车载地震紧急处置装置综合安全评价应用研究

李京生，赵 林

（1.中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081)

地震是一种危害很大的自然灾害。对高速铁路而言，较小震级的地震也可能会给运行中的高速列车带来脱轨、倾覆等列车运行安全事故。我国地震多发，高速铁路的运营面临着严重的地震威胁，以目前的科技手段，还不能对地震作出准确的预测及精确的预报。高速铁路地震预警系统可以在地震发生后，破坏性地震波尚未来袭的数秒至数十秒之前发出报警信号，使高速运行的列车尽快减速或停车，能够防止或减轻地震对铁路运输安全带来的危害，避免重大的人员伤亡和经济损失[1]。作为高速铁路地震预警系统的重要组成部分之一，车载地震紧急处置装置用于接收紧急处置信息，并据此控制列车运行。随着我国高速铁路大范围开通运营，铁路运输的安全性越来越重要。对车载地震紧急处置装置进行安全评价，从而有针对性地对其进行改进或完善，以减少铁路事故的发生，保护人民的生命及财产安全。

1 车载地震紧急处置装置综合安全评价方法

定性安全评价方法对经验的依赖性强，分析结果因人而异，得到的定性指标缺乏可比性；定量安全评价方法得到的结果虽然可以给出具体的评价指标数值，但在分析过程中需要应用大量的实验结果和广泛的事故统计分析资料，对于评价车载地震紧急处置装置存在局限性[2]。结合车载地震紧急处置装置的特点，采用基于HAZOP 分析和层次分析法的评价方法，对车载地震紧急处置装置进行综合安全评价，可以弥补单独使用定性或定量安全评价方法的弊端，具体步骤如下。

（1）建立风险矩阵。事件的风险通常由风险事件发生的频率和风险事件后果的严重程度共同决定。因此，结合车载地震紧急处置装置风险事件发生的频率及风险事件后果的严重程度，建立适用于车载地震紧急处置装置的风险矩阵，并将风险矩阵中的风险等级分为4 级。

（2）HAZOP 分析。采用HAZOP 分析方法[3]，以车载地震紧急处置装置的不同功能为节点，对其特定潜在危险进行分析，最终形成HAZOP 分析表。找出不同危险的不同参数在不同的引导词下产生的偏差，进而可以找出偏差产生的原因、导致的后果、相应的建议措施及偏差可能导致的风险等级等内容。

（3）建立单因素评价矩阵。将步骤（2）分析结果中的不同偏差作为因素进行分析，并确定其所属的风险等级。因此，所有因素组成的集合为U={u1，u2，…，un}，风险等级组成的集合为V={v1，v2，…，vm}。采用专家评价法，对集合U中的每一个因素ui进行评价，确定因素ui对风险等级vj的隶属度rij，则每个因素的评价结果构成的单因素评价矩阵可以表示为

（4）确定各因素权重。由于集合U中的每个因素在总体中的重要程度不同，因而有必要给不同的因素赋予不同的权重。若各权重构成的向量为A= (a1，a2，…，ai，…，an)，其中ai表示ui在U中的重要程度，有采用层次分析法确定各因素的权重。通过专家研究讨论，对U中的元素进行两两比较，得出判断矩阵

式中：uij表示因素ui对因素uj的相对重要性数值，uij> 0，i，j= 1，2，…，n。

判断矩阵中相对重要性数值的取值标准及含义如表1 所示。

（5）一致性检验。判断矩阵P中对应于最大特征值λmax的特征向量A，归一化后即为同一层次相应因素对于上一层次某因素相对重要性的权重系数。但权重的分配是否合理，需要根据公式对判断矩阵进行一致性检验，以保证判断矩阵的可靠性。其中，CR称为一致性比例；CI称为一致性指标，计算公式为RI称为平均随机一致性指标。当CR<0.1 时，则认为权重分配较合理，判断矩阵的一致性可以接受，否则需要对判断矩阵进行修正，直至通过一致性检验为止[4]。平均随机一致性指标RI值如表2 所示。

表1 判断矩阵中相对重要性数值的取值标准及含义Tab.1 Criteria and meanings of the value of relative importance in the judgement matrix

表2 平均随机一致性指标RI 值Tab.2 Value of the mean random index

（6）综合安全评价。在确定A和R的基础上，综合安全评价结果为B=A∘R。其中，“∘”为模糊合成算子[5]。针对车载地震紧急处置装置进行综合安全评价这一具体问题，采用加权平均型模糊算子进行计算，不仅考虑了所有因素的影响，而且保留了单因素评价的全部信息，可以对所有因素的权重进行均衡[6]，则

式中：bj为元素ui对风险等级vj的隶属程度，反映了元素ui在风险等级vj上的百分比。

根据最大隶属度原则，若B= max (b1，b2，…，bj)，则B对应的风险等级即为元素ui的风险等级[7-8]。

2 案例分析

以在大西客运专线(大同南—西安北)原平西站至阳曲西站高速综合试验使用的车载地震紧急处置装置为例，采用车载地震紧急处置装置综合安全评价方法对其进行综合安全评价，以验证该方法的适用性，对车载地震紧急处置装置的进一步改进和完善提供理论参考和依据。

2.1 建立风险矩阵

建立适用于车载地震紧急处置装置的风险矩阵如表3 所示[9]。将风险矩阵中的风险等级分为4 级，风险等级组成的集合可表示为V= {v1，v2，v3，v4}，其中，v1为不可接受的；v2为不期望的；v3为可忍受的；v4为普遍可接受的。

