基于脆弱性理論的地鐵電氣火災影響因子研究*

宋守信，肖楚陽，翟懷遠，許　葭

(北京交通大學 經濟管理學院，北京 100044)

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基于脆弱性理論的地鐵電氣火災影響因子研究*

宋守信，肖楚陽，翟懷遠，許葭

(北京交通大學 經濟管理學院，北京 100044)

針對現有的脆弱性理論研究中，脆弱性特征要素關系不清、規律不明的現狀，提出脆弱性特征要素的遞次呈現與控制理論。并將其應用于城市軌道交通系統脆弱性的研究中,根據城市軌道交通自身特點與實地調研結果，將地鐵機電設備火災脆弱性影響因子依脆弱性特征要素與人、機、環2個不同角度進行歸類，構建地鐵機電設備火災脆弱性影響因子矩陣。并從人員脆弱性、設備脆弱性及環境脆弱性三方面提出對地鐵電氣設備火災脆弱性因素控制方案。

安全工程；城市軌道交通；脆弱性；呈現規律；控制方案

0　引　言

脆弱性的研究最早源于自然科學領域，比如水資源、自然災害、生態系統等領域的探討。但從20世紀90年代以來，脆弱性概念已被逐步應用到公共健康、土地利用、可持續性科學、工程學、經濟學等多個學科當中。脆弱性的內涵也隨之不斷延伸，從最初單純針對自然科學領域內的固有脆弱性逐漸演化為成社會科學領域內的意義廣泛、含義深刻的綜合概念，脆弱性的研究也從最初關注自然環境系統的脆弱性逐漸延伸到探討社會環境系統脆弱性、人—環境耦合系統的脆弱性的研究，呈現出多學科交融的趨勢。

城市軌道交通系統以其運量大、速度快、效率高等特點已成為解決城市交通擁擠和運力短缺等問題的首要途徑。隨著中國城市軌道交通網絡系統建設步伐加快，國內各大城市的地鐵運輸量也日益上升。北京地鐵日均客流量在1 024萬人次左右；而同時上海地鐵運輸量也已突破900萬人次。作為人員高度密集的地下場所城市軌道交通系統自身所固有的脆弱性，已經成為城市軌道交通系統進一步發展必須跨越的障礙。

對于城市軌道交通系統脆弱性，北京交通大學風險管理研究所近年來通過北京市社科基金和國家社科基金重點項目研究，已經對城市軌道交通系統組元脆弱性評價研究[1]，運用群體灰色層次模糊評價法對北京地鐵典型車站在大客流擾動下的脆弱性進行了評價[2]，分析了火災條件下的地鐵車站面對二次事故的脆弱性[3]，建立了網絡脆弱性評價模型[4]。

我們在研讀大量國內外文獻的基礎上，梳理脆弱性研究發展進程，對地鐵脆弱性的概念進行深入探討，歸納地鐵脆弱性特征要素，并以地鐵電氣設備脆弱性為例，闡述并論證脆弱性構成因素之間的關系，以期豐富與完善脆弱性研究，解決當前地鐵運營安全中的現實問題，實現城市軌道交通系統可持續發展。

1　脆弱性概念及構成因素

國內外有代表性的脆弱性概念論述，見表1.

表1　不同學者對脆弱性概念

Help-information：Chinese National Natural Science Foundation(13AZD088)

根據文獻分析可以得出，不同學者研究的領域不同，對脆弱性概念的理解也有差異，但依然可發現脆弱性概念的討論主要集中在3個部分：一是脆弱性對象為一個特定的系統或子系統；二是脆弱性要暴露在災害、擾動下才會顯現；三是脆弱性是可能的災害或損失程度。而對脆弱性特征要素的討論，大致可分為2派。一部分研究者認為脆弱性的特征要素包括系統暴露在外界擾動的程度、系統自身的敏感性以及系統對擾動的適應能力并且將隨著擾動的不同而發生變化；另一部分研究者認為暴露不是脆弱性的組成元素，其認為脆弱性是由系統對擾動事件的敏感性與反應能力組成，是系統的一種特有性質。

結合以上脆弱性概念以及特征要素的探討，我們提出的脆弱性概念為，系統在擾動下發生變化的程度及恢復正常運行的能力，脆弱性的3個特征要素為暴露度、敏感度和適應度[11]。

暴露度指作為風險承載體的設備設施和人員暴露于風險擾動的程度。這種程度反應在承載體暴露于擾動的時間、頻率和范圍；敏感度是指作為擾動承載體，受到擾動的干擾產生不利影響的快慢大小多少的程度。包括擾動出現多長時間就會影響其功能，影響會嚴重到什么程度。適應度是指作為風險承載體在風險擾動下適應和恢復的能力。包括應對不利影響的反應時間、反應力度等。

