中国高速铁路电务安全指数指标体系构建

韩安平， 阚佳钰， 姜锡义， 王卫东， 富德佶， 刘鹏

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081；2.中国国家铁路集团有限公司调度指挥中心工电调度处，北京 100844）

0 引言

“安全”一直是铁路运输永恒的主题，更是铁路运输产品最重要的质量特征［1］。随着我国铁路路网规模快速扩大，铁路运营安全面临更加严峻的风险和挑战［2］。提升运营安全水平一直是国内外各行业十分关注与重视的问题，我国多个行业都先后引入“安全指数”这一指标用以量化某一时期的安全状况。例如，王明武［3］在研究中提出，为了预测通航的安全水平，适应通航快速发展的趋势，探究采用灰色区间法建立一种评估航空运输系统安全指数的指标体系。在韩延胜［4］的研究中，运用压力-状态-响应PSR 概念模型建立了长江水上交通安全评价指标体系，通过AHP 分析法给指标赋权重，并编制程序计算指标的综合权重，最后对长江水上交通安全进行评价。周涂强等［5］引入仿真方法，提出基于蒙特卡洛仿真的水上交通安全评价方法，建立改进综合安全指数模型，通过风险概率分布的形式表示特定时间或特定空间范围内的水上交通安全评价方法。这些行业对于安全指数的研究，为提升本行业运输安全水平提供了良好的参考和借鉴。

我国铁路安全指数的相关研究十分缺乏，而国际铁路联盟（UIC）发布的铁路安全指数没有考虑隐患的影响，且计算方法的规定大多与我国现有安全规章不符，实际计算时很难实现。因此，有必要建立我国的铁路安全指数体系，尤其是高速铁路安全指数体系。

在此，研究构建中国高速铁路电务安全指数指标体系，并选取典型线路和典型时间进行试算，以期能够以电务安全指数为基础，跟踪分析全国高速铁路电务安全状况及变化趋势，针对电务安全保障的薄弱环节，提出改进相关工作的建议，从而保证高速铁路电务设备高效运行。

1 高铁电务安全指数的定义及意义

电务安全的内容广泛，涵盖了电务设备的方方面面［6-7］。车载设备、信号基础设备、列控地面设备、计算机联锁系统、调度集中系统（CTC 系统）、通信设备六大类型设备是高铁电务设备的重要组成部分，是高铁电务安全的根本保障，以下用电务“六大类型设备”代指上述设备。而六大类型设备中每一类型的设备又包含子系统或部件，每个部件都会影响到电务安全的整体状态和发展趋势，目前对电务安全的评价主要针对六大类型设备分别进行评价。

1.1 定义

高铁电务安全指数是以高速铁路电务设备为研究对象，表征电务设备运营阶段状态的安全指标体系。针对六大类型设备，每一类型的设备都为1 个分指数，每个分指数都由若干个指标合成，由于大部分的构成设备为微电子设备，且微电子设备的故障规律基本相似，因此各分指数的指标基本相似。电务安全指数对电务安全进行定量评价，为保障电务设备安全可靠运行提供理论支撑。

1.2 意义

构建高铁电务安全指数指标体系，定期开展全国高铁线路的安全测算，跟踪分析全国高速铁路电务安全状况及变化趋势，针对高铁电务安全保障的薄弱环节，提出改进相关工作的建议，为相关部门对故障的防范、对设备做出相应的维修决策提供参考，能够不断提升高铁电务安全保障能力，以保证高速铁路电务设备安全可靠运行。

通过编制高铁电务安全指数，可以用统一的评价标准，全面地反映不同地区线路的高铁电务设备安全状况，可以在不同线路之间横向比较，也可对同一条线路在不同时期进行纵向比较，最大限度地发挥指数的作用。高铁电务安全指数的相关研究，对长期评价高铁电务设备的运营状态具有重要意义。

电务工作是一项专业性、综合性都较强的工作，公众对电务的发展状况认知相对有限，采用一个简洁的指数表征电务安全，有利于公众进一步认识和理解电务工作。同时，建立并不断完善高铁电务安全指数，也为构建我国铁路整体的运营安全指数体系提供基础。

2 高铁电务安全指数指标体系的构建

2.1 总体框架

参考借鉴国内外相关指数构建方法，采取目标层、准则层、指标层的结构框架［8-10］。目标层为高铁电务安全指数；准则层也是分指数层，根据实际情况需要，选取高铁电务设备的主要组成部分进行研究，围绕不同的方面进行分指数设置；指标层包括影响高铁电务安全的若干基础指标，每个指标均对应准则层的1个分指数。

2.2 准则层选取

准则层主要围绕高铁电务设备的重要组成部分——电务六大类型设备进行研究，每一类设备均为1 个分指数，每个分指数分别对应指标层的几个具体指标。

2.2.1 车载设备

我国高速铁路列控车载设备主要包括CTCS3-300T型列车超速防护系统（ATP）车载设备、CTCS3-300H型ATP 车载设备、CTCS3-300S 型ATP 车载设备、CTCS2-200C 型 ATP 车载设备、CTCS2-200H 型 ATP 车载设备等。

