高速铁路安全系统研究.docx
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高速铁路安全系统研究
高速铁路安全系统研究（通过建模进行研究）
摘要
关键词：
ABSTRACT
第一章.前言
1.1高速铁路概述
1.2高速铁路安全系统
1.2.1高速铁路安全系统的构成
1.2.2高速铁路安全系统的特点与功能
1.3高速铁路安全系统国内外研究现状
1.4研究高速铁路安全系统的意义
1.5论文内容简介
第二章人为因素分析研究
2.1高速司机应具备的素质
2.2用灰色系统分析司机与列车事故的关系
2.3列车工作人员的选拔与培训
第三章高速铁路的机械设备
3.1高速设备的概述
3.2设备的可行性研究
3.3设备的维护与管理
3.4关于我国高速设备的几个建议
第四章高速铁路行车安全环境概述
4.1机的安全坏境分析
4.2行车人员的安全环境分析
4.3解决影响行车安全的坏境因素的措施
第五章高速铁路安全态势的综合评价
5.1综合评价概念
5.2灰色系统、层次分析法的简介
5.3中国高速铁路安全态势综合评价及计算结果
结论
参考文献
【1】赵望达，高速铁路安全监控和信息传输系统的研究[J]，中国铁路，2004.（8）
【2】石红文，高速铁路行车安全系统[J]，中国学位论文全文数据库，1999
【3】藤田忠，职务分析与劳务管理[M]。
日本，1959
致谢
第一章前言
随着科学技术发展、社会经济提高，高速铁路技术、设备不断地完善和日益的成熟。
它的优势逐渐在世人眼前显示出来，铁路高速化已成为过铁路发展的一大趋势。
高速铁路的出现为铁路运输业注入了新得活力，并得到了迅速发展。
安全是铁路的生命线，是铁路运输永恒的主题，更是发展高速铁路技术中的首要要求。
近37年来日本新干线未发生重大伤亡的高速铁路安全事故是靠软硬件等一套安全保障系统来实现的。
高速铁路安全系统是以现代化高新技术为基础的复杂的系统工程，它涉及到高速列车车辆、运输组织、弓网关系、电力供应、列车控制及指挥、设备检测与维修养护、线路轨道结构和桥梁等高新技术。
因此，我们在研究高速铁路各技术的同时，必须要认真及早地研究我国高速铁路安全系统，确保我国高速铁路的运行安全。
本论文在我国现有的安全经验基础上，结合国外高速铁路成功运行的经验，试用安全系统工程学和有关数学理论来研究高速铁路安全问题。
1.1高速铁路概述
高速铁路是指运行最高时速达到200公里/小时以上的客运专线铁路。
按其列车的支撑和推进原理，高速铁路可分为轮轨式和磁悬浮式。
而客运铁路按其速度可分为五大类：
时速达100——120公里/小时称为常速；时速达120——160公里/小时称为准高速；时速达160——200公里/小时称为快速；时速达200——400公里/小时称为高速；而时速在400公里/小时以上的称为超高速列车。
目前世界上投入商业运营的高速铁路都是轮轨式的，其最高试验速度已达515.3千米/小时，其是法国大西洋线。
自1964年，日本修建了世界上第一条高速铁路——日本东海道新干线以来，高速铁路以其安全性能好、运输量大、速度快、占地少、耗能少、污染轻及成本低等优势，迅速成为世界各国的主要运输交通工具之一，与高速公路和航空运输形成强有力的竞争。
高速铁路与高速公路、航空运输相比，高速铁路的优势运距是300——1500千米。
继日本建成高速铁路之后，法国于1983年建成技术较之日本更为先进的高速铁路——TGV巴黎东南线，时速达270千米，而后又建成时速高达300公里的大西洋高速铁路和北部高速铁路。
于是在世界各国范围掀起了高速铁路建设热潮，高速哈已成为当今世界铁路发展的共同趋势。
中国于1990年开始对高速铁路进行研究，并于2002年中国第一条真正意义上的高速铁路——秦沈客运专线开始运营，同年，世界上第一条投入商业运行的磁悬浮列车在我国上海建成，并于2004年投入商业运行。
高速铁路发展至今已经成为世界上一种新的主要运输方式。
而中国的高速铁路更是世界上发展最快，系统技术最安全的，集成能力最强，运营里程最长，运营速度最高，规模最大的国家。
