基于Petri網(wǎng)的地鐵駕駛員應(yīng)急任務(wù)分析方法研究*

□ 宋皓晨，楊聚芬，劉志鋼

(上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上海 201620)

根據(jù)軌道交通企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，地鐵駕駛員需要掌握的作業(yè)項(xiàng)數(shù)量大、要求高，在眾多作業(yè)項(xiàng)中，有相當(dāng)一部分為地鐵駕駛員在列車設(shè)備發(fā)生故障、突發(fā)或接受臨時(shí)調(diào)令的情況下，也即面臨應(yīng)急情景下完成的作業(yè)，稱為應(yīng)急作業(yè)或應(yīng)急任務(wù)。此類應(yīng)急任務(wù)一般具有復(fù)雜性、可變性、靈活性等特點(diǎn)，因此，對(duì)駕駛員也必然有更高的要求[1]。

現(xiàn)有成果中關(guān)于應(yīng)急任務(wù)分析和評(píng)價(jià)的研究，Liang等人[2-3]對(duì)多個(gè)領(lǐng)域具有代表性的應(yīng)急任務(wù)進(jìn)行研究，認(rèn)為注意力是處理任務(wù)最重要的能力；Alkan等人[4]則將任務(wù)完成情況的評(píng)價(jià)指標(biāo)定義為實(shí)際完成時(shí)間與該任務(wù)平均完成時(shí)間的比值，并設(shè)計(jì)了一些簡(jiǎn)單動(dòng)作實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明同時(shí)應(yīng)用多項(xiàng)能力的應(yīng)急任務(wù)完成情況普遍較差，例如，在山路中開(kāi)車時(shí)發(fā)生車輛故障等。而在相關(guān)研究方法方面，主要有主觀評(píng)價(jià)法[5]、生理測(cè)量法[6]與績(jī)效定量法等，Alkan等人采用的時(shí)間比值法[4]就是一種績(jī)效定量法。

從成果上看，現(xiàn)有研究的問(wèn)題表現(xiàn)在：一是角度較為片面，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)自主選擇幾種可能應(yīng)用到的能力進(jìn)行分析，沒(méi)有完整的理論依據(jù)；二是研究不夠深入，指出應(yīng)急任務(wù)的復(fù)雜性影響大，提出一些指標(biāo)，但進(jìn)一步的論證很少，缺乏針對(duì)性和實(shí)用性。從研究方法上看，也有以下幾方面問(wèn)題：一是主觀評(píng)價(jià)法在所有方法中占比最大，也得到廣泛認(rèn)可，但被試者真實(shí)情況與主觀表達(dá)情況的差異性成為難題；二是生理測(cè)量法采用眼電、心電等儀器設(shè)備，侵入性強(qiáng)，可能引起被試者不適，對(duì)結(jié)果造成影響。

為解決研究現(xiàn)狀中存在的上述問(wèn)題，本文將基于多資源理論，將四項(xiàng)基本資源的調(diào)用情況針對(duì)性地應(yīng)用于地鐵駕駛員的應(yīng)急任務(wù)中。同時(shí)，為克服測(cè)量方法的主觀性和侵入性，本文試應(yīng)用一種基于Petri網(wǎng)模型的定量分析法，將任務(wù)結(jié)構(gòu)化分解并進(jìn)一步分析與評(píng)價(jià)，為相關(guān)環(huán)節(jié)的培訓(xùn)和考核提供依據(jù)和建議。

