基于事故樹分析的鐵路安全預(yù)警系統(tǒng)的實現(xiàn)

基于事故樹分析的鐵路安全預(yù)警系統(tǒng)的實現(xiàn)

1事前預(yù)防和事中控制鐵路運輸在社會生活中起著非常重要的作用，這是經(jīng)濟活動中不可或缺的重要組成部分。在安全管理上要謀求長治久安之策,就要探索安全預(yù)測方法,把安全管理的重心轉(zhuǎn)到事前預(yù)防、事中控制上來。筆者在鐵路安監(jiān)部門擁有大量發(fā)生事故的歷史數(shù)據(jù)以及日常安全檢查獲得事故隱患信息的基礎(chǔ)上,運用事故樹分析原理,通過系統(tǒng)分析事故發(fā)生機理和發(fā)展規(guī)律,找到事故和各種隱患間的內(nèi)在聯(lián)系,并根據(jù)當(dāng)前存在隱患預(yù)測事故的發(fā)生概率,對隱患嚴(yán)重程度和可能發(fā)生事故的危險程度進行預(yù)測和評價。在此基礎(chǔ)上,開發(fā)出鐵路安全預(yù)警系統(tǒng),實現(xiàn)了超前預(yù)防和科學(xué)管理,提高了鐵路安全工作的可靠性和有效性,對減少事故發(fā)生,安全、迅速、高效地完成運輸任務(wù),提高安全生產(chǎn)的管理水平提供了有力保障。2事故樹的概念首先收集和分析與系統(tǒng)有關(guān)的資料和歷史數(shù)據(jù),憑借專家經(jīng)驗對事故進行了分類,在此基礎(chǔ)上進行了安全系統(tǒng)工程分析,從中找出損失嚴(yán)重度大、發(fā)生較為頻繁的事故(件)作為對象,對其進行分析,再把各種日常發(fā)生的事故隱患有機的聯(lián)系在一起,形成一個能比較直觀清晰、全面反映因果關(guān)系的圖表——事故樹。事故樹分析是安全系統(tǒng)工程的重要分析方法之一。筆者以事故樹分析法為依據(jù),根據(jù)具體問題構(gòu)造了鐵路安全預(yù)警系統(tǒng)的核心算法,充分考慮車、機、工、電等7個系統(tǒng)的相互影響和綜合因素,建立了39棵事故樹,以此對路局所轄各分局的安全狀況進行預(yù)警,及時發(fā)現(xiàn)事故隱患,確定預(yù)防的主要對象。2.1通過調(diào)研分析確定的事故樹事故樹分析法的第一步工作就是建立事故樹。事故樹就是從原因到結(jié)果描繪事故的有向樹。它的節(jié)點是導(dǎo)致事故發(fā)生的各種原因和結(jié)果,它的連線是各種邏輯門符號。每個中間節(jié)點唯一對應(yīng)一個邏輯門符號,用于標(biāo)識它的子節(jié)點是以何種關(guān)系導(dǎo)致事故。筆者考察了哈爾濱鐵路局十年事故庫數(shù)據(jù)和日常檢查信息數(shù)據(jù),對事故事件的性質(zhì)、原因、責(zé)任、工種、損失程度等進行統(tǒng)計,廣泛地調(diào)查所能預(yù)想到的事故,并對其分析,據(jù)其嚴(yán)重程度和發(fā)生的頻繁程度,參考相關(guān)文件、標(biāo)準(zhǔn),由車、機、工、電、輛各系統(tǒng)專家共同討論研究,選取了39個事故建立了各自的事故樹,通過綜合分析得到預(yù)測結(jié)果。憑借大量歷史數(shù)據(jù)中的事故原因及專家經(jīng)驗,經(jīng)調(diào)查、分析與事故有關(guān)的所有原因事件和各種因素及其影響,根據(jù)資料從頂上事件往下演繹分析,逐級找出所有直接原因事件及其間的邏輯關(guān)系,直到原因為日常檢查出的事故隱患,按照得到的邏輯關(guān)系畫出各頂上事件的事故樹。圖1為“列車在區(qū)間碰撞輕型車輛、小車、路料及施工機械”事故樹。其中符號“+”、“·”分別表示“或”和“與”的邏輯關(guān)系。2.2航空、化工、合成、新能源領(lǐng)域的應(yīng)用研究事故樹分析(FTA)是美國沃森(H.A.Watson)在1961年研究民兵式導(dǎo)彈發(fā)射控制系統(tǒng)的安全性評價時,首先提出的一種分析方法。自1978年起,在我國航空、化工、核工業(yè)、冶金、機械、煤礦等領(lǐng)域先后研究和應(yīng)用這一理論成果。事故樹定量分析要完成的任務(wù)是:收集“事故樹”中所列“基本事件概率”數(shù)據(jù),應(yīng)用定性分析求出的“最小割(徑)集”,隨之計算“頂上事件概率”;應(yīng)用“基本事件概率”和“頂上事件概率”求“基本事件概率重要度”;再應(yīng)用上述結(jié)果,求“基本事件臨界重要度”。