基于脆弱性理论的地铁电气火灾影响因子研究*

宋守信，肖楚阳，翟怀远，许　葭

(北京交通大学 经济管理学院，北京 100044)



基于脆弱性理论的地铁电气火灾影响因子研究*

宋守信，肖楚阳，翟怀远，许葭

(北京交通大学 经济管理学院，北京 100044)

针对现有的脆弱性理论研究中，脆弱性特征要素关系不清、规律不明的现状，提出脆弱性特征要素的递次呈现与控制理论。并将其应用于城市轨道交通系统脆弱性的研究中,根据城市轨道交通自身特点与实地调研结果，将地铁机电设备火灾脆弱性影响因子依脆弱性特征要素与人、机、环2个不同角度进行归类，构建地铁机电设备火灾脆弱性影响因子矩阵。并从人员脆弱性、设备脆弱性及环境脆弱性三方面提出对地铁电气设备火灾脆弱性因素控制方案。

安全工程；城市轨道交通；脆弱性；呈现规律；控制方案

0　引　言

脆弱性的研究最早源于自然科学领域，比如水资源、自然灾害、生态系统等领域的探讨。但从20世纪90年代以来，脆弱性概念已被逐步应用到公共健康、土地利用、可持续性科学、工程学、经济学等多个学科当中。脆弱性的内涵也随之不断延伸，从最初单纯针对自然科学领域内的固有脆弱性逐渐演化为成社会科学领域内的意义广泛、含义深刻的综合概念，脆弱性的研究也从最初关注自然环境系统的脆弱性逐渐延伸到探讨社会环境系统脆弱性、人—环境耦合系统的脆弱性的研究，呈现出多学科交融的趋势。

城市轨道交通系统以其运量大、速度快、效率高等特点已成为解决城市交通拥挤和运力短缺等问题的首要途径。随着中国城市轨道交通网络系统建设步伐加快，国内各大城市的地铁运输量也日益上升。北京地铁日均客流量在1 024万人次左右；而同时上海地铁运输量也已突破900万人次。作为人员高度密集的地下场所城市轨道交通系统自身所固有的脆弱性，已经成为城市轨道交通系统进一步发展必须跨越的障碍。

对于城市轨道交通系统脆弱性，北京交通大学风险管理研究所近年来通过北京市社科基金和国家社科基金重点项目研究，已经对城市轨道交通系统组元脆弱性评价研究[1]，运用群体灰色层次模糊评价法对北京地铁典型车站在大客流扰动下的脆弱性进行了评价[2]，分析了火灾条件下的地铁车站面对二次事故的脆弱性[3]，建立了网络脆弱性评价模型[4]。

我们在研读大量国内外文献的基础上，梳理脆弱性研究发展进程，对地铁脆弱性的概念进行深入探讨，归纳地铁脆弱性特征要素，并以地铁电气设备脆弱性为例，阐述并论证脆弱性构成因素之间的关系，以期丰富与完善脆弱性研究，解决当前地铁运营安全中的现实问题，实现城市轨道交通系统可持续发展。

1　脆弱性概念及构成因素

国内外有代表性的脆弱性概念论述，见表1.

表1　不同学者对脆弱性概念

Help-information：Chinese National Natural Science Foundation(13AZD088)

根据文献分析可以得出，不同学者研究的领域不同，对脆弱性概念的理解也有差异，但依然可发现脆弱性概念的讨论主要集中在3个部分：一是脆弱性对象为一个特定的系统或子系统；二是脆弱性要暴露在灾害、扰动下才会显现；三是脆弱性是可能的灾害或损失程度。而对脆弱性特征要素的讨论，大致可分为2派。一部分研究者认为脆弱性的特征要素包括系统暴露在外界扰动的程度、系统自身的敏感性以及系统对扰动的适应能力并且将随着扰动的不同而发生变化；另一部分研究者认为暴露不是脆弱性的组成元素，其认为脆弱性是由系统对扰动事件的敏感性与反应能力组成，是系统的一种特有性质。

结合以上脆弱性概念以及特征要素的探讨，我们提出的脆弱性概念为，系统在扰动下发生变化的程度及恢复正常运行的能力，脆弱性的3个特征要素为暴露度、敏感度和适应度[11]。

暴露度指作为风险承载体的设备设施和人员暴露于风险扰动的程度。这种程度反应在承载体暴露于扰动的时间、频率和范围；敏感度是指作为扰动承载体，受到扰动的干扰产生不利影响的快慢大小多少的程度。包括扰动出现多长时间就会影响其功能，影响会严重到什么程度。适应度是指作为风险承载体在风险扰动下适应和恢复的能力。包括应对不利影响的反应时间、反应力度等。