1 應(yīng)急任務(wù)評(píng)價(jià)與結(jié)構(gòu)化分解

1.1 應(yīng)急任務(wù)的特征

應(yīng)急任務(wù)通常可視為由多個(gè)子任務(wù)組成，具有較高時(shí)間和效率壓力的復(fù)雜型任務(wù)，其執(zhí)行過(guò)程主要可分為刺激、決策及反應(yīng)三個(gè)階段[7]。從多資源理論角度來(lái)考慮，視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、認(rèn)知與動(dòng)作則是人的四項(xiàng)基本資源[8]。如果將這兩種指標(biāo)結(jié)合，則刺激階段實(shí)際是視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)資源被消耗時(shí)的通道，決策階段為認(rèn)知資源的通道，而反應(yīng)階段為動(dòng)作資源的通道。因此，四項(xiàng)基本資源是每個(gè)子任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中的基礎(chǔ)單元，而完成一項(xiàng)完整應(yīng)急任務(wù)的過(guò)程，實(shí)質(zhì)是這些基礎(chǔ)單元排列組合的結(jié)果。所以，在高時(shí)間壓力下，任務(wù)執(zhí)行者在應(yīng)急處置的過(guò)程中，對(duì)基礎(chǔ)單元的有效排列組合，也即對(duì)四項(xiàng)基本資源的調(diào)用和分配，是提高應(yīng)急任務(wù)效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

1.2 應(yīng)急任務(wù)評(píng)價(jià)指標(biāo)

四項(xiàng)基本資源作為應(yīng)急任務(wù)完成過(guò)程的基礎(chǔ)單元，為進(jìn)一步研究其在整個(gè)過(guò)程中的變化情況，各個(gè)環(huán)節(jié)中每次被調(diào)用和分配的資源應(yīng)有定量化的表述，這就是應(yīng)急任務(wù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。顯然，該指標(biāo)越大，則證明對(duì)應(yīng)的應(yīng)急任務(wù)階段對(duì)該方面的需求越大。例如，地鐵駕駛員駛離站臺(tái)遇夾人夾物情況時(shí)，會(huì)首先停車，此時(shí)對(duì)認(rèn)知資源和動(dòng)作資源的需求量較大。不妨將應(yīng)急任務(wù)中總體評(píng)價(jià)指標(biāo)大的作業(yè)環(huán)節(jié)稱為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，暫稱評(píng)價(jià)指標(biāo)為資源消耗量。

1.3 VACP量表與任務(wù)結(jié)構(gòu)化分解

需要指出，四項(xiàng)基本資源所涉及的人的能力是多方面的，如要將一項(xiàng)任務(wù)或一個(gè)環(huán)節(jié)準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)到某項(xiàng)資源，則每項(xiàng)資源須分化二級(jí)行為指標(biāo)。例如，停車是一項(xiàng)基本任務(wù)；如遇突發(fā)情況，使用對(duì)講通話與調(diào)度員聯(lián)系也是一項(xiàng)基本任務(wù)。上述兩項(xiàng)任務(wù)的過(guò)程都可以用消耗動(dòng)作資源來(lái)描述，但其實(shí)際的操作顯然有所不同。因此，對(duì)于四項(xiàng)基本資源而言，需引入二級(jí)指標(biāo)作為行為要素，從而對(duì)任務(wù)進(jìn)行精確描述[9]。

在目前相關(guān)的研究領(lǐng)域中，VACP量表是一個(gè)被普遍認(rèn)可的研究方法。該量表從行為層面對(duì)被實(shí)驗(yàn)者的作業(yè)進(jìn)行分析并打分，與心理測(cè)量方法相結(jié)合，是一種基于四項(xiàng)基本資源消耗與二級(jí)行為要素重要性的評(píng)分表[10]。上例中，停車對(duì)應(yīng)的二級(jí)行為要素為“操縱”，評(píng)分為4.6；與調(diào)度員通話對(duì)應(yīng)“講話”，評(píng)分為1.0。

本文研究的是地鐵駕駛員應(yīng)急任務(wù)，由于應(yīng)急任務(wù)的組合性和復(fù)雜性，為研究其各子任務(wù)或關(guān)鍵環(huán)節(jié)的資源消耗量，需將任務(wù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分解。應(yīng)急任務(wù)的結(jié)構(gòu)化分解是指將地鐵運(yùn)營(yíng)公司基于經(jīng)驗(yàn)制定的應(yīng)急任務(wù)按照聽(tīng)覺(jué)/視覺(jué)-決策-反應(yīng)的過(guò)程分解為具有時(shí)間和空間屬性的V/A-C-P行為單元形式的結(jié)構(gòu)化模型。因此，本文應(yīng)用VACP量表為該模型提供行為單元的形式及資源消耗量的表述。

