王艷艷

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通運輸系，講師，陜西 西安 710014）

高速鐵路列車速度的明顯提高和行車密度的顯著增大，使高速行駛的列車運行對設(shè)備、人員和管理等因素產(chǎn)生了新的變化。復(fù)雜、動態(tài)的高速鐵路行車安全系統(tǒng)也呈現(xiàn)出許多新的特點，如高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)提高造成采購標(biāo)準(zhǔn)提高、列車密度大造成行車組織困難、列車動能大導(dǎo)致制動困難、弓網(wǎng)關(guān)系復(fù)雜導(dǎo)致穩(wěn)定供電困難、地面信號顯示線路狀態(tài)辨認難、突發(fā)事故的產(chǎn)生導(dǎo)致應(yīng)急處理難〔1-2〕。目前，針對鐵路行車事故的研究多采用事故樹分析的方法對行車事故進行宏觀性質(zhì)分析，而針對高速鐵路行車安全研究較為零散，多從危險因素、司乘因素、監(jiān)控信息傳輸方面定性探討高速鐵路行車安全的重要性和管理措施，未能從微觀的角度對高速鐵路行車事故形成機理進行研究。因此，從微觀角度出發(fā)，應(yīng)用能量意外逸散理論，對高速鐵路行車事故機理進行研究，更深入的挖掘危及高速鐵路行車安全的因素，進一步預(yù)防高速鐵路行車事故的發(fā)生。

1 能量意外逸散理論分析

能量意外逸散理論是事故致因理論發(fā)展過程中的重要一步，由學(xué)者吉布森提出，美國運輸部安全局局長哈登在1966年針對美國鐵路行車安全進行引申。兩位學(xué)著從能量的觀點出發(fā)，指出人體受傷害的原因只是某種能量向原本能量平衡的人體的轉(zhuǎn)移，而事故是能量的意外轉(zhuǎn)移。而且，每次能量意外轉(zhuǎn)移都存在能量源、路徑和接受者，可以通過控制能量源或者切斷能量轉(zhuǎn)移的途徑和載體或幫助能量接受者采取措施來預(yù)防傷害事故的發(fā)生。

高速鐵路系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的前提是高速鐵路行車過程中的能量相互轉(zhuǎn)換。在正常條件下，能量按照自身的循環(huán)規(guī)律在高速鐵路運輸系統(tǒng)中生成、轉(zhuǎn)換并消耗。當(dāng)遇到高速鐵路行車工作人員的意外操作、設(shè)備運轉(zhuǎn)失常、鐵路行車中遇上風(fēng)雪、地震等自然災(zāi)害外界因素干擾時，能量的正常運行規(guī)律被破壞，在高速鐵路系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)異常波動并借助于動車組、行車設(shè)備、鋼軌等介質(zhì)釋放造成行車事故。因此，可以應(yīng)用吉布森和哈登引申的能量意外逸散理論對高速鐵路行車事故機理進行研究。分析高速鐵路行車過程能量逸散因素，建立高速鐵路行車事故能量意外逸散應(yīng)用模式如圖1〔3〕。

圖1 高速鐵路行車事故能量意外逸散應(yīng)用模式

2 高鐵行車事故能量意外逸散研究

2.1 應(yīng)用模型原理 水流聚集的基本原理是由小到大、由弱到強，即支流流量小，但數(shù)量多，干流流量大，但數(shù)量少。能量亦遵循由小到大、由弱到強的聚集過程。應(yīng)用能量聚集原理理解高速鐵路行車事故為行車系統(tǒng)具有層次性和繼承性，聚集的每一級能量作為下一級能量系統(tǒng)的能量源輸入，經(jīng)過不同路徑的不斷轉(zhuǎn)移，最后能量作用于乘客或行車設(shè)備，當(dāng)能量超出乘客或行車設(shè)備的承受極限時，即發(fā)生高速鐵路行車事故。高速鐵路行車事故能量聚集圖見圖2。

圖2 高速鐵路行車事故能量聚集圖

2.2 高速鐵路行車事故能量逸散模型 根據(jù)高速鐵路行車事故能量聚集圖建立高速鐵路行車事故能量逸散模型如下：

1）定義第i個初級能量源在t時間段能量為Cti，初級能量源個數(shù)為j.

2）當(dāng)初級能量源釋放能量時，外界現(xiàn)存高速鐵路防護設(shè)施對其控制程度為αt，初級能量源t時間聚集的中級能量為：

其中：k=1，2，3，……，l

3）當(dāng)中級能量源釋放時，外界現(xiàn)存高速鐵路防護設(shè)施對其控制程度為βt，中級能量源在t時間段內(nèi)聚集的高級能量源為：

其中：m=1，2，3，……，n

4）當(dāng)高級能量源釋放時，外界現(xiàn)存高速鐵路防護設(shè)施對其控制程度為γt。

5）最終能量為

式中：p為人對于能量承受的極限；

q為行車設(shè)備對能量承受的極限。

2.3 實例分析 2005年4月25日，日本JR福知山線由家冢駛往學(xué)研的快速列車沖入住宅大廈重大交通事故，造成100多人死亡，500多人受傷，列車破損嚴重，住宅大廈毀壞。

