张蜇,秦勇
1.引言
高速铁路运行事故主要由人、设备、环境等因素导致，如人员侵限、异物入侵、设施设备故障以及恶劣天气等。掌握这些风险因素之间的耦合关系、事故的致因机理、风险辨识与评估方法，对于高速铁路运营安全至关重要。因此，迫切需要建立高速铁路运行风险评估和控制理论，实现路网运行风险评估和一体化风险管控，提升高速铁路运行风险分析和调控的能力，为路网运行安全管理提供决策支持。路网运行风险评估与控制旨在通过分析高速铁路运行风险，提出风险评估指标并进行路网风险状态评估与控制；通过高铁路网风险因素的致因互联机理分析，科学有效的识辨路网关键车站和区间，采取合理的铁路运行风险控制策略。本文在高铁路网运行风险“预测-评估-控制”的统一框架下，结合国家“交通强国”发展战略和《中长期铁路网规划》，瞄准国内外铁路运行系统安全保障与风险分析与调控研究前沿理论方法，引入新的理念，形成面向成网条件下高速铁路运行风险评估与控制理论框架，解决路网运行风险因素众多复杂导致的风险状态动态性强和风险管控难度大的问题。
2. 技术路线
本文研究的技术路线和方法如下图1所示：
图1高速铁路网运行风险分析与控制技术路线
3.关键技术研究
（1）基于机器学习的路网运行风险预测技术
路网运行风险预测方法可以采用基于状态或者数据统计的预测方法，对于某些风险或者事故，与其发生相关的状态数据易于采集；而对于某些事故或者风险，一方面无法获取与其相关的状态数据，二是基于有限的数据难以确定影响因素，这种情况下可以采取基于数据统计的方法。
基于神经网络的路网运行风险预测：神经网络模型包括输入层、隐含层和输出层，整体结构如图2所示。输入层为路网运行状态变量，输入层神经元数量为输入状态变量的数量，输出层为风险发生概率。
图2基于神经网络的路网运行风险预测模型
基于天气状态的路网运行降雨风险预测：以天气对运行的影响为例，构建基于状态的路网运行降雨风险预测模型。根据数据调研结果，雨雪可能会导致列车降速甚至中断运行。因此，可以将气象变量包括气温、天气和风力状况作为影响路网运行的环境变量，如[气温18摄氏度，天气阴转多云，风力南风3级]，也就是预测模型的输入，将风险发生概率作为模型的输出。图3为神经网络模型的寻优轨迹，当迭代至第5次时即可达到最小的均方误差。
图3神经网络的迭代过程
基于时序数据的路网风险预测：对于无法获取影响状态的风险类型，可以采用时序数据统计分析的方法预测路网事故发生的数量。本文采用非线性自回归神经网络（NARNN）和LSTM神经网络模型建立了路网事故数量预测模型，通过比较两个模型的预测表现发现NARNN预测效果优于LSTM神经网络,图4为NARNN模型迭代过程和预测性能。
图4 NARNN模型迭代过程和预测性能
（2）基于RAMS分析的路网运行风险动态评估技术
从路网结构（静态）和列车运行（动态）角度动态描述路网运行风险，并量化路网运行风险。随着路网运营环境和设备设施状态的变化，路网运行风险状态在时间和空间维度上不断演变，形成路网运营安全状态演变规律。通过演变规律及其影响因素地分析，可以帮助路网运营管理者制定有效的风险管控措施。
基于路网运行风险分析，计算区段和车站运行中断发生概率和路网状态可恢复性。根据铁路网拓扑结构和列车流，构建铁路运输功能网，并提出网络效率和能力损失计算方法。最后，根据风险发生概率和网络影响结果分析路网安全状态，识别安全关键车站和区间，并评估风险等级。路网运行风险评估模型技术框架如图5所示。
图5路网运行风险评估模型技术框架
（3）面向事故预防的路网运行风险控制技术
从“人-机-环-管”角度，提出铁路运行风险因素，构建铁路运行事故致因网络，并计算网络中节点连接权重、概率和距离，实现不同风险因素关联性测度。从事故预防角度，构建基于事故致因网络的铁路运行风险控制模型，通过比较不同控制模型的事故预防效果，提出需要控制的关键风险因素。图6为铁路运行事故致因网络以及不同方法的控制效果比较。
图6面向事故预防的路网运行风险控制
（4）路网运行风险分析与控制系统研制
基于路网风险预测、评估和控制等关键技术的突破，研制了路网运行风险与控制系统，该系统具备路网风险数据查询、路网RAMS指标分析以及风险控制等3个主要功能。图7为路网运行风险分析与控制系统界面。
图7路网运行风险分析与控制系统
4.结论
首先，通过分析路网运行状态和风险之间的关系，建立了基于神经网络的路网运行风险预测模型，对不同致因的路网运行事故发生数量和概率进行预测。其次，风险发生导致运行中断的概率和风险对路网状态影响角度出发，提出了路网运行风险RAMS评价指标计算方法，构建了基于RAMS和K-means聚类分析的路网运行风险评估分级模型。然后，基于铁路运行风险控制目标和风险管控成本约束，提出基于事故致因网络的铁路运行风险控制模型和算法，得出通过安全管理来消除的关键风险因素。最后，基于以上基础理论和关键技术研究，研制了路网运行风险分析与控制系统，帮助高铁运行安全管理部门评估路网运行风险状态，提供风险控制策略。
