基于層次關聯系數法的地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統評估研究*

王起全

(中國勞動關系學院 安全工程系，北京 100048)

0 引言

隨著人類文明的不斷進步，社會的生活節奏變得越來越快，出行對快速交通的需求也日趨增加，地鐵已經成為我國多數城市人們出行的首選。由于乘坐地鐵方便快捷，受眾范圍廣，導致地鐵乘坐區域成為人員密度比較高的場所，同時又由于地鐵建于地下，其整體建構封閉的特點，在乘客遭遇火災、爆炸及踩踏等突發情況時，乘客的疏散非常困難，進而導致乘客的生命安全受到嚴重威脅。

“智能疏散系統”作為應對地鐵突發事故的智能系統，由控制主機、應急電源、應急標志燈具、報警主機、探測器等多種設備組成，該系統在各個國家發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事故信息，傳感器的接收器接收到無線電事故信號后，對其進行分析處理，并判斷其信號的強弱，以此來控制相應的疏散指示燈閃爍從而引導人員以最優路線逃生；日本研究的智能疏散系統廣泛應用疏散指示燈，根據火災自動報警信號而采取動作的閃爍移動疏散指揮系統，及基于哈斯效應的聲音疏散指示系統[1]。新型傳感識別系統，如射頻識別技術(RFID)被廣泛應用于物聯網、普適計算、空間定位與追蹤、系統安防、信息管理等領域。我國針對地鐵火災事故的應急疏散，研究了火災事故中人員疏散時間[2]、安全疏散[3]、疏散機制及策略。地鐵應急聯動方面，劉樂毅[4]分析地鐵發生較大以上突發事件時，地鐵公司與交通、醫療、環保、急救等外部支援部門之間的信息共享、應急聯動原則及技術管理；秦勇等[5]分析地鐵應急聯動系統的流程、組織結構及其系統構成，分析了基于預案庫的應急聯動決策系統以及應急聯動系統的實現問題；陸明[6]研究如何實現人員的聯動和設備的聯動有機結合，及不同火災位置的聯動控制策略；李江[7]探討火災發生時，由消防應急照明和疏散指示系統構成的聯動系統，通過改變疏散燈具指向，實現安全疏散；北京市勞動保護科學研究所研究了人群聚集場所智能地板的人群聚集風險預測系統及應用[8]。

從國內外有關文獻可知，目前學者們主要研究地鐵發生事故后的應急聯動流程，及有關人員、部門、設備的聯動策略和措施，專門針對地鐵擁擠踩踏事故的應急聯動研究較少，且以預防地鐵事故發生為目的的監測預警也較少涉及。針對以上情況，本文提出構建“地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統”，由智能系統操控，通過布置設備設施，對地鐵站內實際情況進行實時監測、記錄、分析，并將人群擁擠踩踏風險值量化，通過計算機對當前情況進行運算，得出合理解決方案，有效實現對地鐵站的監測、預警和應急聯動，確保對地鐵站實際安全狀況的控制，盡量避免人工主導應急方案的疏忽；最后，通過引入層次關聯系數方法，對地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統進行評估分析，確定系統各要素指標權重，并對系統各項功能進行綜合評估，從而為進一步研發、推廣和使用地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統提供技術支持。

1 地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統分析

1.1 地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統構成

地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統由人員信息跟蹤系統、人群密度監測系統(視頻-紅外)、應急疏散系統(蟻群算法)以及廣播信息系統4個子系統組成[1]。該應急聯動系統已在實驗室構建了實物沙盤模型，并進行了應急模擬聯動的小試測試，4個子系統分別在既定時間內較為準確地完成了各項任務，并較為完整地發揮了每個子系統的既定功能和作用。由于應急聯動系統的設備鋪設成本高、周期長，為便于后期應急聯動系統的中試試點實驗和運行的順利進行，需要在投入中試前進行必要的測試和評估。對地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統的評估研究，需建立一套整體系統的評價體系。圖1是地鐵擁擠踩踏事故聯動系統的功能流程圖，在對每個流程工作情況進行反饋的基礎上，將其具體量化為體系中的每項指標。