2 應(yīng)用Petri網(wǎng)模型的應(yīng)急任務(wù)結(jié)構(gòu)化分解

2.1 Petri網(wǎng)模型

VACP量表能夠?yàn)橐豁?xiàng)任務(wù)的各個(gè)環(huán)節(jié)所應(yīng)用的資源及其應(yīng)用資源的角度進(jìn)行評(píng)分。但如前文中所提到的，地鐵駕駛員的應(yīng)急任務(wù)的復(fù)雜性影響大，現(xiàn)有研究往往無(wú)法清晰地表達(dá)整個(gè)作業(yè)項(xiàng)及環(huán)節(jié)的先后次序，因而對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取和對(duì)于任務(wù)的分析缺乏完整性和客觀性。

顯然，一種具有充分客觀性，從應(yīng)急任務(wù)本身出發(fā)，清晰地對(duì)任務(wù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分解，使VACP量表得到載體，作業(yè)環(huán)節(jié)和資源消耗量得到直觀的展示，從而進(jìn)一步分析的方法必不可少。本文采用Petri網(wǎng)模型進(jìn)行研究。

Petri網(wǎng)模型是一種適用于描述流程，尤其是適合描述異步并發(fā)現(xiàn)象的系統(tǒng)模型。該模型最初被利用于物理系統(tǒng)，且并不需要對(duì)組成元素進(jìn)行限制，因此，其利用范圍極為廣泛，且能夠應(yīng)用于各個(gè)學(xué)科[11]。

一個(gè)基本的Petri網(wǎng)模型是由3個(gè)元素構(gòu)成的集合：PN=(P,T,F)，其中P={p1,p2,…,pa}(a>0)是有限的庫(kù)所集，T={t1,t2,…,tb}(b>0)是有限的變遷集，且P、T之間有如式(1)的關(guān)系：

P∪T=φ，P∩T≠φ

(1)

F是P、T間的有向弧，該有向弧具有可逆性，即可以由P指向T，也可以由T指向P。

Petri網(wǎng)模型在嚴(yán)格數(shù)學(xué)定義的基礎(chǔ)上擁有規(guī)范化的圖形表示方法。圖1為Petri網(wǎng)模型的規(guī)范示意圖。

圖1 Petri網(wǎng)模型的規(guī)范示意圖

在圖1中，空心圓用以表示庫(kù)所集，黑色實(shí)心圓用以表示庫(kù)所內(nèi)包含的一種資源或狀態(tài)，稱為Token，帶有箭頭的線段用以表示有向弧，空心矩形用以表示變遷集。

Petri網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)則是由變遷T激發(fā)的，一次運(yùn)行即為前置庫(kù)所失去Token，后置庫(kù)所得到Token，有向弧運(yùn)送Token到變遷T響應(yīng)的過(guò)程[7]。將變遷的前置庫(kù)所記為P1，即時(shí)擁有的Token數(shù)量記為C1(Pa)；后置庫(kù)所記為P2，即時(shí)擁有的Token數(shù)量記為C2(Pa)，前置有向弧承擔(dān)的Token數(shù)量記為F1，后置有向弧承擔(dān)的Token數(shù)量記為F2，由式(1)，變遷T能夠響應(yīng)的條件則可表達(dá)為式(2)：

?pa∈P1,?pa∈P2,F1+C1(Pa)≥F2+C2(Pa)(a>0)

(2)

將變遷T應(yīng)用Token的方式記為f(tb)，由式(2)，可將完整的Petri網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)則表達(dá)為式(3)：

