一類(lèi)駝峰調(diào)車(chē)事故的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型研究*

張春民，李引珍，何瑞春

(蘭州交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，甘肅蘭州 730070)

駝峰進(jìn)行調(diào)車(chē)作業(yè)時(shí)，在車(chē)輛自由溜放的過(guò)程中，若前行車(chē)的速度較慢，而后行車(chē)的速度快，在進(jìn)入道岔地段時(shí)有可能出現(xiàn)這樣2種狀況［1］:一是道岔來(lái)不及轉(zhuǎn)換，后行車(chē)與前行車(chē)連掛撞車(chē)，進(jìn)入了同一股道，導(dǎo)致跟鉤撞車(chē);二是道岔可以轉(zhuǎn)換，但前行車(chē)還沒(méi)有到達(dá)調(diào)車(chē)場(chǎng)線路內(nèi)警沖標(biāo)時(shí)，后行車(chē)就進(jìn)入了相鄰股道，導(dǎo)致側(cè)面沖突。跟鉤撞車(chē)及側(cè)面沖突是對(duì)駝峰作業(yè)安全影響最大的調(diào)車(chē)事故之一［1］。這類(lèi)調(diào)車(chē)事故的發(fā)生會(huì)使得駝峰解體作業(yè)被迫停止，不僅影響調(diào)車(chē)作業(yè)的安全，還影響駝峰的解體效率。駝峰是包含很多設(shè)備的復(fù)雜性大系統(tǒng)，工作環(huán)境多變，導(dǎo)致該類(lèi)調(diào)車(chē)事故發(fā)生的因素涉及到線路，調(diào)速設(shè)備，車(chē)輛，天氣等方面，有多種可能性導(dǎo)致該類(lèi)事故的發(fā)生，影響因素之間的關(guān)系具有不確定性，較難判斷其因果關(guān)系。一些常用來(lái)分析事故的方法如定性分析方法［1－7］、定量分析法如事故樹(shù)、故障樹(shù)等存在無(wú)法反映基本事件對(duì)事故發(fā)生影響程度或者難以描述影響因素之間不確定性關(guān)系的問(wèn)題。而近十幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是將圖論和概率論相結(jié)合的一種方法，與事故樹(shù)、故障樹(shù)有一定的相似性，具有描述非確定性邏輯關(guān)系的能力，可以很好地解決不確定性問(wèn)題［8］，為此，采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行該類(lèi)調(diào)車(chē)事故分析。

1 影響因素分析

影響駝峰跟鉤撞車(chē)及側(cè)面沖突調(diào)車(chē)事故的因素有多方面，從駝峰技術(shù)條件的角度考慮主要有以下3個(gè)方面:車(chē)輛情況，線路設(shè)計(jì)情況和調(diào)速設(shè)備情況。

1.1 車(chē)輛情況(Y3)

車(chē)輛因素主要有車(chē)輛推峰速度以及車(chē)輛組合2個(gè)方面。

(1)最不利車(chē)輛組合。難行車(chē)所受的溜放阻力最大，但車(chē)輛重量最小，在溜放過(guò)程中容易減速，而易行車(chē)或新型重載車(chē)溜放阻力小，但車(chē)輛質(zhì)量大，易加速。因而最不利的車(chē)輛組合是前鉤車(chē)為難行車(chē)，而后鉤車(chē)為易行車(chē)或者是新型重載車(chē)。

(2)推峰速度。推峰速度直接影響著車(chē)輛的溜放速度和車(chē)輛溜放間隔。當(dāng)車(chē)輛組合為最不利組合時(shí)，易行車(chē)的推峰速度是否合適會(huì)增加此類(lèi)事故的發(fā)生。

1.2 線路情況(Y1)

(1)平面設(shè)計(jì)情況。平面影響因素主要涉及2個(gè)方面:一方面是峰頂?shù)降谝环致返啦淼木嚯x。該段線路位于駝峰溜放部分縱斷面上加速坡范圍內(nèi)而且不設(shè)調(diào)速設(shè)備，車(chē)輛在這段坡段上速度會(huì)迅速增加，影響在后面溜放部分內(nèi)車(chē)輛速度的控制。另一方面是溜放鉤車(chē)共同走行徑路的長(zhǎng)度，即從峰頂?shù)秸{(diào)車(chē)場(chǎng)警沖標(biāo)處。