1)人員信息跟蹤系統

人員信息跟蹤系統的工作流程包括：驗票閘機、視頻信息采集、一卡通信息交互以及RFID人員跟蹤等4個部分。根據任意時段通過驗票閘機的乘客數量，確認任意時刻地鐵站中存在的總乘客數量；通過視頻信息采集系統，在容易發生擁擠踩踏事故危險區域，捕捉視頻可視范圍內任一時刻的乘客數量，從而確認各危險區域視頻捕捉范圍的乘客數量區間；通過“一卡通”信息交互系統，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，追蹤地鐵站中擁擠踩踏事故易發區域內任一RFID覆蓋范圍中的實時乘客數量。

2)人群密度監測系統

人群密度監測系統是通過視頻信息分析、RFID信息采集和數據處理等3個系統的聯動，互相協調，并借助計算機終端的算法處理，最后計算出地鐵易發擁擠踩踏事故區域的實時人群密度。人群密度監測系統是整個地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統的關鍵，需準確定位風險區域，并實時計算風險區域的人群數量、人群密度，為地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統輸入監測信息，進而及時準確地啟動應急措施，以保證地鐵乘客的人身安全以及財產安全。

3)應急疏散系統

應急疏散系統主要負責當應急系統針對人群密度值做出應急預警措施時，在第一時間根據跟蹤系統對人流的判斷，以及對風險區域的實時人群密度分析，將地鐵的擁擠踩踏事故風險區域通過算法進行合理分區。然后再將人群密度值，人員分散部位以及區域位置分布通過蟻群算法處理，從而計算出最適合每一部分區域乘客在應急情況下的正確應急逃生路線，確保乘客在緊急情況發生時采取最正確，最有效的應急逃生疏散路線。

4)廣播信息系統

當有緊急情況發生時，人能接收到的第一信息往往是通過視覺和聽覺捕捉到的，因此廣播信息系統由廣播提示和信息提示2部分組成。廣播信息系統通過應急疏散系統得出相應的疏散路線，在每塊區域及每個節點播放廣播提示，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行緊急疏散；而信息提示則是布置在地鐵各個醒目的位置，通過LED顯示屏將應急疏散系統建議的疏散路線及時提供給地鐵中的乘客。

圖1 地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統工作流程Fig.1 Working process of emergency response system for subway stampede accident

1.2 地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統評估要素權重確定

地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統的評估指標分2個層級，如表1所示。

運用“層次分析法”，構造評估要素判斷矩陣，根據地鐵現場調研并結合專家調查問卷，確定地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統各因素的權重[9]，如表2所示。

表2 地鐵擁擠踩踏事故評估因素的權重Table 2 Weighting table of factors for evaluation of subway crowded stampede

2 地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統評估

2.1 評估程序

地鐵擁擠踩踏事故應急評估涉及因素復雜，采用傳統灰色系統或模糊數學方法進行評估，分析數值存在一定誤差。綜合考慮，選擇層次關聯系數算法[10]，構建關系系數樣本，計算關聯系數和系統功能評價變化數值，從而評價地鐵擁擠踩踏事故應急評估系統性能[11-12]。

1)分析地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統評估要素，并建立層次模型，如表1所示。

2)建立評估狀態。與地鐵地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統評估有關的要素有N個，各要素的評估狀態表示如式(1)所示。

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

(1)

①無預警狀態

無預警狀態是指沒有人為干預的狀態。在沒有擁擠踩踏事故發生時，處于相對穩定狀態；在擁擠踩踏事故發生后，狀態發生變化。無預警的情況下，主要是依靠乘客的自身素質，進行自我調節和恢復。無預警狀態表示如式(2)所示。

Y(0)={Y(0)(1),Y(0)(2),…,Y(0)(N)}

(2)

