基于三角白化权函数聚类的高速铁路外部环境安全评价研究

江雨欣，郭 湛，王高磊，钟庆华

（ 1.中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081；2.中国国家铁路集团有限公司 铁路安全研究 中心，北京 100081；3.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；4.中国铁路济南局集团有限公司 安全监察室，山东 济南 250003)

0 引言

我国是世界上高速铁路建设和运营规模最大的国家，也是高速铁路运营场景和外部环境最为复杂的国家。随着路网规模快速扩大和列车开行速度、密度不断提高，外部环境已经成为影响铁路特别是高速铁路运营安全的重要因素之一。维护好高速铁路外部环境的安全稳定，对于全面提升高速铁路运营的安全性和可靠性具有重要意义。

高速铁路外部环境安全评价是指以实现高速铁路安全运营为目的，应用安全系统工程原理和方法，辨识与分析高速铁路外部环境中的危险源，做出评价结论的活动，是开展高速铁路外部环境安全治理工作的基础，也是保障高速铁路安全运营的重要手段。高速铁路外部环境安全评价包括危险源辨识、安全风险分析以及量化评价3个步骤。通过危险源辨识明确高速铁路外部环境中潜在的危险源，通过安全风险分析确定其风险水平，通过建立高速铁路外部环境安全量化评价模型，综合研判外部环境中的危险源，便可掌握高速铁路外部环境安全态势。目前，高速铁路外部环境安全评价工作中存在对外部环境安全影响因素辨识不充分、安全分析评价技术方法多以定性为主[1]等问题，亟需建立客观、定量的分析与评价模型，为相关部门开展安全风险分级管控、隐患排查治理提供支撑。深入研究高速铁路外部环境安全评价技术，系统、全面地辨识危险源，采用定量模型对高速铁路外部环境安全态势进行分析与评价，对持续提升高速铁路外部环境安全管理水平具有重要意义。

1 高速铁路外部环境危险源辨识

高速铁路外部环境复杂多变，影响高速铁路安全运营的危险源类型众多，如影响高速铁路行车安全的高大建(构)筑物、彩钢板房，以及大风、暴雪、低温极端天气等。采用现场调研法、文献研究法及专家经验法，根据《中华人民共和国铁路法》《铁路安全管理条例》《关于建立高速铁路沿线环境综合整治长效机制的意见》《高速铁路安全防护管理办法》[2-5]等相关文件对于高速铁路外部环境禁止性行为、管控措施的规定，综合分析2013—2018年间高速铁路外部环境安全事故及险情数据，将高速铁路外部环境危险源划分为高大危树、塑料大棚等社会环境类危险源，以及大风、暴雪、动物侵入等自然环境类危险源2个方面[6]。

1.1 社会环境类危险源

通过危险源辨识，分析目前造成高速铁路安全事故、影响运输秩序的社会环境类危险源主要包括以下5个方面。

（1）非法侵入限界类。主要指沿线影响高速铁路行车安全的高大建(构)筑物、彩钢板房、塑料大棚与防尘网等轻飘物、广告牌匾、高大危树、渣土垃圾等。

（2）违法生产经营活动类。主要指影响高速铁路线路、路基、接触网、通信等设施设备安全的违法生产经营活动，如建造或设立生产、加工、储存或者销售易燃、易爆或放射性物品等危险物品的场所、仓库，采石采矿，爆破作业，挖砂取土，抽取地下水，放养牲畜和非法施工，违法排放腐蚀性气体、粉尘、废水等。

（3）安全防护设施失效类。主要指影响高速铁路运营安全的防护装置失效，如高速铁路限高防护架、公铁并行防护设施、防护栅栏等防护设施失效等。

（4）易燃易爆及污染类。主要指铁路沿线可能对高速铁路安全运营构成威胁，危及高速铁路设备正常状态的易燃易爆的场所及物品，以及非法排放的污染物。易燃易爆场所如附近的加油站、炼油厂、储油罐、化工园区、柴草堆、垃圾堆/场等。污染物如非法排放的腐蚀性废气、粉尘、废水等。

