李 軍，李海玉，陳 波，秦 勇

(1.廣州市地下鐵道總公司， 廣州 510030; 2.北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

基于多維聯(lián)系數(shù)的城軌交通車(chē)站安全態(tài)勢(shì)理解模型研究

李 軍1，李海玉1，陳 波2，秦 勇2

(1.廣州市地下鐵道總公司， 廣州 510030; 2.北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

為提高城軌交通車(chē)站的安全性，提出一種基于多維聯(lián)系數(shù)的安全態(tài)勢(shì)理解模型以評(píng)估其安全狀態(tài)。首先通過(guò)城軌交通車(chē)站安全影響因素分析，建立城軌交通車(chē)站安全態(tài)勢(shì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，然后基于多維聯(lián)系數(shù)建立城軌交通車(chē)站安全態(tài)勢(shì)理解模型，最后以廣州地鐵某車(chē)站為例獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化并進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該模型真實(shí)反映車(chē)站安全狀況，能夠?yàn)楣芾碚咛峁Q策依據(jù)。

城軌交通；車(chē)站；安全態(tài)勢(shì)理解模型；多維聯(lián)系數(shù)；評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1 概述

目前，以地鐵、輕軌為主要的城市軌道交通以其特有的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越得到國(guó)內(nèi)各大中城市的關(guān)注和運(yùn)用[1]。安全，作為城軌交通的生命線，是整個(gè)城軌交通安全的關(guān)鍵組成之一。安全態(tài)勢(shì)理解從整體角度考慮車(chē)站的安全狀態(tài)，將各安全要素進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析、數(shù)據(jù)融合，最終通過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)融合算法得到車(chē)站的安全態(tài)勢(shì)值，以表征車(chē)站的安全狀況[2]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已在該領(lǐng)域展開(kāi)研究。歐濤等[3]提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的民航安全態(tài)勢(shì)評(píng)估模型，結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行民航安全態(tài)勢(shì)評(píng)估。韓敏娜等[4]提出基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)評(píng)估及趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型。姜智平[5]提出通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)地鐵盾構(gòu)區(qū)間下穿既有鐵路的安全評(píng)估。睢海濤等[6]構(gòu)建了基于LVQ網(wǎng)絡(luò)的宏觀城市交通安全態(tài)勢(shì)評(píng)估模型。胡啟洲等[7]基于非線性科學(xué)中的多維度理論，建立了基于多維聯(lián)系數(shù)的城市交通安全態(tài)勢(shì)監(jiān)控模型，直觀地反映出城市交通安全態(tài)勢(shì)的水平。

本文通過(guò)對(duì)車(chē)站內(nèi)的安全影響因素分析，建立安全態(tài)勢(shì)評(píng)價(jià)體系，并建立基于多維聯(lián)系數(shù)[8]的安全態(tài)勢(shì)理解模型，確定了車(chē)站的安全狀態(tài)，最后以地鐵某站為例，對(duì)本文提出方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 安全態(tài)勢(shì)理解及多維聯(lián)系數(shù)

2.1 安全態(tài)勢(shì)理解

安全態(tài)勢(shì)分析[9]包括態(tài)勢(shì)獲取、態(tài)勢(shì)理解和態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)三部分，其中態(tài)勢(shì)獲取是態(tài)勢(shì)分析的基礎(chǔ)，態(tài)勢(shì)理解是態(tài)勢(shì)分析的核心。

安全態(tài)勢(shì)理解是對(duì)當(dāng)前安全態(tài)勢(shì)的一個(gè)動(dòng)態(tài)推理理解過(guò)程。通過(guò)識(shí)別態(tài)勢(shì)信息中的安全事件，確定它們之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并依據(jù)受到的威脅程度得到安全態(tài)勢(shì)值，最后生成相應(yīng)的安全態(tài)勢(shì)圖，以反映系統(tǒng)的安全態(tài)勢(shì)狀況。城軌交通車(chē)站安全態(tài)勢(shì)值具有表現(xiàn)車(chē)站安全運(yùn)行狀況的特性，是對(duì)城軌交通車(chē)站安全態(tài)勢(shì)的定量表達(dá)。

2.2 多維聯(lián)系數(shù)的定義

當(dāng)有5個(gè)指標(biāo)時(shí)，多維聯(lián)系數(shù)為

3 城軌交通車(chē)站安全態(tài)勢(shì)理解模型

3.1 安全態(tài)勢(shì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

通過(guò)對(duì)城市軌道交通安全事故、客傷情況的分析，結(jié)合在某地鐵的調(diào)研情況，分析得到影響城市軌道交通車(chē)站安全的主要因素來(lái)自人、設(shè)備、環(huán)境和管理四個(gè)方面。

