FAO系統(tǒng)下列車火災(zāi)應(yīng)急處置GSPN模型與分析

李艷艷, 張孝法

1.安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院城市軌道交通與信息工程系,安徽 合肥 230051;2.安徽省道路運(yùn)輸管理服務(wù)中心,安徽 合肥 230022

0 引言

截至2022年底,中國大陸已開通36條全自動(dòng)運(yùn)營線路,總運(yùn)營里程為935 km。全自動(dòng)化運(yùn)營線路的規(guī)?；l(fā)展對(duì)安全運(yùn)營城市軌道交通提出新挑戰(zhàn)。在軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行(fully automatic operation,FAO)系統(tǒng)下,采取列車無人值守的自動(dòng)運(yùn)行模式時(shí),一旦突發(fā)火災(zāi),只能由控制中心(operation control center,OCC)調(diào)度人員遠(yuǎn)程完成應(yīng)急處置。列車在長大區(qū)間內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí),列車上的電氣設(shè)備可能已損壞,無法接收信號(hào)系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行至前方車站的指示,區(qū)間隧道內(nèi)乘客疏散困難,應(yīng)急救援組織工作難度增大,極易造成重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

為有效減少列車火災(zāi)事故可能造成的嚴(yán)重后果,基于廣義隨機(jī)Petri網(wǎng)(generalized stochastic Petri net,GSPN)建立FAO系統(tǒng)下區(qū)間列車火災(zāi)的應(yīng)急處置GSPN模型,描述應(yīng)急處置系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為,分析軌道交通列車火災(zāi)應(yīng)急處置作業(yè)過程,發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié),完善應(yīng)急處置流程,提高應(yīng)急處置效率,為交通運(yùn)營人員的應(yīng)急組織提供理論參考[1]。

隨機(jī)Petri網(wǎng)在跨組織應(yīng)急協(xié)同管理、煤礦事故、天然氣泄露事故和工程火災(zāi)事故等應(yīng)急管理流程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[2-3]。李遷等[4]建立工程事故應(yīng)急處置的GSPN模型,同構(gòu)模型的馬爾可夫鏈(Markov chain,MC),分析GSPN模型的系統(tǒng)效能,計(jì)算系統(tǒng)中可達(dá)標(biāo)識(shí)的穩(wěn)態(tài)概率及模型的時(shí)間性能指標(biāo),分析系統(tǒng)中關(guān)鍵活動(dòng)的運(yùn)行效率,優(yōu)化應(yīng)急處置流程。胡甚平等[5]為解決液化天然氣動(dòng)力船中燃料泄漏的風(fēng)險(xiǎn)問題構(gòu)建GSPN模型,分析系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)概率等應(yīng)急響應(yīng)主要效能,確定應(yīng)急響應(yīng)流程中待優(yōu)化的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。田銳[6]構(gòu)建工程火災(zāi)應(yīng)急流程的GSPN模型,分析事故案例,確定應(yīng)急流程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和作業(yè)瓶頸,為優(yōu)化應(yīng)急處置預(yù)案流程提供依據(jù)。汪茉莉[7]建立車站火災(zāi)預(yù)警響應(yīng)流程、應(yīng)急響應(yīng)流程及后期處置流程的時(shí)間Petri網(wǎng),優(yōu)化車站火災(zāi)的應(yīng)急響應(yīng)流程。對(duì)列車火災(zāi)應(yīng)急處置的研究主要集中在安全疏散性能、疏散模式、人員安全疏散模擬和煙氣特性等方面[8-11]。采用Petri網(wǎng)對(duì)FAO系統(tǒng)中地鐵列車火災(zāi)應(yīng)急處置流程進(jìn)行建模和分析的理論與應(yīng)用研究較少[12-15]。

本文分析FAO系統(tǒng)下不同區(qū)域列車火災(zāi)的應(yīng)急處置預(yù)案,引入GSPN模型,采用同構(gòu)的MC計(jì)算可達(dá)標(biāo)識(shí)的穩(wěn)態(tài)概率和GSPN模型的性能指標(biāo),分析變動(dòng)實(shí)施速率對(duì)穩(wěn)態(tài)概率的影響,以期確定應(yīng)急處置系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),優(yōu)化FAO系統(tǒng)下列車火災(zāi)的應(yīng)急處置流程。

