基于FTA-AHP的鐵路安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估方法

劉敬輝

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京　100081)

鐵路運(yùn)輸安全直接關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)安全，并直接與社會(huì)的和諧發(fā)展密切相關(guān)。目前，為保障鐵路運(yùn)輸安全，在對(duì)鐵路進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)大量應(yīng)用了包括故障樹(shù)分析法(FTA)[1-4]和層次分析法(AHP)[5-9]在內(nèi)的安全分析方法。但是上述2種安全分析方法都有其應(yīng)用的適用范圍和局限性，F(xiàn)TA方法通過(guò)建立模型可以對(duì)目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)事件的發(fā)生原因及其影響程度進(jìn)行追根溯源，但無(wú)法判斷目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)事件的總體安全風(fēng)險(xiǎn)水平；而AHP方法則通過(guò)建立層次分析模型評(píng)估系統(tǒng)的總體安全水平，但通常情況下采用該方法建立模型時(shí)需要的相關(guān)數(shù)據(jù)主要通過(guò)觀察統(tǒng)計(jì)獲得，而數(shù)據(jù)的缺乏則容易造成所建模型存在偏差，從而導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果的偏差。

為解決單獨(dú)使用上述某一種安全分析方法存在的問(wèn)題，本文在分析FTA方法和AHP方法各自適用范圍和局限性的基礎(chǔ)上，結(jié)合鐵路安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的特點(diǎn)和要求，提出將FTA方法分析得到的基本原因事件信息作為建立AHP模型的輸入數(shù)據(jù)，將基本原因事件的結(jié)構(gòu)重要度作為構(gòu)造AHP模型中各層次判斷矩陣的依據(jù)，設(shè)計(jì)出FTA方法與AHP方法相結(jié)合的鐵路安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估方法，從而提高了鐵路安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的有效性和準(zhǔn)確性，同時(shí)可解決只單一應(yīng)用某種方法進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)評(píng)估結(jié)果存在的片面性問(wèn)題。

1　基于FTA-AHP的鐵路安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估方法

FTA方法的主要思想是以選定的目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)事件為目標(biāo)，根據(jù)對(duì)與目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)事件有關(guān)的原因事件及其相互作用的邏輯關(guān)系分析，建立有向的故障樹(shù)模型(以下簡(jiǎn)稱FTA模型)；再通過(guò)該FTA模型分析各原因事件對(duì)目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)事件的影響程度，從而為有針對(duì)性地制定最優(yōu)化的安全控制措施提供科學(xué)依據(jù)。該方法可以綜合考慮零件、部件或子系統(tǒng)故障對(duì)系統(tǒng)故障的影響，包括人為因素和環(huán)境條件等在內(nèi)，適用于對(duì)影響系統(tǒng)安全因素的綜合分析。

AHP方法的主要思想是將復(fù)雜的系統(tǒng)分解成若干個(gè)層次及其對(duì)應(yīng)的若干個(gè)影響因素，然后通過(guò)逐層比較各個(gè)影響因素對(duì)其上層因素的影響大小，得出反映各影響因素重要程度的權(quán)重，再結(jié)合對(duì)影響因素安全狀態(tài)水平的打分，分析得到系統(tǒng)的總體安全水平分值。該方法具有定性和定量相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，適用于復(fù)雜系統(tǒng)受多個(gè)因素影響且各因素之間存在明顯類別劃分或?qū)哟侮P(guān)系情況下的綜合安全狀態(tài)評(píng)估。在構(gòu)建AHP模型的過(guò)程中，如何更有效地構(gòu)建影響因素的層次結(jié)構(gòu)并科學(xué)確定各影響因素的權(quán)重將直接影響AHP分析結(jié)果的合理性。

對(duì)于鐵路的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估而言，既要分析目標(biāo)系統(tǒng)發(fā)生故障的原因，從而為有針對(duì)性地制定安全控制措施提供依據(jù)；又要綜合考量其總體安全狀態(tài)，從而為各系統(tǒng)安全水平的橫向?qū)Ρ然蛳到y(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)提供依據(jù)。因此，本文根據(jù)對(duì)FTA法和AHP法特點(diǎn)的分析，結(jié)合鐵路的特點(diǎn)及其安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的要求，將FTA法和AHP法的優(yōu)勢(shì)相互結(jié)合，研究并提出基于FTA-AHP的鐵路安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估方法，其流程如圖1所示。

