基于SD的軌道交通應急救援效能分析

唐 昭，程學慶,2，遲 明，高 鵬，劉展汝

基于SD的軌道交通應急救援效能分析

唐 昭1，程學慶1,2，遲 明1，高 鵬1，劉展汝1

（1. 西南交通大學，交通運輸與物流學院，成都 611756；2.深圳市坪山區交通軌道管理中心，廣東 深圳 518118）

我國區域軌道交通進入了一個高速發展期，網絡化運營條件下，突發事件造成的影響區域更大，后果更加嚴重。如何有效分析救援能力、完善應急救援管理方法、提高應急救援能力成為研究熱點。本文以應急救援的靜態影響因素與動態演化過程為基礎，構建應急救援效能的系統動力學模型，通過Vensim軟件對系統動力學模型進行仿真，分析時間延誤因素、信息傳遞因素對救援效能的影響，利用OODA決策環理論進行應急救援聯動機理研究，提出了應急救援效能的改善措施。仿真結果可以直觀表現救援效能的動態演化過程和時間延誤因素、信息傳遞因素對救援效能的作用機理。相關研究對提高突發事件應對能力、降低突發事故傷害和改善應急救援效能具有一定理論價值。

應急救援；效能分析；系統動力學；OODA決策環；仿真研究

0 引 言

隨著軌道交通技術領域的飛躍式發展，我國區域軌道交通進入了高速發展階段，形成了多線、多制式運行的網絡化運營局面[1]。相較于單線運行模式，區域軌道交通的網絡結構更加復雜，運營制式更加多元，突發事件發生后，事件影響范圍更大且后果更加嚴重，導致難以保證應急救援的效能。因此，如何有效提高突發事件的應對能力、降低突發事件損失和改善應急救援效能，成為軌道交通應急管理的研究重點。

當前國內對軌道交通應急管理方面的研究比較成熟。應急救援管理研究方面，劉光武[2]從應急組織管理、應急預案管理、應急資源管理和突發事件管理方面論述建立軌道交通應急管理體系的方法。解亞龍等[3]提出了適合國內軌道交通企業的層級化應急指揮體系，保證了各層級應急處置主體信息通暢，協同處置。在應急救援效能分析方面，聞千[4]建立了城市軌道交通應急指揮管理的評價指標模型，基于粗糙集理論確定評價指標權重。黃利丹[5]通過Petri網對某一突發事件時的城市軌道交通應急系統建立模型，通過時間因素對系統進行量化評價。王鐵[6]建立了救援指揮效能評估指標體系，利用層次分析法求解各級指標的權重值并最終形成評估結論。陳錦瑞[7]從預警能力、應急能力、執行能力和恢復能力等方面構建救援效能評價模型，并運用信息熵理論確定指標權重。

目前關于應急救援效能分析的研究較多，主要利用解析法或多屬性分析法進行效能分析，構建的評價指標體系難以反映軌道交通應急救援的動態發展過程，主要圍繞救援人員、救援物資和救援環境等靜態因素。仿真分析可以有效反映救援的動態演化過程，成為救援效能的研究熱點，本文利用系統動力學（System Dynamics，SD）對救援演化過程、信息傳遞過程和時間延誤因素進行仿真分析，為提高應急救援效能提供理論依據。

1 系統動力學模型構建步驟

構建適用的SD模型是完成救援效能仿真分析的重要環節，構建步驟如表1所示[8]：

表1 系統動力學模型構建步驟

Tab.1 System dynamics model development process

2 應急救援效能分析模型

系統效能是一個系統滿足一組特定任務要求的能力，即系統在規定條件下達到特定目標的能力[9]。本文將救援效能的仿真分析步驟分為確定模型變量及邊界、繪制因果關系圖、建立SD模型與方程、仿真運行及結果分析。

2.1 模型變量及邊界

本文以救援演化過程和效能影響因素為模型邊界，將感知能力、研判能力、決策能力和落實能力作為效能動態因素，將人機管控因素、系統組成因素和救援保障因素作為效能靜態因素，構建能夠反映動態演化過程的救援效能SD模型。