(2)縱斷面設(shè)計(jì)情況。在傳統(tǒng)駝峰縱斷面設(shè)計(jì)理論中，駝峰縱斷面是兼顧難行車(chē)和易行車(chē)而設(shè)計(jì)。當(dāng)以難行車(chē)為依據(jù)設(shè)計(jì)坡度和坡長(zhǎng)時(shí)，易行車(chē)的速度會(huì)增大。當(dāng)以易行車(chē)為依據(jù)設(shè)計(jì)坡度時(shí)，難行車(chē)速度會(huì)減小，即每個(gè)坡段縱斷面依據(jù)某一種計(jì)算車(chē)輛進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，其他類(lèi)型車(chē)輛的速度均會(huì)有影響。

1.3 調(diào)速設(shè)備情況(Y3)

溜放部分的減速器是影響該類(lèi)事故發(fā)生的主要設(shè)備，包括2個(gè)方面:一方面是減速器提供的制動(dòng)力大小。另一方面是減速器對(duì)車(chē)輛速度的精確控制。

另外，自然氣候會(huì)對(duì)車(chē)輛、線路以及調(diào)速設(shè)備產(chǎn)生影響，在惡劣氣候條件下，車(chē)輛性能、調(diào)速設(shè)備等的性能均會(huì)發(fā)生變化，增加事故發(fā)生的可能性，因此，這里將其看作基本事件。

2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的建立

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)有向無(wú)環(huán)圖，可以形式化的表示為 B(G，p)［9］。G=(V，E)表示貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖是一個(gè)有向無(wú)環(huán)圖，其中，V={v1，v2，…，vN}是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)集合。E是各節(jié)點(diǎn)之間的有向邊，表示彼此之間的因果關(guān)系，對(duì)于有向邊E=(vi，vj)，表示為vi是vj的父節(jié)點(diǎn)，vj是vi的子節(jié)點(diǎn)。p是與每個(gè)節(jié)點(diǎn)相關(guān)的條件概率分布，定量描述節(jié)點(diǎn)之間的概率關(guān)系。

2.1 事故樹(shù)向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)化

為便于建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，并能充分運(yùn)用歷史信息，在本文的方法中，首先建立三方面影響因素的事故樹(shù)，然后進(jìn)行整合和修正，得到貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，進(jìn)而利用所建立的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行跟鉤撞車(chē)及側(cè)面沖突調(diào)車(chē)事故的分析。

事故樹(shù)中的與門(mén)、或門(mén)、條件與門(mén)，條件或門(mén)等邏輯門(mén)符號(hào)所對(duì)應(yīng)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)以及條件概率見(jiàn)圖1［10］。其中，0表示事故不發(fā)生，1表示事故發(fā)生。

圖1 事故樹(shù)邏輯關(guān)系的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)表示Fig.1 Description of fault tree logical relation by Bayesian network

2.2 建立事故樹(shù)

依據(jù)1中對(duì)3個(gè)方面影響因素的分析，建立各自的事故樹(shù)，如圖2所示，圖中符號(hào)說(shuō)明見(jiàn)表1。

圖2 影響因素的事故樹(shù)Fig.2 Fault trees of factor

表1 事故樹(shù)符號(hào)說(shuō)明表Table 1 Description of fault tree symbols

2.3 建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型

將上述建立的事故樹(shù)轉(zhuǎn)化成各自相應(yīng)的貝葉斯網(wǎng)，并進(jìn)一步得到系統(tǒng)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型以及所對(duì)應(yīng)的條件概率，如圖3和圖4所示。

圖3 事故影響因素對(duì)應(yīng)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 Corresponding Bayesian network of factors

圖4 溜放車(chē)輛跟鉤撞車(chē)，側(cè)面沖突事故的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型Fig.4 Bayesian network of the rolling car rear－ end and side collision condition

3 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型推理與分析

3.1 推理計(jì)算

為便于推理計(jì)算，采用文獻(xiàn)［1－7，10］對(duì)實(shí)際案例的分析來(lái)確定每個(gè)基本事件對(duì)事故的影響次數(shù)，并確定出各基本事件發(fā)生的先驗(yàn)概率，見(jiàn)表2和表3。其中，表2中有些影響因素如d1沒(méi)有反應(yīng)其發(fā)生的次數(shù)，考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來(lái)確定其發(fā)生的先驗(yàn)概率。

表2 部分編組站追鉤撞車(chē)、側(cè)面沖撞調(diào)車(chē)事故案例數(shù)據(jù)分析表Table 2 Data of the rear－end and side collision condition at some marshalling stations