1.2高速铁路安全系统
安全是交通运输的永恒话题。
随着社会的发展，科技的进步，人们的生活日益富裕，安全也愈来愈重要。
高速铁路已成为现代社会外出旅行的主要交通工具之一，而作为运输工具它的安全性就成为人们认同的最重要最基本的要求了。
高速铁路与常规铁路相比，高速铁路的安全技术要求比常规铁路要更上一层，其构成更为复杂全面一些。
1.2.1高速铁路安全系统的构成
高速铁路安全系统涉及人——机——环四个因素，是一个以人为本，一人为核心的人——机——环、控制、调度、检测和管理的综合系统，其系统结构图如图1所示：
图1高速铁路安全系统结构图**
其中中央安全信息管理系统是告诉铁路安全系统的管理中心，负责收集各部门信息，并分析、判断，以便及时分配到相应部门。
其他各子系统的功能分别如下:
1）环境监测与报警系统是对沿线铁路和自然环境进行监测，当预测的可能会发生灾难时，及时进行报警。
监测的主要内容是地震、洪水、泥石流、落石、暴风雨、大雾等危及到列车安全运行的自然灾害。
2）列车控制与指挥系统主要是列车安全运行的自动控制和集中指挥系统。
由中央集中管理在高速铁路上运行的所有列车，通过列车自动控制系统保证列车安全运行
3）设备检测与维护系统是一套对设备技术状态进行检测，对主要零部件质量进行诊断以及车辆悬垂物等进行监视的系统。
该系统检测线路的几何形状和平顺性，检测机车几各通信设备等运行情况，为维修提供依据。
4）电力供应控制及检测系统主要负责高速铁路系统的电力供应及供电设备的检测，保证不间断地位高速铁路供电，并在发现设备异常时能进行及时预防和检修，以保证高速铁路安全运行。
5）应急处理系统主要是为列车发生意外事故进行应急处理，以使意外事故对高速铁路系统造成的伤害达到最小，并及时恢复高速铁路系统的正常运行，以避免二次伤害的发生。
例如：
发生列车脱轨，翻车等事故的处理。
1.2.2高速铁路安全系统的特点与功能
高速铁路安全系统是我国高速铁路建成后，保证列车日常运行安全的人造功能系统。
影响系统的因素可分“人、机、环”，从这三个因素来看，系统具有以下特点：
“人”既是管理的主体，有时管理的对象，是最活跃和具有创造性的因素，始终处于系统的主导地位；“机”是系统运行必不可少的工具，是系统赖以生存的物质基础，是系统客观存在的物质表现；“环境”是系统运行的客观条件，是影响系统安全的要素集合。
【】
高速铁路安全系统具有以下几点基本功能：
1）预测、预报环境及自然灾害
2）及时处理各种突发事件
3）维持高速铁路的正常经营运行
4）是高速铁路正常运行的安全基础保障
这几项功能构成了高速铁路安全系统的基本功能。
1.3高速铁路安全系统国内外研究现状
世界各国在建设高速铁路之前，就把确保旅客生命财产和行车安全放在首位，吧安全技术作为高速铁路的先导性核心型技术加以系统研究，并在实际运用中不断完善。
日本新干线运行30多年，以高安全行著称。
其早期的列车运营管理自动系统（COMTARC）包括行车调度、旅客调度、车辆调度、通信信号调度、电力调度以及设备调度。
其典型的安全监测系统为气象信息系统（MICOS）及智能地震预警系统（UREDAS）。
法国的高速铁路以机车信号为主的列车自动控制系统由TVM-300逐步发展为YVM—400、TVM-43。
.德国在高速铁路上防灾预警系统（MAS90），除可监督线路装备的运行状态外，还可以识别和及时报告环境对行车安全的影响。
总之，国外的铁路运营体系都采用了铁路智能运输系统（RITS），它是智能运输系统（ITS）技术在铁路运输领域的应用和发展。
在欧美各国，RITS的研究与开发已有20多年的历史，并产生一批有代表行的系统，如北美铁路的“先进列车控制系统”（ATCS）、法国铁路的“连续实施追踪自动化系统”（ASTREE）、欧洲铁路的“全欧列车控制系统”（ATCS）等，其配套的安全监控系统相当完善。
【1】
现在，世界各国对安全系统工程的研究已经相当成熟。
