基于分布式协同的城市轨道交通应急处置研究

■ 周珺 莫义弘 李伟 罗钦

0 引言

近年来，随着城市交通问题日益突出，大力发展城市轨道交通已成为我国城市交通可持续发展的必然出路。在城市轨道交通网络化运营大背景下，各城市轨道网络结构快速扩充，促进了轨道交通产业的高速蓬勃发展，但也为轨道交通运营公司的日常运营管理工作带来巨大压力。复杂的路网结构、大幅增加的网络客流、多样化的设施设备等特点成为运营突发事件产生和传播的主要因素。城市轨道交通网络化运营阶段，系统任何突发事件发生都有可能对整个网络产生较为严重的影响，轻则造成运营成本和乘客旅行时间的增加，网络能力和运营效率下降，严重情况下还会威胁乘客生命和财产安全[1-3]。因此，如何增强城市轨道交通运营管理部门对于突发事件的应对能力和处置效率，成为近几年国内外学者研究的重点之一。

目前国内外关于轨道交通应急处置领域相关研究重点主要集中在突发事件应对措施和预案管理、应急处置理论研究、应急处置系统研发与应用三方面。在突发事件应对措施上，滕靖等[4-5]对我国城市轨道交通应对突发事件存在的问题进行分析后提出行车组织调整和及时公交接驳等应对措施。在预案体系的研究方面，邵伟中等[6-7]对轨道交通应急预案的分级、分类、基本内容进行归纳和整理，构筑完整应急预案体系。在应急处置理论研究方面，国内外研究主要集中在加强应急管理和客流疏散两部分，宋宇博等[8-9]基于随机Petri网理论及马尔科夫链模型，对轨道交通应急管理体系进行建模研究，研究结果有助于提高运营管理部门应急指挥系统工作效率及对突发事件的应对能力。在客流疏散方面，洪玲等[10]提出应急条件下乘客的5种主要疏散行为并研究其对乘客疏散行为的影响，进而构建基于应急信息刺激的乘客疏散行为模型体系。然而，目前国内外研究的轨道交通突发事件应急处置机制大多集中在部门层面，生产职能部门孤立作业，缺乏对应急处置体系的多部门联动、整体过程研究。

基于上述背景，对网络化运营条件下城市轨道交通突发事件应急辅助决策技术的相关关键问题进行研究，基于轨道交通运营安全管理的生产实际需求，引入分布式协同理论对当前轨道交通应急组织及处置流程进行优化和重组，旨在实现轨道交通运营企业在面对突发事件时，达到及时响应、正确处置、多点联动、协同作业的目标，以期能够对解决网络化运营条件下城市轨道交通的安全管理和应急处置问题有所裨益。

1 突发事件与应急处置

1.1 突发事件定义及分级

由于城市轨道交通系统的专业特殊性，其对突发事件的定义与其他领域不同。结合城市轨道交通本身性质特点及突发事件的基本定义，可将城市轨道交通突发事件定义为：城市轨道交通正常运营生产过程中，在城市轨道交通系统内或系统外，突然发生的，可能或已经对城市轨道交通正常运营生产造成影响的，需采取相应措施进行应对的紧急事件。突发事件的总体特性可归纳为突然随机性、紧急危害性、传播扩散性、责任关联性、动态剧变性和社会公共性等。

城市轨道交通突发事件分级标准严格根据事件性质、危害程度、影响范围、发展态势、可控性等标准进行划分。以深圳地铁为例，突发事件可划分为I—V五个等级，I级为最高级别（见表1）。

1.2 应急处置构架与原则

在对城市轨道交通应急处置研究中，一方面要研究应急预案的精细化、标准化、规范化管理，另一方面则要重点研究当前轨道交通应急处置发展现状，包括网络化运营大背景下的运营特点、应急组织架构、应急处置原则和存在的关键问题等。

我国各城市轨道交通运营公司基于实际运营生产需求，都已着手或成功建立负责统筹全路网的综合应急指挥中心。该线网综合指挥中心对内监控路网日常运营生产情况，突发事件时负责协调各线路的行车组织方案调整和应急资源调配；对外负责对接运营公司上级领导的突发事件情况汇报工作。线网综合指挥中心在轨道交通应急处置中承担了承上启下的纽带作用，与企业应急领导小组、各线路运行控制中心、相关一线生产职能部门共同构成了城市轨道交通应急组织架构（见图1）。

图1 城市轨道交通应急组织架构

表1 城市轨道交通突发事件分级

城市轨道交通运营管理部门在应对突发事件时，需以尽可能降低事件影响、尽快恢复正常运营生产为目标。在进行应急处置工作时需遵循以下原则：

（1）导向安全。在城市轨道交通运营生产中，安全也是第一要素。

（2）以人为本。保障乘客生命财产安全，是轨道交通运营单位的第一要义。

（3）快速响应。相关一线生产职能部门必须以最快速度做出应急响应。

（4）调度配合。调度人员应迅速做出应急响应，调配应急资源配合，指挥协调一线生产部门进行应急处置，必要时可采取调整行车组织方案的手段协助突发事件的处置。

（5）联动配合。所有相关部门首先应各司其职，与其他部门保持实时有效的信息沟通，紧密配合。

（6）资源统筹。在应急处置作业中做好资源统筹调配工作，提高资源转运速度及利用率，避免资源浪费造成的处置效率降低。

结合城市轨道交通网络化运营特点和当下运营企业及其下辖各生产职能部门应急处置现状分析，发现现有应急管理模式下应急处置组织架构复杂、职能分散，应对突发事件时各部门孤立作业，缺乏有效的整体协调机制，难以适应网络化运营条件下城市轨道交通复杂的运营环境和多变的突发事件所带来的挑战。针对此问题，提出引入分布式协同理论对运营企业应急处置组织架构进行优化，全面提升轨道交通运营管理部门面对突发事件的应对能力和应急处置作业的工作效能。