?pa∈P1,?pa∈P2,?tb∈T,f(tb)[F1+C1(Pa)]=F2+C2(Pa)(a,b>0)

(3)

2.2 模型應(yīng)用方法

上文中指出，Token可用于表示庫(kù)所內(nèi)所包含的一種資源或狀態(tài)。因此，VACP量表中的四項(xiàng)資源即可理解為四類基本的前置庫(kù)所，分別記為P1，P2，P3，P4，評(píng)分的值為Token的數(shù)量，對(duì)應(yīng)的每個(gè)二級(jí)行為要素為一個(gè)變遷，一個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)完成的狀態(tài)為后置庫(kù)所。如此定義后，作為任務(wù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的資源消耗量即可轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)移Token數(shù)量。由于在整個(gè)應(yīng)急任務(wù)過(guò)程中駕駛員需不斷從庫(kù)所中調(diào)用Token，且人本身能夠調(diào)用的資源無(wú)法定量描述，因此，四個(gè)基本前置庫(kù)所包含的初始Token數(shù)應(yīng)近似為無(wú)限大。

在應(yīng)用Petri網(wǎng)建立結(jié)構(gòu)化分解模型時(shí)，存在兩個(gè)重要問(wèn)題。其一，如何處理應(yīng)急任務(wù)可能在局部存在循環(huán)與往復(fù)的情況；其二，如何表示應(yīng)急任務(wù)可能存在某環(huán)節(jié)持續(xù)“保持”的過(guò)程。

為準(zhǔn)確表述資源可能存在的循環(huán)往復(fù)與保持兩種狀態(tài)，需引入順序參數(shù)Si=i(i>0)。該參數(shù)的意義是表征不同f(tb)的先后順序與并列關(guān)系。處于同一序列的行為，其順序參數(shù)應(yīng)相等。

為方便記錄，不妨將VACP量表的評(píng)分值乘以10作為消耗Token的數(shù)量，將量表中二級(jí)行為要素記為Vjk=c(j,k∈{1,2,…,8},c>0)，其中j，k分別表示該行為要素在表格中的行與列(除去標(biāo)題行與標(biāo)題列)，c表示對(duì)應(yīng)的消耗Token數(shù)量。如V22=10指聽(tīng)覺(jué)資源庫(kù)P2中的聽(tīng)覺(jué)檢測(cè)消耗10個(gè)Token。

應(yīng)用此方法對(duì)任務(wù)結(jié)構(gòu)化分解后，每個(gè)任務(wù)都可以得到一個(gè)完整的資源消耗、環(huán)節(jié)劃分與具體行為情況，可整理為一個(gè)包含順序參數(shù)、對(duì)應(yīng)變遷、對(duì)應(yīng)庫(kù)所、對(duì)應(yīng)行為要素、轉(zhuǎn)移Token數(shù)量等要素的架構(gòu)表。

2.3 完整應(yīng)急任務(wù)的實(shí)例分析

為論證該方法的可行性，本文以上海市軌道交通列車司機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)規(guī)定(Q/SD-YG-FT-YT-1563-2017)中的電動(dòng)列車駕駛員應(yīng)急作業(yè)項(xiàng)“站臺(tái)退行對(duì)位”的完整過(guò)程為實(shí)例，建立Petri網(wǎng)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分解并作分析與評(píng)價(jià)。

該作業(yè)分為以下環(huán)節(jié)：①駕駛員確認(rèn)，列車越過(guò)停車位置且滿足退行條件、列車未收到開(kāi)門碼、無(wú)法辦理乘降作業(yè)；②駕駛員向運(yùn)營(yíng)調(diào)度員申請(qǐng)退行對(duì)位；③駕駛員接受運(yùn)營(yíng)調(diào)度員命令；④駕駛員確認(rèn)車號(hào)、調(diào)令號(hào)，并復(fù)誦和記錄；⑤駕駛員牽引制動(dòng)手柄，方式方向手柄放至零位；⑥駕駛員將方式方向手柄放至后退位；⑦駕駛員確認(rèn)以3km/h速度退行對(duì)位；⑧駕駛員將列車停穩(wěn)于停車牌±25cm范圍內(nèi)；⑨駕駛員確認(rèn)站臺(tái)側(cè)允許開(kāi)門燈點(diǎn)亮。

