基于多智能體的運(yùn)營高速鐵路救援仿真研究

李 斯 ，龐 帥 ，姚建平 ，樓梁偉 ，熊亞軍 ，吳江彪 ，葉曉宇

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2. 北京鐵科特種工程技術(shù)開發(fā)公司，北京 100081）

截止到2017年底，我國鐵路營業(yè)里程達(dá)到12.7萬km，其中，高速鐵路達(dá)到2.5萬km[1]，作為交通運(yùn)輸領(lǐng)域的新興產(chǎn)物，高速鐵路極大地推進(jìn)了我國客運(yùn)運(yùn)輸狀況的改善，并顯現(xiàn)出其高速度、高密度、大運(yùn)量的特點(diǎn)和優(yōu)勢。也正是這些特點(diǎn)，決定了高速鐵路一旦發(fā)生事故的嚴(yán)重后果。因而，如何提高高速鐵路應(yīng)急反應(yīng)能力成了鐵路部門的熱門話題。

在高速鐵路突發(fā)災(zāi)難后，實(shí)現(xiàn)安全、有效、秩序的救援是救援過程研究的重要環(huán)節(jié)。高速鐵路由于其客運(yùn)量大、全天候運(yùn)營的特點(diǎn)，就形成了對其在突發(fā)災(zāi)難下救援過程研究最好的方式就是通過虛擬仿真方式來實(shí)現(xiàn)。高速鐵路突發(fā)災(zāi)難救援過程涉及的災(zāi)難場景較為復(fù)雜、救援對象種類較多、被救援對象存在較大的不可控性，因此，可通過多智能體救援仿真的方式將高速鐵路突發(fā)災(zāi)難救援進(jìn)行全過程仿真。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對鐵路事故應(yīng)急救援和基于多智能體災(zāi)后救援進(jìn)行了大量的研究[2-8]，但是這些研究都沒有深入到具體的工程實(shí)踐中，尚不能為現(xiàn)實(shí)的災(zāi)后救援提供指導(dǎo)意義，鑒于此，通過分析運(yùn)營高速鐵路突發(fā)事故后的多智能體救援仿真就尤為重要。

1 多智能體救援技術(shù)與策略分析

1.1 多智能體救援仿真平臺

多智能體救援仿真平臺（RCRSS，RoboCup-Rescue Simulation System）是一個(gè)公開研究結(jié)果和源代碼的項(xiàng)目，世界上任何地區(qū)的研究人員都可以參加這個(gè)項(xiàng)目，進(jìn)行研究、訓(xùn)練和互聯(lián)網(wǎng)教育[9]。通過模擬災(zāi)難場景，用智能體進(jìn)行救援仿真，使救援智能體進(jìn)行有效的分工協(xié)作，完成營救被困人員、撲滅火災(zāi)、疏通道路等救援任務(wù)，以最大限度地減小災(zāi)難帶來的損失。

1.2 高速鐵路災(zāi)難救援智能體構(gòu)建

在高速鐵路重大事故災(zāi)難空間中，定義了諸如建筑物、道路、人類等對象及其層次結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 高速鐵路重大事故災(zāi)難空間中所有對象的類層次結(jié)構(gòu)

高速鐵路災(zāi)難救援仿真中的智能體控制高速鐵路災(zāi)難空間中可控對象的行為，可控對象一共分7類：被困人員、醫(yī)療團(tuán)隊(duì)、消防團(tuán)隊(duì)、清障團(tuán)隊(duì)、救護(hù)中心、消防中心、清障中心?？刂票焕藛T對象的智能體稱為被困人員智能體，控制醫(yī)療團(tuán)隊(duì)對象的智能體稱為醫(yī)療團(tuán)隊(duì)智能體等。

救援智能體具有不同的認(rèn)知能力，并根據(jù)其類型不同完成職責(zé)內(nèi)的救援任務(wù)如表1所示。救援智能體通過視覺能力（Sense）獲得視覺信息，通過聽覺能力（Hear）獲得聽覺信息，并且通過移動(dòng)（Move）、救援（Rescue）、裝載（Load）、卸載（Unload）、滅火（Extinguish）和清除路障（Clear）等能力來行動(dòng)，并且通過說話能力（Say）發(fā)出自然語言，通過無線電進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信（Tell）。

