城市軌道交通安全生產(chǎn)應(yīng)急救援關(guān)鍵技術(shù)建議書(共10頁)

1、PAGE - 10 -PAGE - 10 -城市(chngsh)軌道交通安全(nqun)生產(chǎn)應(yīng)急(yng j)救援關(guān)鍵技術(shù)建議書一、項目的意義和必要性（項目研究的重要性和緊迫性，國內(nèi)外同類研究進展情況，本項目對安全生產(chǎn)應(yīng)急救援的作用和意義）概述本項目重點研究城市軌道交通應(yīng)急調(diào)度指揮模擬演練的相關(guān)問題，包括城市軌道交通列車流管理控制的模擬、人的行為特征模擬、城市軌道交通應(yīng)急調(diào)度指揮模擬演練平臺等方面的內(nèi)容。在城市軌道交通復(fù)雜場景的高可信建模技術(shù)和交互過程中安全態(tài)勢場景的演化規(guī)律等關(guān)鍵技術(shù)上取得突破，從而提升虛擬環(huán)境的用戶體驗真實感，增強虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)實用性，使操作者通過與虛擬環(huán)境的交互，獲得符合客

2、觀事物的發(fā)展規(guī)律、符合人類對真實世界感知能力的真實體驗。項目主要面向城市軌道交通的實際應(yīng)用需求，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)和良好顯示度、達(dá)到國際先進水平的典型應(yīng)用示范系統(tǒng)，以實現(xiàn)項目成果的集成與驗證，為研制出提升性能跨越性、打破國外壟斷的高端國產(chǎn)化平臺、系統(tǒng)和產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)，推動我國安全生產(chǎn)應(yīng)急救援領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及模擬演練的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。項目研究的重要性和緊迫性城市軌道交通運營安全的特殊性，決定了項目研究的重要性。由于城市軌道交通具有線長、點多、面廣的特點，客流密集，特別是地鐵深埋地下，環(huán)境封閉，在通風(fēng)、客流快速疏散等方面都受到很大限制，對運營安全防范帶來了很大的難度。尤其是近年來，一些國家的地鐵

3、成為恐怖襲擊和人為破壞的重要目標(biāo)之一，對社會造成的影響要明顯高于市內(nèi)其他的公共交通工具。這些突發(fā)事件很難防范，而且一旦發(fā)生，往往后果不堪設(shè)想，危害相當(dāng)嚴(yán)重。通過項目研究，能夠更好地掌握應(yīng)急狀態(tài)下的乘客行為特征，為應(yīng)急救援中的人員快速疏散提供可靠的理論基礎(chǔ)，避免踩踏等衍生事故發(fā)生，保護乘客安全；能夠?qū)α熊嚵鬟M行更為有效地管理和控制，為大客流的沖擊提供更為有效地運力保障，保證地鐵運營安全有序；能夠為不同等級應(yīng)急事件提供更為真實可信地調(diào)度指揮模擬平臺，為安全培訓(xùn)、預(yù)案演練和應(yīng)急決策等應(yīng)急管理工作提供科學(xué)手段，提升地鐵安全運營的應(yīng)急管理能力。城市軌道交通的高速發(fā)展，決定了項目研究的緊迫性。目前，我國的

4、城市軌道交通建設(shè)全面展開，全國已有20多個城市立項修建地鐵和輕軌，北京、上海、天津、重慶、武漢等9個城市已經(jīng)先后開通或正在建設(shè)城市軌道交通。同時，城市軌道交通發(fā)展的速度也在逐步加大。以北京市為例，2012年運營線路總里程數(shù)為400KM，日均客運量750萬人次，預(yù)計2015年運營線路總里程數(shù)為666KM，日均客運量1000萬人次。按照2020年的中期規(guī)劃，北京城市軌道交通運營線路總里程將達(dá)到798公里。按照2050年的長期規(guī)劃，北京市將有22條市區(qū)軌道線路，總長 693公里，加上郊區(qū)線路300多公里，北京軌道交通總里程將超過1000公里，公共交通設(shè)施將成為八成左右市民的主要交通工具，其中一半的人