美、英、日、法等国有着专门而庞大的研究队伍从事这一领域的研究，并在铁路安全系统工程研究方面也相当深入，范围广泛，涉及人、机、环境、管理各方面，理论也日益丰富，模糊数学、灰色理论、层次分析法等应用广泛，并成效显著。
【2】
我国从1970年左右开始对这一领域进行研究和开发，并成立了许多相关机构，安全系统工程在铁路上也得到广泛的研究和应用。
同时设有专门的安全监察和劳动保护监察机构。
然而就我国铁路按群工作现状，发现我国铁路安全工作的水准不高，大多机构形同虚设，安全人员普遍素质不高，科研部门也局限在铁道部门，而且人员少，不集中，实力不强。
在我国，人们得防灾减灾意识仍需不断加强，而且铁路安全监控是边缘学科，对于铁路安全防灾的研究仍停留在局部行和理论性研究阶段，尚未形成全局和动态性的良性局面，铁路的安全系统已经不适应高速铁路日益提速的要求。
如：
对洪水、暴风雨、风雪等自然灾害的监测和对轨道温度、桥梁的质量、列车等设备状态的监测，大多采用人工、间歇收集信息的方式，导致信息准确性、实时性差，已经不适于高速铁路的要求。
因此，进行全面系统的研究高速铁路安全系统是我国高速铁路建设的一个重要环节【1】
1.4研究高速铁路安全系统的意义
自1964年日本高速铁路的简称，标志着世界高速铁路时代的到来。
确保旅客生命财产和行车安全是高速铁路的基本要求。
当前，随着社会经济的发展，生活的改善，追求安全、快速、舒适的运输已成为新时代运输工具的必然要求。
高速铁路已成为新时代人们出行的主要交通工具之一，高速铁路与常规铁路相比，它速度更快，密度加大，更节能，但是安全问题也随之加剧。
因此高速铁路安全系统的研究就更具有突出的意义。
高速铁路安全系统的安全工作的好坏主要取决于行车安全工作，高速铁路运行速度高，危险性大，事故一旦发生，往往都是伤亡大。
我国高速铁路发展时间短，速度又快，行车组织工作比之国外更为复杂，不安因素更多，工作人员素质不够高，发生事故的概率。
而日本高速铁路安全运行了30多年，其成功经验值得我们借鉴。
因此利用先进科学技术，借鉴国外高速铁路安全运行的经验，研究我国高速铁路安全系统，做的防患于未然，减少事故发生具有重要的意义。
1.5论文内容简介
本论文将从影响行车安全的最基本的三个因素进行讨论，并就每个因素进行具体分析。
三大因素见得关系如图2所示：
图2铁路行车安全系统结构
本论文在分析、研究国内高速铁路的行车安全的基础上，结合近年我国高速铁路运行状况，运用系统工程学、灰色理论系统、综合分析法、层次分析法的有关理论方法，对我国近期所发生的高速铁路安全事故进行分析。
主要内容有：
1）对人的心理、身理、生理的分析和研究。
研究人的基本特性，结合近年来列车事故的统计资料，用灰色理论的有关方法研究司机与事故的关系，并就我国高速铁路司机选拔工作提出建议。
2）机对列车安全影响的分析与研究。
对当前世界上高速铁路设备进行归纳总结，对机的可靠性与质量进行分析，并提出对我国高速铁路设备的思考意见。
3）环境的分析与研究。
分析了影响高速列车安全运行的环境因素，其中主要就影响列车工作人员的环境因素做研究，最后提出解决环境问题的措施。
4）我国高速铁路安全态势的综合评价。
应用层次分析法和灰色系统的有关理论对我国高速铁路安全态势的评估作出定量计算，其目的是运用科学的方法，结合客观事实从总体上认识高速铁路的安全态势，从而便于工作人员找出薄弱环节，并进行预防做到防患于未然。
我国高速铁路正处于发展期面临着巨大的挑战，尤其近期高速铁路事故频发，透发出我国高速铁路安全上的隐患，安全技术的不成熟和安全体系不完备等问题，因此，有关高速铁路安全系统的研究需要更多的投入，也需要借鉴、摸索、创新。
第二章人为因素分析研究
由于人在运输中的重要地位，使得人的因素在安全运输中主导作用。
纵观世界各国铁路交通事故中，人往往是事故的主要原因。
据统计，由于人的原因导致铁路事故发生的案例中，在日本占33.3%，美国占50.8%，英国占57%，印度则是60%。
在我国，人为性质事故占总事故的比例高达70%左右…….。
在我国“7.23”甬温线特大事故中，调查组发布的初步调查结果中，调度和管理人员的失误是重要原因之一。
