寧 靜，佘振國(guó)

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

隨著我國(guó)鐵路行業(yè)的快速發(fā)展和新技術(shù)、新裝備的廣泛應(yīng)用，為適應(yīng)鐵路安全運(yùn)營(yíng)面臨的新形勢(shì)、新要求，深入推進(jìn)鐵路運(yùn)輸安全風(fēng)險(xiǎn)管理，以“技防”手段加強(qiáng)安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防和控制，是實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)治久安的重要舉措。科學(xué)、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)鐵路運(yùn)輸安全風(fēng)險(xiǎn)，是實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)有效控制、事故精準(zhǔn)預(yù)警、快速應(yīng)急處置和防控資源有效利用的基礎(chǔ)[1]。

安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)大多為多屬性決策，相關(guān)研究方法主要包括層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等。肖遙等人[2]在企業(yè)安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警研究中，采用區(qū)間層次分析法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，運(yùn)用模糊綜合評(píng)判法構(gòu)建安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型；郜彤等人[3]提出基于云模型和組合賦權(quán)的方法構(gòu)建煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型；張子龍等人[4]采用灰色系統(tǒng)理論結(jié)合傳統(tǒng)模糊層次分析的方法構(gòu)建評(píng)價(jià)模型，對(duì)高層建筑施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)；劉敬輝[5]提出了基于故障樹(shù)分析法和層次分析法的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，應(yīng)用于鐵路安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估。保護(hù)層分析（LOPA，Layers of Protection Analysis）方法是通過(guò)對(duì)既有保護(hù)措施可靠性的量化評(píng)估來(lái)確定其消除或降低風(fēng)險(xiǎn)的能力，進(jìn)而對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，本文基于LOPA 方法構(gòu)建了鐵路運(yùn)輸安全風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)價(jià)模型，并運(yùn)用該模型，對(duì)線路設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了模型的有效性與實(shí)用性。

1 理論概述

1.1 LOPA 方法概述

LOPA 方法是一種半定量風(fēng)險(xiǎn)分析方法，起源于20 世紀(jì)80 年代末，常用于石油化工行業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)分析。為了防止事故發(fā)生，每個(gè)完整的生產(chǎn)作業(yè)通常要設(shè)置系統(tǒng)、裝置或動(dòng)作等安全保護(hù)措施來(lái)阻止始發(fā)事件演變?yōu)槭鹿省OPA 方法把每個(gè)安全措施看作一個(gè)保護(hù)層，且理想的保護(hù)層應(yīng)當(dāng)是獨(dú)立的，即任何一個(gè)保護(hù)層的功能和作用與其他保護(hù)層無(wú)關(guān)。LOPA 方法通過(guò)評(píng)估保護(hù)層的有效性來(lái)確定其對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的控制能力，從而對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行度量[6-7]。

1.2 LOPA 方法分析過(guò)程

LOPA 方法的分析過(guò)程一般包括：篩選初始場(chǎng)景、識(shí)別初始事件、評(píng)估獨(dú)立保護(hù)層、計(jì)算初始事件失效率、評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)5 個(gè)步驟。

通常用初始事件發(fā)生頻率、每個(gè)獨(dú)立保護(hù)層失效頻率、造成后果的嚴(yán)重程度來(lái)綜合表示評(píng)價(jià)對(duì)象的風(fēng)險(xiǎn)值[8-9]，風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算公式為

2 鐵路安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

借鑒LOPA 方法的思想，考慮鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)過(guò)程在地面和列車(chē)上都設(shè)有多重保護(hù)，并相互作用。為防止此類(lèi)事故的發(fā)生，以車(chē)輛軸承故障導(dǎo)致列車(chē)脫軌為例，在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中設(shè)置了車(chē)輛軸溫智能探測(cè)系統(tǒng)（THDS）、車(chē)輛滾動(dòng)軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)（TADS）、貨車(chē)故障軌邊圖像檢測(cè)系統(tǒng)（TFDS）等多種檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)配備了車(chē)輛列檢人員進(jìn)行站內(nèi)巡檢，這些都是車(chē)輛軸承故障導(dǎo)致列車(chē)脫軌風(fēng)險(xiǎn)的保護(hù)層，并且每個(gè)保護(hù)層都獨(dú)立發(fā)揮作用，防止事故的發(fā)生。如圖1 所示，車(chē)輛軸承發(fā)生故障時(shí)，軸溫探測(cè)、聲學(xué)診斷、圖像檢測(cè)、人工巡檢等保護(hù)層依次獨(dú)立發(fā)揮保護(hù)作用。只有當(dāng)所有保護(hù)層都失效，車(chē)輛軸承故障才可能導(dǎo)致事故發(fā)生。

圖1 保護(hù)層作用示意

2.1 鐵路安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型流程

（1）篩選初始場(chǎng)景

基于故障樹(shù)分析方法，對(duì)鐵路運(yùn)輸安全風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的原因和后果進(jìn)行分析，涵蓋人員作業(yè)、設(shè)備系統(tǒng)、外部環(huán)境及管理4 個(gè)方面，篩選得到LOPA方法的初始場(chǎng)景。

