基于層次關(guān)聯(lián)系數(shù)法的地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)評(píng)估研究*

王起全

(中國勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院 安全工程系，北京 100048)

0 引言

隨著人類文明的不斷進(jìn)步，社會(huì)的生活節(jié)奏變得越來越快，出行對(duì)快速交通的需求也日趨增加，地鐵已經(jīng)成為我國多數(shù)城市人們出行的首選。由于乘坐地鐵方便快捷，受眾范圍廣，導(dǎo)致地鐵乘坐區(qū)域成為人員密度比較高的場(chǎng)所，同時(shí)又由于地鐵建于地下，其整體建構(gòu)封閉的特點(diǎn)，在乘客遭遇火災(zāi)、爆炸及踩踏等突發(fā)情況時(shí)，乘客的疏散非常困難，進(jìn)而導(dǎo)致乘客的生命安全受到嚴(yán)重威脅。

“智能疏散系統(tǒng)”作為應(yīng)對(duì)地鐵突發(fā)事故的智能系統(tǒng)，由控制主機(jī)、應(yīng)急電源、應(yīng)急標(biāo)志燈具、報(bào)警主機(jī)、探測(cè)器等多種設(shè)備組成，該系統(tǒng)在各個(gè)國家發(fā)揮著不同程度的疏散作用，智能疏散方式也有所不同。美國主要研究利用傳感器檢測(cè)事故信息，傳感器的接收器接收到無線電事故信號(hào)后，對(duì)其進(jìn)行分析處理，并判斷其信號(hào)的強(qiáng)弱，以此來控制相應(yīng)的疏散指示燈閃爍從而引導(dǎo)人員以最優(yōu)路線逃生；日本研究的智能疏散系統(tǒng)廣泛應(yīng)用疏散指示燈，根據(jù)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警信號(hào)而采取動(dòng)作的閃爍移動(dòng)疏散指揮系統(tǒng)，及基于哈斯效應(yīng)的聲音疏散指示系統(tǒng)[1]。新型傳感識(shí)別系統(tǒng)，如射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、普適計(jì)算、空間定位與追蹤、系統(tǒng)安防、信息管理等領(lǐng)域。我國針對(duì)地鐵火災(zāi)事故的應(yīng)急疏散，研究了火災(zāi)事故中人員疏散時(shí)間[2]、安全疏散[3]、疏散機(jī)制及策略。地鐵應(yīng)急聯(lián)動(dòng)方面，劉樂毅[4]分析地鐵發(fā)生較大以上突發(fā)事件時(shí)，地鐵公司與交通、醫(yī)療、環(huán)保、急救等外部支援部門之間的信息共享、應(yīng)急聯(lián)動(dòng)原則及技術(shù)管理；秦勇等[5]分析地鐵應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的流程、組織結(jié)構(gòu)及其系統(tǒng)構(gòu)成，分析了基于預(yù)案庫的應(yīng)急聯(lián)動(dòng)決策系統(tǒng)以及應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)問題；陸明[6]研究如何實(shí)現(xiàn)人員的聯(lián)動(dòng)和設(shè)備的聯(lián)動(dòng)有機(jī)結(jié)合，及不同火災(zāi)位置的聯(lián)動(dòng)控制策略；李江[7]探討火災(zāi)發(fā)生時(shí)，由消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)構(gòu)成的聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，通過改變疏散燈具指向，實(shí)現(xiàn)安全疏散；北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所研究了人群聚集場(chǎng)所智能地板的人群聚集風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)系統(tǒng)及應(yīng)用[8]。

從國內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)可知，目前學(xué)者們主要研究地鐵發(fā)生事故后的應(yīng)急聯(lián)動(dòng)流程，及有關(guān)人員、部門、設(shè)備的聯(lián)動(dòng)策略和措施，專門針對(duì)地鐵擁擠踩踏事故的應(yīng)急聯(lián)動(dòng)研究較少，且以預(yù)防地鐵事故發(fā)生為目的的監(jiān)測(cè)預(yù)警也較少涉及。針對(duì)以上情況，本文提出構(gòu)建“地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)”，由智能系統(tǒng)操控，通過布置設(shè)備設(shè)施，對(duì)地鐵站內(nèi)實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄、分析，并將人群擁擠踩踏風(fēng)險(xiǎn)值量化，通過計(jì)算機(jī)對(duì)當(dāng)前情況進(jìn)行運(yùn)算，得出合理解決方案，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵站的監(jiān)測(cè)、預(yù)警和應(yīng)急聯(lián)動(dòng)，確保對(duì)地鐵站實(shí)際安全狀況的控制，盡量避免人工主導(dǎo)應(yīng)急方案的疏忽；最后，通過引入層次關(guān)聯(lián)系數(shù)方法，對(duì)地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估分析，確定系統(tǒng)各要素指標(biāo)權(quán)重，并對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)功能進(jìn)行綜合評(píng)估，從而為進(jìn)一步研發(fā)、推廣和使用地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)提供技術(shù)支持。