2　地鐵電氣系統脆弱性分析框架

2.1地鐵脆弱性概念

依據上文所給出的脆弱性及特征要素，將其引入到地鐵系統中可得到地鐵系統脆弱性概念為，地鐵系統在擾動下，暴露于擾動中的頻率、時間、范圍，擾動作用下系統發生的變化程度，以及由于擾動帶來的地鐵系統遭受的不利影響程度以及從擾動的不利影響中恢復正常運營的能力。而地鐵脆弱性特征要素包括系統中的工作人員、乘客、列車及控制系統等設備設施和站臺等運營環境的暴露度、敏感度和適應度。

2.2地鐵電氣系統脆弱性影響因子確定

地鐵電氣系統脆弱性影響因子的確定應依據地鐵脆弱性概念，以地鐵系統或其中電氣子系統作為研究對象，按照軌跡交叉論中人的不安全行為和物的不安全狀態的分類，人包括乘客和員工，物包括設備、設施和環境。以此來篩選并逐步確定脆弱性影響因子。

地鐵電氣系統脆弱性影響因子數量眾多且關系復雜，文中通過對地鐵電氣火災事故資料分析，依據地鐵脆弱性概念，按照脆弱性特征要素暴露度、敏感度、適應度構建出初步的地鐵系統脆弱性影響因子庫[11]，并利用德爾菲法經過三輪量化篩選后，最終確定地鐵電氣系統脆弱性影響因子28個，見表2.

表2　地鐵電氣系統脆弱性影響因子

針對上述28個影響因子，按人員、設備、環境三方面再次進行分類。從脆弱性人、機、環影響因子以及脆弱性特征要素2個方面共同構建出地鐵電氣系統脆弱性影響因子矩陣，如圖1所示。

從矩陣中能夠清晰地看出每個影響因子在2種不同的分類方式上所處的位置，有助于提高影響因子篩選的速度與控制的準確性。

圖1　地鐵電氣系統脆弱性影響因子矩陣Fig.1　Subway electric system vulnerability impact factor matrix

2.3地鐵脆弱性構成因素與脆弱性關系

由上文分析可知，脆弱性的特征要素為：暴露度、易感度、適應度。它是所研究對象在擾動情況下狀態的一種描述，這種描述是以脆弱性的度來衡量的，為確定脆弱性的計量方法有必要理清脆弱性的特征要素與脆弱性關系。

暴露度主要考察承載體受到擾動侵襲的概率。暴露度越高，即受到擾動導致功能缺失的幾率越高，則系統脆弱性也就相應提高，即暴露度對脆弱性的貢獻是一個同向增長、減少的過程。敏感度反映系統抵御擾動侵害的能力。如果系統在擾動作用下很快產生了運行功能的病態反應，偏離了正常運行的狀態甚至崩潰，則敏感度強，脆弱性高；反之則脆弱性低。敏感度與脆弱性也是同向增長或減少。適應度是指作為系統在擾動下適應和恢復的能力。如果系統應對不利影響的反應時間快、反應力度大，則說明系統的適應度強，相對脆弱性就低，適應度強或弱反應的是脆弱性低或高。

將上述關系用數學形式可表示為：

脆弱性=f(暴露度+敏感度-適應度)

根據脆弱性特征要素與脆弱性之間的函數關系，以及地鐵電氣系統脆弱性影響因子，可構建出地鐵電氣系統脆弱性整體關系圖，如圖2所示。

圖2　地鐵電氣系統脆弱性影響因子關系圖Fig.2　Metro electrical system vulnerability impact factor diagram

3　脆弱性特征要素遞次呈現規律

脆弱性的3個特征要素為暴露度、敏感度和適應度。三要素在系統的脆弱性當中是以遞次呈現的規律逐一顯示出來的。暴露度是脆弱性最先顯現的要素，也是需要最先控制的要素。由于暴露度的大小與系統暴露于風險之中的程度相關聯，故稱為關聯因素。在電氣系統中暴露度包括員工逾越安全距離的三違率、誤操作率、絕緣設備的老化程度、隔離設備負荷強度、隔離設備安全性能完備性、設備位置與布局、溫度控制水平、濕度控制水平、灰塵聚集水平、機械振動對電氣線路的影響等共10個因素，若將暴露度因素都進行控制，使系統與外界擾動向隔離，降低暴露的時間、頻率、范圍。在系統沒有受到外界擾動的情況下，也就無需考慮擾動引發的敏感度和適應度。

敏感度是脆弱性第二顯現的因素，也是反映系統堅強程度的因素。由于敏感度的大小取決于系統自身固有的材質，故稱為固有因素。由于地鐵的公共服務職能的需要，電氣設備設施與乘客和工作人員常共處同一空間，暴露度很難避免，雖然可以降低程度與概率，但無法將擾動與系統徹底進行完全隔絕。當擾動來襲時，這就需要考驗人員對隱患的辨識和處置能力，安全意識水平，和設備自身應對擾動沖擊的抵御能力。提高員工和乘客安全素養，提高設備設計、材質、安裝質量符合國家的相關規定與要求，就能夠經受住擾動的侵襲，保證系統維持正常的工作狀態則無需考慮系統的適應度。