（2）識(shí)別初始事件

在所有保護(hù)層都失效的情況下，可能導(dǎo)致事故發(fā)生的事件即為初始事件。通過(guò)定性分析，識(shí)別初始事件。

（3）評(píng)估獨(dú)立保護(hù)層

為防止初始事件發(fā)展為事故而設(shè)置的設(shè)施裝備、作業(yè)活動(dòng)等措施，稱(chēng)為保護(hù)層。為確保保護(hù)層是獨(dú)立的，對(duì)于嵌套或條件關(guān)系下發(fā)揮作用的保護(hù)層，需將其整體看作一個(gè)保護(hù)層。例如，對(duì)于上跨橋墜物這一初始事件，為確保行車(chē)安全，設(shè)置了異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括檢測(cè)網(wǎng)、服務(wù)器、監(jiān)測(cè)軟件，檢測(cè)到墜物后將信息發(fā)送到列控中心，將軌道電路置為占用狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)列車(chē)自動(dòng)防護(hù)。這樣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與信號(hào)系統(tǒng)、列車(chē)自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（ATP）共同構(gòu)成一個(gè)保護(hù)層，而從檢測(cè)網(wǎng)、服務(wù)器、監(jiān)測(cè)軟件、軌道電路接口、車(chē)載ATP 構(gòu)成的要素中，如果其中任何一個(gè)發(fā)生故障將造成保護(hù)層失效，則稱(chēng)為保護(hù)失效。

（4）計(jì)算初始事件失效頻率

初始事件失效頻率計(jì)算公式為

（5）評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)

事件場(chǎng)景的風(fēng)險(xiǎn)可根據(jù)初始事件失效頻率和導(dǎo)致后果的嚴(yán)重程度來(lái)確定，某一場(chǎng)景（包括設(shè)備故障、違章作業(yè)、環(huán)境災(zāi)害等）造成危害的風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算公式為

2.2 初始事件失效頻率計(jì)算

由公式（2）可知，初始事件失效頻率由固有發(fā)生頻率和保護(hù)層失效率決定。

2.2.1 固有發(fā)生頻率

固有發(fā)生頻率受多種因素影響，例如，行車(chē)設(shè)備固有故障頻率不但取決于設(shè)備本身的原始故障頻率，還受到設(shè)備建設(shè)使用年限、運(yùn)行環(huán)境惡劣程度、檢修養(yǎng)護(hù)水平等諸多因素的影響。由歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到由若干主要影響因素修正后為

其中，E1 為設(shè)備運(yùn)用時(shí)長(zhǎng)權(quán)重；E2 為維修養(yǎng)護(hù)情況權(quán)重，例如維修養(yǎng)護(hù)計(jì)劃兌現(xiàn)率；E3 為設(shè)備運(yùn)用程度，例如客運(yùn)、客貨混跑、重載等運(yùn)用場(chǎng)景的對(duì)應(yīng)權(quán)重；E4 為行車(chē)運(yùn)行環(huán)境惡劣程度，例如在雨雪、冰凍、風(fēng)沙等惡劣環(huán)境中運(yùn)行的對(duì)應(yīng)權(quán)重。

2.2.2 保護(hù)層失效率

保護(hù)層失效率是指為確保設(shè)備正常運(yùn)行而設(shè)置的保護(hù)措施的失效發(fā)生率。各類(lèi)檢測(cè)監(jiān)測(cè)裝置/系統(tǒng)保護(hù)層或人工檢查都是為及時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備固有故障的發(fā)生而設(shè)置的保護(hù)措施，因此，可視為保護(hù)層。對(duì)于檢測(cè)監(jiān)測(cè)裝置/系統(tǒng)保護(hù)層，可參考安全完整性等級(jí)SIL3的標(biāo)準(zhǔn)，確定設(shè)備失效率；可通過(guò)設(shè)備故障固有頻率與檢出頻率計(jì)算得到人工檢查保護(hù)層失效率，如公式（5）所示。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，可認(rèn)為設(shè)備檢測(cè)監(jiān)測(cè)和人工檢查發(fā)現(xiàn)了設(shè)備故障，有效地制止其導(dǎo)致事故發(fā)生，且各種保護(hù)措施之間是互相獨(dú)立的，每一種保護(hù)措施檢出的設(shè)備故障對(duì)設(shè)備固有故障實(shí)現(xiàn)全覆蓋，才能認(rèn)為其保護(hù)100%有效。

由公式（2）可知，保護(hù)層越多，且每一個(gè)保護(hù)層失效率越低，該初始事件失效的頻率越低。

2.2.3 后果嚴(yán)重程度計(jì)算

（1）人員傷亡損失。人員傷亡主要包括事故導(dǎo)致的死亡損失和傷害損失。對(duì)于人員死亡損失，《中華人民共和國(guó)侵權(quán)責(zé)任法》第十六條第11 款死亡賠償金規(guī)定“按照當(dāng)?shù)鼐用衿骄芍涫杖胗?jì)算，賠償二十年”。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布2020 年全國(guó)居民人均可支配收入為32 189 元，故1 名人員死亡損失約計(jì)為64 萬(wàn)元。對(duì)于人員傷害損失，依據(jù)《英國(guó)工程安全管理黃皮書(shū)》給出的受傷人數(shù)與死亡人數(shù)等價(jià)轉(zhuǎn)化估算，等價(jià)死亡數(shù)=死亡數(shù)+（0.1×重大傷害）+（0.005×輕微傷害）。