由上述環(huán)節(jié)，結(jié)合上文所述作業(yè)分解方法，圖2為站臺(tái)退行對(duì)位作業(yè)Petri網(wǎng)模型示意圖。為使環(huán)節(jié)表述清晰，圖中省略中間過(guò)程中每個(gè)變遷的后置庫(kù)所。

圖2 站臺(tái)退行對(duì)位作業(yè)Petri網(wǎng)模型示意圖

整理得表1為站臺(tái)退行對(duì)位的作業(yè)架構(gòu)表：

表1 站臺(tái)退行對(duì)位作業(yè)架構(gòu)表

由表1可知，站臺(tái)退行對(duì)位作業(yè)共可分為15個(gè)階段，共對(duì)應(yīng)20個(gè)變遷。從庫(kù)所被調(diào)用的次數(shù)來(lái)看，站臺(tái)退行對(duì)位作業(yè)對(duì)認(rèn)知和動(dòng)作兩項(xiàng)基本資源的要求最高；從被轉(zhuǎn)移的Token數(shù)量來(lái)看，駕駛員的動(dòng)作資源是四項(xiàng)資源中消耗最大的，所對(duì)應(yīng)的二級(jí)行為要素主要包括操縱、講話等。

3 應(yīng)急任務(wù)結(jié)構(gòu)化模型的驗(yàn)證

3.1 行為安全風(fēng)險(xiǎn)檢查

上海申通地鐵集團(tuán)每年開(kāi)展的行為安全風(fēng)險(xiǎn)檢查是針對(duì)地鐵行車相關(guān)各崗位進(jìn)行考核，并根據(jù)考核結(jié)果作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的例行項(xiàng)目。該項(xiàng)目的重要指標(biāo)包括風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、不安全因素、檢查得分等。從每年的檢查結(jié)果來(lái)看，主要風(fēng)險(xiǎn)源和得分較低的情況都出現(xiàn)在對(duì)駕駛員綜合要求較高的作業(yè)環(huán)節(jié)，往往需要駕駛員同時(shí)完成多項(xiàng)子任務(wù)。如果從本文Petri網(wǎng)模型角度出發(fā)，這些環(huán)節(jié)的共同特點(diǎn)是瞬時(shí)Token轉(zhuǎn)移量大，從而引發(fā)任務(wù)過(guò)程中Token轉(zhuǎn)移的混亂，造成資源沖突，引發(fā)人誤風(fēng)險(xiǎn)和不安全行為。

因此，為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)化模型的有效性及可靠性，依據(jù)2019年度上海申通地鐵集團(tuán)安全風(fēng)險(xiǎn)檢查項(xiàng)目a34號(hào)檢查表——電動(dòng)列車駕駛員站臺(tái)退行對(duì)位作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安全檢查表的數(shù)據(jù)，以檢查得分為主要對(duì)照組，第三方的危險(xiǎn)原因分析為參考指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析。該檢查涉及上海地鐵3號(hào)線、4號(hào)線、7號(hào)線共12名駕駛員，本文以12份檢查結(jié)果平均值為基準(zhǔn)進(jìn)行后述研究，在表2中完整列出，其中檢查表中的滿分分值為6。

表2 駕駛員站臺(tái)退行對(duì)位作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安全檢查結(jié)果