1 FAO系統(tǒng)下列車火災(zāi)應(yīng)急處置流程建模

1.1 FAO系統(tǒng)下列車火災(zāi)應(yīng)急處置流程

根據(jù)FAO系統(tǒng)下列車火災(zāi)發(fā)生的位置,可將火災(zāi)分為站臺(tái)區(qū)域火災(zāi)、軌行區(qū)區(qū)間中部火災(zāi)、軌行區(qū)近前方站火災(zāi)及軌行區(qū)近后方站火災(zāi)等。列車火災(zāi)發(fā)生的位置不同,應(yīng)急處置預(yù)案、處置步驟及措施也不同。一般城市軌道交通的應(yīng)急處置預(yù)案中,若地鐵運(yùn)行過程中發(fā)生火災(zāi)事故,在列車具備動(dòng)車的條件下,盡可能安排列車運(yùn)行至前方車站,組織疏散乘客和開展救援工作,有效降低疏散救援難度;不具備運(yùn)行至前方車站的條件時(shí),救援人員可進(jìn)入?yún)^(qū)間組織疏散和救援。

將FAO系統(tǒng)下列車區(qū)間火災(zāi)應(yīng)急處置過程分為監(jiān)測(cè)與預(yù)警、決策與應(yīng)急響應(yīng)、救援行動(dòng)和運(yùn)營恢復(fù)等4個(gè)階段。列車在區(qū)間運(yùn)行時(shí),通過車載感溫感煙探測(cè)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行火情監(jiān)測(cè)與預(yù)警,當(dāng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)(fire alarm system,FAS)報(bào)警時(shí),調(diào)度人員查看OCC監(jiān)控系統(tǒng),根據(jù)火情發(fā)生與否、列車區(qū)間位置、列車火災(zāi)部位、起火源和火勢(shì)程度等因素進(jìn)行決策并啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案,包括通知搶修人員、車站多職能工作人員、119消防人員和120救護(hù)人員等與現(xiàn)場指揮到位,聯(lián)動(dòng)列車控制、監(jiān)控系統(tǒng)和運(yùn)營組織調(diào)整等進(jìn)行快速救援、區(qū)間疏散和滅火等工作;救援行動(dòng)結(jié)束后恢復(fù)全線運(yùn)營。FAO系統(tǒng)下列車火災(zāi)應(yīng)急處置流程如圖1所示。

1.2 應(yīng)急處置流程仿真模型

Petri網(wǎng)是分布式系統(tǒng)的建模和分析工具,原始Petri網(wǎng)無時(shí)間概念,但隨機(jī)Petri網(wǎng)包含時(shí)間因素。Molly[16]提出將每個(gè)變遷與實(shí)施速率關(guān)聯(lián)的Petri網(wǎng)模型,其中變遷與隨機(jī)指數(shù)實(shí)施延遲關(guān)聯(lián),對(duì)不確定系統(tǒng)進(jìn)行建模和分析。執(zhí)行變遷有時(shí)間延遲,即從變遷T變?yōu)榭蓤?zhí)行狀態(tài)所需時(shí)間被視為連續(xù)隨機(jī)變量(非負(fù)實(shí)數(shù)),即為變遷平均實(shí)施速率,服從指數(shù)分布函數(shù)。

GSPN是時(shí)間連續(xù)的Petri網(wǎng)模型,由七元(P、T、F、V、W、M0、λ)組成:P為庫所集;T為變遷集;F為有向弧集,F?(P×T)∪(T×P);V為變遷禁止弧,V?(P×T);W為權(quán)函數(shù),W:F→N;M0為系統(tǒng)的初始狀態(tài),M(Pi)為M標(biāo)識(shí)下庫所Pi的TOKEN數(shù);λ為變遷平均實(shí)施速率,λ={λ1,λ2,…,λn},1/λ為變遷的平均實(shí)施時(shí)延。GSPN將模型中變遷的發(fā)生時(shí)間轉(zhuǎn)換為隨機(jī)變量,模型具有MC特性,可通過GSPN模型的可達(dá)集同構(gòu)為時(shí)間連續(xù)的MC,求得系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)概率,分析模型的性能指標(biāo)。

FAO系統(tǒng)下列車火災(zāi)應(yīng)急處置的GSPN模型如圖2所示?；馂?zāi)事故后的處置流程需多部門配合。為避免GSPN模型出現(xiàn)空間爆炸,建模時(shí)簡化流程中的部分具體操作,并拆分和合并部分過程,如T6表示啟動(dòng)車載PA系統(tǒng)、啟動(dòng)車載PIS、啟動(dòng)隧道環(huán)控系統(tǒng)、相鄰車站多職能人員準(zhǔn)備到位,以觸發(fā)列車運(yùn)行保障信息表示。GSPN模型中庫所與變遷的含義如表1所示。T1與T3、T4與T5為沖突關(guān)系,不能同時(shí)發(fā)生;T6與T12、T7與T8、T14與T19、T15與T16為并發(fā)關(guān)系,可同時(shí)發(fā)生。