其中,割集又稱截止集,它是導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的基本事件的集合。最小割集就是引起頂上事件發(fā)生的最低限度的基本事件的集合。2.2.1近似算法的誤差如果給定了事故樹各基本事件的發(fā)生概率,假設(shè)各基本事件獨立(即一個基本事件發(fā)生與否與其他基本事件是否發(fā)生無關(guān)),就可以利用式(1)計算頂上事件的發(fā)生概率。雖然式(1)是一種近似計算方法,但由于實際中事故樹非常龐大,況且基礎(chǔ)數(shù)據(jù)本身也存在誤差,所以這種近似算法的誤差并不明顯。qr=k∑j=1Пi∈kjqi-∑1≤j＜s≤kПi∈kj∪ksqi+?+(-1)k-1kПj=1i∈kjqi(1)qr=∑j=1kПi∈kjqi?∑1≤j＜s≤kПi∈kj∪ksqi+?+(?1)k?1Пj=1i∈kjkqi(1)式中,j、s——最小割集的序數(shù);qi——第i個基本事件的發(fā)生概率;k——最小割集的個數(shù);k∑j=1—∑j=1k——表示求k個數(shù)值的代數(shù)和;П——表示連乘;i——表示基本事件序數(shù);i∈kj——表示第i個基本事件屬于第j個最小割集;1≤j<s≤k——表示k個最小割集中的任意兩個不同的最小割集的組合;I∈kj∪ks——表示第i個基本事件或?qū)儆诘趈個最小割集,或?qū)儆诘趕個最小割集。2.2.2概率重要系數(shù)如果進一步考慮基本事件發(fā)生概率的變化會給頂上事件以多大影響,就要分析基本事件的概率重要度。由于頂上事件發(fā)生概率函數(shù)是一個多重線性函數(shù),只要對自變量求一階偏導(dǎo)數(shù),就可得出該基本事件的概率重要系數(shù)。即Ιqr(i)=?qr?qi(2)Iqr(i)=?qr?qi(2)一般情況下,減小概率大的基本事件的概率比減小概率小的容易,而概率重要系數(shù)并未反映這一事實,因而,它不是從本質(zhì)上反映各基本事件在事故樹中的重要程度。而臨界重要系數(shù)Ci則是從敏感和概率雙重角度衡量各基本事件的重要度標(biāo)準(zhǔn),其定義式為Ci=?lnqr?lnqi(3)Ci=?lnqr?lnqi(3)它與概率重要系數(shù)的關(guān)系是:Ci=qiqrΙqr(i)(4)Ci=qiqrIqr(i)(4)3中央算法的實現(xiàn)3.1門/葉的編碼該系統(tǒng)采用Powerbuilder7作為前臺開發(fā)工具,其中沒有指針的概念,所以事故樹采用二維數(shù)組存儲?？紤]到事故樹中每個父節(jié)點的子節(jié)點個數(shù)不確定,二維數(shù)組置為n行3列,每一行存放一個門或葉子的信息。第一列為門/葉子的編碼;第二列為門/葉子的名稱;第三列為門/葉子的類型。葉子選擇“null”,與門選擇“and”,或門選擇“or”。以“列車在區(qū)間碰撞輕型車輛、小車、路料及施工機械”事故樹為例,其頂上事件所在行內(nèi)容如下所示:樹節(jié)點的層次由編碼來標(biāo)識。編碼由一串?dāng)?shù)字組成,具體編碼方式如下:頂上事件的編碼為兩位數(shù)字,如“列車在區(qū)間碰撞輕型車輛、小車、路料及施工機械”為“01”;下面各層編碼依次比上一層增加兩位,如第n層編碼長度為2n,且其前2(n-1)位繼承其上一層父節(jié)點的編碼,最后兩位從“01”依次編碼。上例中所有編碼如圖2所示。這種存儲結(jié)構(gòu)可以節(jié)省空間。而且從編碼可以直接確定頂上事件(編碼為兩位),同時可以把事故樹恢復(fù)為樹形結(jié)構(gòu)。類型為“null”的即為基本事件,這樣可以直接確定基本事件集。3.2求bics事件的個數(shù)首先用矩陣法求出布爾特征割集BICS,再對其用布爾代數(shù)化簡,求出最小割集。布爾特征集是指集合里可能有重復(fù)事件,且在各個布爾特征集之間可能有互相包含的集合。首先,確定BICS矩陣中實際需用的行列數(shù)。矩陣的行數(shù)就是BICS的個數(shù)。假定第i門的第j個輸入變量以Xi,j表示,則第i門的變量為Xi={Xi,1×Xi,2×?×Xi,λ1(i為與門時)Xi,1+Xi,2+?+Xi,λi(i為或門時)(5)Xi={Xi,1×Xi,2×?×Xi,λ1(i為與門時)Xi,1+Xi,2+?