表1 救援智能體能力表

1.3 多智能體協(xié)作救援策略分析

在高速鐵路重大事故災(zāi)難空間中，救援智能體間通過相互協(xié)作來高效完成救援任務(wù)，共分為兩個(gè)部分：（1）同類智能體間協(xié)作；（2）異類智能體間協(xié)作[10]。同類智能體間協(xié)作是指同一屬性的救援智能體通過分組的方式的相互配合完成自己職能范圍內(nèi)的救援任務(wù)，例如清障團(tuán)隊(duì)疏通道路、消防團(tuán)隊(duì)撲滅火災(zāi)、醫(yī)療團(tuán)隊(duì)救護(hù)傷員。異類智能體間協(xié)作是指每個(gè)仿真周期前（在本救援模型中，每個(gè)仿真周期代表現(xiàn)實(shí)救援時(shí)間30 s），所有的救援智能體會(huì)向內(nèi)核發(fā)送視覺命令，內(nèi)核能清晰的“看到”每個(gè)救援智能體所處的位置，任務(wù)完成的進(jìn)度，所能到達(dá)的區(qū)域范圍等，基于救援任務(wù)的“重要度”，對周圍可用智能體進(jìn)行任務(wù)修正。同類智能體間協(xié)作是救援過程的基礎(chǔ)，異類智能體間協(xié)作是救援過程高效完成的保障。同類智能體間協(xié)作與現(xiàn)實(shí)救援并無太大差別，救援團(tuán)隊(duì)能完成相應(yīng)的救援任務(wù)；而異類智能體間協(xié)作是主要區(qū)別于現(xiàn)實(shí)救援的重要部分，現(xiàn)實(shí)救援中，往往由于部門不同引起指揮不統(tǒng)一，溝通不順暢，配合不協(xié)調(diào)，從而導(dǎo)致救援效率的低下，而異類智能體協(xié)作救援過程中，由于內(nèi)核的存在，恰好能輕易地解決現(xiàn)實(shí)救援存在的問題，從而大大提高救援效率。多智能體協(xié)作救援模式如圖2所示。

圖2 多智能體協(xié)作救援模式圖

2 高鐵車站突發(fā)災(zāi)難救援仿真案例分析

2.1 高鐵車站突發(fā)災(zāi)難救援模型空間

假設(shè)：某高鐵車站到達(dá)層內(nèi)部多處突發(fā)火災(zāi)，供電線路中斷，交通混亂，南北6個(gè)出口、東西進(jìn)站廳及扶梯堵塞，并滯留大量乘客及工作人員。在該高鐵車站突發(fā)大型災(zāi)難后，救援體系及時(shí)響應(yīng)。在地鐵出口C處設(shè)置一處避難所，并且在該處有10支醫(yī)療團(tuán)隊(duì)待命開始搜索救援和1支清障團(tuán)隊(duì)保障醫(yī)療團(tuán)隊(duì)仿真初期的順利通行；西南角電梯處和西北角公安值班室各有8支消防團(tuán)隊(duì)待命開始搜索滅火和1支清障團(tuán)隊(duì)保障消防團(tuán)隊(duì)仿真初期的順利通行；10個(gè)不同的扶梯位置分別有10支清障團(tuán)隊(duì)待命開始搜索清理路障，其中醫(yī)療團(tuán)隊(duì)和消防團(tuán)隊(duì)初始位置各有1支清障團(tuán)隊(duì)以保障醫(yī)療團(tuán)隊(duì)和消防團(tuán)隊(duì)在仿真初期的道路順利通行；B1鐵路售票處、B2鐵路售票處間和B3鐵路售票處、B4鐵路售票處間存在兩處消防栓。救援仿真初始地圖如圖3所示。

