高速铁路工务安全指数体系研究

周游， 蔡培尧， 柴雪松， 王卫东， 张文达

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁路广州局集团有限公司，广东广州 510088；3.中国铁道科学研究院集团有限公司科技和信息化部（总工室），北京 100081）

我国已成为世界上高铁运营规模最大、运输密度最高、成网运营场景最复杂的国家，随着我国高速铁路路网规模的快速扩大和运营年限的不断增加，铁路运营安全面临更加严峻的风险和挑战［1］。为指导运营安全工作，国内多个行业先后引入了“安全指数”这一指标来评价安全状况。例如，民航建立了航空运输系统安全指数指标体系［2］、海运提出了水上交通综合安全指数法等［3-4］，这些都在提升行业安全方面发挥了积极作用。

我国铁路安全指数，尤其是关于工务安全指数的研究尚属空白，为此研究提出高速铁路工务安全指数体系，并选取典型线路进行试算，以期能够以工务安全指数为工具，分析高速铁路工务安全状况及变化趋势，预判工务安全的薄弱环节，为高速铁路工务设备安全运行提供一定的指导。

1 高速铁路工务设备事故故障概况

目前高速铁路工务设备事故故障主要为轨道设备、隧道设备、路基设备、桥梁设备、房建设备、防灾系统设备附属设施及其他设备事故故障。综合统计2008—2019年中国国家铁路集团有限公司调度电报和安监报-1中高速铁路各类设备事故故障数据可知，目前高速铁路工务设备事故故障较突出的为轨道设备事故故障、隧道设备事故故障。

1.1 轨道设备

高速铁路轨道结构由钢轨、轨枕、扣件、道床、道岔等部分组成［5］。这些力学性质截然不同的材料承受来自列车车轮的作用力，它们的工作紧密相关。任何一个轨道零部件的性能、强度和结构变化都会影响其他零部件的工作条件，并对列车运行质量产生直接影响。目前轨道事故故障数量较多的设备为钢轨、道床、道岔等。

1.2 隧道设备

随着近年来我国西部地区高速铁路布局逐步完善，我国铁路隧道数量大量增加，隧道设备安全变得更加重要［6］。隧道病害主要表现为：拱墙结构的衬砌裂纹、脱空、掉块，基底结构渗漏水、翻浆冒泥，防排水系统的衬砌渗漏，寒区隧道排水系统冻结等。目前隧道设备事故故障多为衬砌渗漏、衬砌开裂、衬砌脱空、衬砌掉块等。

1.3 路基设备

铁路路基是轨道结构的基础，不仅要承受轨道结构的重量，还要承受列车荷载的重复作用，要求以高稳定性、不易变形等优良特性来保证高速列车行驶的安全性和舒适性。目前路基设备事故故障主要表现为：路基结构的沉降、冻害、上拱、翻浆冒泥，路基边坡的局部坍塌及溜塌、坡面防护结构失稳、危石隐患，防排水系统的排水出口不畅、排水沟内淤积阻塞、排水设备损毁、排洪能力不足等。目前路基设备事故故障多为路基沉降、路基塌陷或陷穴。

1.4 桥梁设备

高速铁路桥梁结构事故故障多数属于功能性和耐久性的病害和问题。病害类型包括混凝土梁结构裂缝和破损、现浇结构空洞、梁端顶死、钢桥钢构件锈蚀、高强螺栓断裂、检查机具及作业通道缺乏、拉索吊杆及其锚具隐患、墩台基础变位、墩台开裂和伤损、空心墩积水、涵洞边墙竖向裂缝、交通涵积水、涵洞渗漏水、支座垫石劣化、支座安装问题、支座钢配件锈蚀、聚脲防水层病害、混凝土保护层劣化、梁端防水装置等病害。

1.5 房建设备

房建设备是铁路工务设备重要的组成部分，房建设备包含车站旅客跨线天桥及附属楼梯、旅客地道、站台、车站雨棚等，是旅客直接接触较多的工务设备。目前高速铁路因房建设备导致的事故故障数量较少，主要为结构松动移位、振动和气动力及台风作用下的部分脱落。