由人为因素造成事故发生，是世界高速铁路事故中的一个普遍规律，现已有科学调查表明，在列车事故中，由于人为因素导致事故发生的必中接近50%。
因此，各国都投入了大量精力对列车司机、调度员等一线技术人员反复进行各种高强度的培训。
由于高速铁路列车的特点，对高速铁路司机的反应能力、判断能力及心理应变能力等要求就要更强。
本章将从列车司机入手，研究司机的心理、生理、行为的特性与事故的关系，并探讨高速司机所应具备的素质，为我国高速司机的选拔及培训工作提供参考。
2.1高速司机应具备的素质
高速铁路司机应在心理、生理、专业知识和技能等方面具有其职业要求的素质。
【3】中，就当时条件下“司机应有资格（国铁机务）”提出过看法，现摘录如下表1所示。
表1机车司机应具备的素质轮廓表
所要素质
解说
E
D
C
B
A
体格、体力
O
感觉、知觉能力
为确认前方、连结、上转车台等操作所需的视觉、目测能力
O
使用器具的灵活能力
为运转操作所需的手腕用器能力
O
白体协同能力
为运转操作，两手：
眼、手、足协同能力
O
运动感觉
O
从事单调、重复工作的持续能力
O
快速工作的能力
O
集中注意力的持续能力
把我运转操作和各种信息的能力
O
XX文库-让每个人平等地提升自我
正确工作的能力
保证运转操作、检查的安全
O
耐受辛劳的能力
O
智商
O
临机应变的能力
O
与人交往的能力
O
组织领导的能力
O
计划、建议的能力
O
办事的能力
O
受人信任、受尊敬的能力
O
必须避免的身心障碍
近视、弱视、弱听、癫痫、观察不正确、不细心；为人不老实、不沉着、不果断
表中A~E的区分，意味着该素质的重要程度，A最重要，B次之，以此类推；表中所列的身心障碍，是必须淘汰的对象的患症。
该表对我国既有的是、司机的选拔具有较大的参考价值，但对高速铁路司机则需进一步的修正。
因为高速司机可能是在精神紧张和生理负荷过重的情况下处理突发事件，因此，对于高速司机的心理素质要求更高，表中
是高速司机在该项中至少应达到的水平。
结合高速司机工作的特点，高速司机应具备的素质可总结为：
（1）有敏锐观察环境和事物变化的能力；
（2）对时间、速度及某些事物发展的方向有预计的能力；
（3）有稳定的注意力且注意力广泛；
（4）记忆力好，特别是短时间记忆；
（5）对情况的变化有预见性的结果；
（6）能较快熟练学得的操作动作，并使之“自动化”；
（7）操作动作稳定且准确；
（8）有抗分心、干扰、杂念的能力；
（9）有处理紧急突发事件和分轻重处理工作的能力；
（10）有忍受单调、寂寞工作环境的能力；
（11）遵纪守法、敬岗爱业。
2.2用灰色系统分析司机与列车事故的关系
在国内外发生的高速铁路列车事故中人为因素所占的比例最大，而在这些事故的人为因素中，主要造成事故的人是司机。
根据相关资料显示，前苏联列车冒进信号所造成的事故，54%是由司机的不瞭望而造成的，13%是由于司机打瞌睡造成的，16.5%是由于制动设备使用不当所造成的，12%是由于误认信号造成的。
由此可见，司机的素质对列车安全是多么的重要。
为了了解高速司机对列车安全事故的影响，国内学者进行了广泛的研究，并提出了许多建议。
我国高速铁路的发展，其中一项重要因素是司机的选拔和培训。
本节根据某机务段1990年以来列车事故统计资料，应用灰色系统理论知识，就司机的相关素质和列车事故的关系进行研究。
Ⅰ灰色系统简介
1982年，我国学者邓聚龙教授范彪第一篇中文论文《灰色控制系统》标志着灰色系统这一学科的诞生。
邓聚龙教授创立的灰色系统理论，是一中研究少数据、贫信息不确定性问题的新方法。
灰色系统理论以“部分信息已知，部分信息未知”的“小样本”、“贫信息”不确定性系统为研究对象，主要通过对“部分”已知信息的生成、开发，提取有价值的信息，实现对系统运行行为、演化规律的正确描述和有效监控。
而灰色系统是按颜色命名的。
在控制论中，人们常用颜色的深浅形容信息的明确程度，如艾什比（Ashby）将内部信息未知的对象称为黑箱（BlackBox）。