在建立安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)，應(yīng)遵循系統(tǒng)性原則、定性與定量分析相結(jié)合的原則、可操作性原則、可比性原則和科學(xué)性原則。根據(jù)這些原則，圖1給出了城軌交通車(chē)站安全態(tài)勢(shì)感知評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[10]。

圖1 城軌交通車(chē)站安全態(tài)勢(shì)感知評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

(1)人的因素

①站臺(tái)客流擁擠度

站臺(tái)客流擁擠度的計(jì)算公式為

式中，SICongestion表示站臺(tái)客流擁擠度；Q1表示客流高峰時(shí)段每秒進(jìn)站人數(shù)，人/s；Q2表示客流高峰時(shí)段每秒出站人數(shù)，人/s；S表示站臺(tái)候車(chē)區(qū)實(shí)際面積，m2；T1表示上列列車(chē)離開(kāi)至本次列車(chē)到達(dá)時(shí)間間隔，s；T2表示從站臺(tái)至站廳最長(zhǎng)行走時(shí)間，s；Φ表示站臺(tái)客流密度不均衡系數(shù)。

②工作人員管理能力

工作人員管理能力計(jì)算公式為

式中，SIGZ表示(t，t+Δt)時(shí)間段內(nèi)，工作人員管理能力；di表示(t，t+Δt)時(shí)間段內(nèi)，第i類工作人員的平均績(jī)效得數(shù)；αi表示第i類工作人員的管理能力影響車(chē)站運(yùn)營(yíng)安全的重要度；m表示第i類工作人員人數(shù)；dj表示第i類第j個(gè)工作人員的績(jī)效得分。

各類員工的管理能力影響車(chē)站運(yùn)營(yíng)安全的重要度如表1所示。

表1 重要度

③乘客責(zé)任事故指數(shù)

乘客責(zé)任事故指數(shù)計(jì)算公式為

SIpassenger=N

式中，SIPassenger表示(t，t+Δt)時(shí)間段內(nèi)，乘客責(zé)任事故指數(shù)；N表示(t，t+Δt)時(shí)間段內(nèi)，由乘客責(zé)任引起的客傷事故次數(shù)；Δt表示統(tǒng)計(jì)周期取1 d。

(2)設(shè)備因素

①FAS系統(tǒng)報(bào)警指數(shù)

FAS系統(tǒng)報(bào)警指數(shù)計(jì)算公式為

SIFAS=M+N

式中，SIFAS表示(t，t+Δt)時(shí)間段內(nèi)，F(xiàn)AS系統(tǒng)報(bào)警指數(shù)；M表示(t，t+Δt)時(shí)間段內(nèi)，F(xiàn)AS系統(tǒng)發(fā)生的漏報(bào)的次數(shù)；N表示(t，t+Δt)時(shí)間段內(nèi)，F(xiàn)AS系統(tǒng)發(fā)生的誤報(bào)的次數(shù)；Δt表示統(tǒng)計(jì)周期，取1 d。

②AFC系統(tǒng)安全指數(shù)

AFC系統(tǒng)安全指數(shù)計(jì)算公式為

式中，SIAFC表示(t，t+Δt)時(shí)間段內(nèi)，AFC系統(tǒng)安全指數(shù)；n表示地鐵車(chē)站現(xiàn)有的閘機(jī)和充值售票機(jī)的個(gè)數(shù)；T表示(t，t+Δt)時(shí)間段內(nèi)，第i個(gè)閘機(jī)或充值售票機(jī)設(shè)備故障維修時(shí)間；Tplan表示(t，t+Δt)時(shí)間段內(nèi)，第i個(gè)閘機(jī)或充值售票機(jī)設(shè)備計(jì)劃運(yùn)行時(shí)間；Δt表示統(tǒng)計(jì)周期，取1 d。

(3)環(huán)境因素

站內(nèi)綜合環(huán)境指數(shù)

站內(nèi)綜合環(huán)境指數(shù)計(jì)算公式為

式中，SIHJ表示(t，t+Δt)時(shí)間段內(nèi)，站內(nèi)綜合環(huán)境指數(shù)；Imax表示(t，t+Δt)時(shí)間段內(nèi)，最大質(zhì)量分指數(shù)；Iγ表示(t，t+Δt)時(shí)間段內(nèi)，平均質(zhì)量分指數(shù)；C1表示(t，t+Δt)時(shí)間段內(nèi)，第i種因素的測(cè)量值；S1表示(t，t+Δt)時(shí)間段內(nèi)，第i種因素的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值；Δt表示統(tǒng)計(jì)周期為1個(gè)季度；i分別為溫度、濕度和CO2。