圖1基于FTA-AHP的鐵路安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估方法流程

1.1　建立FTA模型

由圖1，首先采用FTA法，確定要分析的目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)事件，以目標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖、工作流程圖、子系統(tǒng)及部件間的接口關(guān)系等信息為基礎(chǔ)信息，依次分析導(dǎo)致目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的直接原因事件、中間原因事件，直至基本原因事件。由于鐵路系統(tǒng)屬于典型的復(fù)雜人—機(jī)—環(huán)系統(tǒng)，任何系統(tǒng)故障的原因不僅與系統(tǒng)自身設(shè)備/設(shè)施的故障有關(guān)，還與管理程序、人員操作及社會(huì)和自然等外部環(huán)境因素的干擾直接相關(guān)，因此在分析目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)事件原因的過(guò)程中，應(yīng)綜合分析上述人—機(jī)—環(huán)及管理的各個(gè)方面，此時(shí)，歷史事故、故障信息及日常安全檢測(cè)/監(jiān)測(cè)信息應(yīng)作為重要參考依據(jù)。

此外，不同系統(tǒng)即使出現(xiàn)同一種故障，其發(fā)生原因也可能存在較大差異。例如，與普速鐵路相比，高速鐵路由于運(yùn)行速度高，任何安全隱患，尤其是一些在普速鐵路上不會(huì)產(chǎn)生大危害的異物侵限、大風(fēng)、降雨、降雪等外部環(huán)境因素都可能對(duì)其運(yùn)行安全產(chǎn)生巨大影響。因此在FTA建模過(guò)程中，應(yīng)具體結(jié)合系統(tǒng)的特點(diǎn)展開(kāi)。

通過(guò)上述方法建立FTA模型后，即可以開(kāi)展定性或定量分析?；驹蚴录慕Y(jié)構(gòu)重要度通常是最直接反映其對(duì)目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)事件影響程度的指標(biāo)[10]。

定義故障樹(shù)的結(jié)構(gòu)函數(shù)為

φ(x1,x2,…,xn)=

其中，

i=1,2,…,n

式中：n為由故障樹(shù)分析所得基本原因事件的數(shù)目，x1,x2,…,xn為描述基本原因事件狀態(tài)的布爾變量。

則第i個(gè)基本原因事件的結(jié)構(gòu)重要度為

(1)

由式(1)可得到定量化的各基本原因事件對(duì)目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)事件的影響程度。

1.2　建立AHP模型及構(gòu)造判斷矩陣

1.2.1建立AHP模型

采用AHP方法，將由FTA方法分析得到的各基本原因事件作為因素，對(duì)其按一定邏輯分類并進(jìn)行歸納，形成有序的準(zhǔn)則層和指標(biāo)層，構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型(以下簡(jiǎn)稱AHP模型)。在AHP模型中上層中的因素支配著下一層中的因素，或被下一層中的因素所影響。

1.2.2判斷矩陣及其一致性檢驗(yàn)

判斷矩陣是進(jìn)行層次分析的基礎(chǔ)，可通過(guò)對(duì)準(zhǔn)則層或指標(biāo)層因素兩兩比較其對(duì)上一層因素影響的重要性得到。

設(shè)某準(zhǔn)則層或指標(biāo)層X(jué)有n個(gè)因素，即X={x1,x2,…,xn},通過(guò)比較它們對(duì)上一層因素的影響重要性，得到判斷矩陣A為

A=(aij)m×n

(2)

式中：aij表示第i個(gè)因素相對(duì)于第j個(gè)因素的比較結(jié)果。

在兩兩因素的重要性比較過(guò)程中，由故障樹(shù)分析獲得的基本原因事件結(jié)構(gòu)重要度、各專業(yè)領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)或歷史事故或故障的數(shù)據(jù)可作為決策的基礎(chǔ)依據(jù)。aij的取值[11-13]見(jiàn)表1。

表1　判斷矩陣中比較結(jié)果的取值標(biāo)準(zhǔn)及其含義

按照參考文獻(xiàn)[14]計(jì)算每層判斷矩陣的最大特征值及各因素對(duì)應(yīng)的特征向量，并對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。若檢驗(yàn)通過(guò)，特征向量(歸一化后)作為某層各個(gè)因素對(duì)于上一層各個(gè)因素影響的權(quán)重向量；若不通過(guò)，需要修正判斷矩陣。判斷矩陣一致性檢驗(yàn)的過(guò)程如下。

(1)計(jì)算一致性指標(biāo)CI。

(3)

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征值。

CI越小，說(shuō)明判斷矩陣的一致性越好；否則說(shuō)明判斷矩陣的一致性越差。

(2)計(jì)算檢驗(yàn)數(shù)CR。

(4)

式中：RI為同階平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。

如果CR<0.1，則判斷矩陣的一致性符合要求；否則判斷矩陣的一致性不滿足要求，需要對(duì)該判斷矩陣進(jìn)行修正。

1.3　安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估

首先結(jié)合鐵路運(yùn)營(yíng)事故、故障數(shù)據(jù)及各專業(yè)專家的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，組織專家對(duì)指標(biāo)層各因素的安全狀態(tài)按預(yù)先設(shè)定的規(guī)則進(jìn)行打分。在制定打分規(guī)則時(shí)，對(duì)于涉及安全的關(guān)鍵系統(tǒng)，因?yàn)橐笃溥\(yùn)用性能的安全和可靠性較一般系統(tǒng)更高，所以打分愈嚴(yán)苛。例如高速列車的制動(dòng)系統(tǒng)直接關(guān)系著列車運(yùn)營(yíng)安全，可采用如表2所示的安全評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。

