统风险形成机理。

1 铁路危险品运输系统风险识别及风险场的概念

本文风险识别指对铁路危险品运输系统中存在的所有风险因素进行科学分类，以正确认识运营管理过程中所面临的风险种类，是后续风险度量、评估、控制等风险管理工作的研究基础。铁路危险品运输系统风险识别方法较多，如专家调查法、安全检查表法(SCA)、工作-风险分解法(WBS-RBS)、情景分析法、故障树分析法(FTA)、事件树分析法(ETA)、危险与可操作性分析(HAZOP)等。根据具体运输情况，本文采用上述方法分析如下5类风险。

1)人的不安全行为往往是铁路危险品运输过程中事故发生的主要原因。涉及2类人员，一是运输过程中参与托运、装卸、贮存、运输、管理等环节的人员。不正确的工作态度和操作(对工作产生厌烦和怠慢心理、夹带或匿报品名、违章改变介质、押运人脱岗等)、运输各环节的技术和知识不足(如装卸作业操作失误)、人员自身身体不适、不良的工作环境(大部分危险货物运输是长途运输，工作时间长，工作人员容易产生生理和心理上的疲劳)，易使人产生不安全行为；二是其他路外人员，如企业人员装车过程中违规超量装载、夹带或匿报品名、非铁路人员违法扒乘、偷乘、沿途击打列车等无意或蓄意破坏危险品的行为，极易引发安全事故。

2)设施设备存在的风险因素。一般包含2部分，一部分是在危险货物办理站，装卸机具技术性能故障、车辆编组作业时未禁止溜放、连挂作业时未限速连挂、未编组隔离车辆等都可能造成危险事故；另一部分为载运危险品的铁路机车车辆等设备的非正常工况运行、设备维修不到位、设备本身存在缺陷等，如：车载运输监控系统故障，车底故障，装载罐体缺陷，上次运输残留在车辆内的危险货物未清理干净，机车车辆设备疲劳、磨损、老化等。

3)车载危险品本身的风险因素，其理化特性，如易燃易爆性、腐蚀性、毒性、感染或辐射性以及危险货物包装不到位等危险因素。

4)沿途环境存在的风险因素。如铁路货物运输网络、铁路货运线周边环境等属于环境子系统，包括：大风、雷电、极端温度、暴雨、铁路线路塌方、接触网电弧火花等。

5)管理缺陷带来的风险因素。如相关法律法规和安全生产规章制度欠缺或存在疏漏、预案编制和演练管理欠缺、非法运输、不合理运输路线和运输时间、安全防御措施欠缺、调度命令下达不准确等。

在识别系统风险因素的基础上，建立铁路危险品运输系统风险场模型。定义如下：

1)将存在危险因素的铁路危险品运输系统或子系统定义为风险源，风险源存在相应的风险因素。

2)将铁路机车车辆、随车人员及装载的危险品定义为铁路危险品运输系统内部风险场承受体。

3)将铁路危险品运输系统周边环境中的其他系统定义为外部风险场承受体。

风险源产生的各风险因素形成的风险场首先作用于内部风险场承受体，当风险源突破内部风险场承受体防御系统后，风险源将发生危险事故，从而释放风险源的能量，进而影响外部风险场承受体；当风险场突破外部风险场承受体的防御系统后，外部风险场承受体将发生危险事故，进而发生风险链式事故。具体如图1所示。

图1 风险场形成及作用过程Fig.1 Formation and action process of risk field

(1)

(2)

根据梯度计算公式可以获得：

(3)

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(5)

(6)

(7)

2 叠加-触发原理描述风险场形成机理

风险场的形成机理包含2部分内容：第1部分属于风险源内部的风险场形成机理，作用于内部风险场承受体，即风险源本身；第2部分属于风险源外部的风险场形成机理，作用于外部风险场承受体，分为单一风险源与多风险源2种情况。只要风险因素存在，即存在对应的风险场，同时作用于内、外风险场承受体。

2.1 内部风险场承受体风险场叠加机理

(8)

(9)

一般情况下单一风险场还不足以造成风险源安全事故，即无法冲破系统本身的防御体系。随着风险因素的不断增加，不同的风险场会不断叠加，叠加后的风险场将再次冲击系统的防御体系，部分或整体打破原来内部风险场承受体的有序平衡性，从而形成新的风险，或是原有的风险不断增强。

2.2 外部风险场承受体风险场叠加机理

随着风险因素的不断增加，风险场对于外部风险场承受体的威胁也越来越大；当风险场突破内部风险场承受体的防御系统后，内部风险场承受体系统将整体或部分崩溃、失效，释放出能量，进而影响周边外部风险场承受体；当外部风险场承受体的防御系统被突破后，随之导致外部风险场承受体系统的整体或部分崩溃、失效，引发事故的连锁反应。