圖3 救援仿真初始地圖

2.2 救援過程分析

在救援初期，位于各處的清障團(tuán)隊(duì)率先工作，識別視野范圍內(nèi)的路障，并清理出可供被困人員和救援團(tuán)隊(duì)通行的道路，與醫(yī)療團(tuán)隊(duì)和消防團(tuán)隊(duì)在同一位置的清障團(tuán)隊(duì)清理道路堵塞，保障前期醫(yī)療團(tuán)隊(duì)和消防團(tuán)隊(duì)就能開始大面積遍歷地圖，如圖4所示。

圖4 仿真初期救援圖

180周期（1.5 h）時(shí)，車站道路已全部疏通；所有被困人員得到救治，醫(yī)療團(tuán)隊(duì)遍歷地圖未發(fā)現(xiàn)任何被困人員；偶發(fā)的小型火災(zāi)能夠立刻被撲滅，此時(shí)，未有人員死亡，建筑物一處被徹底燒毀，25處有低程度燒傷（共有建筑235處），占全部的10.6%，如圖5所示。救援過程宣告結(jié)束，按“誰啟動(dòng)、誰結(jié)束”的原則，執(zhí)行應(yīng)急關(guān)閉程序，由啟動(dòng)單位宣布救援結(jié)束。

2.3 仿真結(jié)果分析

在本次救援仿真中，經(jīng)過120周期（1 h），救援隊(duì)伍已基本消滅險(xiǎn)情，180周期（1.5 h），救援結(jié)束。整體評價(jià)變化如圖6所示，剩余建筑物百分比變化如圖7所示，存活被困人員數(shù)量變化如圖8所示，被困人員生命值變化如圖9所示。

圖5 仿真180周期救援圖

圖6 整體評價(jià)變化圖

圖7 剩余建筑物百分比變化圖

圖8 存活被困人員數(shù)量變化圖

圖9 被困人員生命值變化圖

在本次仿真的180周期（1.5 h）中，各救援智能體高效執(zhí)行救援命令，清障團(tuán)隊(duì)在救援中前期迅速清理路障，疏通道路，為消防團(tuán)隊(duì)滅火和醫(yī)療團(tuán)隊(duì)救援提供必要的基礎(chǔ)條件。為喪失移動(dòng)能力的被困人員能在道路疏通后，在救援團(tuán)隊(duì)的引導(dǎo)下，迅速前往避難所尋求救援。道路疏通后，醫(yī)療團(tuán)隊(duì)能夠迅速抵達(dá)被困人員所在建筑物內(nèi)，實(shí)施救援任務(wù)，救援完成后，并將其輸送到避難所，當(dāng)一個(gè)醫(yī)療團(tuán)隊(duì)無法迅速救援時(shí)，會(huì)調(diào)集周圍醫(yī)療團(tuán)隊(duì)，多個(gè)醫(yī)療團(tuán)隊(duì)協(xié)作救援，加大救援效率，減小被困人員的受損程度。在道路疏通后，多個(gè)消防團(tuán)隊(duì)能夠迅速抵達(dá)火災(zāi)發(fā)生處，協(xié)作分工對火災(zāi)發(fā)生處不同建筑物進(jìn)行滅火，優(yōu)先解決小型火源，集中多個(gè)消防團(tuán)隊(duì)解決大型火源，以降低建筑物的損壞程度。

本次仿真能夠迅速解決發(fā)生在高鐵車站的災(zāi)難，救出所有被困人員，結(jié)果數(shù)據(jù)正常，符合災(zāi)難發(fā)生后的救援過程，相較于現(xiàn)實(shí)的救援過程，救援效率更高，符合預(yù)期目標(biāo)。

3 高鐵線路重大事故救援仿真案例分析

3.1 高鐵線路重大事故救援模型空間

假設(shè)：某班次高鐵列車在即將抵達(dá)某高鐵站的運(yùn)行過程中，突發(fā)故障，由于某種特殊原因，導(dǎo)致部分乘客滯留在高鐵線路上、部分乘客分散到周圍的建筑物中，故障發(fā)生地點(diǎn)位于某高鐵車站以北，乘客分散到部分建筑物中，部分乘客可能被困，喪失移動(dòng)能力，亟待救援。