式中：Y(0)(k)(k=1,2,…N)為系統評估要素；Y(k)表示在無預警狀態下的指標值。

②人工預警管理狀態

目前，針對地鐵擁擠踩踏事故，主要是通過人工干預。如某一地點發生踩踏事故，接到報警后，工作人員迅速趕往現場，進行應急處置和疏散，把這個狀態定義為比較的基準狀態，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)為系統評估要素；Y(k)表示在人工預警狀態下的指標值。

③智能預警管理狀態

智能化預警聯動系統，可以全過程進行應急管理控制，提高應急反應效率，保障應急管理的綜合協調能力，此狀態表示如式(4)所示。

Y(2)={Y(2)(1),Y(2)(2),…,Y(2)(N)}

(4)

式中：Y(2)(k)(k=1,2,…N)為系統評估要素；Y(k)表示在智能預警管理狀態下的指標值。

3)計算地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統各評估要素關聯權重

依據層次分析法，確定地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統評估指標及評估要素的權重，如表2所示。各子要素的關聯權重W(k)為2級要素的權重與對應1級要素權重之積。

4)地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統評估要素關聯系數

地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統評估狀態Y(i)(i=0,1,2)，與評估狀態Y(0)關于第k(k=0,1,2…,N)個要素的關聯系數ζi(k)為：

(5)

式中：ζi(k)為狀態Y(i)對危險狀態Y(0)第k個因素的關聯；ρ為分辨系數，0<ρ≤1，通常取0.5。

5)求取關聯度數值

地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統評估狀態Y(i)(i=0,1,2)與評估狀態Y(0)的關聯度Hi如式(6)所示。

(6)

6)系統綜合評價

對地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統進行綜合評估，分別作出狀態變好、變壞和不變3種評估結果，變化程度為：

(7)

式中：H10為人工預警管理狀態與無預警狀態的比較；H20為智能預警管理狀態與無預警狀態的比較。

2.2 地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統評估分析

在綜合分析預警狀態的基礎上，對無預警狀態、人工預警管理狀態、智能預警管理狀態進行深入研究[13]，并結合專家問卷調查給出評估分值，分值范圍為0～100分，并將預警評估狀態分成4個等級，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，要素應急預警狀態越好，反之越差。依據評估狀態分值，分別計算關聯系數ζ10(k)，ζ20(k)，要素關聯權重Wk，賦權關聯系數H1和H2，具體計算結果如表3所示。

依據式(7)，求取地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統評估狀態Y(i)(i=0,1,2)與評估狀態Y(0)的關聯度

從分析結果來看，使用地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統，應急管理的效果在人工預警的基礎上，比無預警狀態在整體應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生部位，如電梯、自動扶梯、上下車門口，設置智能化應急聯動系統，可以從事故發生前、發生中、發生后全過程進行分析和控制，提高應急能力，節約人力和物力。

表3 地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統評估要素關聯系數Table 3 Correlation coefficient table for evaluation elements of emergency response system for subway stampede accident

3 結論

1)針對地鐵建構封閉、人群擁擠的特點，從人員信息跟蹤系統、人群密度監測系統(視頻-紅外)、應急疏散系統(蟻群算法)以及廣播信息系統4個子系統角度，分析地鐵擁擠踩踏事故聯動系統功能；提出人群密度監測系統是整個地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統的關鍵，需準確定位擁擠踩踏區域并計算實時人群密度；應急疏散系統則用于計算每一部分區域乘客在應急情況下最適合的應急逃生路線。

2)使用層次關聯系數法，對地鐵擁擠踩踏事故無預警狀態、人工預警管理狀態及智能管理預警狀態，分別進行關聯系數、要素關聯權重及權重關聯系數的定量分析和計算，并對地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統進行綜合評估，評估結果表明，使用智能化地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統，可以全面提高應急反應速度。

3)地鐵擁擠踩踏事故具有突發性、不確定性，應急管理難度大，構建地鐵擁擠踩踏事故應急聯動系統，還需密切結合地鐵運營的實際情況，不斷檢驗和完善其功能，以確保最終實際運行效果。

[1] 王起全, 吳嘉鑫. 基于STAMP模型的地鐵擁擠踩踏應急聯動系統設計[J]. 中國安全科學學報, 2016, 26(12):158-162.