表1 GSPN模型中庫所與變遷的含義

表1(續(xù))

圖2 FAO系統(tǒng)下列車火災(zāi)應(yīng)急處置的GSPN模型

IPH—乘客緊急呼叫(interphone handle,IPH);PA—廣播(public address,PA);PIS—乘客信息系統(tǒng)(passenger information system,PIS)。 圖1 FAO系統(tǒng)下列車火災(zāi)應(yīng)急處置流程

2 GSPN模型性能分析

2.1 列車火災(zāi)應(yīng)急處置GSPN模型的有效性分析及同構(gòu)MC

采用仿真軟件PIPE對(duì)圖2的GSPN模型進(jìn)行有效性驗(yàn)證,可知GSPN模型滿足Petri網(wǎng)的可達(dá)性、安全性、有界性及活性要求。FAO系統(tǒng)下列車火災(zāi)應(yīng)急處置GSPN模型的可達(dá)標(biāo)識(shí)圖如圖3所示,紅圈標(biāo)識(shí)代表可達(dá)。

圖3 FAO系統(tǒng)下列車火災(zāi)應(yīng)急處置的GSPN模型的可達(dá)標(biāo)識(shí)圖

由圖3可知:所建GSPN模型包括41個(gè)可達(dá)標(biāo)識(shí)S0～S40,在同構(gòu)的MC中可被映射為41個(gè)狀態(tài)。λ為MC模型的有向邊,與GSPN模型同構(gòu)的MC模型如圖4所示。

圖4 與GSPN模型同構(gòu)的MC模型

2.2 列車火災(zāi)應(yīng)急處置GSPN模型的性能指標(biāo)分析

2.2.1 穩(wěn)態(tài)概率

穩(wěn)態(tài)概率是指長期運(yùn)行后GSPN模型處于某狀態(tài)的概率,即當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定情況下各狀態(tài)的應(yīng)急處置時(shí)間與整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)急處置總時(shí)間之比,如列車火災(zāi)應(yīng)急處置流程中的監(jiān)測(cè)與預(yù)警階段、決策與應(yīng)急響應(yīng)階段、救援階段等環(huán)節(jié)與應(yīng)急處置總時(shí)間之比。同構(gòu)MC的概率轉(zhuǎn)移矩陣為Q,其元素qij(1≤i,j≤n)滿足:

MC呈穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)行向量X=(x1x2x3…xn),P(Mi)=xi為穩(wěn)態(tài)概率,根據(jù)馬爾科夫過程,有以下線性方程組[17-18]

可求得可達(dá)標(biāo)識(shí)的穩(wěn)態(tài)概率。

2.2.2 庫所的平均TOKEN數(shù)

2.2.3 變遷利用率

2.2.4 系統(tǒng)平均處置時(shí)間

列車火災(zāi)應(yīng)急處置系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的平均處置時(shí)間

(1)

3 實(shí)證分析

為驗(yàn)證GSPN模型的有效性,分析某地鐵列車火災(zāi)應(yīng)急處置流程的效率和GSPN模型的性能指標(biāo),確定關(guān)鍵環(huán)節(jié)及平均應(yīng)急處置總時(shí)長。走訪調(diào)研多家地鐵公司火災(zāi)應(yīng)急演練情況,賦予變遷平均時(shí)延參數(shù)及對(duì)應(yīng)的λi,如表2所示。根據(jù)GSPN算法,計(jì)算得到各狀態(tài)的P(Mi)如表3所示。

表2 變遷的平均時(shí)延及對(duì)應(yīng)的λi

表3 各狀態(tài)的P(Mi)

根據(jù)各狀態(tài)的P(Mi),計(jì)算各庫所的ui,如表4所示。由表4可知:u5、u8、u9、u21和u22較大,集中在救援行動(dòng)階段。主要原因是救援階段涉及多部門,且FAO系統(tǒng)下列車采取無人值守運(yùn)行模式時(shí),行車調(diào)度人員需遠(yuǎn)程查看列車運(yùn)行狀態(tài)信息,發(fā)布乘客撤至安全車廂的信息,遠(yuǎn)程控制列車運(yùn)行至車站,由各部門上報(bào)救援完成后的信息,易產(chǎn)生信息堆積,P5、P8、P9、P21、P22應(yīng)作為優(yōu)化應(yīng)急處置流程的重點(diǎn)。