1.6 防灾系统设备

铁路防灾系统（自然灾害及异物侵限监测系统）是保证高速铁路列车运行安全的重要系统之一［7］。系统对可能发生的自然灾害（风、雨、雪、地震）、上跨铁路的公路道路桥梁异物侵限进行实时监测、报警和预警，现场采集的数据经分析后可为列车运行计划调整、抢险救灾、维修维护等工作提供依据，是铁路运输系统中不可或缺的重要技术保障。其设备因处于较恶劣的条件下，可能会出现一定数量的故障和误报，需要进一步加强防灾系统设备的可靠性。

1.7 附属设施及其他设备

附属设施主要为铁路工务设备中声屏障、防护网等防护结构，铁路沿线附属设施一般根据实际需求设置，目前其事故故障较少，但是也应予以重视。其他工务设备事故故障涉及一些偶然发生的工务事故故障，如铁皮、塑料袋侵入等。

2 指数体系构建

工务安全内容广泛，上述七大类中每一类型的设备又包含有子系统或部件，每个部件都会影响到工务安全的整体状态和发展趋势。因此，从七大类设备入手，研究建立工务安全指数体系。

2.1 定义

高铁工务安全指数是以高速铁路工务设备状态为研究对象，表征工务设备运营阶段状态的安全指标体系。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钢筋混凝土类结构设施设备，其故障规律基本相似，因此各分指数的指标基本相似。

2.2 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［8-9］。目标层为高铁工务安全指数；准则层也是分指数层，根据实际情况需要，选取高铁工务设备的主要组成部分进行研究，围绕不同方面进行分指数设置；指标层包括影响高铁工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。

2.2.1 准则层选取

准则层主要围绕工务七大类设备进行研究，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多个具体指标。

2.2.2 指标层选取

高铁工务设备大部分为线状布置的钢筋混凝土结构，故障的发生具有一定随机性，根据现有积累的大量数据统计和经验分析，钢筋混凝土结构受部件工作期限影响较大，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，减少事故发生。根据《铁路交通事故应急救援和调查处理条例》规定，将我国铁路事故进行分类和等级划分，所以指标层设置“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。

2.2.3 准则层和指标层的权重设置

在准则层和指标层的权重方面，充分梳理和借鉴其他相关指标体系权重的思路和方法的基础上，结合高铁工务安全指数自身含义，广泛征求工务领域专家和管理人员的意见后，建议对于全线连续布置的轨道设备设为基准权重1。房建设备由于涉及旅客安全和体验，采用和轨道设备相同的权重。防灾系统、附属设施及其他一般根据实际需要设置，其环境条件一般相对恶劣，对行车安全影响相对较重，也采用和轨道设备相同的权重。铁路线路一般为线状布置结构，其轨道设备下采用路基、桥梁、隧道结构，建议路基、桥梁、隧道按其实际占线路比例取修正权重。若该线路里程为100 km、桥梁里程为60 km，则桥梁权重为0.6。高铁工务安全指数体系架构及各指标权重见表1。

表1 高铁工务安全指数体系架构及各指标权重

3 安全指数赋值

3.1 公式

基于上述基础，构建高速铁路工务安全指数（Highspeed Railway Permanent-way Safety Index，HRPSI）。该指数由轨道设备、路基设备、桥梁设备、隧道设备、房建设备、防灾系统设备、附属设施及其他设备7个分指数构成，分别表征每条线路上的轨道设备、路基设备、桥梁设备、隧道设备、房建设备、防灾系统设备、附属设施及其他设备安全状况，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，综合反映高铁工务安全情况，安全指数数值越大，发生故障概率越大，表明安全性越低。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；k为7个分指数；n为各个分指数对应设备的事故数。

3.2 系数赋值

3.2.1 开通运行时间系数

根据现有一定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工务事故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，高铁工务设备由于设计、施工等原因，早期故障相对较多；在逐步整治后，结构失效率近似保持不变，设备进入偶然故障期；后期随着使用时间的增加，结构开始老化，设备进入损耗故障期，故障再次增多。以轨道设备为例，事故故障浴盆曲线示意见图1。在开通运营的1～2年，其事故故障赋值较大，随后赋值平稳，在开通运营后期赋值较大。

