高速鐵路列車運行控制系統(tǒng)安全風(fēng)險辨識及分析研究.pdf

1、高速鐵路的發(fā)展，極大提高了列車的運行速度，縮短了城市間的時空距離，方便了人們的出行，促進了區(qū)域經(jīng)濟的繁榮與文化的交流。當列車運行速度提高到一定程度以后，依靠司機嘹望和人工駕駛已難以保證行車安全。根據(jù)國際鐵路聯(lián)盟規(guī)定，當列車運行時速超過160km時，為保證高速鐵路的行車安全，必須裝備列車運行控制系統(tǒng)（簡稱列控系統(tǒng)）。列控系統(tǒng)是實時控制列車安全運行間隔、防止列車超速運行的高速鐵路核心技術(shù)裝備和安全關(guān)鍵系統(tǒng)，對于保障高速鐵路行車安全、提高運輸

2、效率具有重大作用。列控系統(tǒng)綜合應(yīng)用了計算機、現(xiàn)代通信和自動控制等技術(shù)，由車載設(shè)備和地面設(shè)備組成，系統(tǒng)龐大，在組成結(jié)構(gòu)、功能層次、功能執(zhí)行過程和狀態(tài)變遷等方面都比較復(fù)雜，各種隨機失效和系統(tǒng)失效均可能導(dǎo)致極其嚴重的后果，與傳統(tǒng)鐵路信號系統(tǒng)相比面臨更加苛刻的安全需求。由于高速鐵路列控系統(tǒng)是我國鐵路信號領(lǐng)域中的新技術(shù)，系統(tǒng)未經(jīng)過現(xiàn)場長期應(yīng)用的驗證，部分技術(shù)規(guī)范仍處于不斷修訂和完善之中，系統(tǒng)中許多潛在的安全風(fēng)險尚未完全掌握，因此，基于經(jīng)驗及技術(shù)規(guī)

3、范的傳統(tǒng)安全保障手段已不能滿足列控系統(tǒng)的安全需求。
　　本文基于系統(tǒng)安全風(fēng)險理論和方法，利用模糊不確定理論、基于逼近理想解的排序法(TOPSIS)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、可拓學(xué)以及Petri網(wǎng)等建模理論，圍繞高速鐵路列車運行控制系統(tǒng)安全風(fēng)險辨識及分析的關(guān)鍵問題展開研究，論文的主要研究內(nèi)容與成果包括:
　　1.將列控系統(tǒng)自上而下劃分為系統(tǒng)層、子系統(tǒng)層、單元層、單元板層和模塊層，在分層的基礎(chǔ)上，分別從系統(tǒng)組成、功能層次、狀態(tài)變遷和功能執(zhí)行

4、過程等多維視角，提出了列控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參考模型、功能分層模型、基于P/T系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型和基于SPN的功能執(zhí)行過程模型的構(gòu)建與驗證方法，并結(jié)合危險與可操作性分析(HAZOP)技術(shù)，提出了基于結(jié)構(gòu)參考模型、功能分層模型、狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型和功能執(zhí)行過程模型的安全風(fēng)險辨識方法，可以提高列控系統(tǒng)安全風(fēng)險辨識的系統(tǒng)性和全面性。以列控中心子系統(tǒng)為例，分別建立了列控中心的結(jié)構(gòu)參考模型、功能分層模型、狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型和臨時限速設(shè)置功能執(zhí)行過程模型，并給出了危險源

5、識別的示例。
　　2.針對安全風(fēng)險等級分析過程中存在的模糊不確定性，建立了基于模糊不確定性理論的列控系統(tǒng)危險源的安全風(fēng)險等級分析模型。首先基于風(fēng)險矩陣構(gòu)建了危險源的安全風(fēng)險等級推理規(guī)則庫，分別從危險源發(fā)生的可能性和后果嚴重性兩個方面，利用模糊群決策、模糊層次分析法和多級模糊綜合評判，建立了危險源的發(fā)生頻率等級分析模型和后果嚴重度等級分析模型，最后結(jié)合推理規(guī)則，實現(xiàn)了危險源安全風(fēng)險等級的模糊推理。
　　3.在安全風(fēng)險等級分析的

6、基礎(chǔ)上，提出了相同等級的危險源的安全風(fēng)險排序問題。從危險源發(fā)生的可能性和后果的嚴重性兩個方面，建立了列控系統(tǒng)危險源的風(fēng)險評價指標體系，基于模糊層次分析法計算了各評價指標的權(quán)值。在指標體系構(gòu)建及權(quán)值計算的基礎(chǔ)上，應(yīng)用TOPSIS法和模糊集理論，建立了基于多級模糊TOPSIS法的列控系統(tǒng)危險源安全風(fēng)險排序模型，可以從眾多相同安全風(fēng)險等級的危險源中分離出風(fēng)險更高的危險源，為加強危險源的重點管控提供科學(xué)依據(jù)。
　　4.基于故障樹和事件樹的

7、概率安全風(fēng)險分析方法，融合貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和模糊集理論，研究了基于故障樹和事件樹的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)造方法、基于多專家模糊評判的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)根節(jié)點先驗概率的分析算法以及基于等效死亡的危險源定量安全風(fēng)險計算方法，提出了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的列控系統(tǒng)危險源的定量安全風(fēng)險分析模型，統(tǒng)一了危險源的原因分析模型和后果分析模型，繼承了故障樹和事件樹建模的優(yōu)點，降低了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)造以及根節(jié)點先驗概率獲取的難度，既可以定量計算危險源的安全風(fēng)險，又可以診斷分析導(dǎo)致

8、不同后果的主要因素及其后驗概率。以列控中心錯誤驅(qū)動信號繼電器為例，建立了列控中心錯誤驅(qū)動信號繼電器的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，利用基于多專家模糊評判的根節(jié)點先驗概率分析算法，通過仿真得到了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中各個根節(jié)點的先驗概率。最后利用基于聚類的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理算法，通過因果推理，定量計算了列控中心錯誤驅(qū)動信號繼電器及各種可能后果的發(fā)生概率，并結(jié)合等效死亡的概念，得出了列控中心錯誤驅(qū)動信號繼電器的安全風(fēng)險;通過診斷推理，分析了導(dǎo)致不同后果發(fā)生的主要因

9、素及其后驗概率。
　　5.從列控系統(tǒng)的系統(tǒng)層面和運營角度，提出了列控系統(tǒng)運營安全風(fēng)險分析的問題?；诎踩到y(tǒng)工程的原理，從設(shè)備、操作、維修、管理、環(huán)境和更新改造等方面，建立了列控系統(tǒng)運營安全風(fēng)險的評價指標體系，并應(yīng)用模糊層次分析法計算了各評價指標的權(quán)值。在指標體系構(gòu)建及權(quán)值計算的基礎(chǔ)上，將可拓學(xué)引入列控系統(tǒng)運營安全風(fēng)險分析，建立了列控系統(tǒng)運營安全風(fēng)險多級可拓分析模型，既可以評判列控系統(tǒng)運營的整體安全風(fēng)險水平，又可以評判各單項評價指