2.1.1動態影響因素

基于OODA（Observe-Orient-Decide-Act）循環理論，協同救援行動分為觀察、判斷、決策和行動四個環節[10]，將應急救援效能分為感知效能、研判效能、決策效能和落實效能。救援效能的動態影響因素，如圖1所示。

圖1 救援效能的動態影響因素

圖中箭頭用于表示連接變量之間的因果關系，“+”符號表示兩變量之間為正相關關系，“-”符號表示兩變量之間為負相關關系。

2.1.2 靜態影響因素

將應急救援效能的靜態影響因素分為人機管控因素、組分系統表現、救援保障能力。

（1）人機管控因素

人機管控因素包括人員素質、設施設備、管理機制和社會控制，主要內容如表2所示。

表2 人機管控因素的分析內容

Tab.2 Analysis of key static factors

（2）組分系統表現

從功能上，應急救援系統包括五個組分系統：應急指揮中心、事故現場指揮中心、支持保障中心、媒體中心和信息管理中心。

應急指揮中心主要負責協調應急救援系統其他各中心的任務與功能，確保應急計劃的實行，監督應急行動的有效性；事故現場指揮中心負責根據事故救援工作的實際進展隨時決策最有效措施，協調和控制與所有應急隊員的聯系，確保應急任務的指派；支持保障中心主要負責受傷人員的有效救治以及事故應急中充足的資源供應；媒體中心負責保證發布事故信息的準確性和信息來源的可靠性；信息管理中心保證信息傳播的及時性、時效性、可靠性和信息的利用率[11]。

（3）救援保障因素

應急救援保障是應急救援所需要的物質基礎和智力支持，要求合理運用各種救援力量，增強應急救援保障力量。應急救援保障主要包括通信保障、經費保障、物資保障、人力資源保障、運輸保障和宣傳保障等方面，救援保障水平是影響應急救援效能的重要因素[12]。

2.2 繪制因果關系圖

綜合考慮救援效能的動態影響因素與靜態影響因素，建立應急救援效能的因果環路圖，如圖2所示。

2.3 SD模型與方程的建立

根據應急救援效能影響因素的因果關系圖，在Vensim仿真軟件上建立SD 模型，方框變量（Box Variable）用于創建狀態變量，表示流位（Levels）或積量（Stocks）。流率（Rate）用于創建速率變量，速率變量由互相垂直的箭頭、開關和云（Clouds）共同構成，云由源（Sources）和漏（Sinks）組成。分析狀態變量、速率變量和輔助變量的動力學關系，建立應急救援效能SD模型，如圖3所示。

圖2 救援效能影響因素的因果關系

圖3 應急救援效能分析的SD模型

應急救援效能SD模型的主要變量及其表達式，本文從狀態變量、速率變量和輔助變量三個方面分別進行定義。

（1）狀態變量

應急救援效能SD模型中共有6個狀態變量：信息感知水平、協同研判水平、共同決策水平、方案落實水平、事故復雜程度、應急救援整體效能。

（2）速率變量

應急救援效能SD模型中共有11個速率變量。

（3）輔助變量

應急救援效能SD模型中共有48個輔助變量。

本文將事故信息總量、研判準確性以及預案合理性三個輔助變量的方程式均定義為SMOOTHI({in},{stime},{inival})，用來模擬事故信息總量、研判準確性、預案合理性三個輔助變量的信息延遲效果。{in}表示輸入值，{stime}表示信息延遲時間，{inival}表示初始值設定，三個輔助變量的初始值均設定為0。

本文將救援人員能力、救援設備能力、應急物資供給三個輔助變量的方程式均定義為DELAY3I({in},{delay time},{initial value})，用來模擬救援人員、救援設備、救援物資三個輔助變量到達救援現場的物質延遲。{in}表示輸入值，{delay time}表示物質延遲時間，{initial value}表示初始值設定，三個輔助變量的初始值均設定為0。