2　地铁电气系统脆弱性分析框架

2.1地铁脆弱性概念

依据上文所给出的脆弱性及特征要素，将其引入到地铁系统中可得到地铁系统脆弱性概念为，地铁系统在扰动下，暴露于扰动中的频率、时间、范围，扰动作用下系统发生的变化程度，以及由于扰动带来的地铁系统遭受的不利影响程度以及从扰动的不利影响中恢复正常运营的能力。而地铁脆弱性特征要素包括系统中的工作人员、乘客、列车及控制系统等设备设施和站台等运营环境的暴露度、敏感度和适应度。

2.2地铁电气系统脆弱性影响因子确定

地铁电气系统脆弱性影响因子的确定应依据地铁脆弱性概念，以地铁系统或其中电气子系统作为研究对象，按照轨迹交叉论中人的不安全行为和物的不安全状态的分类，人包括乘客和员工，物包括设备、设施和环境。以此来筛选并逐步确定脆弱性影响因子。

地铁电气系统脆弱性影响因子数量众多且关系复杂，文中通过对地铁电气火灾事故资料分析，依据地铁脆弱性概念，按照脆弱性特征要素暴露度、敏感度、适应度构建出初步的地铁系统脆弱性影响因子库[11]，并利用德尔菲法经过三轮量化筛选后，最终确定地铁电气系统脆弱性影响因子28个，见表2.

表2　地铁电气系统脆弱性影响因子

针对上述28个影响因子，按人员、设备、环境三方面再次进行分类。从脆弱性人、机、环影响因子以及脆弱性特征要素2个方面共同构建出地铁电气系统脆弱性影响因子矩阵，如图1所示。

从矩阵中能够清晰地看出每个影响因子在2种不同的分类方式上所处的位置，有助于提高影响因子筛选的速度与控制的准确性。

图1　地铁电气系统脆弱性影响因子矩阵Fig.1　Subway electric system vulnerability impact factor matrix

2.3地铁脆弱性构成因素与脆弱性关系

由上文分析可知，脆弱性的特征要素为：暴露度、易感度、适应度。它是所研究对象在扰动情况下状态的一种描述，这种描述是以脆弱性的度来衡量的，为确定脆弱性的计量方法有必要理清脆弱性的特征要素与脆弱性关系。

暴露度主要考察承载体受到扰动侵袭的概率。暴露度越高，即受到扰动导致功能缺失的几率越高，则系统脆弱性也就相应提高，即暴露度对脆弱性的贡献是一个同向增长、减少的过程。敏感度反映系统抵御扰动侵害的能力。如果系统在扰动作用下很快产生了运行功能的病态反应，偏离了正常运行的状态甚至崩溃，则敏感度强，脆弱性高；反之则脆弱性低。敏感度与脆弱性也是同向增长或减少。适应度是指作为系统在扰动下适应和恢复的能力。如果系统应对不利影响的反应时间快、反应力度大，则说明系统的适应度强，相对脆弱性就低，适应度强或弱反应的是脆弱性低或高。

将上述关系用数学形式可表示为：

脆弱性=f(暴露度+敏感度-适应度)

根据脆弱性特征要素与脆弱性之间的函数关系，以及地铁电气系统脆弱性影响因子，可构建出地铁电气系统脆弱性整体关系图，如图2所示。

图2　地铁电气系统脆弱性影响因子关系图Fig.2　Metro electrical system vulnerability impact factor diagram

3　脆弱性特征要素递次呈现规律

脆弱性的3个特征要素为暴露度、敏感度和适应度。三要素在系统的脆弱性当中是以递次呈现的规律逐一显示出来的。暴露度是脆弱性最先显现的要素，也是需要最先控制的要素。由于暴露度的大小与系统暴露于风险之中的程度相关联，故称为关联因素。在电气系统中暴露度包括员工逾越安全距离的三违率、误操作率、绝缘设备的老化程度、隔离设备负荷强度、隔离设备安全性能完备性、设备位置与布局、温度控制水平、湿度控制水平、灰尘聚集水平、机械振动对电气线路的影响等共10个因素，若将暴露度因素都进行控制，使系统与外界扰动向隔离，降低暴露的时间、频率、范围。在系统没有受到外界扰动的情况下，也就无需考虑扰动引发的敏感度和适应度。

敏感度是脆弱性第二显现的因素，也是反映系统坚强程度的因素。由于敏感度的大小取决于系统自身固有的材质，故称为固有因素。由于地铁的公共服务职能的需要，电气设备设施与乘客和工作人员常共处同一空间，暴露度很难避免，虽然可以降低程度与概率，但无法将扰动与系统彻底进行完全隔绝。当扰动来袭时，这就需要考验人员对隐患的辨识和处置能力，安全意识水平，和设备自身应对扰动冲击的抵御能力。提高员工和乘客安全素养，提高设备设计、材质、安装质量符合国家的相关规定与要求，就能够经受住扰动的侵袭，保证系统维持正常的工作状态则无需考虑系统的适应度。

