张娣 何杰 张晓辉

(东南大学交通学院,210096,南京∥第一作者,硕士研究生)

城市轨道交通系统运营安全性指标研究

张娣 何杰 张晓辉

(东南大学交通学院,210096,南京∥第一作者,硕士研究生)

从城市轨道交通系统的运营安全性出发,针对目前评价轨道交通安全性缺乏量化指标的问题,根据城市轨道交通系统的组成及运行特点,在参照目前研究得到的安全性定性指标基础上,利用数理统计方法提出事故后果严重程度、事故发生频率、系统的稳定性等指标,由此分析得出较为系统的轨道交通安全性指标。该指标体系能够定量表述事故后果严重程度,分析系统的稳定性,论述系统整体网络的安全性强弱,在实际应用中,指标体系中的各项统计指标均可获得,可操作性较强。

城市轨道交通系统;运营安全性;数理统计方法;安全性指标

First-author's addressTransportation College,Southeast University,210096 Nanjing,China

城市轨道交通系统运营安全性,是指在整个系统运营过程中,保障乘客和员工不受伤害以及设备不遭破坏的能力。安全性研究中对事故的研究比较成熟,因此文献[1]中为衡量事故对运营的影响程度,参考可靠性理论,利用事故的频率及严重程度,提出一些城市轨道交通系统的运营安全性指标,但只是局限于事故层面加以分析,没有从系统的角度深入研究。文献[2]定性地分析影响地铁运营安全的危害因素并找出影响城市地铁系统运营安全的薄弱环节和关键性因素,但没有论述可行的轨道交通系统运营安全性的定量指标。

在轨道交通安全性指标研究中,对事故后果严重程度行为指标的定义和应用已经比较成熟。但是由于对轨道交通安全分析的研究才开始不久,加之不同的轨道交通的诸多特点,因此,目前还没有提出较为实用和有效的安全性指标。

1 现有安全评价指标分析

由于城市轨道交通系统与道路交通系统有一定的相通之处,而道路交通安全定量评价指标已经比较成熟[3],因此,根据城市轨道交通系统的运营特性,评价其安全性的绝对指标包括:事故次数、死亡人数、受伤人数和经济损失。

“保障乘客和员工不受伤害以及设备财产不遭破坏的能力”是城市轨道交通系统的运营安全性宏观指标。在此基础上,文献[1]提出了轨道交通安全性的定量指标,包括运营安全度、运营事故间隔时间、运营事故分布函数、运营事故、运营事故率、平均运营事故间隔时间。分析这些指标不难发现:事故次数、运营安全度、运营事故间隔时间、运营事故分布函数、运营事故率、平均运营事故间隔时间等定量评价指标的实质,都是从不同角度对事故发生频率评价;死亡人数、受伤人数、经济损失等定量评价指标,是从不同角度对事故的严重程度评价。这些评价指标没有从系统工程的角度分析轨道交通安全性。

根据城市轨道交通系统的组成及运行特点[4],在参照目前研究得到的安全性定量指标基础上,本文提出了较为系统的轨道交通安全性指标。该指标体系能够定量地表述事故后果严重程度,分析系统的稳定性,描述系统整体网络的安全性强弱。

2 运营安全性指标

2.1 事故后果严重程度指标

城市轨道交通运营事故可以分为轻伤、重伤、重大伤亡及特大伤亡事故4个级别[1](见表1)。

为了把事故严重程度量化,参照道路交通安全有关标准及有关安全标准,再按照事故等级给予赋值(见表2)。

表1 运营事故级别分类

表2 运营事故赋值表

设M为评价周期(如1年),Ni为第i类事故在评价周期M内发生的次数,Ci为第i类事故对应严重程度的参照分值。则:

式中:

I——平均事故严重程度;

i——运营事故级别;

Tij——第i类事故第j次发生的持续时间。

由式(1)可以看出,I是在评价周期中,轨道交通系统中所发生的所有事故严重程度的期望值,它反应了所有事故可能给轨道交通系统带来不利影响的平均值大小。

2.2 事故发生频率指标

系统的安全性与系统发生事故的频率存在一定的关系,可用事故发生的时间间隔来表示事故发生的频率。所谓运营事故间隔时间是指在轨道交通运营中,两次运营事故间隔的时间。

由于事故的等级不同,造成后果不同,对轨道交通稳定性的影响也不相同,因此在考虑运营事故时间的同时要考虑事故的等级。参照前文的事故等级赋值表,定义不同等级事故运营时间间隔的权重。若定义λi为第i类事故的间隔时间权重,则有[5]:

式中:

λi——第i类事故的时间间隔权重;

tij——第i类事故,发生第 j次的时间间隔;其余符号同前。

由式(2)中可以看出,t为在评价周期内,基于事故严重等级的所有事故的时间间隔的期望值。其中第j次运营事故间隔时间tj的性质由第(j+1)次运营事故的性质决定,即tij中i的取值与第(j+1)次运营事故的级别i的取值相同。

2.3 系统稳定性指标

如果系统中每一个可能的偶然事故发生后,均可以通过代价不大的操作,及时恢复整个系统的安全性,那么就可以认为该系统具有较强的稳定性[6]。城市轨道交通系统是一个复杂的关联系统,某一线路中某个子系统可能发生的任何一个故障都有可能对其他子系统产生影响,从而影响整个轨道交通网络的运营安全性。如果在发生某一偶然事故后,均可以及时通过某种操作尽量减小或不影响其他子系统的运作,那么就可以认为该轨道交通系统具有较强的稳定性。