對于其他輔助變量，假設在救援過程中數值大小服從正態分布，根據實際救援情況對其進行初值設定，方程設定為RANDOM NORMAL ({min}, {max}, {mean}, {stdev}, {seed})，可以產生min到max之間的隨機數值，mean表示均值，stdev表示方差，seed表示種子分布。

2.4 仿真運行及結果分析

基于效能影響因素的滑動器和效能存量的輸出圖表，利用復合模擬對所有效能影響因素進行敏感性分析，結果表明時間延誤因素是影響救援效能的重要因素，時間延誤包括信息延誤和物質延誤。本文將基于“信息流”傳遞過程對時間延誤因素進行仿真分析，分析內容包括動態演化過程、時間延誤因素和信息傳遞因素。

2.4.1 動態演化過程

對事故復雜程度、救援整體效能、信息感知、協同研判、共同決策和方案落實六個變量的動態演化過程進行分析，如圖4所示。

圖4 應急救援的動態演化過程

如上圖所示，救援工作前期，由于缺少救援力量的控制和救援信息的上報，事故復雜程度呈現一定上升趨勢，隨著事件信息的逐漸明確，事故復雜程度逐漸削弱，救援效能呈現上升趨勢。救援工作中期，救援部門形成協同聯動機制，救援資源實現有效整合利用，救援效能表現出較高水平。救援工作后期，救援部門開始退出救援，救援效能呈現下降趨勢。

因此，救援工作前期必須及時上報事件信息，保證應急指揮中心迅速開展指揮協調工作，保證救援力量快速到達現場并控制原生災害和衍生災害的發展趨勢，降低突發事件的復雜程度，為信息研判、方案決策、現場救援等后續工作奠定基礎。

2.4.2 時間延誤因素

救援延誤時間是衡量應急救援效能的重要指標，為分析延誤時間對救援效能的作用機理，基于“信息流”的傳遞過程建立時間延誤SD模型，如圖5所示。

圖5 鐵路應急救援四階時間延誤模型

將輸入變量設為階躍函數STEP（{height}，{stime}），當仿真時間小于stime時，函數賦予變量的值為0，仿真時間大于stime時，函數賦予變量的值為height并持續下去。設定height的值為10，stime的值為5，設定四個狀態變量的初始值為0，設定延遲時間分別為60min、50min、40min、30min和20min，不同延遲時間下的輸出結果如圖6所示。

時間/min

如上圖所示，對不同延遲時間的仿真結果進行對比分析，結果表明延遲時間越大，輸出結果對輸入值的反饋程度和敏感程度越低，信息反饋時間越長，救援信息的時效性越低。救援過程中，必須提高救援部門的信息感知、研判、決策和落實能力，優化應急救援的協同組織和流程，加強應急救援日常演練，提高應急救援反應能力，有效降低救援延誤時間。

2.4.3 信息傳遞因素

時間延誤包括信息延誤和物質延誤，進一步分析信息協同對救援效能的作用機理，建立信息傳遞過程的簡化SD模型，如圖7所示。

圖7 鐵路應急救援的信息傳遞模型

Fig.7 Model of railway emergency rescue information transmission

將事故信息總量的初始值設置為100，本文根據某救援實例對信息傳遞模型的其他參數進行初始化設定，仿真結果如圖8所示。

時間/min

如上圖所示，感知階段的信息不斷傳遞給后續階段，感知階段信息量不斷減少。信息傳遞在救援前期具有一定的先后順序，研判階段、決策階段、落實階段的信息量依次降低。仿真運行到85 min時，信息處理工作主要存在于研判階段和決策階段。仿真運行到214 min時，感知階段信息量減少為0，研判階段信息量為6，決策階段信息量為22，落實階段信息量為72。信息總量為100，延遲信息量為28，延遲信息主要存在于決策階段。

因此，需要進一步加強應急預案管理工作，提高各救援指揮部門的信息決策能力，縮短協同決策的時間并提高決策方案有效性，在最短時間內制定合理有效的救援方案，減少決策階段的延遲信息量，提高信息時效性和應急救援效能。