表3 风险矩阵Tab.3 Risk matrix

2.2 HAZOP分析

以车载地震紧急处置装置的3 个不同功能为节点，使用HAZOP 方法对车载地震紧急处置装置的潜在风险进行分析，并以结果中的部分内容为例进行分析。HAZOP 分析结果(部分)如表4 所示。

根据表4，可以得到车载地震紧急处置装置中的不同功能，以及相同功能产生的不同偏差及其对应的风险等级，但是各个功能或偏差的重要程度及其在所属的风险等级中的占比均没有得到。在此基础上，建立定量分析的数学模型，对HAZOP 的结果进行定量分析。

2.3 建立单因素评价矩阵

由于车载地震紧急处置装置的HAZOP 分析结果中因素很多，因而将其结果进行分级之后再进一步分析。将部分HAZOP 分析结果中的不同功能作为第一级因素组成集合U，相同功能的不同偏差作为第二级因素组成集合ui。分析车载地震紧急处置装置的3 个功能，对每个功能分析5 个偏差，得到第一级元素组成的集合U= {u1，u2，u3}；第二级因素组成的集合u1= {u11，u12，u13，u14，u15}，u2= {u21，u22，u23，u24，u25}，u3= {u31，u32，u33，u34，u35}。采用专家打分法对第二级因素组成的集合ui中的每个因素进行评价，根据公式 ⑴，得到单因素评价矩阵为：

表4 HAZOP 分析结果(部分)Tab.4 Results of the HAZOP (part)

2.4 确定各因素权重

邀请专家对集合u1中的元素进行两两比较，根据表1 中uij取值的不同含义及公式 ⑵，得到判断矩阵

用Matlab 计算可得判断矩阵的最大特征值λ1max= 5.244 9，相应的特征向量归一化后为A1=(0.372 2，0.179 4，0.072 4，0.122 0，0.254 0)T。经检验，CI1= 0.061 2，CR1= 0.054 7 ＜0.1，结果表明判断矩阵具有很好的一致性，归一化后的特征向量A1= (0.372 2，0.179 4，0.072 4，0.122 0，0.254 0)T可作为权重向量，用于描述元素u1i在u1中的重要性。用相同的方法，可以得到归一化后的特征向量A2= (0.471 7，0.078 6，0.045 9，0.201 9，0.201 9)T可作为权重向量，用于描述u2i在u2中的重要性；归一化后的特征向量A3= (0.2110，0.470 8，0.0750，0.0824，0.1609)T可作为权重向量，用于描述u3i在u3中的重要性；归一化后的特征向量A=(0.229 7，0.6483，0.1220)T可作为权重向量，用于描述ui在u中的重要性。

2.5 综合安全评价

根据公式 ⑶，可得各二级因素的评价结果为B1= (0，0，0.410 4，0.589 6)，B2= (0，0，0.660 3，0.339 7)，B3= (0，0，0.260 0，0.740 1)。由各二级因素的评价结果组成综合评价矩阵车载地震紧急处置装置综合评价结果如表5 所示。

2.6 结果分析

由表5 可知，在功能u1可能产生的各个偏差中，u11的权重最大，为0.372 2，u13的权重最小，为0.072 4，说明在功能u1中，先解决u11的偏差是最重要的。同样，在功能u2可能产生的各个偏差中，u21的权重最大，为0.471 7，u23的权重最小，为0.045 9，说明在功能u2中，先解决u21的偏差是最重要的。在功能u3可能产生的各个偏差中，u32的权重最大，为0.470 8，u33的权重最小，为0.075 0，说明在功能u3中，先解决u32的偏差是最重要的。而在整个车载地震紧急处置装置中，由于功能u2所占的权重最大，为0.648 3。因此，对整个车载地震紧急处置装置来说，首先需要完善的是功能u2。

由表5 可知，元素u1的风险等级为“不可接受的”的占0%，为“不期望的”的占0%，为“可忍受的”的占41.04%，为“普遍可接受的”的占58.96%。根据最大隶属度原则，功能u1的风险等级为“普遍可接受的”。用相同的方法可以求出功能u2的风险等级是“可忍受的”，功能u3的风险等级是“普遍可接受的”。同样，根据综合评价结果B=(0，0，0.554 1，0.446 0)可知，整个车载地震紧急处置装置的风险等级为“可忍受的”。因此，对整个车载地震紧急处置装置来说，降低功能u2的风险等级，能够降低整个车载地震紧急处置装置的风险等级。

表5 车载地震紧急处置装置综合评价结果Tab.5 Comprehensive evaluation results of the EETD

3 结束语

车载地震紧急处置装置作为高速铁路地震预警系统的重要组成部分之一，在高速铁路地震预警安全中发挥着重要作用。车载地震紧急处置装置综合安全评价应用研究在对车载地震紧急处置装置进行HAZOP 分析的基础上，利用模糊综合评价法和层次分析法对分析结果进行定量评价，能够找出车载地震紧急处置装置的不同功能潜在的偏差及这些功能和偏差对应的权重和风险等级，弥补了单独使用定性或定量分析方法分析车载地震紧急处置装置时的不足，为对车载地震紧急处置装置的安全评价提供一种新思路，也为车载地震紧急处置装置今后的完善和改进提供理论参考和依据。