基于事故树分析的铁路安全预警系统的实现

基于事故树分析的铁路安全预警系统的实现

1事前预防和事中控制铁路运输在社会生活中起着非常重要的作用，这是经济活动中不可或缺的重要组成部分。在安全管理上要谋求长治久安之策,就要探索安全预测方法,把安全管理的重心转到事前预防、事中控制上来。笔者在铁路安监部门拥有大量发生事故的历史数据以及日常安全检查获得事故隐患信息的基础上,运用事故树分析原理,通过系统分析事故发生机理和发展规律,找到事故和各种隐患间的内在联系,并根据当前存在隐患预测事故的发生概率,对隐患严重程度和可能发生事故的危险程度进行预测和评价。在此基础上,开发出铁路安全预警系统,实现了超前预防和科学管理,提高了铁路安全工作的可靠性和有效性,对减少事故发生,安全、迅速、高效地完成运输任务,提高安全生产的管理水平提供了有力保障。2事故树的概念首先收集和分析与系统有关的资料和历史数据,凭借专家经验对事故进行了分类,在此基础上进行了安全系统工程分析,从中找出损失严重度大、发生较为频繁的事故(件)作为对象,对其进行分析,再把各种日常发生的事故隐患有机的联系在一起,形成一个能比较直观清晰、全面反映因果关系的图表——事故树。事故树分析是安全系统工程的重要分析方法之一。笔者以事故树分析法为依据,根据具体问题构造了铁路安全预警系统的核心算法,充分考虑车、机、工、电等7个系统的相互影响和综合因素,建立了39棵事故树,以此对路局所辖各分局的安全状况进行预警,及时发现事故隐患,确定预防的主要对象。2.1通过调研分析确定的事故树事故树分析法的第一步工作就是建立事故树。事故树就是从原因到结果描绘事故的有向树。它的节点是导致事故发生的各种原因和结果,它的连线是各种逻辑门符号。每个中间节点唯一对应一个逻辑门符号,用于标识它的子节点是以何种关系导致事故。笔者考察了哈尔滨铁路局十年事故库数据和日常检查信息数据,对事故事件的性质、原因、责任、工种、损失程度等进行统计,广泛地调查所能预想到的事故,并对其分析,据其严重程度和发生的频繁程度,参考相关文件、标准,由车、机、工、电、辆各系统专家共同讨论研究,选取了39个事故建立了各自的事故树,通过综合分析得到预测结果。凭借大量历史数据中的事故原因及专家经验,经调查、分析与事故有关的所有原因事件和各种因素及其影响,根据资料从顶上事件往下演绎分析,逐级找出所有直接原因事件及其间的逻辑关系,直到原因为日常检查出的事故隐患,按照得到的逻辑关系画出各顶上事件的事故树。图1为“列车在区间碰撞轻型车辆、小车、路料及施工机械”事故树。其中符号“+”、“·”分别表示“或”和“与”的逻辑关系。2.2航空、化工、合成、新能源领域的应用研究事故树分析(FTA)是美国沃森(H.A.Watson)在1961年研究民兵式导弹发射控制系统的安全性评价时,首先提出的一种分析方法。自1978年起,在我国航空、化工、核工业、冶金、机械、煤矿等领域先后研究和应用这一理论成果。事故树定量分析要完成的任务是:收集“事故树”中所列“基本事件概率”数据,应用定性分析求出的“最小割(径)集”,随之计算“顶上事件概率”;应用“基本事件概率”和“顶上事件概率”求“基本事件概率重要度”;再应用上述结果,求“基本事件临界重要度”。其中,割集又称截止集,它是导致顶上事件发生的基本事件的集合。最小割集就是引起顶上事件发生的最低限度的基本事件的集合。2.2.1近似算法的误差如果给定了事故树各基本事件的发生概率,假设各基本事件独立(即一个基本事件发生与否与其他基本事件是否发生无关),就可以利用式(1)计算顶上事件的发生概率。虽然式(1)是一种近似计算方法,但由于实际中事故树非常庞大,况且基础数据本身也存在误差,所以这种近似算法的误差并不明显。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——最小割集的序数;qi——第i个基本事件的发生概率;k——最小割集的个数;k∑j=1—∑j=1k——表示求k个数值的代数和;П——表示连乘;i——表示基本事件序数;i∈kj——表示第i个基本事件属于第j个最小割集;1≤j<s≤k——表示k个最小割集中的任意两个不同的最小割集的组合;I∈kj∪ks——表示第i个基本事件或属于第j个最小割集,或属于第s个最小割集。2.2.2概率重要系数如果进一步考虑基本事件发生概率的变化会给顶上事件以多大影响,就要分析基本事件的概率重要度。由于顶上事件发生概率函数是一个多重线性函数,只要对自变量求一阶偏导数,就可得出该基本事件的概率重要系数。即Ιqr(i)=∂qr∂qi(2)Iqr(i)=∂qr∂qi(2)一般情况下,减小概率大的基本事件的概率比减小概率小的容易,而概率重要系数并未反映这一事实,因而,它不是从本质上反映各基本事件在事故树中的重要程度。而临界重要系数Ci则是从敏感和概率双重角度衡量各基本事件的重要度标准,其定义式为Ci=∂lnqr∂lnqi(3)Ci=∂lnqr∂lnqi(3)它与概率重要系数的关系是:Ci=qiqrΙqr(i)(4)Ci=qiqrIqr(i)(4)3中央算法的实现3.1门/叶的编码该系统采用Powerbuilder7作为前台开发工具,其中没有指针的概念,所以事故树采用二维数组存储。