（2）耽誤列車(chē)損失。依據(jù)部分鐵路局集團(tuán)公司發(fā)布的鐵路中斷行車(chē)經(jīng)濟(jì)損失參考標(biāo)準(zhǔn)，分別設(shè)定高速和普速兩類(lèi)線路的交通事故造成耽誤線路運(yùn)營(yíng)單位時(shí)間的經(jīng)濟(jì)損失。

（3）財(cái)產(chǎn)損失?？紤]事故直接財(cái)產(chǎn)損失，主要包括行車(chē)設(shè)備設(shè)施損失和貨物損失，數(shù)據(jù)來(lái)源于鐵路交通事故調(diào)查報(bào)告。

3 案例分析

以設(shè)備故障類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)為例，對(duì)某貨運(yùn)車(chē)站道岔相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。按照上述基于保護(hù)層分析的步驟，先篩選初始場(chǎng)景、識(shí)別初始事件、評(píng)估獨(dú)立保護(hù)層，然后采用專(zhuān)家評(píng)判法和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)法，采集風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型所需數(shù)據(jù)。

3.1 數(shù)據(jù)取值

根據(jù)歷史事故故障和檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)備養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)，將每類(lèi)線路一定時(shí)期內(nèi)的平均故障次數(shù)作為固有發(fā)生頻率，同時(shí)可根據(jù)外部環(huán)境和時(shí)間情況，進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

E1：從鐵路工務(wù)管理信息系統(tǒng)（PWIS）獲取線路設(shè)備投入使用時(shí)間，并按照表1 對(duì)設(shè)備投入使用時(shí)間進(jìn)行離散化處理。

表1 設(shè)備運(yùn)用時(shí)長(zhǎng)權(quán)重對(duì)照

E2：從工務(wù)安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)獲取線路設(shè)備檢修信息，并按照表2 對(duì)維修養(yǎng)護(hù)計(jì)劃兌現(xiàn)率進(jìn)行離散化處理。

表2 維修養(yǎng)護(hù)情況權(quán)重對(duì)照

E3：從工務(wù)安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)獲取線路運(yùn)用場(chǎng)景，具體取值如表3 所示。

表3 設(shè)備運(yùn)用程度對(duì)照

E4：根據(jù)月份和預(yù)定義的線路所處地理環(huán)境確定行車(chē)運(yùn)行環(huán)境惡劣程度，具體取值如表4 所示。

表4 環(huán)境惡劣程度對(duì)照

（2）保護(hù)層失效率

PFDi1：人工檢查操作的失效率。從工務(wù)安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)中獲取該線路人工檢查發(fā)現(xiàn)的缺陷數(shù)量，

由公式（5）計(jì)算得到失效率。

PFDi2：監(jiān)測(cè)設(shè)備的失效率。參考安全完整性等級(jí)SIL3的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)設(shè)備失效率進(jìn)行賦值。

（3）后果嚴(yán)重程度

3.2 結(jié)果分析

針對(duì)某貨運(yùn)車(chē)站道岔相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)，基于本文所述風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，從相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)采集樣本數(shù)據(jù)，通過(guò)模型分析給出以貨幣表示的動(dòng)態(tài)道岔病害，包括道岔幾何尺寸超限、岔枕歪斜失效、聯(lián)結(jié)零件斷缺損、道床翻漿冒泥、鋼軌肥邊魚(yú)鱗傷等度量值，部分道岔風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)及對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)值如表5 所示，從中發(fā)現(xiàn)，幾何尺寸嚴(yán)重超限、鋼軌肥邊魚(yú)鱗傷、聯(lián)結(jié)零件斷缺損為風(fēng)險(xiǎn)值較高的、發(fā)生頻率較高的風(fēng)險(xiǎn)，在運(yùn)輸生產(chǎn)中需要重點(diǎn)關(guān)注，這也與專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)分析的結(jié)果一致。

表5 部分道岔風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)LOPA 方法進(jìn)行了概述，并構(gòu)建了基于LOPA 方法的鐵路安全風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)價(jià)模型。結(jié)合鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型中的分析步驟、保護(hù)層概念、模型參數(shù)進(jìn)行了實(shí)例化定義，并詳細(xì)介紹了模型的運(yùn)算過(guò)程和關(guān)鍵變量的取值方法。本文提出的保護(hù)層分析模型對(duì)鐵路運(yùn)輸安全風(fēng)險(xiǎn)度量進(jìn)行了積極地探索，模型簡(jiǎn)單適用、易于擴(kuò)展。研究成果已在鐵路安全監(jiān)督大數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)中開(kāi)展了初步運(yùn)用，為下一步風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估、精準(zhǔn)預(yù)警打下了基礎(chǔ)。