5、將經(jīng)常使用軌道交通。城市軌道交通的高速發(fā)展給市民出行帶來便利的同時，也積蓄了更大的安全風(fēng)險，如高密度長時間大客流沖擊、地鐵事故造成的城市交通癱瘓、恐怖襲擊造成的群死群傷等等。原有地鐵的安全管理模式、安全設(shè)備設(shè)施、風(fēng)險防控體系和應(yīng)急處置措施等方面亟待進一步地提高，以滿足城市軌道交通高速發(fā)展的需求。本項目針對城市軌道交通安全管理的重點問題（突出事件下乘客行為模式、應(yīng)急調(diào)度指揮和預(yù)案模擬演練等）進行專項研究和重點攻關(guān)，并將這些關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)急救援實際工作相結(jié)合，形成相應(yīng)的安全生產(chǎn)和應(yīng)急管理平臺、系統(tǒng)和產(chǎn)品，提高應(yīng)急救援技術(shù)的科技含量，以適應(yīng)城市軌道交通高速發(fā)展的需要。國內(nèi)外同類研究進展情況城市軌道交通

6、列車流的管控模擬理論城市軌道交通列車流是交通工具流的組成部分，而交通工具流又是交通流的組織部分；因而，交通流模擬理論的發(fā)展帶動了交通工具流模擬理論的發(fā)展，進而帶動城市軌道交通列車流模擬理論的發(fā)展?；緢D方法和三相流理論是傳統(tǒng)交通流模擬理論的基礎(chǔ)，其中，基本圖方法是以交通工具的密度和流量關(guān)系為基礎(chǔ)發(fā)展出的一整套交通流理論，它將交通流區(qū)分為自由流相和擁擠流相。而作為交通流理論前沿的三相流理論，則進一步把擁擠流相劃分為同步流相和寬運動堵塞相。三相流理論在模擬實際交通狀況，特別是瓶頸處的交通擁塞狀況，相比基本圖方法更加符合實際觀測結(jié)果。交通流模型是模擬交通工具流發(fā)展演變的核心。根據(jù)研究方法的不同，交通

7、流模型可分為三類：基于流體力學(xué)的宏觀交通流模型、基于空氣動力學(xué)的介觀交通流模型和基于自驅(qū)動粒子理論的微觀交通流模型。宏觀交通流模型基于流體力學(xué)理論，將交通流看作由大量交通工具組成的連續(xù)介質(zhì)，主要研究流量、速度和密度三者之間的基本關(guān)系?；诳諝鈩恿W(xué)的介觀交通流模型采用氣體動力論理論的思想來描述交通流，將交通工具看成是相互作用的粒子，通過積分關(guān)于相空間密度分布函數(shù)的Bolzmann 方程，并引入近似關(guān)系來封閉方程組，從而得到交通流。微觀交通流模型將交通工具視為分散的相互作用的“自驅(qū)動”的粒子，著重研究交通工具之間相互跟隨和干擾的動力學(xué)行為，跟馳模型和元胞自動機模型是該方法的典型代表。人的行為特征

8、模擬技術(shù)的發(fā)展理論研究的趨勢是行為驅(qū)動機制從傳統(tǒng)的物理模型逐步發(fā)展為基于個體的動態(tài)離散化選擇機制，模擬環(huán)境也從離散化發(fā)展為連續(xù)的空間，模擬的的高精度、實時性以及規(guī)模化是該領(lǐng)域的追求目標(biāo)與發(fā)展趨接。有關(guān)行人微觀仿真的模型有社會力模型、元胞自動機模型和離散選擇模型等主要模型。幾種典型的微觀行人仿真模型比較見下表。表1典型微觀行人仿真模型比較成本效益元胞模型元胞自動機模型磁力模型社會力模型排隊網(wǎng)絡(luò)模型向目的地運動收益值定義方向異極相吸期望速度權(quán)重隨機選擇排斥作用成本值運動規(guī)則同極排斥相互作用力優(yōu)先規(guī)則(FIFO)變量賦值任意賦值或任意賦值物理意義物理意義程序編寫主導(dǎo)環(huán)節(jié)收益成本值計算If-then

