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生活中的運輸發展:高鐵的營運事故–以茂林地震為例

臺灣自高鐵通車營運後,西部走廊的城際運輸邁向新紀元。但高鐵速度快、運量大,若發生事故勢必對營運衝擊極大。本文介紹高鐵發生事故時的應變程序。
 
 
 
高鐵列車的運行基本上都會依事先規劃好的列車運行班表,這班表是根據旅客的需求及營運者所能提供的資源如列車數、號誌系統、供電系統、司機數等因素來決定,並且由行控中心(operation control center, OCC)監控所有列車的運行。行控中心有如高鐵系統的大腦中樞,負責列車的行車運轉及設備監控。

高鐵的中樞—行控中心

高鐵行控中心在平時可維持整體系統的運作,使列車遵循列車時刻表運行,以達到快速、準點等服務指標的要求。行車控制人員可以透過系統監看路線上列車的運行,並透過電力及環控系統與地震、風速的即時資訊等,隨時做應變處理,確保旅客的安全與舒適。

而閉路電視、廣播系統、無線電、旅客資訊顯示系統、直線電話等,則提供行控中心人員作正常運轉、緊急調度、監看月臺旅客動態與列車到離站畫面、系統異常的資訊顯示、廣播訊息之用。

當異常狀況發生時,行控中心可整合列車調度、電力及環控控制系統,指揮列車司機、列車長、車站站長,把事故影響降至最低,同時聯絡通報系統內部單位,如運務、維修、公關及管理階層,或系統外部單位,如消防、醫護、警察、電力、公路客運接駁車等,以便儘速處理緊急狀況,恢復正常營運。

高鐵營運異常的原因大致可分為內部及外部因素二大類。內部因素如轉轍器故障或列車故障停留在路線上,這種情形多半在短時間內就可排除,不致對列車的營運產生重大影響。外部因素則是像地震、土石流、颱風等,由於這類災害容易造成路線中斷或受損,影響高鐵整體營運甚鉅。而臺灣由於位於板塊交界帶上,地震頻繁,每隔一段時間就有一次規模5以上的地震,因此本文以地震為例,說明高鐵在地震發生後的列車調度及旅客安置措施。

2010年3月4日早上8點18分,高雄縣茂林鄉(在甲仙地震站東南方)發生了芮氏規模6.4,深度僅5公里的淺源地震。這次地震使得高鐵行駛中的多列班次停駛,並造成一列班次出軌,雖沒有導致嚴重傷亡,卻也釀成高鐵列車營運以來最嚴重的衝擊。

地震的預警

根據1906年萊德(Henry Fielding Reid)所提出的彈性回跳理論,地殼是一彈性體,當受到應力時,會不斷地變形並且累積能量,當這應力超過岩體負荷時,就會形成斷層而造成地震。斷層破裂時,岩體會沿斷裂面往相對兩側移動,並釋放能量。大部分的能量在斷層面摩擦時會轉換成熱能,其餘部分則因為岩體的位移形成彈性波,被釋放到附近的地殼中。

位移時所產生的推力形成壓縮波(稱為primary或pressure波),斷層面滑動的切力則形成剪力波(稱為secondary或shear波),這兩種波被歸為實體波(body wave)。另外尚有表面波(surface wave),分為洛夫波(Love wave, LQ波)及雷利波(Rayleigh wave, LR波),主要在近地表面傳遞,破壞力最為強大。

一般而言,地震預警可利用P波和S波。P波的波速大約每秒6.5至7公里,而S波的波速是每秒3.5至4公里,因此P波和S波的時間差便成了地震預警的重要依據。此外,利用P波和S波也可以推算地震的震央所在。高鐵對於不同強度的地震,也有不同的處置方式。

為了確保行車安全,臺灣高鐵公司在其天然災害警告系統(disaster warning system, DWS)中設有地震偵測器,並安裝在沿線號誌機房中。一旦偵測到大於40 gal(即40cm/sec2)的瞬間震波時,系統會自動送出訊號至行控中心,並讓列車停車。另外依照gal數(地震強度)的不同,也有不同的警告聲響。

然而臺灣高鐵所採用的這套系統屬於被動的偵測系統,需要偵測到震動才會有作用。而日本新幹線所採用的早期地震檢測警報系統(urgent earthquake detection and alarm system, UrEDAS),則屬於主動型的系統,利用P波波速較快的特性,於好發地震的區域設立地震儀,一旦發生地震,便利用P波與S波的時間差,在S波抵達前,讓新幹線能多爭取一些應變的時間。

目前中央氣象局正在研發的地震即時預警系統,也會利用P波及S波的時間差,為地震的預警爭取到最多20秒的黃金時間。屆時對一些重要的運輸系統如捷運、高鐵等,都將更有保障。

茂林地震案例說明

這次高鐵受茂林(先前被誤稱為甲仙)地震影響區間北起雲林縣土庫鎮,南至高雄縣仁武鄉,因此臺灣高鐵公司基於安全考量,停止當天臺中-左營間的所有班次,並在當天稍後進行軌道、列車及結構設施的檢查。這次地震共造成北上與南下各3列次、旅客2,000多人受到影響,高鐵向各地調派接駁車接駁至車站或臺鐵火車站,讓旅客得以進行後續的旅程。