1 地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)分析

1.1 地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成

地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)由人員信息跟蹤系統(tǒng)、人群密度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(視頻-紅外)、應(yīng)急疏散系統(tǒng)(蟻群算法)以及廣播信息系統(tǒng)4個(gè)子系統(tǒng)組成[1]。該應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)已在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了實(shí)物沙盤模型，并進(jìn)行了應(yīng)急模擬聯(lián)動(dòng)的小試測(cè)試，4個(gè)子系統(tǒng)分別在既定時(shí)間內(nèi)較為準(zhǔn)確地完成了各項(xiàng)任務(wù)，并較為完整地發(fā)揮了每個(gè)子系統(tǒng)的既定功能和作用。由于應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)備鋪設(shè)成本高、周期長，為便于后期應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的中試試點(diǎn)實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行的順利進(jìn)行，需要在投入中試前進(jìn)行必要的測(cè)試和評(píng)估。對(duì)地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的評(píng)估研究，需建立一套整體系統(tǒng)的評(píng)價(jià)體系。圖1是地鐵擁擠踩踏事故聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的功能流程圖，在對(duì)每個(gè)流程工作情況進(jìn)行反饋的基礎(chǔ)上，將其具體量化為體系中的每項(xiàng)指標(biāo)。

1)人員信息跟蹤系統(tǒng)

人員信息跟蹤系統(tǒng)的工作流程包括：驗(yàn)票閘機(jī)、視頻信息采集、一卡通信息交互以及RFID人員跟蹤等4個(gè)部分。根據(jù)任意時(shí)段通過驗(yàn)票閘機(jī)的乘客數(shù)量，確認(rèn)任意時(shí)刻地鐵站中存在的總乘客數(shù)量；通過視頻信息采集系統(tǒng)，在容易發(fā)生擁擠踩踏事故危險(xiǎn)區(qū)域，捕捉視頻可視范圍內(nèi)任一時(shí)刻的乘客數(shù)量，從而確認(rèn)各危險(xiǎn)區(qū)域視頻捕捉范圍的乘客數(shù)量區(qū)間；通過“一卡通”信息交互系統(tǒng)，分析“一卡通”中存入信息，判斷該持卡人基本信息；通過RFID人員跟蹤系統(tǒng)，追蹤地鐵站中擁擠踩踏事故易發(fā)區(qū)域內(nèi)任一RFID覆蓋范圍中的實(shí)時(shí)乘客數(shù)量。

2)人群密度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

人群密度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過視頻信息分析、RFID信息采集和數(shù)據(jù)處理等3個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，互相協(xié)調(diào)，并借助計(jì)算機(jī)終端的算法處理，最后計(jì)算出地鐵易發(fā)擁擠踩踏事故區(qū)域的實(shí)時(shí)人群密度。人群密度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是整個(gè)地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵，需準(zhǔn)確定位風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，并實(shí)時(shí)計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的人群數(shù)量、人群密度，為地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)輸入監(jiān)測(cè)信息，進(jìn)而及時(shí)準(zhǔn)確地啟動(dòng)應(yīng)急措施，以保證地鐵乘客的人身安全以及財(cái)產(chǎn)安全。

3)應(yīng)急疏散系統(tǒng)

應(yīng)急疏散系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)當(dāng)應(yīng)急系統(tǒng)針對(duì)人群密度值做出應(yīng)急預(yù)警措施時(shí)，在第一時(shí)間根據(jù)跟蹤系統(tǒng)對(duì)人流的判斷，以及對(duì)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的實(shí)時(shí)人群密度分析，將地鐵的擁擠踩踏事故風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域通過算法進(jìn)行合理分區(qū)。然后再將人群密度值，人員分散部位以及區(qū)域位置分布通過蟻群算法處理，從而計(jì)算出最適合每一部分區(qū)域乘客在應(yīng)急情況下的正確應(yīng)急逃生路線，確保乘客在緊急情況發(fā)生時(shí)采取最正確，最有效的應(yīng)急逃生疏散路線。

4)廣播信息系統(tǒng)