（5）人为干扰、破坏类。主要指人员非法进入高速铁路线路封闭区域及暴恐等危害高速铁路运营安全的违法行为，如恐怖破坏活动，非法进入铁路线路封闭区域，破坏设施设备，在线路上放置障碍物等。

1.2 自然灾害类危险源

可能危及高速铁路行车安全的自然灾害类危险源主要包括气象灾害类、地质灾害类以及其他3个方面[7]。

（1）气象灾害类。主要指引起高速铁路供电、通信信号、车辆、供水等设施设备故障，危及高速铁路运营安全的极端不良天气，如大风、大雪、霜冻、寒潮、冻雨、低温极端天气、暴雨、雾、霾、沙尘暴、雷击等。

（2）地质灾害类。主要指造成高速铁路路基、车辆等设施设备故障，危及高速铁路运营安全的地质灾害，如滑坡、泥石流、山体落石等。

（3）其他。主要指侵入限界，影响高速铁路设施设备安全的动物，如飞鸟、蛇、鼠等。

2 高速铁路外部环境安全风险分析

安全风险分析是通过构建风险矩阵，对危险源所导致风险事件发生的频率、可能的后果严重程度进行定性和定量的判断，从而确定危险源风险水平的过程。按照《轨道交通可靠性、可用性、可维修性和安全性规范及示例》(GB/T 21562—2008)等定义[8]，危险源的风险是危险源所导致风险事件发生的概率及伤害的严重等级的组合。

式中：R表示危险源的风险；Pr表示风险事件发生的频率；C表示风险事件后果的严重程度。

风险矩阵是将风险事件发生的频率Pr与其导致后果的严重程度C相结合，形成“频率－后果”矩阵，用以确定该危险源的风险水平R的分析 方法。

参考欧洲、加拿大等国外铁路，以及国内民航等其他交通行业建立的风险矩阵，结合我国京津城际铁路四电系统安全风险管控经验，研究构建我国高速铁路外部环境安全风险矩阵。

首先，将高速铁路外部环境危险源的风险水平划分为重大风险、较大风险、一般风险及低风险4个类别，分别对应Ⅰ～Ⅳ级，各风险水平定义如下。

（1）重大风险(Ⅰ级)。可能导致冲突、脱轨、火灾、爆炸的行车类或其他类型事故，造成以下严重程度后果的，即可能导致人员死亡≥10人，或者延误行车≥24 h，或者造成经济损失≥5000万元，并可能引起媒体和公众强烈关注的事件。

（2）较大风险(Ⅱ级)。可能导致其他类型事故造成以下严重程度后果的，即可能导致人员死亡1 ～ 9人，或者延误行车6 ～ 24 h，或者造成经济损失1000万 ～ 5000万元，并可能引起媒体和公众普遍关注的事件。

（3）一般风险(Ⅲ级)。可能导致其他类型事故造成以下严重程度后果的，即可能延误行车 1 ～ 6 h， 或者造成经济损失100万～ 1000万元的事件。

（4）低风险(Ⅳ级)。可能造成人员轻伤，或者导致设备设施故障的事件。

高速铁路外部环境风险水平设置如表1所示。

表1 高速铁路外部环境风险水平设置Tab.1 Setting of risk levels for the external environment on high speed railways

将各类危险源导致高速铁路外部环境风险事件的频率Pr按照由高到低的顺序分为频繁的、可能的、偶然的、罕见的、不可能的5个等级，分别用1，2，3，4，5表示，将高速铁路外部环境风险事件后果C按照由高到低的顺序分为灾害性、严重、较重、较轻、轻微5个等级，分别用A+， A， B， C， D表示。高速铁路外部环境风险矩阵如表2所示。

表2 高速铁路外部环境风险矩阵Tab.2 Risk matrix of external environment on high speed railways

以2013—2018年间高速铁路外部环境事故数据为例，分析各项危险源所导致风险事件的频率Pr以及后果C，通过风险矩阵分析得到高速铁路外部环境各类危险源风险水平如表3所示。

表3 高速铁路外部环境各类危险源风险水平Tab.3 Risk levels of various external environment hazards on high speed railways

