地鐵運營危險源管理信息系統(tǒng)設(shè)計

唐菁菁， 王牡丹， 駱雪平

地鐵運營危險源管理信息系統(tǒng)設(shè)計

唐菁菁， 王牡丹， 駱雪平

（華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074）

針對我國地鐵運營安全事故頻發(fā)的現(xiàn)狀，為提高地鐵運營安全管理水平，本文旨在研究地鐵運營危險源定量評價方法并構(gòu)思管理信息系統(tǒng)設(shè)計?；趯Φ罔F運營人、物、環(huán)境、管理等四類危險源的具體辨識，先從地鐵運營安全事故發(fā)生的概率和造成的損失量兩個角度建立風(fēng)險矩陣，對危險源做出局部評價并劃分風(fēng)險等級，隨后提出運用SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對地鐵運營危險源做整體評價。最后借助無線射頻識別技術(shù)、基于Hadoop平臺的大數(shù)據(jù)管理等對前述決策支持信息進(jìn)行采集和分析，構(gòu)建具有實時監(jiān)測、分析評價和自動控制等三個核心功能的管理信息系統(tǒng)，從而協(xié)助地鐵公司實現(xiàn)對地鐵運營危險源的全過程、全方位智能化管理。

地鐵運營； 危險源； 管理信息系統(tǒng)； 風(fēng)險矩陣； SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

地鐵在城市交通體系中扮演著越來越重要的角色，但近年來地鐵運營事故頻發(fā)，如2015年4月20日深圳地鐵發(fā)生踩踏事故，2015年4月25日北京地鐵某乘客跳下站臺當(dāng)場死亡。地鐵運營安全管理亟待完善，相關(guān)研究亦具有積極意義。

本文針對此現(xiàn)狀對地鐵運營危險源進(jìn)行研究，依據(jù)危險源的定義和地鐵運營系統(tǒng)的特點對其進(jìn)行分類，從局部和整體兩個角度全面評價危險源的風(fēng)險程度，并運用新技術(shù)設(shè)計危險源管理信息系統(tǒng)，力求實現(xiàn)對危險源的實時監(jiān)測和動態(tài)評價，提高地鐵運營安全管理效率。

1 危險源辨識

根據(jù)GB/T 28001-2011《職業(yè)健康安全管理體系要求》，危險源指可能導(dǎo)致傷害或疾病、財產(chǎn)損失、工作環(huán)境破壞或這些情況組合的根源或狀態(tài)。

地鐵運營系統(tǒng)中的危險源可以劃分為人、物、環(huán)境和管理四大類［1］：

（1）與人有關(guān)的危險源

在地鐵系統(tǒng)中任何人的不安全行為都可能導(dǎo)致事故，據(jù)此相關(guān)危險源主要包括乘客和工作人員。

（2）與物有關(guān)的危險源

地鐵運營系統(tǒng)中存在著大量的設(shè)施設(shè)備，統(tǒng)計表明，由于設(shè)備設(shè)施故障導(dǎo)致地鐵運營事故的比例高達(dá)70%以上，因此需要對地鐵運營系統(tǒng)中可能成為危險源的設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)分類研究，如圖1所示。

圖1 與物有關(guān)的危險源

（3）與環(huán)境有關(guān)的危險源

地鐵是以地下運行為主的城市軌道交通系統(tǒng)，其環(huán)境很大程度上需依托于地鐵系統(tǒng)自身控制，同時地鐵系統(tǒng)易受外界環(huán)境的影響，如地震、水災(zāi)等。因此，與環(huán)境有關(guān)的危險源主要有天氣情況、空氣質(zhì)量和地質(zhì)情況三大類。

（4）與管理有關(guān)的危險源

地鐵作為公共交通系統(tǒng)，人流量大，設(shè)施及設(shè)備繁多，且長期保持運營狀態(tài)，因此在運營過程中一旦發(fā)生管理不當(dāng)也易導(dǎo)致危險的發(fā)生。與管理有關(guān)的危險源主要包括人員管理、設(shè)備管理和規(guī)章制度三大類。

