基于能量意外逸散理论的高铁行车事故机理研究

王艳艳

（西安铁路职业技术学院 交通运输系，讲师，陕西 西安 710014）

高速铁路列车速度的明显提高和行车密度的显著增大，使高速行驶的列车运行对设备、人员和管理等因素产生了新的变化。复杂、动态的高速铁路行车安全系统也呈现出许多新的特点，如高速铁路基础设备标准提高造成采购标准提高、列车密度大造成行车组织困难、列车动能大导致制动困难、弓网关系复杂导致稳定供电困难、地面信号显示线路状态辨认难、突发事故的产生导致应急处理难〔1-2〕。目前，针对铁路行车事故的研究多采用事故树分析的方法对行车事故进行宏观性质分析，而针对高速铁路行车安全研究较为零散，多从危险因素、司乘因素、监控信息传输方面定性探讨高速铁路行车安全的重要性和管理措施，未能从微观的角度对高速铁路行车事故形成机理进行研究。因此，从微观角度出发，应用能量意外逸散理论，对高速铁路行车事故机理进行研究，更深入的挖掘危及高速铁路行车安全的因素，进一步预防高速铁路行车事故的发生。

1 能量意外逸散理论分析

能量意外逸散理论是事故致因理论发展过程中的重要一步，由学者吉布森提出，美国运输部安全局局长哈登在1966年针对美国铁路行车安全进行引申。两位学着从能量的观点出发，指出人体受伤害的原因只是某种能量向原本能量平衡的人体的转移，而事故是能量的意外转移。而且，每次能量意外转移都存在能量源、路径和接受者，可以通过控制能量源或者切断能量转移的途径和载体或帮助能量接受者采取措施来预防伤害事故的发生。

高速铁路系统正常运转的前提是高速铁路行车过程中的能量相互转换。在正常条件下，能量按照自身的循环规律在高速铁路运输系统中生成、转换并消耗。当遇到高速铁路行车工作人员的意外操作、设备运转失常、铁路行车中遇上风雪、地震等自然灾害外界因素干扰时，能量的正常运行规律被破坏，在高速铁路系统内出现异常波动并借助于动车组、行车设备、钢轨等介质释放造成行车事故。因此，可以应用吉布森和哈登引申的能量意外逸散理论对高速铁路行车事故机理进行研究。分析高速铁路行车过程能量逸散因素，建立高速铁路行车事故能量意外逸散应用模式如图1〔3〕。

图1 高速铁路行车事故能量意外逸散应用模式

2 高铁行车事故能量意外逸散研究

2.1 应用模型原理 水流聚集的基本原理是由小到大、由弱到强，即支流流量小，但数量多，干流流量大，但数量少。能量亦遵循由小到大、由弱到强的聚集过程。应用能量聚集原理理解高速铁路行车事故为行车系统具有层次性和继承性，聚集的每一级能量作为下一级能量系统的能量源输入，经过不同路径的不断转移，最后能量作用于乘客或行车设备，当能量超出乘客或行车设备的承受极限时，即发生高速铁路行车事故。高速铁路行车事故能量聚集图见图2。

图2 高速铁路行车事故能量聚集图

2.2 高速铁路行车事故能量逸散模型 根据高速铁路行车事故能量聚集图建立高速铁路行车事故能量逸散模型如下：

1）定义第i个初级能量源在t时间段能量为Cti，初级能量源个数为j.

2）当初级能量源释放能量时，外界现存高速铁路防护设施对其控制程度为αt，初级能量源t时间聚集的中级能量为：

其中：k=1，2，3，……，l

3）当中级能量源释放时，外界现存高速铁路防护设施对其控制程度为βt，中级能量源在t时间段内聚集的高级能量源为：

其中：m=1，2，3，……，n

4）当高级能量源释放时，外界现存高速铁路防护设施对其控制程度为γt。

5）最终能量为

式中：p为人对于能量承受的极限；

q为行车设备对能量承受的极限。

2.3 实例分析 2005年4月25日，日本JR福知山线由家冢驶往学研的快速列车冲入住宅大厦重大交通事故，造成100多人死亡，500多人受伤，列车破损严重，住宅大厦毁坏。