表2　高速列車制動(dòng)系統(tǒng)的安全狀態(tài)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

專家對(duì)指標(biāo)層各因素的安全狀態(tài)按照設(shè)定的規(guī)則進(jìn)行打分,然后由下式可得到其所對(duì)應(yīng)(影響)的準(zhǔn)則層因素的安全狀態(tài)的評(píng)分y，即

(5)

式中：wi和fi分別為指標(biāo)層第i個(gè)因素的權(quán)重向量和安全狀態(tài)分值。

由所得到的準(zhǔn)則層因素的安全狀態(tài)評(píng)分以及權(quán)重向量，仍按式(5)計(jì)算對(duì)應(yīng)上一準(zhǔn)則層因素的安全狀態(tài)評(píng)分，以此類推，直至目標(biāo)層，則最終可得到目標(biāo)層因素的安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估結(jié)果。

2　方法驗(yàn)證

以高速列車制動(dòng)系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估為例，驗(yàn)證本文方法的可行性和優(yōu)越性。制動(dòng)系統(tǒng)是高速列車運(yùn)行的安全保障，按照功能要求，高速列車制動(dòng)系統(tǒng)既要能夠?qū)崿F(xiàn)正常運(yùn)行下列車進(jìn)出車站時(shí)的常用制動(dòng)功能，又要具備在非常規(guī)情況下緊急制動(dòng)的功能。因此與普速列車相比，高速列車在運(yùn)行中具有相當(dāng)大的運(yùn)動(dòng)能量，其制動(dòng)系統(tǒng)任何小的故障或外在影響都可能危及列車運(yùn)行的安全。

2.1　高速列車制動(dòng)系統(tǒng)FTA模型的建立及分析

以高速列車制動(dòng)系統(tǒng)故障為目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)事件，建立的FTA模型(部分)示例如圖2所示。

由圖2得到的22個(gè)基本事件見(jiàn)表3。

2.2　高速列車制動(dòng)系統(tǒng)AHP模型的建立及安全狀態(tài)綜合評(píng)估

以高速列車制動(dòng)系統(tǒng)為目標(biāo)層因素，結(jié)合上節(jié)對(duì)高速列車制動(dòng)系統(tǒng)FTA模型的分析結(jié)果，構(gòu)建高速列車制動(dòng)系統(tǒng)的AHP模型。即將FTA模型中的基本原因事件劃分為6類，分別對(duì)應(yīng)高速列車制動(dòng)系統(tǒng)AHP模型準(zhǔn)則層中的因素B1—B6。該準(zhǔn)則層中各因素及其對(duì)應(yīng)的指標(biāo)層因素見(jiàn)表4。

圖2　高速列車制動(dòng)系統(tǒng)的FTA模型(部分)示例

基本事件編號(hào)基本事件的含義　結(jié)構(gòu)重要度基本事件編號(hào)基本事件的含義結(jié)構(gòu)重要度x1空氣信號(hào)傳輸故障025x12防滑裝置故障025x2電制動(dòng)反饋信號(hào)錯(cuò)誤100x13緊急電制動(dòng)執(zhí)行故障756x3中央信控裝置故障100x14硬線傳輸故障547x4車輛終端信控故障100x15列車管排風(fēng)信號(hào)傳輸故障278x5雨雪等影響075x16網(wǎng)絡(luò)傳輸故障269x6制動(dòng)控制EBCU故障125x17車重信號(hào)錯(cuò)誤219x7基礎(chǔ)制動(dòng)裝置故障125x18牽引執(zhí)行系統(tǒng)故障219x8電空信號(hào)轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤100x19網(wǎng)壓過(guò)高219x9風(fēng)源質(zhì)量影響100x20中間閥故障125x10風(fēng)源裝置故障100x21速度監(jiān)測(cè)傳感器故障025x11異物影響075x22測(cè)速裝置故障025

表4高速列車制動(dòng)系統(tǒng)AHP模型準(zhǔn)則層因素與指標(biāo)層因素的對(duì)應(yīng)關(guān)系

序號(hào)準(zhǔn)則層因素指標(biāo)層因素1牽引側(cè)狀態(tài)B1x18，x192信號(hào)傳輸通道B2x14，x163機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)B3x12，x7，x1，x15，x21，x22，x8，x204電氣執(zhí)行系統(tǒng)B4x2，x3，x4，x6，x13，x175風(fēng)源系統(tǒng)B5x9，x106外部環(huán)境B6x5，x11