1)单一风险源

(10)

各风险因素形成的风险场强矢量叠加后形成总的风险场强：

(11)

2)多风险源

图2 点状风险源风险场强叠加示意Fig.2 Schematic diagram of risk field strength superposition for point risk source

总风险势为：

(12)

计算Pn(xn,yn,zn)的合风险场强度，将3个风险源产生的风险强度矢量在3个坐标轴上投影并叠加，根据平行四边形法则可得到Pn点合风险强度矢量的大小和方向。2个以上点状风险源风险场强合成时，可先两两风险场强合成，再与其他风险场强合成。合成公式如下：

(13)

(14)

(15)

(16)

2.3 风险形成机理

为进一步厘清各风险因素如何部分或整体打破内外风险场承受体的有序平衡性，本文拟采用触发器的概念分析铁路危险品运输系统风险的形成机理。利用触发器原理检验风险因素形成的风险场是否能刺激触发器产生新脉冲，从而破坏铁路危险品运输系统的平衡状态，导致风险的急剧增强或产生新的风险或发生安全事故。如图3所示。

图3 铁路危险品运输系统风险形成机理Fig.3 Formation mechanism of risk in railway dangerous goods transportation system

图3中，T为某时间周期；R(t1)为t1时刻出现的合风险场脉冲信号；D(t1)为t1时刻铁路危险品运输系统的风险防御阈值。风险叠加触发过程解释如下：

1)风险因素形成的风险场经过滤波器，进行叠加震荡，形成合风险场，t1时刻形成1个脉冲信号R(t1)，并冲击铁路危险品运输系统的防御体系D(t1)。

2)若未冲破该防御系统，系统仍将保持安全状态，则：

R(t1)≤D(t1),t1∈T

(17)

若冲破了该防御系统，原有系统状态被打破，导致危险性急剧增大或产生新的风险或发生安全事故：

R(t1)>D(t1),t1∈T

(18)

这种风险状态的变化将直接作用于内外风险场承受体，导致的后果主要有3个：一是内部风险场承受体，即风险源本身的系统将全部或部分崩溃，系统失效；二是外部风险场将直接受到风险场的风险威胁；三是当风险源系统崩溃后，其释放的风险场能量将会对外部风险场承受体系统进行攻击，可能导致外部风险场承受体的部分或整体失效，进而产生风险级联效应。

3 案例仿真

由图4可以得出如下结论：1)铁路危险品运输系统风险势表征了风险源对内、外部风险场承受体产生安全威胁的能力或趋势，风险势越大，其对内、外风险场承受体产生的安全威胁越大；2)等效损失以事故发生地点坐标为球心、以损失最大半径为球半径，在最大半径及以内的各半球壳上呈现风险势等值分布的情况；3)距球心越近其球壳上的等效损失值越大，当半径为82 m时，等效损失值最小；4)等效损失值越小，同样半径球壳上的等效损失值越小。图4中颜色越浅，等效损失值越大；颜色越深，等效损失值越小；5)图4(d)是图4(a)～(c)3种风险因素形成风险势的代数和叠加形成；6)当3种风险因素单独存在时，其风险势能力对内、外部风险场承受体造成的风险威胁较小，无法突破系统整体的防御体系。当3种风险因素同时存在时，叠加的风险势能力突破系统的防御体系，引起事故。

由图5得出如下结论：1)铁路危险品运输系统风险场强表征了风险源对内、外部风险场承受体产生安全威胁能力强弱和方向的分布情况，风险场强越大，其对内、外风险场承受体产生的安全威胁越大，风险场强方向以球心向外发散；2)等效损失以事故发生地点坐标为球心、以损失最大半径为球半径，在最大半径及以内的各半球壳上呈现风险场强等值分布的情况；3)距球心越近其球壳上的等效损失值越大，当半径为82 m时，等效损失值最小；4)等效损失值越小，同样半径球壳上的等效损失值越小。图中颜色越浅，其等效损失值越大；颜色越深，其等效损失值越小；5)图5(d)是图5(a)～(c)3种风险因素形成风险场强矢量叠加形成的。

图4 3种风险因素及叠加形成的风险势(色带表示风险势大小，单位：元/米)Fig.4 Risk potential of three kinds of risk factors and risk potential after superposition(color belt showed size of risk potential, unit: Yuan/m)

图5 3种风险因素形成的风险场强(色带表示风险场强大小，单位：元/米2)Fig.5 Risk field strength of three kinds of risk factors (color belt showed size of risk field strength, unit: Yuan/m2)