适应度是脆弱性第三显现的要素，反映当扰动破坏系统稳定时，系统能否及时警示，及时调节，实现对风险有效控制，做到故障安全化，损失最小化。适应度的大小取决于系统自身固有的随机反应功能，称为固有因素。当设备自身无法抵御扰动的侵袭发生故障甚至是事故时，系统能否及时反应，及时处理，将损失降低到最小，考验系统的适应度。例如车站的自动扶梯因为设备长时期高负荷运转，线路老化发热，会点燃绝缘层并发出浓烟，若此时换乘通道内FAS火灾报警探测器及时报警，车站工作人员立即赶到现场进行处置，则能及时控制火势，防止更大的灾害形成。但如果换乘通道内自动报警装置失效，消防设备配备不足，则有可能延误最佳时间造成更大的灾害。

4　地铁脆弱性的控制策略

为降低地铁脆弱性，在地铁运营管理工作中应突出重点，有针对性的开展相关工作。有效降低暴露度、敏感度的措施，加强地铁应急管理水平，提升地铁适应度的有效方式。

4.1人员脆弱性的控制

要想降低人员脆弱性，应强化现场作业管理制度，加强员工在工作过程过程中的监督、核查力度，减少员工在操作过程中的失误率以及三违率；应不断提高员工个体素质，落实相关的培训工作，充实安全知识、提升安全技能水平、端正员工安全态度，从根本上改善员工安全素质状况。加强管理人员的应急处理能力，加快应急反应速度，当地铁电气设备出现故障甚至是发现明火时，一线管理人员能够快速处理将灾害控制在最低水平；当需要将车站内大量乘客进行紧急疏散时，能够有效空客流密度保障客流的前进速度，保障疏散的安全与效率。

图3　脆弱性构成因素递次呈现规律模型Fig.3　Vulnerability factors sequence regular model

4.2设备脆弱性的控制

设备的可靠性是保障地铁安全运营的基础。地铁车站电气设备众多，所以对于电气设备必须加强重视。对于诸如电梯、广告灯箱、进出站闸机等需要长时间、高负荷运转的设备。当无法通过控制暴露度来降低设备风险时，通过设备管理与维护检修降低设备的带病作业率，强化前期设备设计与安装工作保证设备质量，提高设备稳定性和可靠性，来降低其敏感度。

4.3环境脆弱性的控制

良好的车站环境可以降低设备的暴露度，避免高温、潮湿、灰尘等不良的环境因素对设备的侵袭，同时也应确保重要的电气设备周围不存在易燃物品或材料，降低建筑环境内的敏感度。相对硬环境而言车站内的软环境也同样重要，地铁车站标示系统改善与优化对于地铁安全信息沟通，在疏散时及时向乘客传递正确的信息，引导客流流动方向。保障疏散有序进行。

5　结　论

1)从脆弱性现有研究出发，梳理脆弱性发展进程，并对地铁脆弱性的概念进行深入探讨，归纳地铁脆弱性特征要素包括暴露度、敏感度、适应度3个方面，并以地铁电气系统脆弱性为例阐述地铁脆弱性特征要素与影响因子之间的相互关系；

2)解释了脆弱性构成因素递次呈现规律，有助于实现对脆弱性分阶段有效控制，做到故障安全化，损失最小化；

3)从地铁脆弱性特征要素出发，针对地铁电气系统脆弱性依次对人员、设备、环境提出相应的控制措施。

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Influential factors for subway electrical fire based on vulnerability

SONG Shou-xin，XIAO Chu-yang，ZHAI Huai-yuan，XU Jia

(SchoolofEconomicsandManagement，BeijingJiaotongUniversity，Beijing100044，China)

Accordingtotheexistingvulnerabilitytheoreticalstudies,therelationshipbetweenvulnerabilityfactorsisnotclear,andtheunknownlawstatus,putforwardsuccessivepresentationandcontroltheoryofvulnerabilitycharacteristics，andapplyitintheresearchofurbanrailtransitsystemvulnerability.Accordingtothecharacteristicsofurbanrailtransitandtheresultsoftheinvestigation,thesubwayelectricalequipmentfirevulnerabilityfactorsareclassifiedformtwodifferentaspectsofthevulnerabilityelementsandhuman,machineandthesubwayelectromechanicalequipmentfirevulnerabilitymatrixinfluentialfactorconstructed.Fromthreeaspectsofthevulnerabilityofpersonnel,equipmentandenvironment,thispaperputsforwardthecontrolschemeoffirevulnerabilityfactorsofsubwayelectricalequipment.

safetyengineering；urbanrailtransit；vulnerability；emergerules；controlscheme

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0514

1672-9315(2016)05-0691-06

2016-06-10责任编辑：刘洁

宋守信(1946-)，男，山东莱州人，教授，E-mail:songsx@yeah.net

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