適應度是脆弱性第三顯現的要素，反映當擾動破壞系統穩定時，系統能否及時警示，及時調節，實現對風險有效控制，做到故障安全化，損失最小化。適應度的大小取決于系統自身固有的隨機反應功能，稱為固有因素。當設備自身無法抵御擾動的侵襲發生故障甚至是事故時，系統能否及時反應，及時處理，將損失降低到最小，考驗系統的適應度。例如車站的自動扶梯因為設備長時期高負荷運轉，線路老化發熱，會點燃絕緣層并發出濃煙，若此時換乘通道內FAS火災報警探測器及時報警，車站工作人員立即趕到現場進行處置，則能及時控制火勢，防止更大的災害形成。但如果換乘通道內自動報警裝置失效，消防設備配備不足，則有可能延誤最佳時間造成更大的災害。

4　地鐵脆弱性的控制策略

為降低地鐵脆弱性，在地鐵運營管理工作中應突出重點，有針對性的開展相關工作。有效降低暴露度、敏感度的措施，加強地鐵應急管理水平，提升地鐵適應度的有效方式。

4.1人員脆弱性的控制

要想降低人員脆弱性，應強化現場作業管理制度，加強員工在工作過程過程中的監督、核查力度，減少員工在操作過程中的失誤率以及三違率；應不斷提高員工個體素質，落實相關的培訓工作，充實安全知識、提升安全技能水平、端正員工安全態度，從根本上改善員工安全素質狀況。加強管理人員的應急處理能力，加快應急反應速度，當地鐵電氣設備出現故障甚至是發現明火時，一線管理人員能夠快速處理將災害控制在最低水平；當需要將車站內大量乘客進行緊急疏散時，能夠有效空客流密度保障客流的前進速度，保障疏散的安全與效率。

圖3　脆弱性構成因素遞次呈現規律模型Fig.3　Vulnerability factors sequence regular model

4.2設備脆弱性的控制

設備的可靠性是保障地鐵安全運營的基礎。地鐵車站電氣設備眾多，所以對于電氣設備必須加強重視。對于諸如電梯、廣告燈箱、進出站閘機等需要長時間、高負荷運轉的設備。當無法通過控制暴露度來降低設備風險時，通過設備管理與維護檢修降低設備的帶病作業率，強化前期設備設計與安裝工作保證設備質量，提高設備穩定性和可靠性，來降低其敏感度。

4.3環境脆弱性的控制

良好的車站環境可以降低設備的暴露度，避免高溫、潮濕、灰塵等不良的環境因素對設備的侵襲，同時也應確保重要的電氣設備周圍不存在易燃物品或材料，降低建筑環境內的敏感度。相對硬環境而言車站內的軟環境也同樣重要，地鐵車站標示系統改善與優化對于地鐵安全信息溝通，在疏散時及時向乘客傳遞正確的信息，引導客流流動方向。保障疏散有序進行。

5　結　論

1)從脆弱性現有研究出發，梳理脆弱性發展進程，并對地鐵脆弱性的概念進行深入探討，歸納地鐵脆弱性特征要素包括暴露度、敏感度、適應度3個方面，并以地鐵電氣系統脆弱性為例闡述地鐵脆弱性特征要素與影響因子之間的相互關系；

2)解釋了脆弱性構成因素遞次呈現規律，有助于實現對脆弱性分階段有效控制，做到故障安全化，損失最小化；

3)從地鐵脆弱性特征要素出發，針對地鐵電氣系統脆弱性依次對人員、設備、環境提出相應的控制措施。

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Influential factors for subway electrical fire based on vulnerability

SONG Shou-xin，XIAO Chu-yang，ZHAI Huai-yuan，XU Jia

(SchoolofEconomicsandManagement，BeijingJiaotongUniversity，Beijing100044，China)

Accordingtotheexistingvulnerabilitytheoreticalstudies,therelationshipbetweenvulnerabilityfactorsisnotclear,andtheunknownlawstatus,putforwardsuccessivepresentationandcontroltheoryofvulnerabilitycharacteristics，andapplyitintheresearchofurbanrailtransitsystemvulnerability.Accordingtothecharacteristicsofurbanrailtransitandtheresultsoftheinvestigation,thesubwayelectricalequipmentfirevulnerabilityfactorsareclassifiedformtwodifferentaspectsofthevulnerabilityelementsandhuman,machineandthesubwayelectromechanicalequipmentfirevulnerabilitymatrixinfluentialfactorconstructed.Fromthreeaspectsofthevulnerabilityofpersonnel,equipmentandenvironment,thispaperputsforwardthecontrolschemeoffirevulnerabilityfactorsofsubwayelectricalequipment.

safetyengineering；urbanrailtransit；vulnerability；emergerules；controlscheme

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0514

1672-9315(2016)05-0691-06

2016-06-10責任編輯：劉潔

宋守信(1946-)，男，山東萊州人，教授，E-mail:songsx@yeah.net

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