9、規(guī)則(嘗試性)嘗試性動力學(xué)系統(tǒng)(連續(xù))排隊模型描述現(xiàn)象排隊排隊、自組織排隊、路徑搜索排隊、自組織排隊、疏散疏散時間評價不可能可能參數(shù)標(biāo)定觀測分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)觀測觀測觀測在對城市軌道交通車站行人行為特征模擬研究中，大部分學(xué)者們采用多智能體技術(shù)，分別針對車站整體行人行為或針對站臺乘降行為開發(fā)了乘客集散仿真系統(tǒng)?？梢娧芯口厔菔墙鉀Q基于個體的大規(guī)模車站系統(tǒng)下的行人行為仿真，以及針對車站行為的某個環(huán)節(jié)，開發(fā)出更逼近現(xiàn)實情況的高精度仿真系統(tǒng)。李得偉（2007）研究了基于多智能體的乘客集散微觀仿真模型，開發(fā)了城市軌道交通乘客集散仿真軟件MTR-PedSIM。該軟件的動態(tài)仿真模塊采用Agent技術(shù)實現(xiàn)樞紐內(nèi)乘客購

10、票、上下車、換乘行為的再現(xiàn)。胡清梅（2011）研究了基于認(rèn)知的軌道交通乘客運動仿真模型。該模型從人的認(rèn)知決策行為出發(fā)，借鑒Agent建模思想，建立乘客視覺感知、行為控制、運動路徑、移動和軌道交通環(huán)境知識模型，形成更復(fù)雜的乘客運動行為的過程，得出一般的解析模型無法得到的乘客群體運動混沌現(xiàn)象。Tatsuya INAGI(2011)研究了基于多智能體的乘客站臺乘降運動仿真模型，該模型采用磁力模型研究了不同行為特征乘客個體的乘降行為，包括選擇乘車位置、車門處乘客因避讓二次乘車、選擇舒適的車內(nèi)位置、從車廂中部出發(fā)的下車行為等精細(xì)化的乘降行為模型，形成了更加符合現(xiàn)實的乘降行為模擬。苗曉娟（2008）使用微

11、觀仿真軟件VISSIM對樞紐乘客上下車集散運行狀態(tài)進行仿真試驗，計算了關(guān)于樞紐內(nèi)乘客集散的評價指標(biāo)，對當(dāng)時規(guī)劃中北京地鐵10號線二期分鐘寺車站未來高峰時段的客流進行了仿真實驗。人群行為特征的演變模擬技術(shù)研究主要涉及人群行為建模與驗證、人群運動合成、動態(tài)人群實時繪制等三個方面。根據(jù)行為仿真的目的不同，人群行為建模方法從群體宏觀特征和角色微觀行為特征兩方面展開研究。宏觀模型主要側(cè)重于研究整個群體的行為真實性，它的描述對象是角色的集體交通行為，比如人群分組情況，組間交互方式，組內(nèi)行為規(guī)則等，一般針對高密度、大范圍的人群流動場景。與宏觀模型相對應(yīng)，微觀模型研究重在從角色個體的角度建模，將個體的行為組合

12、而得到人群的行為。它的描述對象是單個角色的交通行為，適合于人群不太密集，對個體行為精度要求較高的場合。宏觀建模方法主要包括博弈(決策)論模型、氣體(或流體)動力學(xué)模型、流體力學(xué)模型及其相關(guān)的擴展模型。早期宏觀模型主要用于為設(shè)計者提供設(shè)計和調(diào)整人群疏散方案的依據(jù)，Domencich（1975）利用博弈理論、決策理論以及傳播理論等原理而建立的模型。氣體或流體動力學(xué)模型則考慮人群為一個整體，Henderson（1971）建立人群行為類似于氣體或者流體流動的形式模型。Jiang（2010）基于流體力學(xué)建立的人流模型，可從宏觀上動態(tài)模擬行人流問題。宏觀建模方法對復(fù)雜環(huán)境的計算比較困難且不靈活，無法描述復(fù)