1）条件分析。列车在前方站伊丹站停车时冒进出站信号，致使列车从伊丹站出发时晚点1 min30 s，列车行至家冢学研区间，事发当地弯道列车限速70 km/h，而列车为了赶正点遇弯道不减速，试图以130 km/h通过弯道，因市区快速列车轨道上的不明白色粉末减低了轮轨摩擦系数，自动停车装置的自动停车系统版本老旧，造成列车制动不及时，冲入市区一栋住宅大厦，列车最终扭曲成“T”字形。

2）应用模型分析。根据快速列车冲撞事故成因，应用能量逸散模型进行分析。能量源为动车组动能、列车轮轨摩擦阻力、列车惯性冲量；能量载体为轮对和轨道；能量接受者为乘客和车体。

3）建立高速铁路行车事故能量逸散模型（见图3）。

图3 高速铁路行车事故能量逸散模型

动车组动能、轮轨摩擦阻力及列车惯性等能量为初始能量源，其自身在列车正常运行时不存在任何破坏强度和破坏力。在动能、惯性力的作用下，能量开始向轮对、轨道聚集，使得轮对发生倾斜，列车颠簸。能量继续聚集，经过一定时间后，列车沿曲线运行的向心力与曲线外轨超高高度不相符合导致列车脱轨。经过一定时空演化，能量相继逐渐积累，破坏强度和破坏力随之急剧增大，其结果使能量系统整体上处于一种极度不稳定的相对平衡状态。当能量载体进一步耦合叠加，形成较强能量场，从而发生较激烈的灾变过程。当聚集的能量达到或超出列车颠覆临界失稳强度时，破坏作用放大，此时存储的载体能力全部释放，导致事故发生。

3 高速铁路行车事故预防措施

高速铁路行车事故能量意外逸散模型阐明了行车事故发生的物理本质，只有控制约束好条件能量的转换，才能阻止其意外逸散才能防止事故发生。由于乘客和行车设备对能量的承载极限固定不变，控制约束条件Dt＞p，Dt＞q 效果不佳，此时，主要控制能量释放过程中外界现存高速铁路防护设施对事故的控制程度αt、βt、γt。外界现存高速铁路防护设施主要有行车设备、行车环境和行车工作人员。高速铁路行车事故预防也主要控制行车设备、行车环境和行车工作人员对事故的影响。

1）严格把控行车设备质量关。高速铁路行车安全遵循设备保障安全的观念，通过大量使用质量良好的安全设备来达到高速铁路安全生产的目的。首先，从高速铁路行车相关设备质量问题着手，在设备采购期，严格把控设备入口关，所有设备必须是经过权威和有资质部门验证合格的产品；其次在设备使用中期养护时，根据设备运行的条件，积极做好设备的动态检修和定期维修，保证设备随时处于健康的良好工作状态，高速铁路行车部门根据设备检修标准公里数和设备疲劳强度，按时对行车设备进行维修和更换，动车组中的某些重要零部件随时或完成当天行车任务后进行检查；最后，在设备报废方面，严格按照技术标准，对有质量缺陷和隐患的设备及时撤出，避免安全隐患，即重要部件在动车组行驶到铁道部规定的运行里程后进行更换。

2）维持行车环境良好。以良好的行车环境条件作间接保障，安全防护系统加强对线路重点处所的监控，清除侵入铁路限界的建筑物和进入铁路线路内的路外人员，发现问题及时停车或减速运行，保障行车安全。

3）提高行车工作人员应急操作能力。对行车工作人员通过预案、演练等途径，提高行车工作人员的综合素质，提高处理应急事故的能力，从而防止事故的发生或减轻事故损失。

4 结束语

能量意外逸散理论通过控制能量源，或切断能量转移的路线和载体，或帮助能量接受者采取有效防范措施预防事故的发生。应用能量意外逸散理论分析高速铁路行车事故发生机理，使高速铁路行车能量释放过程中设备、环境和人三种防护因素充分发挥作用，确保高速铁路行车安全。

〔1〕张贵良，董桂秋.试论高速铁路与安全的关系〔J〕.科技信息（科学教研），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〕蒋稚君，杨其新.基于能量释放事故致因模型的地铁火灾防治思路〔J〕.现代隧道技术，2006（05）：96-99