然而更实际情况是:在城市轨道交通系统所有可能的偶然事故中,存在能够及时处理但同时后果严重的事故,也存在不能够及时处理但后果严重程度却较低的事故。此时并不能简单的通过处理事故及时就认为前者的稳定性比后者强。

由此,应同时考虑事故持续的时间(即排除事故的时间)T,从事故发生后到事故排除前没有受到影响的运营班次数K,从事故发生后到事故排除前受到影响的班次数K',及事故后果的严重程度C。定义G为评价周期内轨道交通系统运营稳定性参数,则:

式中:

Kij——第i类事故第j次发生的事故在持续时间内没有受到影响的运营班次数;

K′ij——第 i类事故第j次发生的事故在持续时间内受到影响的运营班次数;

其余符号同前。

由式(3)可以看出G反应了在考虑事故严重程度以后,所对应的轨道交通系统的运营稳定性强弱。一方面,对于K值较大的偶然事故,如果它的后果较为严重,那么该K值对G指标的正面影响也会因此而被削弱;如果系统中这样的事故较多,则系统整体的运营网络就不能认为是强的,在G值上也会有所体现。公式中使用Kij+1,K′ij+1,是为了考虑K值为0的偶然事故对系统稳定性的影响。

对于规模较大的系统,某些事故所对应的不受事故影响的运营班次会很多(即K值会很大,可能不容易全部找到,即使全部找到也没有太大的实际意义),因此需要制定K值的上限。考虑轨道交通发生事故后果的影响,取K=300,超过300的按300处理。对于轨道交通系统瘫痪的事故,其K=0;对其他运营班次没有影响的事故,其K′=0。

2.4 系统安全性指标

不论是事故后果严重程度指标、事故发生的频率指标还是系统稳定性强弱指标,都只反映了系统安全性的一个侧面,目前需要有一种指标能够将它们结合起来,用以描述系统的整体安全性。为此,定义系统整体安全性指标为:

式中:

S——评价周期内,轨道交通系统安全性指标;

t——评价周期内,轨道交通系统平均事故间隔时间;

G——评价周期内,轨道交通系统的运营稳定性参数;

I——评价周期内,轨道交通系统平均事故严重程度指标。

由式(4)可见,S充分利用了事故后果严重程度指标、事故间隔时间和轨道交通网络的复杂关联性,能够更充分地从网络的角度反映系统对突发性偶然事故的应变能力,较为客观地表征了轨道交通系统安全性的强弱。

某一时期内,在t,G指标不变的情况下,各偶然事故对系统造成的后果严重程度I越小,则S值越大,表明系统安全性越高;在t,I不变的情况下,G指标越大,S值也越大,表明系统安全性越高;在G,I不变的情况下,t指标越大,S值也越大,也能表明系统安全性越高。需要注意的是,t、G与I指标并不是互相孤立的,在实际运行中,它们具有一定的内在联系:当一个系统的稳定性越强(即G大),则事故间隔时间越大、事故可能造成的影响越小,导致t指标越大,I指标也比较小,最终体现的S指标值越大。显然,这样的系统安全性也较高。这也是S指标的意义所在。

3 结语

基于对轨道交通系统运营安全性定量评估的考虑,应用数理统计方法,给出了包括事故严重程度指标、事故发生频率指标、系统稳定性指标、系统安全性指标等在内的定量评估系统运营安全的指标体系;并对新指标进行了初步探讨,验证了各评价指标的确可以描述轨道交通系统运营安全性的不同特点。在实际应用中,指标体系中的各项统计指标均可获得,可操作性较强。今后,将对各个评价指标的重要性与敏感性进行研究,逐步建立与各项指标相适应的评价标准。

[1]赵惠祥.城市轨道交通系统的运营安全性与可靠性研究[D].上海:同济大学,2006.

[2]王洪德,潘科,姜福东.基于A HP的影响城市地铁运营安全的危害分析及预防对策[J].铁道学报,2007,29(2):35.

[3]郭应时,袁伟,付锐.道路交通安全评价指标特性分析[J].公路交通科技,2006,23(5):102.

[4]刘天顺,朱效洁,徐瑞华.城市轨道交通系统运营安全和可靠性分析[J].城市轨道交通研究,2006(1):15.

[5]刘芳,戴葵,王志英,吴丹.基于概率统计的系统安全性定量评估技术[J].计算机工程,2004,18(9):18.

[6]刘伟,郭志忠.配电网安全性指标的研究[J].中国电机工程学报,2003,23(8):85.

Operation Security Index of Urban Mass Transit System

Zhang Di,He Jie,Zhang Xiaohui

To analyze the operation security of urban mass transit system and to solve the quantitative index problem,based on former qualitative indexes,this paper introduces the index of severity fault,the frequency of fault and the strength of stability by using probability and mathematical statistics,then puts forward the holistic security index of the system,which can quantitatively describe the severity of fault,stability of system and security of holistic security,therefore can be the basic of static security analysis for the whole network.

urban mass transit system;operation security;mathematical statistics;security indexes

X 913:U 231

2009-01-04)