(4)管理因素

車(chē)站應(yīng)急疏散能力

車(chē)站應(yīng)急疏散能力計(jì)算公式為

式中，SIT表示車(chē)站應(yīng)急疏散能力；1表示人員反應(yīng)時(shí)間，min；Q1表示客流高峰小時(shí)列車(chē)乘客數(shù)，人；Q2表示客流高峰小時(shí)站臺(tái)上候車(chē)乘客和站臺(tái)上工作人員，人；A1表示自動(dòng)扶梯通過(guò)能力，min·m；A2表示人行樓梯通過(guò)能力，人/min·m；N表示自動(dòng)扶梯臺(tái)數(shù)；B表示人行樓梯總寬度，m。N-1為計(jì)算中應(yīng)考慮1臺(tái)自動(dòng)扶梯損壞不能運(yùn)行的幾率，臺(tái)；0.9為(N-1)臺(tái)自動(dòng)扶梯和人行樓梯通行能力的折減系數(shù)。

3.2 基于多維聯(lián)系數(shù)的評(píng)價(jià)模型

由于各指標(biāo)的含義不同，指標(biāo)值的計(jì)算方法也不同，造成各個(gè)指標(biāo)的量綱各異。所以，為了使各指標(biāo)有公度性，通過(guò)構(gòu)造關(guān)聯(lián)函數(shù)將各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

當(dāng)ii為效益型指標(biāo)時(shí)

當(dāng)ii為成本型指標(biāo)時(shí)

根據(jù)式(2)和式(3)將決策矩陣D=(cij)m×n標(biāo)準(zhǔn)化后

利用建立的標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣(式(4))，就可以建立基于多維聯(lián)系數(shù)的評(píng)價(jià)模型，該模型的具體計(jì)算步驟如下。

步驟1：確定指標(biāo)的權(quán)重向量W=(w1，w2，…，wn)T；

3.3 城軌交通車(chē)站安全態(tài)勢(shì)理解數(shù)學(xué)模型

城軌交通車(chē)站安全態(tài)勢(shì)理解利用多維聯(lián)系數(shù)評(píng)價(jià)模型進(jìn)行研究分析，得到車(chē)站安全態(tài)勢(shì)值，表征車(chē)站的安全態(tài)勢(shì)。將評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的12個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)看成是12個(gè)維度，即可構(gòu)建城軌交通車(chē)站安全態(tài)勢(shì)理解的數(shù)學(xué)模型。城軌交通車(chē)站安全態(tài)勢(shì)理解的多維聯(lián)系數(shù)為

計(jì)算步驟如下。

步驟1：考察值的標(biāo)準(zhǔn)化處理

步驟2：確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)

本文結(jié)合灰色綜合關(guān)聯(lián)度[11，12]，提出利用灰色綜合關(guān)聯(lián)度的權(quán)重確定12個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量

W=(w1，w2，…，w12)T；

步驟3：確定車(chē)站安全態(tài)勢(shì)的絕對(duì)理想解和絕對(duì)負(fù)理想解

12個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的絕對(duì)理想解為

12個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的絕對(duì)負(fù)理想解為

步驟4：利用海明距離計(jì)算距離

12個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)到絕對(duì)理想解的距離

12個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)到絕對(duì)負(fù)理想解的距離

步驟5：計(jì)算安全態(tài)勢(shì)值

根據(jù)式(7)，可得安全態(tài)勢(shì)值pk。0≤pk≤1，pk越小，車(chē)站運(yùn)營(yíng)安全性越差，越容易引發(fā)事故，越危及車(chē)站的安全運(yùn)營(yíng)和乘客的安全；pk值越大，車(chē)站運(yùn)營(yíng)安全性越好，越能保證乘客的出行安全。

為了更加直觀、科學(xué)合理的測(cè)度車(chē)站的安全態(tài)勢(shì)，需要將城市軌道交通車(chē)站安全態(tài)勢(shì)值界定安全等級(jí)，通過(guò)專家建議、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[13]，本文將城市軌道交通車(chē)站安全態(tài)勢(shì)劃分為五級(jí)，得到等級(jí)界定的區(qū)間值見(jiàn)表2。

表2 城市軌道交通車(chē)站安全態(tài)勢(shì)等級(jí)界定

4 實(shí)例分析

本文研究對(duì)象為地鐵某車(chē)站。經(jīng)調(diào)研，該站現(xiàn)有工作人員分成5個(gè)班組，共45人，其中站長(zhǎng)1人，值班站長(zhǎng)5人，值班員9人，站務(wù)員30人。分向設(shè)計(jì)客流規(guī)模為南1號(hào)通道24%；南2號(hào)通道31%；北3號(hào)通道20%；北4號(hào)通道25%。站臺(tái)客流密度不均衡系數(shù)為2.25；車(chē)門(mén)/屏蔽門(mén)60對(duì)。該車(chē)站中心里程YDK7+356，車(chē)站長(zhǎng)度239.30 m，站臺(tái)寬度10.1 m，有效側(cè)站臺(tái)寬2.85 m。