3 應急救援效能優化

如前所述，減少救援延誤時間是提高救援效能的有效措施，提高信息協同水平是減少延遲時間的重要途徑。本文將基于OODA循環理論對多救援部門信息協同機理進行研究，構建應急救援效能的提升框架。

3.1 多救援部門的信息協同機理

基于OODA循環理論將協同救援過程分為協同感知、協同研判、協同決策和協同落實，四個階段不斷地循環和更新執行。綜合考慮人機管控靜態因素，根據組分系統因素建立五個應急單元，構建多救援部門的信息協同模型，如圖9所示。

圖9 多救援部門的信息協同模型

如上圖所示，救援協同模型自上而下建立跨部門、跨行業、跨區域和多層次、全覆蓋的應急聯動機制，各救援部門在感知、研判、決策、落實等方面保持著密切合作。救援信息從產生、傳遞、處理、共享再到失效、再生，構成信息回路并作用于協同救援行動，形成網絡化聯合應急救援體系的信息傳遞鏈，各種平時相互沒有隸屬關系的應急救援力量，在救援過程中實現整體的協同聯動。

3.2 應急救援效能提升思路

應急救援過程具有動態演化、效能涌現、狀態混沌等特點，傳統效能提升建議局限于組分系統的性能、行動、效能等傳統指標，對體系涌現性產生的關鍵因素考慮不多[13]。傳統的效能提升建議已經不能滿足應急救援效能的需求，必須充分考慮救援體系的涌現性和非線性等復雜系統特點，本文建立應急救援效能的提升框架，如圖10所示。

圖10 鐵路應急救援效能提升框架

應急救援效能可以分為五個方面：組分元素性能、組分系統效能、網絡化效能、涌現性效能、任務完成效能[14]。

（1）組分元素性能

組分元素性能是應急救援效能提升的最基礎因素，也是其他類型救援效能的改善基礎，本文主要從人員素質、設施設備、管理機制、社會控制四個方面，提出組分元素性能的改善措施如下：

① 建立專業的鐵路應急救援隊伍，加強救援人員的日常訓練，提高其反應速度、指揮能力和協同能力；② 加大應急管理資金投入，保障救援設施設備數量、功能完備性和先進性；③ 加強應急處置行動的日常演練，制定完善的應急管理制度和協同聯動機制，以保證救援行動的高效性、有序性；④ 加大鐵路應急救援的宣傳，增加社會協助救援力量，提高被困乘客的自救能力和意識，提高應急救援效率。

（2）組分系統效能

組分系統效能用來度量各個系統單元在救援體系中的效能發揮情況，即對應復雜協同網絡中的節點系數，主要用來衡量多系統、多領域、多部門的內部運作效率，表示各個救援單元和子系統的救援效能。具體改善措施如下：

① 明確應急救援的主體，區分不同主體的職責和權限邊界，確定其責任和義務，規范對應的救援內容和操作程序，保證部門在行動上的整體配合程度；② 提高應急指揮中心的協調指揮能力，提高事故現場指揮中心的任務分配以及隨機應變能力，提高支持保障中心的應急資源保障能力，提高媒體中心的信息發布和輿論控制能力，提高信息管理中心的事件信息上報和保障信息傳遞能力。

（3）網絡化效能

應急救援系統的網絡化效能主要體現在救援系統內部以及體系之間產生的復雜網絡化交互，提升救援體系網絡化效能的關鍵是如何提高體系各個組分系統之間基于網絡的耦合交互效率[15]，形成多救援部門的協調聯動機制。具體改善措施如下：

① 加強突發事件信息管理系統的建設，完善四級應急救援通信網絡，建立各部門間的救援信息共享平臺，完善信息共享機制，建立救援隊伍的協同網絡和聯動機制；② 提高鐵路應急通訊的信息采集、傳遞和應用效率，保證部門之間形成順暢的信息互通和數據共享機制，保障救援部門間的實時通信聯絡；③ 形成網絡化聯合救援系統的信息傳遞鏈，并建立跨部門、跨行業、跨區域和多層次、全覆蓋的應急聯動機制；④ 建立救援部門的樞紐型結構，將具有較大影響力和集聚度的部門設為協同網絡中心位置，成為其他部門的優先協同對象。