地鐵運營系統(tǒng)中危險源具有種類多、數(shù)量大的特點，僅僅采用單一的識別方法很難全面地識別出危險源。因此本文擬綜合運用實地調(diào)查、問卷調(diào)查、資料查詢和事故分析識別地鐵系統(tǒng)的危險源，力求更加全面、可靠。

2 危險源評價

2.1 評價概述

危險源評價是對其風(fēng)險程度進(jìn)行評估，根據(jù)評估結(jié)果判斷地鐵運營系統(tǒng)所處的安全狀態(tài)。近年來，國內(nèi)學(xué)者關(guān)于地鐵運營風(fēng)險評估做了大量工作，有的致力于降低評價過程中的主觀因素，如層次分析法對指標(biāo)權(quán)重的確定［2］；有的致力于運用新思想構(gòu)建風(fēng)險評估模型，如基于集對分析理論的三元聯(lián)系度函數(shù)模型［3］；有的致力于將新興技術(shù)應(yīng)用于已有模型中，如基于云模型的模糊綜合評價方法［4］。

2.2 評價方法及思路

本文利用風(fēng)險矩陣評估方法（Risk Matrix Method，RMM）和SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Self-Organizing Maps，SOM）分別對地鐵運營系統(tǒng)危險源進(jìn)行局部評價和整體評價，建立一個精細(xì)、全面的評價體系。局部評價在于對危險源進(jìn)行針對性的實時控制，整體評價旨在對地鐵運營管理決策提供參考。評價思路如圖2所示。

圖2 危險源評價思路

2.2.1 局部評價

本文擬運用風(fēng)險矩陣評估方法從事故后果的損失量和發(fā)生的概率兩個角度定量評估地鐵運營過程中各個危險源的風(fēng)險程度，以便采取針對性的控制措施。

（1）事故損失量評估

結(jié)合危險源的定義，地鐵運營過程中危險源可能導(dǎo)致的事故后果主要為人員傷亡、財產(chǎn)損失和環(huán)境破壞。因此，需從這三方面來評估事故后果的損失量。鑒于其指標(biāo)屬性不同，故用等效經(jīng)濟損失來衡量，以便統(tǒng)一比較分析。本文擬采用如下數(shù)學(xué)模型來折算等效經(jīng)濟損失［5］：

S=C+20×（N1+0.5×N2+105/6000×N3）（1）式中：S為事故損失量（萬元）；C為直接財產(chǎn)損失的評估值（萬元）；N1、N2、N3為人員死亡、重傷、輕傷人數(shù)的評估值。根據(jù)GB 6441-86《企業(yè)職工傷亡事故分類標(biāo)準(zhǔn)》，輕傷指損失工作日為1個工作日以上（含1個工作日），105個工作日以下的失能傷害；重傷指損失工作日為105工作日以上（含105個工作日），6000個工作日以下的失能傷害；死亡指損失工作日為6000工作日以上（含6000工作日）的失能傷害。

由于事故引起的輕傷較多而影響不大，所以一般情況下沒有統(tǒng)計事故輕傷的數(shù)據(jù)。根據(jù)海因里希提出的“安全金字塔”法則可以得出事故與傷害程度之間的概率關(guān)系，即重傷或死亡、輕傷與無傷害人數(shù)比為1∶29∶300，從而可以根據(jù)事故的重傷和死亡人數(shù)大致估算出該事故的輕傷人數(shù)。

根據(jù)折算等效經(jīng)濟損失的數(shù)學(xué)模型和“安全金字塔”法則，并結(jié)合我國《生產(chǎn)安全事故報告和調(diào)查處理條例》中生產(chǎn)安全事故的分類等級標(biāo)準(zhǔn)，綜合計算出由等效經(jīng)濟損失表達(dá)的事故損失量分類標(biāo)準(zhǔn)（表1）。