13、雜的流動行為以及個體間的異質(zhì)性。微觀建模方法主要包括社會力模型、元胞自動機模型和基于自主體的模型。Helbing（2000）建立了社會力模型，并使用微分方程求解，其復(fù)雜度高，對邊界條件依賴性大，效率相對較低。元胞自動機模型把空間和時間按照一定間距離散化、系統(tǒng)物理參量只取有限個數(shù)值集的物理系統(tǒng)簡化模型，元胞自動機不是由嚴(yán)格定義的物理方程或函數(shù)確定，而是用一系列模型構(gòu)造的規(guī)則構(gòu)成。元胞自動機模型的研究成果可以分成兩類：一類模型研究的是環(huán)境和行人間的交互；另外一類模型研究了行人與行人間的相互作用。元胞自動機方法將人的運動限制于離散的方格之中，其在時間和空間上都是離散的，因此仿真出來的人群運動不連續(xù)，

14、從而缺乏真實性。Sharma（2006）構(gòu)建了考慮自主體的模型，把模型中的個體看作是具有自我思考能力的自主體，能夠根據(jù)自身周圍的情況和獲得的信息進行判斷，并做出行為反應(yīng)。自主體模型能夠更好地體現(xiàn)人員的個體行為特征細(xì)節(jié)和人的智能性特點，但計算復(fù)雜度受人群規(guī)模的影響很大。（3）應(yīng)急指揮模擬演練平臺應(yīng)急指揮是基于模擬的實地救援環(huán)境，但考慮占地、經(jīng)費、重復(fù)性等客觀原因，不可能建立非常豐富的救援指揮訓(xùn)練環(huán)境。隨著計算機仿真技術(shù)的不斷提高，構(gòu)建應(yīng)急指揮訓(xùn)練仿真系統(tǒng)提供一個接近真實的訓(xùn)練環(huán)境，已成為訓(xùn)練指揮員的指揮能力的重要手段。國外對防災(zāi)、救災(zāi)應(yīng)急管理工作開展較早，并成立了專門的機構(gòu)，如美國的國土安全部，

15、其主要職責(zé)是通過緊急事件預(yù)防、應(yīng)急準(zhǔn)備、應(yīng)急響應(yīng)和災(zāi)后重建等全過程的應(yīng)急管理，領(lǐng)導(dǎo)國家應(yīng)對各種災(zāi)難，保護各種設(shè)施，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。國內(nèi)對防災(zāi)救災(zāi)管理工作開展較晚，自2003年“非典”后期，經(jīng)過10年發(fā)展，已經(jīng)日漸深入人們生活。雖然應(yīng)急指揮管理理念已深入人心，但應(yīng)急指揮技術(shù)平臺有待進一步提高，以軌道交通系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)下的應(yīng)急指揮系統(tǒng)只是將各種分散的系統(tǒng)信息匯集，缺乏突發(fā)事件發(fā)生后指揮工作的系統(tǒng)性和決策的高效性等。這些分散的小系統(tǒng)如：鐵路車站信號設(shè)備仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，成都運達(dá)科技股份有限公司，2013年，公開號：CN103021220A高速鐵路集控站調(diào)度仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，成都運達(dá)科技股份有限公司

16、，2012年，公開號：CN202331866U軌道列車駕駛仿真器操縱評價系統(tǒng)及其評價方法，成都運達(dá)軌道交通設(shè)備有限公司，2011年，公開號：CN102074143A一種城市軌道交通運行聯(lián)鎖仿真方法及仿真器，上海電機學(xué)院,2011年，公開號：CN102211599A軌道交通自動駕駛系統(tǒng)模型開發(fā)與仿真測試系統(tǒng)與方法，北京交通大學(xué)，2010年，公開號：CN101916311A鐵路綜合培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，中國神華能源股份有限公司、朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，2008年，公開號：CN101201982城市軌道交通信號系統(tǒng)的列車環(huán)境仿真器，南京恩瑞特實業(yè)有限公司，2008年，公開號：CN201051254鐵路機車