高速铁路外部环境危险源中，线路违规人员风险水平最高。按照风险水平的设置，需要采取加大安全宣传等整改措施进一步控制危害。较大风险中，暴雨、雷电、大风等自然灾害类危险源占比较多，其余危险源如冲撞牲畜、建(构)筑物等社会环境类的风险水平同样较高，应采取完善灾害预警系统，开展专项整治等措施降低风险。违规施工、山塘堤坝等低风险危险源需持续跟进监督，如有必要也需采取相应的防范措施。

3 高速铁路外部环境安全量化评价

高速铁路外部环境安全评价是指应用系统工程原理，针对具体高速铁路线路，通过建立高速铁路外部环境安全量化评价模型，探明外部环境的综合危险程度，判定其安全态势的过程。高速铁路外部环境安全评价的过程分为建立高速铁路外部环境安全评价指标体系、确定高速铁路外部环境安全指标权重、建立高速铁路外部环境安全量化评价模型3个步骤。

3.1 建立高速铁路外部环境安全评价指标体系

建立指标体系时，将评价目标进行分解，形成递阶层次结构。一般分为目标层、准则层与方案层。

根据上述危险源辨识与安全风险的分析结果，从社会环境与自然灾害2个角度，以高速铁路外部环境总体安全为目标层，以社会环境类风险及自然灾害类风险为准则层，以17个安全评价指标为方案层，按照三级指标的结构建立高速铁路外部环境安全评价指标体系。高速铁路外部环境安全评价指标体系如图1所示。

图1 高速铁路外部环境安全评价指标体系Fig.1 Evaluation index system for external environmental safety on high speed railways

3.2 确定高速铁路外部环境安全评价指标权重

确定权重一般采用德尔菲法、层次分析法等定性与定量2类方法。层次分析法通过逐层比较各关联因素的重要性，可将定性或半定量的问题转化为构建定量模型的问题，普遍适用于多指标、多层次的决策评价。

运用层次分析法，依据高速铁路外部环境安全评价指标体系，通过逐层因素的重要性比较，构建判断矩阵，计算检验系数CR，进行一致性检验与层次排序，获得高速铁路外部环境安全评价指标权重[9]如表4所示。

表4 高速铁路外部环境安全评价指标权重Tab.4 Evaluation index weights of external environmental safety on high speed railways

3.3 建立高速铁路外部环境安全量化评价模型

高速铁路外部环境安全量化评价模型是基于三角白化权函数聚类方法、模糊理论建立的三角白化权函数灰色聚类模型，适用于解决聚类情形复杂的量化评价问题，聚类数据基于现场实测值，提高了评价结果的客观性与可靠性。

基于三角白化权函数灰色聚类法建立高速铁路外部环境安全量化评价模型的流程包括确定评价灰类，针对各个指标建立三角白化权函数，并通过灰色聚类分析得到指标的隶属度，借助模糊理论进行高速铁路外部环境安全量化综合评价，得到高速铁路外部环境安全评价结果。具体步骤如下。

（1）确定评价灰类。将评价结果划分为S个灰类数，并相应地将各个指标的取值范围划分成S个灰类区间[a1，a2]，…，[ak-1，ak]，…， [as-1，as]。

（2）建立三角白化权函数。令λk= (ak+ak+1)/2， 并将属于第k个灰类的三角白化权函数赋值为1，分别将j指标的取值域向左、右延拓至a0，as+1。则对于j指标的一个观测值x的三角函数为

（3）灰色聚类分析。计算各对象i(i= 1，2， …，n)，关于灰类k(k= 1，2，…，s)的综合聚类系数σjk

（4）综合评价。综合评价值W为

式中：V为安全风险测度值，即各灰类的中值[11]。

4 实例分析

以2013—2018年间高速铁路A外部环境运营安全数据为例，将高速铁路外部环境安全的等级划分为5个灰类，序号记为k(k= 1，2，3，4，5)，分别对应不安全、不太安全、一般安全、较安全、安全，并为每个灰类赋予相应的分值，分别对应0 ～ 2分，2 ～ 4分、4 ～ 6分、6 ～ 8分、8 ～ 10分。