+Xi,λi(i為或門時)(5)式中,λi——第i門的子代事件的個數(shù)。當(dāng)?shù)趇門是樹的頂上事件時,Xi即是矩陣的行數(shù)。矩陣的列數(shù)就是BICS所含事件最多數(shù)目。假定第i門的第個輸入變量以Yi,j表示,則第i門的變量Yi為Yi={Yi,1+Yi,2+?+Yi,λi(i為與門時)max{Yi,1?Yi,2???Yi,λi}(i為或門時)(6)式中,λi——第i門的子代事件的個數(shù)。當(dāng)?shù)趇門是樹的頂上事件時,Yi即是矩陣的列數(shù)。然后求BICS。首先移入頂上事件,再對頂上事件,用其子代替換:若是與門,替換時將子代事件依次存于同一行中;若是或門則存于同一列,行中其他元素復(fù)制。注意每次先將后面(或下面)的元素依次后推(或下移),不要覆蓋。如此依次考察矩陣中元素,對門進行替換直至全為基本事件。最后,對BICS進行化簡。去掉每個割集中相同項,再用素數(shù)或其他方法刪除相同的割集,即得到最小割集。3.3系統(tǒng)事故概率分析對于警戒線,由于概率是頻率的穩(wěn)定值,在大樣本情況下可用頻率來代替,同時考慮到各事故隨時間變化重要度也會發(fā)生變化,為了保證警戒線具有一定的實時性,所以在此系統(tǒng)開發(fā)中,筆者通過對事故事件庫中所有歷史數(shù)據(jù)(3年數(shù)據(jù),并且每月將添加新數(shù)據(jù))進行統(tǒng)計,可以得到各事故的發(fā)生頻率,再對其按類綜合,以此確定各系統(tǒng)的警戒線。根據(jù)信息庫中數(shù)據(jù),確定所有基本事件的發(fā)生概率,據(jù)此,用事故樹分析法求出各頂上事件的發(fā)生概率,再進行綜合得到當(dāng)前各分局各系統(tǒng)的事故發(fā)生概率以及最大隱患所在。并以圖表及數(shù)據(jù)等多種形式顯示,必要時,予以報警。4系統(tǒng)設(shè)計4.1技術(shù)實現(xiàn)以及系統(tǒng)功能系統(tǒng)運行在Windows環(huán)境下,采用客戶/服務(wù)器方式(Client/ServerMode)。服務(wù)器端操作系統(tǒng)采用Win2000Server,客戶端采用Windows98,數(shù)據(jù)庫使用Oracle8.0.5,前臺開發(fā)工具采用PowerBuilder7。站段或移動用戶可以采用撥號網(wǎng)絡(luò)方式遠程登陸分局?jǐn)?shù)據(jù)庫,具體實現(xiàn)使用CISCO1720路由器。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議,上層使用Oracle的TNS協(xié)議。在數(shù)據(jù)庫中的系統(tǒng)功能采用“存儲過程”實現(xiàn)。所有的編程語句遵循SQL標(biāo)準(zhǔn)。4.2事故事件庫存該系統(tǒng)中用到信息庫、事故事件庫、事故樹字典及其他相關(guān)基本字典。其中:信息庫主要用于存放互檢信息;事故事件庫存放歷史事故信息;事故樹字典的主要內(nèi)容是事故樹表、事故對應(yīng)表和割集表。事故樹表存放各事故樹模型。建立事故對應(yīng)表反映幾種具體事故對應(yīng)同一個頂上事件的情況。一個事故樹確定后,它的割集也相應(yīng)確定,為了節(jié)省計算時間,所以建立割集表存放各事故樹生成的割集。4.3割集生成模塊該子系統(tǒng)包括事故樹錄入模塊、割集生成模塊以及安全預(yù)警模塊。事故樹錄入模塊提供事故樹錄入界面和數(shù)據(jù)庫的基本維護功能。割集生成模塊主要用于生成最小割集,自動存入割集表。安全預(yù)警模塊作為核心模塊,主要是提供給用戶友好、簡潔的交互界面,通過核心算法得到相應(yīng)數(shù)據(jù),然后以圖表和數(shù)據(jù)兩種形式把結(jié)果反饋給用戶,使用戶可以直觀、清晰地分析結(jié)果,同時對圖表和文本均提供打印功能,便于用戶保存結(jié)果,更有效地為以后的工作提供參考。5預(yù)警系統(tǒng)中事故樹編碼筆者基于安全系統(tǒng)工程的原理和事故樹分析法,結(jié)合實際,設(shè)計了鐵路安全預(yù)警系統(tǒng)的事故樹分析模型及其核心算法,并根據(jù)具體情況和特點,來設(shè)計具體實現(xiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和事故樹編