3.2 驗(yàn)證過(guò)程的調(diào)整

需要注意，因安全風(fēng)險(xiǎn)檢查與Petri網(wǎng)模型對(duì)作業(yè)項(xiàng)的詳細(xì)劃分方式不同，雖然表2中的檢查項(xiàng)數(shù)量也為15，但與表1中的15個(gè)階段不完全一致，因此,需要對(duì)其作順序?qū)?yīng)處理。如表1中的1個(gè)階段對(duì)應(yīng)表2中的多個(gè)作業(yè)項(xiàng)，則將表2這些作業(yè)項(xiàng)的分值再取平均值；如表3中的1個(gè)作業(yè)項(xiàng)對(duì)應(yīng)表1中的多個(gè)階段，則將表1中這些階段的轉(zhuǎn)移Token數(shù)量相加。表3為對(duì)應(yīng)情況。

表3 順序?qū)?yīng)表

3.3 模型驗(yàn)證結(jié)果與分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證相關(guān)性，應(yīng)用IBM SPSS Statistics軟件(下稱SPSS軟件)作分析。首先對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行K-S檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)移Token數(shù)量不顯著服從正態(tài)分布，檢查得分則服從正態(tài)分布。為確保模型驗(yàn)證結(jié)果可靠，對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行置信度為0.01的雙側(cè)顯著性檢驗(yàn)并分別選擇皮爾遜相關(guān)系數(shù)和斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)分析相關(guān)性。

結(jié)果顯示，在置信度為0.01的雙側(cè)檢驗(yàn)下，p=0.002<0.01，則轉(zhuǎn)移Token數(shù)量與檢查得分之間存在顯著的線性相關(guān)。本例中，SPSS軟件顯示皮爾遜相關(guān)系數(shù)為-0.8044，斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)為-0.822，其絕對(duì)值均大于0.8，證明轉(zhuǎn)移Token數(shù)量與檢查得分之間有極強(qiáng)負(fù)相關(guān)性。

總結(jié)站臺(tái)退行對(duì)位作業(yè)安全檢查表中的危險(xiǎn)原因分析，出現(xiàn)次數(shù)最多的前三位依次為：①駕駛員向調(diào)度員匯報(bào)時(shí)遺漏信息；②駕駛員未復(fù)誦調(diào)度命令；③駕駛員未判斷是否滿足退行條件臆測(cè)行車。其中，①②主要暴露駕駛員在認(rèn)知和動(dòng)作兩方面的問(wèn)題，③則主要暴露駕駛員在認(rèn)知和視覺(jué)方面的問(wèn)題，這些問(wèn)題與模型中相對(duì)應(yīng)的庫(kù)所被調(diào)用次數(shù)以及被轉(zhuǎn)移Token數(shù)量相一致。

以上分析說(shuō)明，基于Petri網(wǎng)模型的地鐵駕駛員應(yīng)急作業(yè)分析方法具有充分的可靠性，能夠?qū)?yīng)急任務(wù)中駕駛員各項(xiàng)能力的要求作有效的定量反映。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種采用Petri網(wǎng)模型對(duì)城市軌道交通應(yīng)急任務(wù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分解與定量分析的方法。模型所得的結(jié)果充分說(shuō)明，被調(diào)用次數(shù)多的庫(kù)所反映了目標(biāo)任務(wù)對(duì)駕駛員特定方面的要求高，而轉(zhuǎn)移Token數(shù)量大的任務(wù)環(huán)節(jié)則反映了駕駛員需要更高的作業(yè)勝任力才能保證安全運(yùn)行。為提高駕駛員作業(yè)勝任力，管理者可以對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)加以重點(diǎn)培訓(xùn)，同時(shí)，可以采取相應(yīng)培訓(xùn)方法加強(qiáng)駕駛員保持注意力的能力。管理者也可以根據(jù)劃分的不同階段，采用主觀評(píng)價(jià)法或生理測(cè)量法作為輔助，選擇一個(gè)或連續(xù)數(shù)個(gè)重點(diǎn)的階段進(jìn)行駕駛員資源應(yīng)用情況的第三方觀察研究。本文也期待為工作負(fù)荷、工作績(jī)效以及行為安全等多方面的研究提供參考。