我们用“黑”表示信息未知，用“白”表示信息完全明确，用“灰”表示部分信息明确、部分信息不明确。
相应的，信息未知的系统称为黑色系统，信息完全明确得系统称为白色系统，部分信息明确、部分信息不明确的系统称为灰色系统。
其中系统信息不完全的情况有以下四种：
1元素（参数）信息不完全；
2结构信息不完全；
3边界信息不完全；
4运行行为信息不完全。
Ⅱ交通运输安全系统的灰色特性
灰色系统理论从1982年创立以来被广泛应用与农业、工业、经济、军事、交通、安全等领域。
高速铁路安全系统的实体是人—机—环境、管理系统。
从安全的角度来研究这个系统，会发现：
⑴安全系统的参数是灰色系数。
统计数据、检测数据等由于技术方面得原因，加上错报、漏报、瞒报等人为因素干扰，而成为有误差的灰色系数。
⑵影响系统安全的因素是灰色元素。
因为在影响因素中，许多因素不完全明确，已经明确得因素难以量化，已经量化的因素又随机变化。
如：
人的心理、生理特征、环境的震动和噪音等。
⑶系统的各种关系是灰色关系。
首先，各种因素和系统安全行为的关系是灰色的，如，人的安全意识，领导对安全运行的重视程度等；其次，因素与因素之间的关系也是灰色的，如，人的安全意识会影响人的安全行为；第三，人机环境系统与子系统间得关系也是灰色的，如，人会影响环境，环境会反过来影响人的行为，这是一种不确定的相互影响关系。
从以上各点可发现安全系统具有灰色特性。
可用灰色系统的有关理论来研究。
Ⅲ灰色关联分析法简介
灰色关联分析是灰色系统理论的一个分支，应用灰色关联分析法对受多种因素影响的事物和现象从整体观念出发进行综合评价是一个被广为接受的方法。
灰色系统关联分析的具体计算步骤如下：
⑴确定反映系统行为特征的参考数列和影响系统行为的比较数列。
设有n+1个因素，它们在时刻t=1，2，……，m是取值为：
。
假定参考数列为
，比较数列为
，
。
⑵对参考数列和比较数列进行无量纲化处理。
由于系统中各因素的物理意义不同，导致数据的量纲也不一定相同，不便于比较，或在比较时难以得到正确的结论。
因此在进行灰色关联度分析时，一般要进行无量纲化的数据处理。
⑶计算两级最小差和两级最大差，并计算各因素的灰色关联数。
两级最小差：
两级最大差：
。
灰色关联系数：
式中，
称为分辨系数，0<
<1,一般取为0.5。
⑷求关联度
。
Ⅳ列车事故的灰色关联计算
以某一机务段1990年-1996年间造成重大故事故的机车司机人数及其年龄、工龄、文化程度特征数据为依据，用灰色系统理论来分析它们之间的关系。
所得数据整理成表2、表3、表4所示。
表2
年份及
人数
年龄
1990年
6
1991年
4
1992年
11
1993年
5
1994年
8
1995年
7
1996年
10
25岁以下
1
1
2
1
1
2
2
26～30岁
0
1
1
0
1
0
0
31～35岁
0
1
0
0
2
0
1
36～40岁
2
0
1
1
0
0
0
41～45岁
0
0
2
0
1
1
2
46～50岁
0
0
2
1
2
2
2
50岁以上
3
1
3
2
1
2
3
表3
年龄及
工龄
人数
1990年
6
1991年
4
1992年
11
1993年
5
1994年
8
1995年
7
1996年
10
6年以下
3
2
5
2
2
2
5
7～13年
0
1
1
0
1
1
0
14～20年
1
1
3
2
2
3
2
21年以上
2
0
2
1
3
1
3
表4
年份及
人数
文化程度
1990年
6
1991年
4
1992年
11
1993年
5
1994年
8
1995年
7
1996年
10
小学以下
3
2
5
2
3
2
3
初中
2
1
3
2
2
3
3
高中以上
1
1
2
0
2
2
2
中专
0
0
1
1
1
0
2
计算步骤：
1）构造参考数列与比较数列
以肇事司机的人数为参考数列，年龄、工龄、文化程度为比较数列，分别记为
，
，
，
，其中比较数列
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