图1 高速铁路轨道设备事故故障浴盆曲线示意图

分析目前高速铁路各类设备的事故故障统计数据，隧道由于目前检测监测手段限制，其在开通运营5年后事故故障的发生趋于平稳；而其他设备多在开通运营2年后，事故故障的发生趋于平稳。

由于工务结构物设计寿命、工务维护技术和管理水平的不断提升，目前实际线路数据中，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。结合现有TB 10001—2016《铁路路基设计规范》［10］，路基支挡及承载结构的设计使用年限应为100年，路基防护结构及高速铁路、重载铁路、设计速度200 km/h的城际和客货共线铁路的路基排水设计使用年限为60年。TB 10002—2017《铁路桥梁设计规范》［11］中，桥涵主体结构的设计使用年限应为100年。TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》［12］中，铁路隧道工程洞门及其挡（翼）墙、衬砌设计使用年限100年，边仰坡防护结构、洞内外排水结构、电缆沟槽设计使用年限60年。Q/CR 9146—2017《铁路房屋建筑设计标准》［13］中，铁路旅客站房、牵引变电所和电力变配电所电气设备房屋、信号楼、站调楼、调度所房屋、通信设备房屋、信号设备房屋、信息设备房屋、自然灾害及异物侵限监测系统房屋应按远期设计年度确定，其他生产房屋应按近期设计年度确定。因此假设路基、桥梁、隧道、房建设备60年后才会出现浴盆曲线的第3阶段。轨道结构因为涉及轨道板、道岔、刚度等多种零部件，综合目前高速铁路运量实际情况，假设轨道设备20年后才会出现浴盆曲线第3阶段。防灾系统、附属设施及其他因现场条件较为恶劣，假设防灾系统、附属设施及其他10年后才出现浴盆曲线第3阶段。根据以上情况对开通运行时间系数进行赋值，赋值情况见表2。

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重要指标，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了分类和等级划分。根据各类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，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

故障的发生数量可在一定程度上反映安全隐患，因此对于故障系数，参考表3中“其他一般D类，C21”赋值系数，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设备数量较多，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 安全指数试算

4.1 对象选取

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、设备数量多、故障件数较多的高速铁路线路。

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 典型线路工务安全指数试算结果

利用已构建的工务安全指数指标体系及相关数据，对某一典型线路自开通以来的指数试算，该线路目前开通约8年，其路基占比约0.3、桥梁占比0.6、隧道占比0.1，采用HRSPI公式进行计算，试算结果安全指数趋势见图2。

图2 典型线路工务安全指数试算趋势

由图6可知，该线路安全指数整体呈先下降后上升的趋势。开通初期，所有设备处于协同工作磨合期，设备也处于典型的设备故障调试期，另外维护人员对新上设备也有一定的适应期。开通前期安全指数相对较高，之后随着设备的稳定，维护保养的跟进和管理的加强，安全指数快速降低。近年来，部分铁路工务设备因老化等原因，安全指数有上升趋势。

4.3 典型年份高铁线路工务安全指数试算结果

利用已构建的工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开通时间较长的2个年份（相差4年）作为试算年份，试算结果及对比见图3。

图3 典型线路n年及n+4年工务安全指数对比

由图7可知，典型线路开通时间较短的n年，5条线路工务安全指数均较大，线路4工务安全指数最高。通过数据分析，该线路事故故障主要集中于隧道，且线路里程较短，因此参数的小幅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于进一步科学优化，同时工务对隧道事故故障也应予以重视。

全部典型线路开通时间较长的n+4年，随着工务设备调试和设备病害的整治、后续管理的加强、维护人员素质的提高，指数有了明显的大幅降低。特别是线路2，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到n+4年里，其安全指数一直处于较理想状态。

5 结束语

初步构建工务安全指数体系，并给出计算方法，同时选取典型高铁线路和典型年份高铁线路进行试算，初步验证体系和计算方法的可行性。通过高铁工务安全指数，可以用统一的评价标准，比较分析不同地区线路的高铁工务设备安全状况，也可以对同一条线路在不同时期进行纵向比较，对于指导高铁工务安全运营具有重要意义。受部分数据是否可获得的影响，在指标层的基础指标选择上，目前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，其他影响工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，将在后续研究中不断细化完善。