表4 各庫所的ui

U(Ti)的計(jì)算結(jié)果如表5所示。由表5可知:U(T9)、U(T12)和U(T21)相對(duì)較高,主要集中在救援實(shí)施階段與運(yùn)營恢復(fù)階段。在救援實(shí)施階段,組織現(xiàn)場救援時(shí)需分類實(shí)施,車站工作人員主要完成初期救援,如需120協(xié)助,則需協(xié)調(diào)120救護(hù)人員到現(xiàn)場后組織救援工作;事故列車造成多列車延誤或晚點(diǎn),在運(yùn)營恢復(fù)階段,組織受影響列車恢復(fù)到正點(diǎn)運(yùn)行時(shí)需多部門間協(xié)調(diào),調(diào)整過程耗時(shí)較長。

表5 U(Ti)的計(jì)算結(jié)果

由式(1)計(jì)算S=10.97 min。

為確定系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),改變?chǔ)薸,可得出λi變動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的41個(gè)P(Mi)的變動(dòng)值,發(fā)現(xiàn)變動(dòng)λ1、λ3、λ5、λ7、λ12、λ22時(shí),對(duì)系統(tǒng)各狀態(tài)的P(Mi)影響較大,因此將λ1、λ3、λ5、λ7、λ12、λ22對(duì)應(yīng)的環(huán)節(jié)確定為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。關(guān)鍵環(huán)節(jié)λi的變動(dòng)范圍如表6所示,對(duì)應(yīng)的λi變動(dòng)下狀態(tài)的P(Mi)如圖5所示。

表6 關(guān)鍵環(huán)節(jié)λi的變動(dòng)范圍

圖5 關(guān)鍵環(huán)節(jié)λi變動(dòng)下各狀態(tài)的P(Mi)

由表6、圖5可知:當(dāng)λ1、λ3、λ5、λ7、λ12、λ22變動(dòng)時(shí),各狀態(tài)的P(Mi)受影響程度不同,如λ1變動(dòng)時(shí),在41個(gè)穩(wěn)態(tài)概率中P(M3)、P(M35)、P(M37)、P(M40)、P(M13)變化較明顯,P(M37)、P(M40)顯著下降,表明對(duì)應(yīng)的變遷處理速度提高,本環(huán)節(jié)積壓工作量減少,當(dāng)λ1增大到一定程度時(shí),各狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率趨于穩(wěn)定,整個(gè)應(yīng)急處置系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn),可確定最佳變遷實(shí)施速率、各環(huán)節(jié)的最佳處置時(shí)間和應(yīng)急處置總時(shí)長,為優(yōu)化列車火災(zāi)應(yīng)急處置流程提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

1)分析FAO系統(tǒng)下無人值守的地鐵列車發(fā)生區(qū)間火災(zāi)的應(yīng)急處置流程,構(gòu)建FAO系統(tǒng)下列車火災(zāi)應(yīng)急處置的GSPN模型及其同構(gòu)的馬爾科夫鏈,分析FAO系統(tǒng)下列車突發(fā)區(qū)間火災(zāi)的應(yīng)急處置過程的結(jié)構(gòu)狀態(tài)與動(dòng)態(tài)行為。

2)求解GSPN模型的穩(wěn)態(tài)概率,計(jì)算GSPN模型的性能指標(biāo),定量分析應(yīng)急處置流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和總運(yùn)行時(shí)間,確定救援行動(dòng)階段救援人員行動(dòng)、乘客到達(dá)安全車廂、列車到達(dá)車站、車站處置完成和救援完成等環(huán)節(jié)易造成信息堵塞,開展車站處置工作、車站組織救援和組織事故列車下線的變遷利用率相對(duì)較高且耗時(shí)。

3)為提高關(guān)鍵環(huán)節(jié)的應(yīng)急處置效率,變動(dòng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的實(shí)施速率,各狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率隨之變化,對(duì)應(yīng)的變遷處理速率提高,說明本環(huán)節(jié)積壓的工作量減少,處置效率提高,整個(gè)應(yīng)急處置系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn),可確定最佳變遷實(shí)施速率,確定處置環(huán)節(jié)的最佳處置時(shí)間和應(yīng)急處置總時(shí)間,為FAO新技術(shù)應(yīng)用下的應(yīng)急處置過程優(yōu)化提供科學(xué)合理的思路和方法。