（4）涌現性效能

涌現性效能衡量的是應急救援系統的整體涌現性，特別強調應急救援系統演化過程中在結構、功能和行為等方面涌現的整體特性[16]，提高涌現性效能需要對協同網絡拓撲結構進行優化。具體改善措施如下：

① 加強救援部門應對突發事件及其衍生災害的能力，提高救援協同網絡的魯棒性和穩定性，降低應對異常和突發情況時的脆弱性，保證救援工作持續穩定開展；② 積極開展不同層面、不同形式、不同類型的救援演練，完善應急救援管理制度，建立事故救援的信息庫，實現協同網絡動態演化過程的可控性、可測度性和可干預性；③ 減少救援部門參與不足或參與過度的現象，將不同頻次、不同程度的救援行動有序銜接起來，可形成參與救援的持續效應，降低救援部門參與過程中的離散性和協調不足。

（5）任務完成效能

應急救援體系使命任務效能是指應急救援體系在規定條件下完成應急救援使命任務的程度，是鐵路應急救援展開的最根本目的，主要是指被困人員的及時救援和事故現場衍生災害的有效控制。通過組織滲透、部門協調兩種途徑可以建立多元救援主體間的協同關系，實現整體大于部門之和的效果，促進各救援單位之間相互協同和信任，整合多方救援資源，形成救援合力，圍繞鐵路救援的共同目標，提高應急救援效能。

4 結束語

應急救援效能分析是對復雜動態演化過程的分析，本文基于靜態因素與動態過程，利用系統動力學方法對效能動態演化過程、時間延誤因素和信息傳遞因素進行仿真分析，利用OODA環理論分析信息協同機理并提出相關改善措施。希望相關研究對提高突發事故應對能力、降低突發事故傷害和改善應急救援體系效能有一定幫助。后續相關研究要進一步完善應急救援效能的影響因素，提出更詳細的救援效能改善措施。

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System Dynamics Analysis of Rail Transit Emergency Rescue Effectiveness

TANG Zhao1，CHENG Xue-qing1, 2，CHI Ming1，GAO Peng1，LIU Zhan-ru1

（1. School of Transportation and Logistics，Southwest Jiaotong University，Chengdu 611756，China；2. Shenzhen Pingshan District Traffic Track Management Center，Shenzhen 518118，China）

China’s regional rail transit system has entered a phase of rapid development. As the system continues to expand, accidents impact increasingly larger areas and result in more severe consequences. Therefore, research has become focused on methods for effectively analyzing and improving emergency rescue capabilities and management. Using Vensim software, this study developed a system dynamics model of emergency rescue efficiency based on the static factors of influence and the dynamic evolution of the emergency rescue process. The influences of time delay and information transmission on rescue efficiency were analyzed. The emergency rescue linkage mechanism was studied by applying the Observe– Orient–Decide–Act (OODA) decision ring theory, and measures to improve emergency rescue efficiency are suggested. The simulation provided visual representations of the dynamic evolution of the rescue efficiency. It is hoped that the study results can be applied to improving emergency response capabilities, reducing injuries in emergency situations, and improving emergency rescue efficiency.

emergency rescue; effectiveness analysis; system dynamics; OODA decision ring; simulation research

U298.6

A

10.3969/j.issn.1672-4747.2020.03.019

1672-4747（2020）03-0162-10

2019-10-07

國家重點研發計劃（VP99QT1136Y18002）

唐昭（1994—），男，山東淄博人，西南交通大學碩士研究生，研究方向：軌道交通安全管理，E-mail：2357070341@qq.com

唐昭，程學慶，遲明，等. 基于SD的軌道交通應急救援效能分析[J]. 交通運輸工程與信息學報，2020，18（3）：162-171

（責任編輯：李愈）