WANG Qiquan, WU Jiaxin.Designing a linkage system for response to subway stampede accidents based on STAMP model[J]. China Safety Science Journal, 2016, 26(12):158-162.

[2] 張志飛, 陳建宏, 楊立兵. 地鐵火災事故中人員安全疏散時間的計算[J]. 現代城市軌道交通, 2008(3):68-70.

ZHANG Zhifei, CHEN Jianhong, YANG Libing. Calculation of personnel safety evacuation time in subway fire accidents[J]. Modern Urban Transit, 2008(3):68-70.

[3] 曹艷, 羅玉珊, 劉珊，等. 地鐵火災事故下的安全疏散研究[J]. 災害學, 2010, 25(Z1):15-19.

CAO Yan, LUO Yushan, LIU Shan, et al. Subway security under fire evacuation[J]. Journal of Catas Trophology, 2010, 25(Z1)：15-19.

[4] 劉樂毅. 地鐵運營應急聯動問題研究[J]. 現代城市軌道交通, 2007(4):47-49.

LIU Leyi. On Linkage of Emergency during MetroOperation[J]. Modern Urban Transit, 2007(4):47-49.

[5] 秦勇,王卓,賈利民.軌道交通應急管理系統體系框架及應用研究[J].中國安全科學學報, 2007,17(1):57-65.

QIN Yong, WANG Zhuo, JIA Limin. Research on the System Framework and Application of Railway Transportation Emergency Management[J]. China Safety Science Journal, 2007,17(1):57-65.

[6] 陸明. 地鐵消防聯動控制決策研究[A]. 中國消防協會.2010中國消防協會科學技術年會論文集[C].中國消防協會,2010:4.

[7] 李江. 某地鐵區間智能疏散系統分析[J]. 城市建設理論研究:電子版, 2013(13).

LI Jiang.Analysis of a Subway Interval Intelligent Evacuation System[J]. Urban Construction Theory Research, 2013 (13).

[8] 倪慧薈,姚曉灰.人群聚集風險預警系統構建研究——以西單商業區為例[J].科技促進發展, 2014,10(4):110-115.

NI Huihui, YAO Xiaohui. Building an overcrowding forecast system: A Case Study of Xidan District[J]. Science and Technology for Development, 2014, 10(4):110-115.

[9] 王起全.基于賦權關聯度算法的地鐵擁擠踩踏事故風險研究[J]．中國安全科學學報，2013,23 (5) :94-100.

WANG Qiquan. Research on Crowded Stamped Accident Risk at Subway Based on Empowering Related Degree Method[J]. China Safety Science Journal, 2013, 23(5):94-100.

[10] 唐啟義. DPS數據處理系統[M].北京：科學出版社, 2010.

[11] 劉寧.工程目標決策研究[M]. 北京：中國水利水電出版社, 2006.

[12] 周曉冰, 張永領. 我國擁擠踩踏事故發生規律、誘發因素及防控策略[J]. 中國安全生產科學技術, 2016, 12(5):174-179.

ZHOU Xiaobing, ZHANG Yongling.Occurrence regularity and inducing factors of stampede accidents in China and its prevention and control strategies[J]. Journal of Safety Science and Technology,2016,12(5):174-179.

[13] 王起全. 輸油管道泄漏火災爆炸事故演化及應急疏散分析[J]. 中國安全科學學報, 2016, 26(5):24-29.

WANG Qiquan. Analysis of oil pipeline leak free and explosion accident evolution and emergency evacuation[J]. China Safety Science Journal, 2016,26(5):24-29.