朱复吕 李琪 肖黄菊 成皓宇 王一沫

（江苏理工学院汽车与交通工程学院）

城市轨道交通是一种主要技术特征为轨道交通的现代公共运输方式，是公共客运交通的中坚力量，为城市提供主要的客运服务。在城市轨道交通（以下简称“城轨”）发展历程中，公共安全事故，如踩踏事件发生的概率很小，而发生较为频繁且影响较为严重的是列车事故、火灾事故和水灾事故。由于设备故障造成的列车相撞、脱轨、停电所占比例分别是16%、13%和7%[1]，因此设备故障造成的事故数量占比接近40%。本文主要从信号系统和供电系统两个方面分析事故发生的影响因素，建立城轨行车设备风险评价指标体系，通过模糊综合评价法确定城轨行车设备的安全等级。

在城轨运营安全保障系统研究方面，苏宏明等[2]首次提出风险主动防控理论，并构建全局级的安全保障系统，完成系统层面的风险评估和控制；张彧锋等[3]从运营安全保障平台功能入手，对平台体系架构进行了设计，并对部分功能进行了仿真实践；任星辰[4]建立了较为综合，且有针对性的城市轨道交通运营设施设备安全评价指标体系对运营设施设备进行评价。Ding等[5]通过数据挖掘进行风险源分析，基于故障日志学习法进行城轨安全保障系统的设计。

一、构建地铁行车安全评价指标体系

（一）地铁行车事故分析

地铁的安全运营依靠不同领域的技术保障，地铁运行安全受内在和外在因素、硬件设施和“软环境”等多方面的影响[6]。为了量化分析地铁事故的成因，本文对国内外百余起地铁事故进行统计分析[7]，结果表明，在地铁运营事故分类中占比较多的是火灾（24.2%）、列车相撞（16.2%）和爆炸（15.2%），所涉及的事故类型较多的是脱轨和列车相撞，因此本文主要对脱轨和列车相撞的事故进行分析。

本文选取两起典型的地铁行车事故，即日本兵库尼崎列车脱轨事故和上海地铁10号线相撞事故，运用事故树分析法对事故原因进行分析。通过Freefta软件绘制事故树，直观地分析造成行车安全事故的原因。通过事故树的分析可以看出，在日本兵库尼崎列车脱轨事故中，旧式信号系统的不完善是主要原因之一。上海地铁10号线相撞事故中，主要原因是供电系统故障导致信号系统的非正常工作，以及由供电系统故障引发的集中站信号故障。因此，列车相撞和脱轨两类事故主要是由于信号系统、供电系统设备的不安全状态以及人的不安全行为造成的。

（二）评价指标体系的构建

信号系统是确保行车安全的关键设备。主要的信号设备包括轨道电路、计轴设备、道岔、网络及计算机设备及信号电缆[8]；供电系统发生故障也会造成地铁的运行瘫痪，故城市轨道交通安全运营的前提是供电系统保持安全可靠[9]。在此基础之上建立城轨行车设备风险评价指标体系，行车设备风险指标分为准则层和子准则层两个部分。准则层包括信号系统和供电系统，子准则层中的道岔、计轴器、轨道电路、信号电缆绝缘状态、网络及计算机设备属于信号系统的评价细分；主变电所、牵引供电系统、动力照明系统属于供电系统的评价细分。

二、基于模糊综合评判法的行车设备安全评价

模糊综合评判法是将评估目标视为由多个因素组成的模糊集，即建立因子集U，再设置评估等级形成模糊评判，即评估集V，这是评估者确定的所有可能的判断结果的合集[10]。

（一）层次分析法确定指标权重

在诸多影响因素中，各因素对行车系统安全的影响程度不相同，用权重来表示，即wij表示各个因素uij的权重集。本文采用层次分析法（AHP）进行指标权重的确定。结合评价因素的定性分析、评价标度的含义以及专家意见对各指标进行重要性赋值，构建各层次的判断矩阵，其中aij为判断矩阵，Wi为权重集。

由式（1）～式（3）计算得指标权重如表1所示，并检验其一致性。

表1 指标权重分配表

（二）模糊综合评判

城轨行车设备单因素模糊评价是从因子集U中判断并确定评价对象对评价集中各元素的隶属度。单因素评判矩阵中隶属度的确定需要依赖于隶属度函数，确定隶属度函数即是建立单因素评判矩阵的首要任务。典型函数法在城轨安全运营评价中使用最多[11]，因此本文采用升半梯形分布[10]确定隶属度，隶属度函数如式（5），其中Fij为隶属度值。

为了确定隶属度，有特定的量化标准，将五个等级进行评分，设定评分间隔，以便于对每个因素与相应等级的隶属度进行评分，并建立隶属度函数。由隶属度函数计算得风险因素的隶属度取值，本文采用乘积-取大型合成算法[12]进行综合评判，如式（6），Fi表示准则层判度，Wi为权重值。根据成绩-取大型合成算法，值越大表明对所在等级的隶属度最高，风险结果为最大隶属度所在的等级。

分级综合评判是利用准则层和子准则层的指标权重，在隶属度函数的基础上对目标层评分进行综合判度的计算[13]，如式（7）～式（8），其中FX为综合判度，FZ为目标层行车设备风险的综合判度。c为评分等级系数，W1i和W1i分别为因素集U1和U2的权重向量，WU1和WU2为因素集U的权重向量。

（三）算例

根据轨道交通线路的实际情况和评分区间划分对子准则层评价值打分，如表2所示。由隶属度函数，计算得风险因素的隶属度取值，如表3所示。

由 式（1 1） 得 F1=（0,0.0924,0.5417,0.3651,0），F2=（0.0065,0.3590,0.6344,0,0），此时信号系统和供电系统均对V3的隶属度最高，说明行车设备安全等级为有危险。由式（7）～式（8）计算得FZ为122，行车设备安全等级为有危险。

三、城轨行车设备安全保障系统开发

本文采用QT Designer软件进行城轨行车设备安全保障功能开发，设计的系统界面如图1（a）所示，该界面是城轨行车时，记录的设备系统子设备的状态，也是城轨运营概况。系统界面主要分为五个模块[14]，基本信息模块、设备系统子系统模块、子设备模块、故障因素模块、等级判定模块。

图1 城轨行车设备安全保障系统

模拟行车情景设定如下：2015年1月1日；上海地铁1号线；信号系统、供电系统均发生故障；道岔的表示电路故障、信号电缆的对地电缆绝缘不达标、线间电缆绝缘不良，主变电所的电压数据显示为0、诱发开关关闭，牵引供电系统的接触网发生故障。模拟行车输出界面如图1（b）所示。

四、结论

本文分析了几起城市轨道交通行车事故典型案例，运用事故树分析法，直观展现出影响城市轨道交通运营安全的各因素，以及各因素间的逻辑关系，为定量分析提供理论依据。在分析影响行车安全因素的基础上，基于层次分析法确定指标权重值，建立城轨行车设备风险指标体系，严格计算，确保权重值的合理性。结合层次分析法确定的权重值，运用模糊综合评判法，对城轨行车设备的安全程度进行综合评判。用QT Designer软件搭建系统界面，将影响因素作为参数输入，并通过编程实现界面的输出，搭建出一个可实时评分的城轨行车设备安全保障系统。