當(dāng)有緊急情況發(fā)生時(shí)，人能接收到的第一信息往往是通過視覺和聽覺捕捉到的，因此廣播信息系統(tǒng)由廣播提示和信息提示2部分組成。廣播信息系統(tǒng)通過應(yīng)急疏散系統(tǒng)得出相應(yīng)的疏散路線，在每塊區(qū)域及每個(gè)節(jié)點(diǎn)播放廣播提示，以讓乘客聽到疏散方向的指示，從聽覺上指揮乘客通過最佳的疏散路線進(jìn)行緊急疏散；而信息提示則是布置在地鐵各個(gè)醒目的位置，通過LED顯示屏將應(yīng)急疏散系統(tǒng)建議的疏散路線及時(shí)提供給地鐵中的乘客。

圖1 地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)工作流程Fig.1 Working process of emergency response system for subway stampede accident

1.2 地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)評(píng)估要素權(quán)重確定

地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的評(píng)估指標(biāo)分2個(gè)層級(jí)，如表1所示。

運(yùn)用“層次分析法”，構(gòu)造評(píng)估要素判斷矩陣，根據(jù)地鐵現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研并結(jié)合專家調(diào)查問卷，確定地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)各因素的權(quán)重[9]，如表2所示。

表2 地鐵擁擠踩踏事故評(píng)估因素的權(quán)重Table 2 Weighting table of factors for evaluation of subway crowded stampede

2 地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)評(píng)估

2.1 評(píng)估程序

地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急評(píng)估涉及因素復(fù)雜，采用傳統(tǒng)灰色系統(tǒng)或模糊數(shù)學(xué)方法進(jìn)行評(píng)估，分析數(shù)值存在一定誤差。綜合考慮，選擇層次關(guān)聯(lián)系數(shù)算法[10]，構(gòu)建關(guān)系系數(shù)樣本，計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)和系統(tǒng)功能評(píng)價(jià)變化數(shù)值，從而評(píng)價(jià)地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急評(píng)估系統(tǒng)性能[11-12]。

1)分析地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)評(píng)估要素，并建立層次模型，如表1所示。

2)建立評(píng)估狀態(tài)。與地鐵地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)評(píng)估有關(guān)的要素有N個(gè)，各要素的評(píng)估狀態(tài)表示如式(1)所示。

Y(i)={Y(i)(1),Y(i)(2),…,Y(i)(N)}(i=0,1,2)

(1)

①無預(yù)警狀態(tài)

無預(yù)警狀態(tài)是指沒有人為干預(yù)的狀態(tài)。在沒有擁擠踩踏事故發(fā)生時(shí)，處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)；在擁擠踩踏事故發(fā)生后，狀態(tài)發(fā)生變化。無預(yù)警的情況下，主要是依靠乘客的自身素質(zhì)，進(jìn)行自我調(diào)節(jié)和恢復(fù)。無預(yù)警狀態(tài)表示如式(2)所示。

Y(0)={Y(0)(1),Y(0)(2),…,Y(0)(N)}

(2)

式中：Y(0)(k)(k=1,2,…N)為系統(tǒng)評(píng)估要素；Y(k)表示在無預(yù)警狀態(tài)下的指標(biāo)值。

②人工預(yù)警管理狀態(tài)

目前，針對(duì)地鐵擁擠踩踏事故，主要是通過人工干預(yù)。如某一地點(diǎn)發(fā)生踩踏事故，接到報(bào)警后，工作人員迅速趕往現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行應(yīng)急處置和疏散，把這個(gè)狀態(tài)定義為比較的基準(zhǔn)狀態(tài)，如式(3)所示。

Y(1)={Y(1)(1),Y(1)(2),…,Y(1)(N)}

(3)

式中：Y(1)(k)(k=1,2,…N)為系統(tǒng)評(píng)估要素；Y(k)表示在人工預(yù)警狀態(tài)下的指標(biāo)值。

③智能預(yù)警管理狀態(tài)

智能化預(yù)警聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，可以全過程進(jìn)行應(yīng)急管理控制，提高應(yīng)急反應(yīng)效率，保障應(yīng)急管理的綜合協(xié)調(diào)能力，此狀態(tài)表示如式(4)所示。

Y(2)={Y(2)(1),Y(2)(2),…,Y(2)(N)}

(4)

式中：Y(2)(k)(k=1,2,…N)為系統(tǒng)評(píng)估要素；Y(k)表示在智能預(yù)警管理狀態(tài)下的指標(biāo)值。

3)計(jì)算地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)各評(píng)估要素關(guān)聯(lián)權(quán)重

依據(jù)層次分析法，確定地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)評(píng)估指標(biāo)及評(píng)估要素的權(quán)重，如表2所示。各子要素的關(guān)聯(lián)權(quán)重W(k)為2級(jí)要素的權(quán)重與對(duì)應(yīng)1級(jí)要素權(quán)重之積。

4)地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)評(píng)估要素關(guān)聯(lián)系數(shù)