2.2.2 地面设备

我国高速铁路信号地面设备主要包含以下4类：

（1）信号基础设备：主要包括信号机、道岔、轨道电路、电源、电缆电线等。

（2）列控地面设备：主要包括列控中心（含地面电子单元LEU）、临时限速服务器（TSRS）、无线闭塞中心（RBC）、应答器等。

（3）计算机联锁系统。

（4）CTC系统。

2.2.3 通信设备

我国高速铁路商用通信设备主要包括机车综合无线通信设备（CIR）；铁路专用全球移动通信系统（GSM-R）设备，如基站、核心网交换机、通用无线分组业务（GPRS）服务器等；骨干通信网设备，如光缆、同步数字传输体制（SDH） 设备、光传送网（OTN）设备等；数据网，如交换机、路由器、网管系统等。

2.3 指标层选取

高铁电务设备大部分为微电子设备，故障发生具有随机性，根据前期研究的大量数据统计和经验分析，微电子设备的故障受部件寿命影响较大，因此选择“开通运行时间”为其中1个指标。

事故的发生情况是衡量运营安全的一个重要指标，掌握事故情况、分析事故规律和总结经验教训，才能采取针对性措施加以预防，减少事故的发生。根据《铁路交通事故应急救援和调查处理条例》规定，对我国铁路事故进行分类和等级划分，指标层设置“发生事故等级”指标。

只考虑事故的类型、人员受害程度、伤亡人数以及事故责任等事故情况，而没有考虑隐患的影响是不全面的，实际上隐患对于安全有着不容忽视的影响，因此设置“发生故障数量”指标。

受到部分数据不完整和保密等问题影响，在指标层的基础指标选择上，暂时只选择开通运行时间、发生故障数量和发生事故等级3个基础指标进行研究。

2.4 准则层和指标层的权重设置

关于准则层和指标层的权重方面，在充分梳理和借鉴其他相关指标体系权重的思路和方法基础上，结合高铁电务安全指数自身含义，采取会议研讨和函询的方式，广泛征求电务领域专家和行政人员的意见。在准则层的分指数设置上，由于车载设备、列控地面设备和计算机联锁系统对行车的安全有着至关重要的影响，其分指数的权重设置较大。而信号基础设备、CTC 系统和通信设备一般不会导致行车事故，且通信设备故障不影响行车安全，CTC 系统故障主要短时影响行车调度指挥，信号基础设备受室外环境和自然灾害的影响较大，故障多为机械故障，一旦发生故障能通过其他系统进行提示，一般不会直接影响行车安全，因此以上分指数的权重设置相对较小。指标层的各分指标对于总指标的影响程度不分伯仲，任何1个指标都对行车安全有影响，因此各指标的权重相等。高铁电务安全指数体系架构及各指标权重见表1。

表1 高铁电务安全指数体系架构及各指标权重

3 高铁电务安全指数

3.1 计算公式

基于上述研究与分析，构建高速铁路电务安全指数（High-speed Railway Electricity Safety Index，HRESI），该指数由车载设备、信号基础设备、列控地面设备、计算机联锁系统、CTC 系统、通信设备6 个分指数构成，分别表征每条线路上的车载设备、信号基础设备、列控地面设备、计算机联锁系统、CTC 系统、通信设备安全状况，每个分指数都根据设备的开通运行时间、发生故障数量和事故情况进行加权计算得出，综合反映高铁电务安全情况，安全指数数值越大，发生故障概率越小，表明安全性越高。其计算公式为：

式中：Et为各设备的开通运行时间系数；Ea为事故类型系数；Ef为故障系数；Em为线路里程系数；k为车载设备、地面设备以及通信设备中发生故障的设备类型总数，如k=6；n为线路上某类设备发生的事故件数；Eti、Efi、Eaj及Etj均为根据指标类型及设备类型加权后的系数；Eti、Efi分别为第i类设备的开通运行时间系数、故障系数；Eaj为第i类设备的第j个事故的事故类型系数；Etj为第i类设备发生第j个事故时的开通运行时间系数。

3.2 系数赋值

3.2.1 开通运行时间系数

在设备刚开始使用时，由于元器件设计、材料、制造和安装过程中的缺陷等原因，失效率较高，表现为早期故障，在此时期对元器件故障原因必须尽早发现并消除，才能使故障率降低。当排除了所有能排除的缺陷后，元器件或系统的失效率近似保持不变，进入偶然故障期。对于元器件而言，此时处于最佳工作状态，并希望失效率尽可能低于要求值，而且希望这一时期的持续时间尽可能长。但是随着使用时间的增加，元器件和系统开始老化，进入损耗故障期。这3个时期的曲线连接在一起，形状与浴盆特别相似，称为浴盆曲线［11］。