根據(jù)表3中先驗(yàn)概率，運(yùn)用matlab中的BN推理工具軟件包BNT計(jì)算所建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中各節(jié)點(diǎn)的邊緣概率和后驗(yàn)概率。各節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率以及計(jì)算所得后驗(yàn)概率如表4所示，計(jì)算所得各節(jié)點(diǎn)的邊緣概率以及頂上事件的發(fā)生概率如圖4所示。

表3 追鉤撞車(chē)、側(cè)面沖撞事故影響因素先驗(yàn)概率表Table 3 Probability of the rear－end and side collision condition factors

表4 各根節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率和后驗(yàn)概率Table 4 Prior probability and posterior probability of each node

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 后驗(yàn)概率分析

從表4可以看出，基本事件d1，d2，d3，d4和d7的后驗(yàn)概率分別為 0.263 3，0.737 1，0.500 4，0.500 4和0.014，較先驗(yàn)概率均有所增加，后驗(yàn)概率是運(yùn)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的推理原理對(duì)先驗(yàn)概率進(jìn)行重新修正得到的計(jì)算，可以更為精確地反映事故發(fā)生狀況。計(jì)算結(jié)果表明:當(dāng)該類(lèi)事故發(fā)生時(shí)，這些基本事件的發(fā)生概率較大，成為主要的影響因素。

3.2.2 基本事件的影響分析

追鉤、側(cè)面沖撞調(diào)車(chē)事故的主要影響因素按其后驗(yàn)概率從大到小依次是:d2，即咽喉共同徑路長(zhǎng)，后驗(yàn)概率為0.737 1;d3和d4，分別為縱斷面設(shè)計(jì)不合理和縱斷面使用中發(fā)生變化，后驗(yàn)概率均為0.500 4;d1，即第一分路道岔設(shè)置位置不合理，后驗(yàn)概率為0.2633;d7，為最不利車(chē)輛組合，后驗(yàn)概率為0.014。這些影響因素中，d7屬于車(chē)輛方面，d2，d1，d3和d4屬于線路方面，其中，d2和d1為線路平面因素，是該事故發(fā)生的最主要影響因素，d3和d4為線路縱斷面因素?？梢?jiàn)該事故的主要因素集中在線路設(shè)計(jì)方面和車(chē)輛方面，而調(diào)速設(shè)備對(duì)該事故發(fā)生的影響程度并不大。

3.2.3 措施方案

從以上分析可知，在實(shí)際工作中需考慮2個(gè)方面的情況:一是線路設(shè)計(jì)方面，包括線路平面設(shè)計(jì)和縱斷面設(shè)計(jì)，尤其是平面設(shè)計(jì)中車(chē)輛共同走行徑路長(zhǎng)度和第一分路道岔的位置設(shè)計(jì)要合理?？v斷面設(shè)計(jì)主要是溜放部分各坡段的坡長(zhǎng)和坡度要保證前后溜放車(chē)輛必要的間隔。另一方面是駝峰運(yùn)營(yíng)方面:首先，注意在溜放過(guò)程中出現(xiàn)的車(chē)輛不利組合情況，可以采取調(diào)整后行車(chē)推峰速度等辦法來(lái)控制車(chē)輛溜放速度;其次，在使用中要監(jiān)測(cè)線路縱斷面的變化。

4 結(jié)論

駝峰跟鉤撞車(chē)，側(cè)面沖突調(diào)車(chē)事故會(huì)給駝峰調(diào)車(chē)作業(yè)帶來(lái)較大安全隱患，影響駝峰作業(yè)的效率和能力。本文在傳統(tǒng)駝峰設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了駝峰設(shè)計(jì)技術(shù)條件對(duì)該調(diào)車(chē)事故的影響因素，運(yùn)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立該類(lèi)調(diào)車(chē)事故的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，利用Matlab中的BN推理工具軟件包BNT進(jìn)行推理，求得頂上事件的發(fā)生概率，各節(jié)點(diǎn)的邊緣概率以及基本事件的后驗(yàn)概率。結(jié)論表明:影響該類(lèi)調(diào)車(chē)事故的主要因素集中在線路和車(chē)輛方面，在駝峰實(shí)際設(shè)計(jì)和運(yùn)用中對(duì)這2個(gè)方面應(yīng)給于重點(diǎn)考慮。

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