2 分布式协同体系

分布式处理则是将不同地点或具有不同功能或拥有不同数据的多系统/部门通过通信网络连接起来，在控制系统统一管理控制下，协调完成大规模任务的网络程序系统。目前国内外分布式协同理论的应用已十分广泛，学者们致力于基于分布式协同理论进行时空分布任务执行控制、成本及效率控制和任务过程中信息传递控制等方面的研究，用于解决如数据处理、网络服务、道路交通流控制、生产、通信等领域实际问题。在道路交通领域，文孟飞等[11]针对城市主干道车流特性设计分布式协同控制方法，降低网络中的车辆平均等待时间；Majid H等[12]设计分布式模型预测控制方案（MPC）及配套算法，算法可对大量高速公路入口进行分布式协调控制，评估各入口间协调问题，大幅减少通信工作量和计算时间。牛忠海等[13]以智能体和局部感应控制思想为指导，建立分布式网络多智能体的匝道协同控制方法，用于解决高速公路与城市快速路交汇区域拥堵问题，达到缓解路网结合部拥堵、减少平均等待时间的效果。

综上所述，分布式协同理论是一种普适性理论，可适用于数据、工程、生产、控制等各方面，用以协调时空分布的不同任务间的控制过程，提高工作效率、降低控制成本，保证信息传递速度及准确度。

因此，提出应急处置层面的分布式协同体系是指在城市轨道交通应急处置作业处于空间分布、作业时间同步或异步的条件下，所有参与城市轨道交通应急处置工作的各部门、各岗位成员，通过借助人工智能、分布式处理和数据库等关键技术，进行数据、信息、知识的传输、交换和共享，多点联动、协同作业，合作完成一项既定任务的计算机系统。分布式协同工作体系的核心是协作模型，其优势在于集合了分布工作、信息交互、并发处理、协同运作和系统工程的思想，极大改善了工作组内小群体间的信息交流方式，提高了小群体间的系统工作效率。可以预见，分布式协同体系的研究和应用将成为未来城市轨道交通运营管理和应急处置的必然选择。

3 应急处置分布式协同作业

基于当下城市轨道交通的发展现状提出将分布式协同理论应用到应急处置体系。城市轨道交通应急处置的特点决定了分布式协同工作环境中应急处置业务过程应具备空间分布协同性、时间同步协同性、业务流程有序性等特点。

（1）空间分布协同性：反映了业务过程地理空间的分布特点，包括业务过程中应急处置执行位置的分布性和应急处置作业成员所处岗位的分布性两方面。

（2）时间同步协同性：反映了协作方式的协同性和协作时间的同步性特点，应急处置作业中的各成员在同时完成自身任务，协同工作，共同达成工作组统一的业务目标。

（3）业务流程有序性：反映了应急处置流程运行的合理性和科学性，任务空间中各项任务在完成自身子目标和协同完成总体业务目标的过程中有序进行。

搭建应急处置四层十级分布式协同体系，将所有参与应急处置作业或与之相关的对象划分为管控层、指挥层、执行层和发布层四个层次，政府管控级、运营公司管控级、线网管控级、调度指挥级、现场指挥级、车辆驾驶级、车站控制级、抢救维修级、信息发布级和乘客级十个作业级。在四层十级分布式协同体系应急处置组织架构基础上，结合工作流管理技术及深圳地铁当前实际情况，进一步对轨道交通应急响应流程进行优化重组。

分布式协同应急处置流程见图2。当发生突发事件时，首先运营生产一线各部门进行事件报警，调度指挥部门接警后依据事件等级判断是否需要上报上级线网运营指挥部门，同时根据相关应急预案制定处置方案，并居中协调控制各一线生产部门进行协同作业。同步工作，如调度指挥部门将突发事件信息上报，则线网运营指挥部门同样根据事件等级判断是否进一步上报运营总部及集团领导，同时线网运营指挥部门根据实际需求协调线网应急资源、人力资源等协助调度指挥部门开展应急处置作业。同理，运营总部应急部门、集团应急部门、政府应急部门如接到重大突发事件报警，则按照实际需求及自身智能调配相应应急资源协助应急处置作业。

图2 分布式协同应急处置流程

4 结束语

我国城市轨道交通应急处置存在的亟待解决的关键问题主要可归纳为组织架构复杂冗余和处置流程冲突繁琐两大方面。将分布式协同理论引入并应用于城市轨道交通应急处置的研究中，首先研究了应急处置作业的业务过程特点，并结合分布式协同体系搭建城市轨道交通应急处置的四层十级分布式协同体系框架，随后提出基于分布式协同体系下的应急处置流程，有助于实现各部门多点联动，同步处置，节约处置时间，提高应急处置整体效率。

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[2] 耿杰，马一博．城市轨道交通运营应急管理指挥系统[J]．中国铁路，2016(1)：91-94．

[3] 李小平．铁路突发事件应急救援决策方法研究[J]．中国铁路，2014(10)：29-33．

[4] 滕靖，徐瑞华．城市轨道交通突发事件下公交应急联动策略[J]．铁道学报，2010，32(5)：13-17．

[5] 张彦春，罗海娟，邹德剑．城市轨道交通突发事件快速应对能力探析[J]．现代城市轨道交通，2015(5)：74-77．

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[7] 陈海龙．关于地铁应急救援预案的研究[J]．工程技术：全文版，2016(8)：6．

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[13] 牛忠海，贾元华，张亮亮，等．一种基于分布式网络多智能体的匝道协同控制方法[J]．交通运输系统工程与信息，2015，15(5)：81-88．