表1 事故損失量等級劃分

（2）事故發(fā)生概率評估

事故發(fā)生概率評估是對危險源導(dǎo)致事故發(fā)生的可能性進(jìn)行評估。通過對地鐵運營系統(tǒng)中危險源的調(diào)查以及向有關(guān)專家和安全管理人員的詢問，結(jié)合危險源的分類建立了事故發(fā)生概率評價指標(biāo)體系（表2）。

根據(jù)危險源引發(fā)事故的可能性大小將事故易發(fā)性劃分為很小、較小、中等、較大和很大5個等級［6，7］，見表3。

（3）風(fēng)險等級評估

一般認(rèn)為，風(fēng)險大小由事故發(fā)生的概率p和事故后果的損失量q決定［7］，即R=f（p，q），因此，本文采用風(fēng)險矩陣法進(jìn)行風(fēng)險等級評估，將風(fēng)險發(fā)生概率和風(fēng)險發(fā)生后果置于一個矩陣中，兩者不同組合得到不同的風(fēng)險等級。

結(jié)合事故損失量q的5個等級和發(fā)生概率p的5個等級建立5×5的風(fēng)險矩陣，將風(fēng)險劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共5個等級，見表4、表5。

表2 事故發(fā)生概率評價指標(biāo)體系

表3 事故發(fā)生概率等級劃分

表4 風(fēng)險矩陣

表5 風(fēng)險處理原則

2.2.2 整體評價

本文運用SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對地鐵運營過程中的危險源進(jìn)行整體評價，為地鐵運營公司安全管理決策提供參考。SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬大腦神經(jīng)系統(tǒng)的自組織特征映射功能，是由一個全連接的神經(jīng)元陣列所組成的競爭型網(wǎng)絡(luò)，并在學(xué)習(xí)中能無導(dǎo)師進(jìn)行自組織學(xué)習(xí)［8］，避免評價過程中的人為因素，提高了評價的客觀性。

（1）建立評價模型

根據(jù)SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理，建立如圖3所示的評價模型。在該模型中，先利用樣本數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，選取樣本數(shù)據(jù)的內(nèi)在顯著特征并據(jù)此劃分類別。當(dāng)其通過聚類功能對樣本數(shù)據(jù)的分類結(jié)果與預(yù)先設(shè)定的風(fēng)險等級一致時，表明其聚類性能已達(dá)到評價風(fēng)險等級的程度。此后即可將待評數(shù)據(jù)和樣本數(shù)據(jù)的特征進(jìn)行相似性測量，并將待評數(shù)據(jù)劃分到與其最相似的那一類，則該類樣本數(shù)據(jù)的風(fēng)險等級即為待評數(shù)據(jù)的風(fēng)險等級［9］。

圖3 SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價模型

（2）訓(xùn)練過程

由于訓(xùn)練樣本的內(nèi)在特征會作為評價階段的潛在評價標(biāo)準(zhǔn)，即將待評數(shù)據(jù)和訓(xùn)練樣本的內(nèi)在特征進(jìn)行相似性測量，所以根據(jù)不同風(fēng)險等級分界點的中間值來構(gòu)建訓(xùn)練樣本比較合理。為保持局部評價和整體評價的一致性，結(jié)合局部評價中的風(fēng)險等級劃分，此處同樣將風(fēng)險劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共5個等級，為便于計算將其轉(zhuǎn)換為［0，1］內(nèi)的值，各等級分界點的中間值分別為0.9，0.7，0.5，0.3，0.1，以此建立SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過程的輸入樣本［9］，見表6。

表6 地鐵運營整體風(fēng)險評價訓(xùn)練樣本

（3）評價過程

將各個危險源的局部評價結(jié)果作為待評數(shù)據(jù)輸入已訓(xùn)練的SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)待評數(shù)據(jù)的相似性測量結(jié)果進(jìn)行分類，輸出待評數(shù)據(jù)的風(fēng)險等級，即地鐵運營系統(tǒng)整體風(fēng)險等級，作為地鐵運營公司進(jìn)行安全管理的決策參考。