17、車輛運行仿真試驗臺，西南交通大學(xué)，2007年，公開號：CN1995949除上述專注“調(diào)度、信號、機車駕駛培訓(xùn)，軌道、車輛動力分析”等方面的系統(tǒng)外，也有一些多工種聯(lián)合的系統(tǒng)，如：軌道交通多工種聯(lián)合演練仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，成都運達(dá)軌道交通設(shè)備有限公司，2011年，公開號：CN201918047U。陳海濱等人（2009）介紹了中國首套鐵路運輸綜合仿真模擬培訓(xùn)系統(tǒng)朔黃鐵路運輸綜合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，系統(tǒng)以高性能的全功能列車駕駛模擬器為依托，與車站作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)和列車調(diào)度運行指揮仿真系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行，實現(xiàn)朔黃鐵路主體運輸作業(yè)過程的仿真，實踐了列車、行調(diào)、車站三位一體的整體聯(lián)合培訓(xùn)。李紫時等人（2010）提出應(yīng)用HLA

18、仿真架構(gòu)進行鐵路綜合培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計。解決了駕駛仿真器等DIS系統(tǒng)以前所面對的各系統(tǒng)通信相對混亂、維護成本高、不能保存各系統(tǒng)仿真進度同步等問題，解決對已有軟件的可重用和互操作，為基于廣域網(wǎng)的多單位聯(lián)合培訓(xùn)與預(yù)演的研究打下了基礎(chǔ)。依托北京交通大學(xué)核心技術(shù)成立的北京交控科技有限公司研發(fā)的城市軌道交通仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，實現(xiàn)了對列車駕駛員和調(diào)度人員在同一仿真環(huán)境下的三維實景仿真培訓(xùn)，可對正常與非正常情況下的列車運行進行模擬，且提供學(xué)員系統(tǒng)和教員系統(tǒng)，集培訓(xùn)和考核為一體。這些綜合系統(tǒng)側(cè)重于培訓(xùn)作用，在多種突發(fā)事件情形下的應(yīng)急事件預(yù)案庫構(gòu)建、應(yīng)急指揮決策效果評價等方面關(guān)注不足。因此，有必要借鑒在航空、軍事領(lǐng)域的調(diào)

19、度指揮平臺搭建方法和技術(shù)，做進一步完善。對安全生產(chǎn)應(yīng)急救援的作用和意義項目所做研究工作在城市軌道交通領(lǐng)域的安全生產(chǎn)應(yīng)急救援有著重大的作用和意義，具體表現(xiàn)在以下四個方面：用于城市軌道交通的設(shè)計和規(guī)劃，保證安全運營城市軌道安全首要的任務(wù)是保證乘客的安全，而保證乘客的安全首先要了解乘客的行為模式，尤其是突發(fā)事件下的乘客的行為模式。由于城市軌道交通的高速發(fā)展和技術(shù)日新月異，人們所面對的工程系統(tǒng)和指揮系統(tǒng)的復(fù)雜性已大大超過歷史上的同類系統(tǒng)。城市軌道交通在設(shè)計和規(guī)劃時，在建筑結(jié)構(gòu)、通道設(shè)計、通行能力、安全設(shè)備設(shè)施和安全保證措施等方面，都需要以客流的通暢與安全為首要考慮因素，這就需要對乘客的行為模式進行充分的了解，對設(shè)計方案進行反復(fù)論證和充分驗證，避免設(shè)計偏差造成巨大損失。通過本項目的研究，我們可以通過高可信的乘客行為模型和虛擬仿真環(huán)境對設(shè)計方案進行驗證，及時找到設(shè)計中可能存在的安全隱患和性能瓶頸，從而提高城市軌道交通設(shè)計和規(guī)劃的可靠性，從源頭上保證乘客的出行安全，為安全運營奠定良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。用于日常培訓(xùn)和演練，驗證安全管理體系的有效性遵循應(yīng)急管理體系中“平戰(zhàn)結(jié)合”的主體思想，強化日常的培訓(xùn)和演練，不但能夠提升應(yīng)急處置和應(yīng)急指揮的能力，而且可以驗證以應(yīng)急預(yù)案為核心的安全管理體系的有效性，使之成為體系持續(xù)改進的源動力。通過本項目的研究，能夠使虛擬