根据专家意见确定高速铁路外部环境安全评价指标关于不同灰类的取值范围。高速铁路外部环境安全评价评价指标关于不同灰类的取值范围如表5所示。

表5 高速铁路外部环境安全评价评价指标关于不同灰类的取值范围Tab.5 Value ranges of evaluation indices for external environmental safety on high speed railways for different gray categories

确定评价指标的左右延拓值a0，a6和实测值C。社会环境类评价指标的左右延拓值和实测值如表6所示，自然灾害类评价指标的左右延拓值和实测值如表7所示。

表6 社会环境类评价指标的左右延拓值和实测值Tab.6 Extended and measured values of social-environment evaluation indices

表7 自然灾害类评价指标的左右延拓值和实测值Tab.7 Extended and measured values of natural disaster evaluation indices

根据指标的左右延拓值和实测值，利用式(2)针对S1指标建立三角白化权函数，如式(5)所示。

通过三角白化权函数的计算，得到结果分别为0，0.362，0.971，0.3043，0。其余指标以此类推，分别得到各指标观测值相对应的三角白化权函数值。

根据式(3)，逐层分别计算得到高速铁路外部环境安全评价指标综合聚类系数如表8所示。

表8 高速铁路外部环境安全评价指标综合聚类系数Tab.8 Comprehensive clustering coefficients of evaluation indices for external environmental safety on high speed railways

可以看出，社会环境类危险源聚类系数主要集中在一般安全与较安全2个灰类中，自然灾害类危险源的聚类系数主要集中于一般安全灰类，高速铁路外部环境安全的聚类系数主要集中在一般安全与较安全2个灰类中。

根据式(4)，得到高速铁路线路A外部环境安全综合得分为7.443，属较安全等级。通过与现场实际安全记录数据对照可知，此评价模型的计算结果基本符合实际情况，证实了模型的有效性。该模型相较传统定性评价方法可以有效降低人为主观因素的影响，可以比较精准地定量计算与评价高速铁路运营外部环境安全等级，完善和强化高速铁路外部环境安全管理。

5 建议与结论

针对当前我国高速铁路外部环境中存在的安全风险，结合高速铁路外部环境安全评价结果提出以下建议。

（1）加强高速铁路外部环境安全管控。积极推动《中华人民共和国铁路法》《铁路安全管理条例》等法律法规的修订，继续推动各省、市、自治区高速铁路外部环境安全立法工作，细化高速铁路外部环境安全管理内容，对危及高速铁路外部环境安全的行为加大追责力度，推进高速铁路外部环境安全综合治理常态化、规范化、制度化，减少线路违规人员、冲撞牲畜、蓄意危害等社会环境类危险源的产生，保障高速铁路安全。

（2）加强高速铁路外部环境保护安全教育、宣传。灵活运用新闻媒体、课堂宣讲等多种形式，大力开展爱路护路教育以及高速铁路安全普法宣传，特别是加强对高速铁路沿线公众的宣传教育，提高群众的爱路护路意识，自觉营造良好的社会环境，从源头上避免社会环境类风险源的产生。

（3）提升高速铁路外部环境安全管理技防水平。以技术手段加强高速铁路外部环境自然灾害类风险防范，加强自然灾害评估、预防工作，依法建立地质、气象灾害预警信息互联互通机制，及时进行预报预警，不断创新灾害预警分析及防控方法与技术，完善高速铁路防护工程，推进高速铁路外部环境安全管理信息化、智能化建设，完善应急预案，构建更高标准的灾害预警评估防范技术体系，科学防范自然灾害风险。

随着高速铁路规模的不断扩大，复杂多变的外部环境对高速铁路安全运营提出了更大的挑战。系统、全面地辨识影响高速铁路运营安全的各类外部环境危险源，建立等级分明的风险矩阵，并采用量化评价模型，对高速铁路外部环境的安全态势进行科学、合理的评价，是实现安全风险分级管控的前提与基础，为有针对性地对危险源采取防范措施，突出整治重点提供支撑。