地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)評(píng)估狀態(tài)Y(i)(i=0,1,2)，與評(píng)估狀態(tài)Y(0)關(guān)于第k(k=0,1,2…,N)個(gè)要素的關(guān)聯(lián)系數(shù)ζi(k)為：

(5)

式中：ζi(k)為狀態(tài)Y(i)對(duì)危險(xiǎn)狀態(tài)Y(0)第k個(gè)因素的關(guān)聯(lián)；ρ為分辨系數(shù)，0<ρ≤1，通常取0.5。

5)求取關(guān)聯(lián)度數(shù)值

地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)評(píng)估狀態(tài)Y(i)(i=0,1,2)與評(píng)估狀態(tài)Y(0)的關(guān)聯(lián)度Hi如式(6)所示。

(6)

6)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)

對(duì)地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)估，分別作出狀態(tài)變好、變壞和不變3種評(píng)估結(jié)果，變化程度為：

(7)

式中：H10為人工預(yù)警管理狀態(tài)與無預(yù)警狀態(tài)的比較；H20為智能預(yù)警管理狀態(tài)與無預(yù)警狀態(tài)的比較。

2.2 地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)評(píng)估分析

在綜合分析預(yù)警狀態(tài)的基礎(chǔ)上，對(duì)無預(yù)警狀態(tài)、人工預(yù)警管理狀態(tài)、智能預(yù)警管理狀態(tài)進(jìn)行深入研究[13]，并結(jié)合專家問卷調(diào)查給出評(píng)估分值，分值范圍為0～100分，并將預(yù)警評(píng)估狀態(tài)分成4個(gè)等級(jí)，分別為好(80～100分)、較好(60～<80分)、一般(40～<60分)、差(0～<40分)。分值越高，要素應(yīng)急預(yù)警狀態(tài)越好，反之越差。依據(jù)評(píng)估狀態(tài)分值，分別計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)ζ10(k)，ζ20(k)，要素關(guān)聯(lián)權(quán)重Wk，賦權(quán)關(guān)聯(lián)系數(shù)H1和H2，具體計(jì)算結(jié)果如表3所示。

依據(jù)式(7)，求取地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)評(píng)估狀態(tài)Y(i)(i=0,1,2)與評(píng)估狀態(tài)Y(0)的關(guān)聯(lián)度

從分析結(jié)果來看，使用地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)急管理的效果在人工預(yù)警的基礎(chǔ)上，比無預(yù)警狀態(tài)在整體應(yīng)急的能力和效果有效提高了56.7%，故在地鐵擁擠踩踏事故的主要發(fā)生部位，如電梯、自動(dòng)扶梯、上下車門口，設(shè)置智能化應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，可以從事故發(fā)生前、發(fā)生中、發(fā)生后全過程進(jìn)行分析和控制，提高應(yīng)急能力，節(jié)約人力和物力。

表3 地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)評(píng)估要素關(guān)聯(lián)系數(shù)Table 3 Correlation coefficient table for evaluation elements of emergency response system for subway stampede accident

3 結(jié)論

1)針對(duì)地鐵建構(gòu)封閉、人群擁擠的特點(diǎn)，從人員信息跟蹤系統(tǒng)、人群密度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(視頻-紅外)、應(yīng)急疏散系統(tǒng)(蟻群算法)以及廣播信息系統(tǒng)4個(gè)子系統(tǒng)角度，分析地鐵擁擠踩踏事故聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)功能；提出人群密度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是整個(gè)地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵，需準(zhǔn)確定位擁擠踩踏區(qū)域并計(jì)算實(shí)時(shí)人群密度；應(yīng)急疏散系統(tǒng)則用于計(jì)算每一部分區(qū)域乘客在應(yīng)急情況下最適合的應(yīng)急逃生路線。

2)使用層次關(guān)聯(lián)系數(shù)法，對(duì)地鐵擁擠踩踏事故無預(yù)警狀態(tài)、人工預(yù)警管理狀態(tài)及智能管理預(yù)警狀態(tài)，分別進(jìn)行關(guān)聯(lián)系數(shù)、要素關(guān)聯(lián)權(quán)重及權(quán)重關(guān)聯(lián)系數(shù)的定量分析和計(jì)算，并對(duì)地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)估，評(píng)估結(jié)果表明，使用智能化地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，可以全面提高應(yīng)急反應(yīng)速度。

3)地鐵擁擠踩踏事故具有突發(fā)性、不確定性，應(yīng)急管理難度大，構(gòu)建地鐵擁擠踩踏事故應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，還需密切結(jié)合地鐵運(yùn)營的實(shí)際情況，不斷檢驗(yàn)和完善其功能，以確保最終實(shí)際運(yùn)行效果。

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