3 管理信息系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)概述

本文擬運用新技術(shù)設(shè)計一個管理信息系統(tǒng)對地鐵運營中的危險源進(jìn)行管理，包括危險源的識別、評價以及控制等功能，實現(xiàn)對危險源的智能化管理，既減輕了工作人員的工作量，又提高了危險源管理效率。

3.2 系統(tǒng)模塊設(shè)計

結(jié)合危險源的辨識、評價和控制的管理流程，本系統(tǒng)主要由用于收集危險源狀態(tài)信息的采集中心、用于分析危險源危險程度的分析中心和用于控制危險源的控制中心等三個基本模塊組成。另外，通過大數(shù)據(jù)平臺管理系統(tǒng)并利用云（Cloud）連接各地鐵線路的大數(shù)據(jù)平臺，以互享危險源管理信息，共同提高地鐵運營管理水平。本系統(tǒng)的模塊設(shè)計思路如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)模塊設(shè)計思路

3.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

3.3.1 采集功能

該系統(tǒng)的采集功能由采集中心實現(xiàn)，它用于獲取危險源狀態(tài)的原始數(shù)據(jù)，是系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)。根據(jù)采集的方式將其分為主動采集與被動采集。

（1）主動采集

主動采集引入無線射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）。該技術(shù)利用射頻信號實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識別目的。它主要由應(yīng)答器（如標(biāo)簽）和閱讀器組成，應(yīng)答器附著在物體上標(biāo)識目標(biāo)對象并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，閱讀器則用于讀取標(biāo)簽信息并完成數(shù)據(jù)傳遞。

本系統(tǒng)在地鐵運營系統(tǒng)的關(guān)鍵位置設(shè)標(biāo)簽，對其狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，并由無線射頻將標(biāo)簽采集的數(shù)據(jù)傳遞至閱讀器，閱讀器再將數(shù)據(jù)傳遞至該系統(tǒng)的采集中心。主動采集的數(shù)據(jù)傳遞過程如圖5所示。

圖5 主動采集工作原理

（2）被動采集

被動采集通過面對乘客和工作人員的反饋機制實現(xiàn)：在地鐵運營系統(tǒng)中設(shè)立反饋設(shè)備如意見簿、熱線電話和終端設(shè)備，以收集乘客以及工作人員所意識到的危險源。

本系統(tǒng)采集中心的界面如圖6所示。

圖6 主動采集中心工作界面

3.3.2 分析功能

該系統(tǒng)的分析功能由分析中心實現(xiàn)，它從局部和整體兩方面對危險源進(jìn)行分析。局部分析運用風(fēng)險矩陣法對各個危險源的狀態(tài)評價。先將地鐵事故的相關(guān)信息如某危險源導(dǎo)致事故發(fā)生的頻率及其后果的嚴(yán)重程度預(yù)置到系統(tǒng)中，然后分析中心基于預(yù)置信息對實時監(jiān)測到的危險源狀態(tài)進(jìn)行評價，并針對評價結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的控制指令。整體分析是通過SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對地鐵運營風(fēng)險整體的評價，使地鐵運營安全管理者及時發(fā)現(xiàn)管理缺陷，并為其提供管理決策參考。

3.3.3 控制功能

該系統(tǒng)控制功能由控制中心實現(xiàn)，它是基于預(yù)置的反應(yīng)機制實現(xiàn)依據(jù)評價結(jié)果對危險源的自動控制，如圖7所示。先將危險源可能的異常狀態(tài)和相應(yīng)的反應(yīng)機制預(yù)置到系統(tǒng)中，在收到分析中心的評價結(jié)果為異常的報告時，即進(jìn)入危險源異常狀態(tài)庫中查詢，一旦檢測出評價結(jié)果和庫中任一狀態(tài)相匹配，系統(tǒng)便自動開啟相應(yīng)的控制模式；若未查詢到與之匹配的狀態(tài)時，則將此異常狀態(tài)報告發(fā)送至人工控制室，由工作人員控制。最后將控制結(jié)果反饋給控制數(shù)據(jù)庫、異常狀態(tài)庫和大數(shù)據(jù)平臺，以實時更新其數(shù)據(jù)。