根据前期大量数据统计和研究发现，各典型高铁线路的开通时间与高铁电务故障发生情况的关系与浴盆曲线的形状极为相似。在刚开通运营初期故障相对较多，随时间增长故障发生下降；基本最晚到2 年左右时间故障发生趋于平稳；但由于电务方面维护技术和管理水平都在提升，实际线路数据中，运行达到或接近10 年的线路，浴盆曲线的第3 阶段尚未出现。因此假设10 年后才会出现浴盆曲线的第3 阶段，那么目前研究第3 阶段的赋值是暂时的，后续将根据实际数据情况进行优化。根据以上分析对开通运行时间系数进行赋值，具体情况见表2 （其中：t为运行时间，年）。

表2 设备的开通运行时间系数Et赋值

3.2.2 事故类型系数

事故的发生情况是衡量运营安全的一个重要指标，《铁路交通事故应急救援和调查处理条例》对我国铁路事故进行了分类和等级划分。根据各类型事故的严重程度和影响范围，对事故类型系数进行3 个层级的赋值，具体赋值情况见表3。

表3 事故类型系数Ea赋值

3.2.3 故障系数

在考虑事故类型、人员受害程度、伤亡人数及事故责任等事故情况以外，还需要考虑隐患的影响。海因里希提出的“300∶29∶1 法则”，即在1 件重大的事故背后必有29 件轻度的事故，还有300 件潜在的隐患，可以应用于此。故障的发生数量可以一定程度地反映安全隐患，因此对于故障系数，以当年线路上实际发生的故障计数。

3.2.4 线路里程系数

不同线路的开通里程有长有短，开通里程较长的线路装备数量较多，故障发生也相对较多。由于故障系数以当年线路上实际发生的故障计数，因此设置线路里程系数，用于对指标进行一定程度的归一化处理。若该线路里程为100 km，则线路里程系数取值100。

4 高铁电务安全指数试算

4.1 试算对象的选取

在可获得的数据中，高速铁路开通运营的线路有100 余条，从这些线路中选取典型的高铁线路进行分析。选取的基本原则为：投入运营超过5年、运营里程长、装备数量大、故障件数较多。

结合国家铁路改革发展布局的相关特点，选取典型线路开通时间较短和典型线路开通时间较长的2个年份作为试算的典型年份，同时对这2个年份的试算结果进行对比。

4.2 典型线路试算结果

利用已构建的电务安全指数指标体系及相关数据，对某典型线路自开通以来的指数进行试算，其历年电务安全指数试算趋势见图1。

图1 某线路历年电务安全指数试算趋势

由图1 可以看出，该线路安全指数整体呈上升趋势。开通初期，所有设备处于协同工作磨合期，设备也处于典型的电子器件早期失效期，另外维护人员对新上设备也有一定的适应期，因此开通前期安全指数相对较低，之后随着设备的稳定、维护保养的跟进和管理的加强，安全指数快速提升。

4.3 典型年份试算结果

利用已构建的电务安全指数指标体系及相关数据，开展部分典型线路开通时间较短和全部典型线路开通时间较长的2 个年份作为试算年份，这2 个年份相差6年，试算结果及对比见图2。

由图2可以看出，在部分典型线路开通时间较短的n年安全指数中，线路1、2、3 处于开通头2 年，电务安全指数相对较低，线路4虽然开通较久，已处于偶然失效期，但由于线路运营里程很短，任何一个因子的微小变化都会对试算的指数产生较大影响，因此该模型对极短线路的适应性还有待进一步科学优化。

图2 n年及n+6年典型线路电务安全指数

全部典型线路开通时间较长的n+6年，大部分典型高铁线路的安全指数都有提高，因为本年度典型线路上电务设备均已进入偶然失效期，相互之间安全指数仅有微小差异。造成这些差异的主要原因为：线路长度不同，即使相同数量的故障对不同线路的影响程度也不一样；所处的自然环境不同，由冰雪雨等天气影响造成的故障情况不同；维护人员技术水平不同，对有些故障类型的处理时间不同。从线路1、3、5可以看到，随着后续管理的加强、维护人员素质的提高，设备故障减少，指数明显提高。特别是线路3，线路本身所处的自然环境好，自然灾害少，线路条件相对优秀，且在n+6年处于运行最佳时期，其安全指数也处于较理想状态。

5 总结

提出构建电务安全指数指标体系的概念，并给出计算方法，同时选取典型的高铁线路和典型年份进行试算，试算结果初步表明构建的电务安全指数有一定的适用性。但是受到部分数据可获得性的影响，在指标层的基础指标选择上，暂时只选择开通运行时间、发生故障数量和发生事故等级3 个基础指标进行研究，一些其他影响电务设备安全的因素，如行车密度、人为原因等暂未纳入指标体系，这些将在后续研究中不断细化完善。另外，对于一些元素权重指数的科学性，还需要扩大范围进行深入研究。因此要获得权威的电务安全指数还任重道远，很多研究工作需要持续深入开展，争取为探索高铁运行安全状态提供更多的基础和参考。