按照表1所示準(zhǔn)則分別構(gòu)建各層的判斷矩陣。首先根據(jù)指標(biāo)層各因素所對(duì)應(yīng)基本原因事件的結(jié)構(gòu)重要度，進(jìn)行因素重要性的兩兩比較。即當(dāng)比較i因素和j因素時(shí)，如果i因素所對(duì)應(yīng)基本原因事件的結(jié)構(gòu)重要度大于j因素所對(duì)應(yīng)基本原因事件的結(jié)構(gòu)重要度時(shí)，則認(rèn)為其對(duì)上面準(zhǔn)則層或總目標(biāo)層的重要性更大；如果兩者的結(jié)構(gòu)重要度相同，則進(jìn)一步依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)或歷史事故和故障發(fā)生概率等信息進(jìn)行判斷。

依照上述構(gòu)建判斷矩陣的方法建立的高速列車制動(dòng)系統(tǒng)的總目標(biāo)層判斷矩陣見(jiàn)表5。

由式(3)和式(4)計(jì)算目標(biāo)層判斷矩陣的一致性指標(biāo)CI為0.099 4，CR為0.08<0.1；其他各準(zhǔn)則層判斷矩陣的一致性指標(biāo)CI和CR也均達(dá)到要求。

按照文獻(xiàn)[14]的方法計(jì)算指標(biāo)層各個(gè)因素的權(quán)重向量，以及組織專家對(duì)指標(biāo)層各因素的安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)分；然后繼續(xù)按照文獻(xiàn)[14]的方法計(jì)算準(zhǔn)則層各因素的權(quán)重向量，并由式(5)計(jì)算其評(píng)分。結(jié)果見(jiàn)表6。

表5　高速列車制動(dòng)系統(tǒng)AHP模型目標(biāo)層的判斷矩陣

表6高速列車制動(dòng)系統(tǒng)AHP模型各層因素的權(quán)重向量及評(píng)分

準(zhǔn)則層因素權(quán)重向量(對(duì)目標(biāo)層)評(píng)分指標(biāo)層因素權(quán)重向量(對(duì)準(zhǔn)則層)評(píng)分B1045509718x18083398x19016793B2024509770x14066799x16033395B3014809585x7043397x21026396綜合x(chóng)1，x15014295綜合x(chóng)8，x20008792x22004893x12002798B4008209441x17051392綜合x(chóng)3，x4，x6031898x2011395x13005695B5004489250x10075095x9025085B6002518100x5075078x11025090

由表6和式(5)最后可計(jì)算得到整個(gè)高速列車制動(dòng)系統(tǒng)的安全狀態(tài)綜合評(píng)估得分為96.28分；按照表2給出的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估，高速列車制動(dòng)系統(tǒng)的安全性很好，即其發(fā)生制動(dòng)系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)較低。

由表6還可以看出：高速列車制動(dòng)系統(tǒng)的牽引側(cè)狀態(tài)、信號(hào)傳輸通道和機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)的安全狀態(tài)很好，而電氣執(zhí)行系統(tǒng)和風(fēng)源系統(tǒng)仍需要改進(jìn)，改進(jìn)的主要對(duì)象分別是檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和風(fēng)源裝置的性能；此外，外部環(huán)境中影響高速列車制動(dòng)系統(tǒng)性能正常發(fā)揮的主要因素是雨雪，因此需要進(jìn)一步加強(qiáng)災(zāi)害天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

3　結(jié)　語(yǔ)

針對(duì)單獨(dú)使用FTA方法和AHP方法進(jìn)行鐵路安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)存在評(píng)估結(jié)果具有片面性的問(wèn)題，在分析FTA方法和AHP方法的優(yōu)點(diǎn)和不足的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了兩者相結(jié)合的鐵路安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估方法。首先建立FTA分析模型，確定目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)事件的原因事件及結(jié)構(gòu)重要度；然后在此基礎(chǔ)上通過(guò)分類歸納，建立AHP模型；通過(guò)對(duì)AHP模型準(zhǔn)則層和指標(biāo)層因素兩兩比較其對(duì)上一層因素影響的重要性，得到各層的判斷矩陣；將符合一致性檢驗(yàn)條件的各層判斷矩陣中的特征向量作為該層對(duì)應(yīng)因素的權(quán)重向量，并結(jié)合因素的安全狀態(tài)評(píng)分，最終得到目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)事件的安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估結(jié)果。

應(yīng)用所提出的基于FTA-AHP的鐵路安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估方法對(duì)高速列車制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)的綜合評(píng)估，結(jié)果表明：該方法不僅可以分析系統(tǒng)發(fā)生故障的基本原因及其影響大小，還可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)估，評(píng)估結(jié)果能更全面反映系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，解決了單獨(dú)應(yīng)用其中一種方法導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果片面的問(wèn)題。

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