圖7 控制中心工作機制

3.3.4 大數(shù)據(jù)管理功能

該系統(tǒng)大數(shù)據(jù)管理功能由大數(shù)據(jù)平臺實現(xiàn)，它主要用于存儲系統(tǒng)的全部數(shù)據(jù)，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)流的傳遞中心。本系統(tǒng)擬運用Hadoop建立大數(shù)據(jù)平臺，Hadoop是開源分布式計算平臺，擅長對非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（傳感器、反饋文本、多媒體數(shù)據(jù)等）、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（設(shè)備日志、系統(tǒng)日志等）的處理。

Hadoop的體系結(jié)構(gòu)主要是實現(xiàn)對分布式存儲底層支持的HDFS和實現(xiàn)分布式并行任務(wù)處理程序支持的MR（Map Reduce），二者共同完成分布式集群的主要任務(wù)。而Hive是基于Hadoop的數(shù)據(jù)倉庫基礎(chǔ)架構(gòu)，它提供了一系列用于數(shù)據(jù)提取、轉(zhuǎn)換和加載的工具，是一種存儲、查詢和分析大規(guī)模數(shù)據(jù)的機制［10］。

同時，本系統(tǒng)運用大數(shù)據(jù)分析從橫向和縱向兩個角度挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)部信息。橫向角度是立足于地鐵運營系統(tǒng)的分析，比如通過對統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析挖掘出地鐵運營系統(tǒng)中風(fēng)險性較大的危險源，以便對其重點控制；縱向角度是立足于地鐵運營時間軸的線分析，比如通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)挖掘客流量變化規(guī)律，以合理安排引導(dǎo)人流的工作人員。

4 結(jié) 論

（1）建立以危險源為對象的地鐵運營安全管理研究新視角，指出地鐵運營安全管理應(yīng)以事故的根源為起點，提出危險源的辨識與評價體系。

（2）本文通過風(fēng)險矩陣評價各個危險源，SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價地鐵系統(tǒng)，從局部和整體兩個角度進(jìn)行精細(xì)、全面的危險源管理。

（3）基于危險源的理論基礎(chǔ)，引入無線射頻識別技術(shù)（RFID）、基于Hadoop平臺的大數(shù)據(jù)技術(shù)、管理信息系統(tǒng)技術(shù)等新興技術(shù)至地鐵運營風(fēng)險源管理中，設(shè)計地鐵運營風(fēng)險源管理信息系統(tǒng)功能，力求達(dá)到實時、高效、智能的安全管理。

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Designing of Risk Sources M anagement Information System for M etro Operation

TANG Jing-jing，WANGMu-dan，LUO Xue-ping
（School of Civil Engineering and Mechanics，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

Nowadays safety accidents ofmetro operation are happening with an increasing frequency in our country.In order to improve the safety management level of metro operation，this paper concentrates on the quantitative evaluationmethods of the risk sources inmetro operation and designs themanagement information system formetro operation.First，the risk sources inmetro operation are identified from four aspects that are the human，the object，the environment and the management. Then，tomake partial evaluation of them，the riskmatrix is established by the probability and the loss of the safety accident in metro operation，and the risk level is classified.Afterwards，SOM neural network model is applied to make integral evaluation of risk sources in metro operation.Finally，it uses radio frequency identification technology and big datamanagement based on Hadoop platform to collect and analyze the aforementioned decision support information.Accordingly，the management information system with three core functions：real-timemonitoring，analysis and evaluation，automatic control，is established to assist the metro company to realize the whole-process and whole-aspect intelligentmanagement for risk source in metro operation.

metro operation；risk source；management information system；riskmatrixmethod；SOM neural network

U298

A

2095-0985（2016）04-0063-05

2015-11-19

2016-01-12

唐菁菁（1972-），女，貴州貴陽人，講師，博士，研究方向為工程管理（Email：tjj97@126.com）