本文基于MATLAB軟件平臺(tái)編程進(jìn)行基于多維聯(lián)系數(shù)的安全態(tài)勢(shì)理解研究。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為針對(duì)地鐵某車(chē)站建立的指標(biāo)體系中各指標(biāo)的量化值，共365組。由于各指標(biāo)量化值量綱不同，有較大的數(shù)量級(jí)差別，因此首先對(duì)指標(biāo)量化值進(jìn)行歸一化處理，圖2給出了各指標(biāo)處理之后的數(shù)據(jù)。設(shè)定灰色綜合關(guān)聯(lián)度參數(shù)如下：絕對(duì)位置差異和變化率位置差異的重視程度分別為λ1=λ2=0.5；絕對(duì)位置差異和變化率位置差異的辨識(shí)系數(shù)分別表示為ζ=η=0.5。數(shù)據(jù)行為參考序列為X0={1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1}，從而得到各指標(biāo)的權(quán)重為

w=(0.088 1，0.081 6，0.085 5，0.079 0，0.082 7，

0.089 9，0.091 3，0.083 8，0.078 5，0.081 5，

0.080 8，0.077 3)，

根據(jù)公式(7)進(jìn)行安全態(tài)勢(shì)值的計(jì)算，圖3給出了所得到的該站的安全態(tài)勢(shì)值。

圖2 各指標(biāo)量化值進(jìn)行歸一化處理

圖3 地鐵某站安全態(tài)勢(shì)值

根據(jù)城市軌道交通車(chē)站安全態(tài)勢(shì)等級(jí)界定表，該站2010年全年安全態(tài)勢(shì)值分布情況見(jiàn)表3。

表3 地鐵某站2010年安全態(tài)勢(shì)等級(jí)分布

由表3和圖3可以看出該站2010年車(chē)站安全態(tài)勢(shì)有59 d處于安全等級(jí)，其中2月14日、3月24日和12月6日安全態(tài)勢(shì)值大于0.9，乘客出行安全快捷；284 d處于低風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，說(shuō)明此站運(yùn)轉(zhuǎn)良好，乘客有一個(gè)較為安全的乘候車(chē)；有22 d車(chē)站處于中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，需要加強(qiáng)車(chē)站管理，采取防控措施，確保乘客出行安全和環(huán)境。在中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)中有7 d安全態(tài)勢(shì)值分布在0.4～0.5范圍內(nèi)，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，主要分布在春節(jié)前、元旦、“五一”和“十一”期間，具體日期及安全態(tài)勢(shì)值是1月1日為0.492 6、1月2日為0.490 5、1月3日為0.457 3、1月25日為0.476 9、5月1日為0.407 8、10月1日為0.460 4、10月2日為0.477 0。通過(guò)對(duì)車(chē)站同期值班資料的分析，發(fā)現(xiàn)這7 d內(nèi)車(chē)站客流大、通過(guò)型設(shè)備負(fù)荷過(guò)高，存在乘客違章及客傷事件等情況。建議車(chē)站工作人員加強(qiáng)客流疏導(dǎo)、設(shè)備巡檢力度和乘客安全教育工作，降低安全隱患，防止車(chē)站安全態(tài)勢(shì)向危險(xiǎn)等級(jí)發(fā)展。

5 結(jié)論

本文采用多維聯(lián)系數(shù)算法進(jìn)行了城軌交通車(chē)站安全態(tài)勢(shì)理解研究。首先構(gòu)建了城軌交通車(chē)站安全態(tài)勢(shì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，然后給出了詳細(xì)的基于多維聯(lián)系數(shù)的城軌交通車(chē)

站安態(tài)勢(shì)理解方法，最后以地鐵某站為例進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明了本文研究的有效性。

下一步的研究工作將采用諸如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)進(jìn)行安全態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)研究。

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Security Situation Comprehension Model of Urban Rail Transit Station Based on Multi-dimension Connection Number

LI Jun1， LI Hai-yu1， CHEN Bo2， QIN Yong2

(1.Guangzhou Metro Corporation， Guang Zhou 510030， China; 2.State Key Laboratory of Rail Traffic Control and Safety， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China)

To improve the safety of urban rail transit station， a security situation comprehension model of urban rail transit station based on multi-dimension connection number is proposed to assess the security status of the station. Firstly， the factors influencing the safety of rail transit station are analyzed to establish the evaluation index system of security situation. Then， the security situation comprehension model of rail transit station is built based on the multi-dimensional connection number. Finally， the evaluation index is quantized and verified. The test results show that the model reflects the real security situation in the station and can provide decision-making basis for managers．

Urban rail transit; Station; Security situation comprehension model; Multi-dimension connection number; Evaluation index system

2013-12-08；

：2014-01-02

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2011BAG01B02)

李 軍(1963—)，男，高級(jí)工程師。

1004-2954(2014)09-0129-06

U239.5

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.09.032