1）條件分析。列車在前方站伊丹站停車時冒進出站信號，致使列車從伊丹站出發(fā)時晚點1 min30 s，列車行至家冢學(xué)研區(qū)間，事發(fā)當(dāng)?shù)貜澋懒熊囅匏?0 km/h，而列車為了趕正點遇彎道不減速，試圖以130 km/h通過彎道，因市區(qū)快速列車軌道上的不明白色粉末減低了輪軌摩擦系數(shù)，自動停車裝置的自動停車系統(tǒng)版本老舊，造成列車制動不及時，沖入市區(qū)一棟住宅大廈，列車最終扭曲成“T”字形。

2）應(yīng)用模型分析。根據(jù)快速列車沖撞事故成因，應(yīng)用能量逸散模型進行分析。能量源為動車組動能、列車輪軌摩擦阻力、列車慣性沖量；能量載體為輪對和軌道；能量接受者為乘客和車體。

3）建立高速鐵路行車事故能量逸散模型（見圖3）。

圖3 高速鐵路行車事故能量逸散模型

動車組動能、輪軌摩擦阻力及列車慣性等能量為初始能量源，其自身在列車正常運行時不存在任何破壞強度和破壞力。在動能、慣性力的作用下，能量開始向輪對、軌道聚集，使得輪對發(fā)生傾斜，列車顛簸。能量繼續(xù)聚集，經(jīng)過一定時間后，列車沿曲線運行的向心力與曲線外軌超高高度不相符合導(dǎo)致列車脫軌。經(jīng)過一定時空演化，能量相繼逐漸積累，破壞強度和破壞力隨之急劇增大，其結(jié)果使能量系統(tǒng)整體上處于一種極度不穩(wěn)定的相對平衡狀態(tài)。當(dāng)能量載體進一步耦合疊加，形成較強能量場，從而發(fā)生較激烈的災(zāi)變過程。當(dāng)聚集的能量達到或超出列車顛覆臨界失穩(wěn)強度時，破壞作用放大，此時存儲的載體能力全部釋放，導(dǎo)致事故發(fā)生。

3 高速鐵路行車事故預(yù)防措施

高速鐵路行車事故能量意外逸散模型闡明了行車事故發(fā)生的物理本質(zhì)，只有控制約束好條件能量的轉(zhuǎn)換，才能阻止其意外逸散才能防止事故發(fā)生。由于乘客和行車設(shè)備對能量的承載極限固定不變，控制約束條件Dt＞p，Dt＞q 效果不佳，此時，主要控制能量釋放過程中外界現(xiàn)存高速鐵路防護設(shè)施對事故的控制程度αt、βt、γt。外界現(xiàn)存高速鐵路防護設(shè)施主要有行車設(shè)備、行車環(huán)境和行車工作人員。高速鐵路行車事故預(yù)防也主要控制行車設(shè)備、行車環(huán)境和行車工作人員對事故的影響。

1）嚴格把控行車設(shè)備質(zhì)量關(guān)。高速鐵路行車安全遵循設(shè)備保障安全的觀念，通過大量使用質(zhì)量良好的安全設(shè)備來達到高速鐵路安全生產(chǎn)的目的。首先，從高速鐵路行車相關(guān)設(shè)備質(zhì)量問題著手，在設(shè)備采購期，嚴格把控設(shè)備入口關(guān)，所有設(shè)備必須是經(jīng)過權(quán)威和有資質(zhì)部門驗證合格的產(chǎn)品；其次在設(shè)備使用中期養(yǎng)護時，根據(jù)設(shè)備運行的條件，積極做好設(shè)備的動態(tài)檢修和定期維修，保證設(shè)備隨時處于健康的良好工作狀態(tài)，高速鐵路行車部門根據(jù)設(shè)備檢修標(biāo)準(zhǔn)公里數(shù)和設(shè)備疲勞強度，按時對行車設(shè)備進行維修和更換，動車組中的某些重要零部件隨時或完成當(dāng)天行車任務(wù)后進行檢查；最后，在設(shè)備報廢方面，嚴格按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對有質(zhì)量缺陷和隱患的設(shè)備及時撤出，避免安全隱患，即重要部件在動車組行駛到鐵道部規(guī)定的運行里程后進行更換。

2）維持行車環(huán)境良好。以良好的行車環(huán)境條件作間接保障，安全防護系統(tǒng)加強對線路重點處所的監(jiān)控，清除侵入鐵路限界的建筑物和進入鐵路線路內(nèi)的路外人員，發(fā)現(xiàn)問題及時停車或減速運行，保障行車安全。

3）提高行車工作人員應(yīng)急操作能力。對行車工作人員通過預(yù)案、演練等途徑，提高行車工作人員的綜合素質(zhì)，提高處理應(yīng)急事故的能力，從而防止事故的發(fā)生或減輕事故損失。

4 結(jié)束語

能量意外逸散理論通過控制能量源，或切斷能量轉(zhuǎn)移的路線和載體，或幫助能量接受者采取有效防范措施預(yù)防事故的發(fā)生。應(yīng)用能量意外逸散理論分析高速鐵路行車事故發(fā)生機理，使高速鐵路行車能量釋放過程中設(shè)備、環(huán)境和人三種防護因素充分發(fā)揮作用，確保高速鐵路行車安全。

〔1〕張貴良，董桂秋.試論高速鐵路與安全的關(guān)系〔J〕.科技信息（科學(xué)教研），2007（17）：267-268

〔2〕N.D.Pankratova.System strategy for guaranteed safety of complex engineering systems.Cybernetics and Systems Analysis 2010 46（2）

〔3〕蔣稚君，楊其新.基于能量釋放事故致因模型的地鐵火災(zāi)防治思路〔J〕.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2006（05）：96-99