在救援仿真地圖中的高鐵線路和周圍建筑物中滯留數(shù)量不明的乘客，且部分乘客被困，喪失移動(dòng)能力。醫(yī)療團(tuán)隊(duì)抵達(dá)救援區(qū)域后分別設(shè)立兩處避難所，每個(gè)位置有8支醫(yī)療團(tuán)隊(duì)和1支清障團(tuán)隊(duì)待命。某高鐵站組織的10支清障團(tuán)隊(duì)抵達(dá)規(guī)定處待命，負(fù)責(zé)疏通周圍建筑物道路，供醫(yī)療團(tuán)隊(duì)疏散搜救被困乘客。清障團(tuán)隊(duì)、醫(yī)療團(tuán)隊(duì)、避難所的位置已知，被困人員的位置未知。救援仿真初始地圖如圖10所示。

圖10 救援仿真初始地圖

3.2 救援過程分析

在救援仿真初期，清障團(tuán)隊(duì)疏通避難所及周邊主要道路后，滯留在高鐵線路上的19位乘客，及周邊建筑物中未喪失移動(dòng)能力的23位乘客在救援團(tuán)隊(duì)的引導(dǎo)下，向兩處避難所移動(dòng)，如圖11所示。

圖11 仿真初期救援圖

180周期（1.5 h），救援地圖道路已全部疏通，所有被困乘客已得到救助，醫(yī)療團(tuán)隊(duì)遍歷搜索地圖，未發(fā)現(xiàn)被困乘客，如圖12所示。救援過程宣告結(jié)束，按“誰啟動(dòng)、誰結(jié)束”的原則，執(zhí)行應(yīng)急關(guān)閉程序，由啟動(dòng)單位宣布救援結(jié)束。

3.3 仿真結(jié)果分析

在本次救援仿真中，經(jīng)過130周期（1.08 h），清障團(tuán)隊(duì)已基本疏通道路，醫(yī)療團(tuán)隊(duì)遍歷地圖，正在救助最后一處被困乘客，180周期（1.5 h），道路已全部疏通，被困乘客全部得到救助，救援結(jié)束。整體評價(jià)變化如圖13所示，存活乘客數(shù)量變化如圖14所示，乘客生命值變化如圖15所示。

圖12 仿真180周期救援圖

圖13 整體評價(jià)變化圖

圖14 存活乘客數(shù)量變化圖

在本次仿真前，由于道路堵塞過多，清障團(tuán)隊(duì)未及時(shí)疏通全部道路，導(dǎo)致部分被困乘客生命值有所下降，但未造成人員死亡。中期，清障團(tuán)隊(duì)合理分工，迅速清理路障，疏通道路。醫(yī)療團(tuán)隊(duì)遍歷周圍建筑物，發(fā)現(xiàn)被困人員后，集中多支醫(yī)療團(tuán)隊(duì)，高效救援，減小被困乘客的受損程度。

圖15 乘客生命值變化圖

本次仿真能夠迅速解決發(fā)生在高鐵線路乘客滯留、分散在周圍區(qū)域的重大事故，疏通道路，救出所有被困乘客，結(jié)果數(shù)據(jù)正常，符合重大事故發(fā)生后的救援過程，相較于現(xiàn)實(shí)的救援過程，救援效率更高，符合預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)束語

將多智能體救援的理論和技術(shù)引入到高速鐵路運(yùn)營過程重大事故災(zāi)后救援，構(gòu)建了高鐵運(yùn)營過程突發(fā)事故多智能體救援仿真模型，以動(dòng)畫的形式展示災(zāi)難蔓延和救援過程。運(yùn)營高速鐵路多智能體救援仿真可以重現(xiàn)救援進(jìn)度及預(yù)測災(zāi)難發(fā)展方向，為現(xiàn)實(shí)災(zāi)難發(fā)生后救援任務(wù)策略的優(yōu)化提供參考。運(yùn)營高速鐵路多智能體救援仿真可以實(shí)時(shí)展現(xiàn)災(zāi)難蔓延情況、救援過程等細(xì)節(jié)，為今后智能高鐵救援領(lǐng)域的發(fā)展提供了一個(gè)方向。