一般來說,若沒有特殊的狀況,高鐵在檢查確認系統正常後,便會讓列車先降級運轉,也就是以稍慢的速度通過受影響區域,再慢慢恢復到正常的速度。但是由於茂林地震造成列車出軌、集電弓掉落及軌道設施受損,因此受影響區域的營運區間便無法再提供服務。

爾後在當天09:30,高鐵便立即採用「備用時刻表」營運。由於臺中以南受到地震影響,因此僅有臺北-臺中區間採用備用時刻表營運,臺中以南則停駛。而高鐵的備用時刻表,就是以每小時整點及30分於雙向端點站各發出一班車,並採每站都停與全車自由座的模式,直到當天營運結束。

自動控制系統的營運防護

自動列車控制系統(automatic train control, ATC)是由自動列車防護系統、自動列車監控系統及自動列車營運系統3個子系統所組成,主要用以控制列車的行車速度,避免列車超速、冒進號誌、追撞等危險發生。由於ATC會給運行中的列車一個連續且可允許的運行速度曲線,使列車能在安全的速度下運行,一旦司機超過允許速度ATC便會介入,使列車車速降低以維持運行的安全。

在本次地震中,ATC也擔當了重要的防護工作。當地震偵測器偵測到超過4級的地震後,自動發訊號給區域內所有運行中的列車,而列車ATC接收到訊息後,列車的允許速度就被限制到每小時0公里,因此列車的剎車系統即刻啟動,在經過計算之後依照線型、坡度、天候等狀況採用儘量平緩的剎車曲線剎車,以避免因為緊急剎車造成乘客不適或受傷等突發狀況。

而在路線修復的過程中,ATC也肩負著保障路線安全的責任。由於部分區域經過地震之後,可能有位移或鬆動的現象,會造成路線上安全的不確定性。此外,路線上由於修復工作的進行,有許多工程人員在一旁的軌道上施工,為了安全,行控中心在路線上設定慢行區域,讓列車以較低的允許速度通過該區間。列車ATC於接到訊息後,讓司機把車速降到允許速度以下,使列車及工程人員不致發生危險。

在本次地震中,高鐵鐵路沿線的51個地震監測點在監測到地動加速度大於40 gal(約為4級震度)時,自動送出停車訊號給區域內的所有列車,並把臨時運轉速限設定為0。ATC便接手列車的操控,讓列車停車,待進一步的通知後才啟動運行。

由於列車的行駛狀態不同,因此所需的剎車時間及距離也不盡相同。速度越快,所需的剎車距離就越長,但是若遇到上坡路段,則剎車距離可以再縮短一些。

列車營運調度

3月5日,茂林地震過後第二天,在工程人員極力搶修後,終於搶通了臺中以南的東線(南下線)。由於前日列車出軌造成部分軌道結構受損,臺中以南西線(北上線)仍維持維修不營運的狀態,因此臺灣高鐵在高鐵里程312公里處(TK312)軌道東線設立臨時速限每小時230公里,並在高鐵里程TK278至TK312間改採東線單線雙向運轉。

分析這一權宜措施可以發現,由於臺南站北上列車出站後並沒有順向的轉轍器可供列車轉入南下軌道直接北上,因此列車是由北上月臺倒退出站後,由臺南站南邊的轉轍器轉入南下軌道後北上,之後一路行駛南下軌道北上直到TK278後,再切回北上軌道循原路線行駛。由於這一區間採行的是「單線雙向運轉」,因此路線容量較原先更低,且行駛時間延長,許多南下列車須慢行於TK278附近,等待北上列車通過後才能再行南下。

由於3月5日至3月9日期間路線仍未完全恢復暢通,因此臺灣高鐵一直是以備用時刻表運行著。

建議

以茂林地震事件而言,臺灣高鐵公司雖已按照既定的計畫執行疏散,惟其決定疏散的時間似乎過於冗長,造成乘客不耐久候而出現煩躁現象。此外,雖然臺灣高鐵公司對於緊急出口每半年會辦理勘查一次,但是與臺灣高鐵合作接駁的客運公司卻未參加,且緊急出口的路標也不明顯,造成客運司機無法確認緊急出口的實際位置,使得疏散接駁時間過長。未來臺灣高鐵公司應針對這缺點改善,特別是旅客的安置處理。

而在地震預警技術方面,臺灣高鐵目前採用的系統屬於被動式,須偵測到震動才能發出訊號使列車進行停車程序。日本新幹線用的UrEDAS系統,則是在主震波來臨前就能偵測到地震發出的P波,再根據P波與歷史資料的比對推測可能的地震規模,從而早一步對列車發出停車訊號,也能多爭取時間來降低地震對列車造成的傷害。他山之石,臺灣高鐵公司或可參考。

深度閱讀
  1. 臺灣高速鐵路公司(民98)地震颱風警訊偵測—天然災害告警系統(DWS)運作說明,臺灣高鐵電子報。
  2. 簡賢文(民96)臺灣高速鐵路整體防救災應變計畫。
  3. 國家災害防救科技中心,強震即時警報系統推動研究http://ncdr.nat.gov.tw/Disasters/DisastersDetail.aspx?DCID=2&Id=3
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