考虑到事故树中每个父节点的子节点个数不确定,二维数组置为n行3列,每一行存放一个门或叶子的信息。第一列为门/叶子的编码;第二列为门/叶子的名称;第三列为门/叶子的类型。叶子选择“null”,与门选择“and”,或门选择“or”。以“列车在区间碰撞轻型车辆、小车、路料及施工机械”事故树为例,其顶上事件所在行内容如下所示:树节点的层次由编码来标识。编码由一串数字组成,具体编码方式如下:顶上事件的编码为两位数字,如“列车在区间碰撞轻型车辆、小车、路料及施工机械”为“01”;下面各层编码依次比上一层增加两位,如第n层编码长度为2n,且其前2(n-1)位继承其上一层父节点的编码,最后两位从“01”依次编码。上例中所有编码如图2所示。这种存储结构可以节省空间。而且从编码可以直接确定顶上事件(编码为两位),同时可以把事故树恢复为树形结构。类型为“null”的即为基本事件,这样可以直接确定基本事件集。3.2求bics事件的个数首先用矩阵法求出布尔特征割集BICS,再对其用布尔代数化简,求出最小割集。布尔特征集是指集合里可能有重复事件,且在各个布尔特征集之间可能有互相包含的集合。首先,确定BICS矩阵中实际需用的行列数。矩阵的行数就是BICS的个数。假定第i门的第j个输入变量以Xi,j表示,则第i门的变量为Xi={Xi,1×Xi,2×⋯×Xi,λ1(i为与门时)Xi,1+Xi,2+⋯+Xi,λi(i为或门时)(5)Xi={Xi,1×Xi,2×⋯×Xi,λ1(i为与门时)Xi,1+Xi,2+⋯+Xi,λi(i为或门时)(5)式中,λi——第i门的子代事件的个数。当第i门是树的顶上事件时,Xi即是矩阵的行数。矩阵的列数就是BICS所含事件最多数目。假定第i门的第个输入变量以Yi,j表示,则第i门的变量Yi为Yi={Yi,1+Yi,2+⋯+Yi,λi(i为与门时)max{Yi,1‚Yi,2‚⋯‚Yi,λi}(i为或门时)(6)式中,λi——第i门的子代事件的个数。当第i门是树的顶上事件时,Yi即是矩阵的列数。然后求BICS。首先移入顶上事件,再对顶上事件,用其子代替换:若是与门,替换时将子代事件依次存于同一行中;若是或门则存于同一列,行中其他元素复制。注意每次先将后面(或下面)的元素依次后推(或下移),不要覆盖。如此依次考察矩阵中元素,对门进行替换直至全为基本事件。最后,对BICS进行化简。去掉每个割集中相同项,再用素数或其他方法删除相同的割集,即得到最小割集。3.3系统事故概率分析对于警戒线,由于概率是频率的稳定值,在大样本情况下可用频率来代替,同时考虑到各事故随时间变化重要度也会发生变化,为了保证警戒线具有一定的实时性,所以在此系统开发中,笔者通过对事故事件库中所有历史数据(3年数据,并且每月将添加新数据)进行统计,可以得到各事故的发生频率,再对其按类综合,以此确定各系统的警戒线。根据信息库中数据,确定所有基本事件的发生概率,据此,用事故树分析法求出各顶上事件的发生概率,再进行综合得到当前各分局各系统的事故发生概率以及最大隐患所在。并以图表及数据等多种形式显示,必要时,予以报警。4系统设计4.1技术实现以及系统功能系统运行在Windows环境下,采用客户/服务器方式(Client/ServerMode)。服务器端操作系统采用Win2000Server,客户端采用Windows98,数据库使用Oracle8.0.5,前台开发工具采用PowerBuilder7。站段或移动用户可以采用拨号网络方式远程登陆分局数据库,具体实现使用CISCO1720路由器。网络协议采用TCP/IP协议,上层使用Oracle的TNS协议。在数据库中的系统功能采用“存储过程”实现。所有的编程语句遵循SQL标准。4.2事故事件库存该系统中用到信息库、事故事件库、事故树字典及其他相关基本字典。其中:信息库主要用于存放互检信息;事故事件库存放历史事故信息;事故树字典的主要内容是事故树表、事故对应表和割集表。事故树表存放各事故树模型。建立事故对应表反映几种具体事故对应同一个顶上事件的情况。一个事故树确定后,它的割集也相应确定,为了节省计算时间,所以建立割集表存放各事故树生成的割集。4.3割集生成模块该子系统包括事故树录入模块、割集生成模块以及安全预警模块。事故树录入模块提供事故树录入界面和数据库的基本维护功能。割集生成模块主要用于生成最小割集,自动存入割集表。安全预警模块作为核心模块,主要是提供给用户友好、简洁的交互界面,通过核心算法得到相应数据,然后以图表和数据两种形式把结果反馈给用户,使用户可以直观、清晰地分析结果,同时对图表和文本均提供打印功能,便于用户保存结果,更有效地为以后的工作提供参考。5预警系统中事故树编码笔者基于安全系统工程的原理和事故树分析法,结合实际,设计了铁路安全预警系统的事故树分析模型及其核心算法,并根据具体情况和特点,来设计具体实现的数据结构和事故树编