城市轨道交通安全生产应急救援关键技术建议书(共10页)

1、PAGE - 10 -PAGE - 10 -城市(chngsh)轨道交通安全(nqun)生产应急(yng j)救援关键技术建议书一、项目的意义和必要性（项目研究的重要性和紧迫性，国内外同类研究进展情况，本项目对安全生产应急救援的作用和意义）概述本项目重点研究城市轨道交通应急调度指挥模拟演练的相关问题，包括城市轨道交通列车流管理控制的模拟、人的行为特征模拟、城市轨道交通应急调度指挥模拟演练平台等方面的内容。在城市轨道交通复杂场景的高可信建模技术和交互过程中安全态势场景的演化规律等关键技术上取得突破，从而提升虚拟环境的用户体验真实感，增强虚拟现实系统实用性，使操作者通过与虚拟环境的交互，获得符合客

2、观事物的发展规律、符合人类对真实世界感知能力的真实体验。项目主要面向城市轨道交通的实际应用需求，研发具有自主知识产权和良好显示度、达到国际先进水平的典型应用示范系统，以实现项目成果的集成与验证，为研制出提升性能跨越性、打破国外垄断的高端国产化平台、系统和产品奠定基础，推动我国安全生产应急救援领域的虚拟现实技术以及模拟演练的产业化发展。项目研究的重要性和紧迫性城市轨道交通运营安全的特殊性，决定了项目研究的重要性。由于城市轨道交通具有线长、点多、面广的特点，客流密集，特别是地铁深埋地下，环境封闭，在通风、客流快速疏散等方面都受到很大限制，对运营安全防范带来了很大的难度。尤其是近年来，一些国家的地铁

3、成为恐怖袭击和人为破坏的重要目标之一，对社会造成的影响要明显高于市内其他的公共交通工具。这些突发事件很难防范，而且一旦发生，往往后果不堪设想，危害相当严重。通过项目研究，能够更好地掌握应急状态下的乘客行为特征，为应急救援中的人员快速疏散提供可靠的理论基础，避免踩踏等衍生事故发生，保护乘客安全；能够对列车流进行更为有效地管理和控制，为大客流的冲击提供更为有效地运力保障，保证地铁运营安全有序；能够为不同等级应急事件提供更为真实可信地调度指挥模拟平台，为安全培训、预案演练和应急决策等应急管理工作提供科学手段，提升地铁安全运营的应急管理能力。城市轨道交通的高速发展，决定了项目研究的紧迫性。目前，我国的

4、城市轨道交通建设全面展开，全国已有20多个城市立项修建地铁和轻轨，北京、上海、天津、重庆、武汉等9个城市已经先后开通或正在建设城市轨道交通。同时，城市轨道交通发展的速度也在逐步加大。以北京市为例，2012年运营线路总里程数为400KM，日均客运量750万人次，预计2015年运营线路总里程数为666KM，日均客运量1000万人次。按照2020年的中期规划，北京城市轨道交通运营线路总里程将达到798公里。按照2050年的长期规划，北京市将有22条市区轨道线路，总长 693公里，加上郊区线路300多公里，北京轨道交通总里程将超过1000公里，公共交通设施将成为八成左右市民的主要交通工具，其中一半的人

5、将经常使用轨道交通。城市轨道交通的高速发展给市民出行带来便利的同时，也积蓄了更大的安全风险，如高密度长时间大客流冲击、地铁事故造成的城市交通瘫痪、恐怖袭击造成的群死群伤等等。原有地铁的安全管理模式、安全设备设施、风险防控体系和应急处置措施等方面亟待进一步地提高，以满足城市轨道交通高速发展的需求。本项目针对城市轨道交通安全管理的重点问题（突出事件下乘客行为模式、应急调度指挥和预案模拟演练等）进行专项研究和重点攻关，并将这些关键技术与应急救援实际工作相结合，形成相应的安全生产和应急管理平台、系统和产品，提高应急救援技术的科技含量，以适应城市轨道交通高速发展的需要。国内外同类研究进展情况城市轨道交通

6、列车流的管控模拟理论城市轨道交通列车流是交通工具流的组成部分，而交通工具流又是交通流的组织部分；因而，交通流模拟理论的发展带动了交通工具流模拟理论的发展，进而带动城市轨道交通列车流模拟理论的发展。基本图方法和三相流理论是传统交通流模拟理论的基础，其中，基本图方法是以交通工具的密度和流量关系为基础发展出的一整套交通流理论，它将交通流区分为自由流相和拥挤流相。而作为交通流理论前沿的三相流理论，则进一步把拥挤流相划分为同步流相和宽运动堵塞相。三相流理论在模拟实际交通状况，特别是瓶颈处的交通拥塞状况，相比基本图方法更加符合实际观测结果。交通流模型是模拟交通工具流发展演变的核心。根据研究方法的不同，交通

7、流模型可分为三类：基于流体力学的宏观交通流模型、基于空气动力学的介观交通流模型和基于自驱动粒子理论的微观交通流模型。宏观交通流模型基于流体力学理论，将交通流看作由大量交通工具组成的连续介质，主要研究流量、速度和密度三者之间的基本关系。基于空气动力学的介观交通流模型采用气体动力论理论的思想来描述交通流，将交通工具看成是相互作用的粒子，通过积分关于相空间密度分布函数的Bolzmann 方程，并引入近似关系来封闭方程组，从而得到交通流。微观交通流模型将交通工具视为分散的相互作用的“自驱动”的粒子，着重研究交通工具之间相互跟随和干扰的动力学行为，跟驰模型和元胞自动机模型是该方法的典型代表。人的行为特征

8、模拟技术的发展理论研究的趋势是行为驱动机制从传统的物理模型逐步发展为基于个体的动态离散化选择机制，模拟环境也从离散化发展为连续的空间，模拟的的高精度、实时性以及规模化是该领域的追求目标与发展趋接。有关行人微观仿真的模型有社会力模型、元胞自动机模型和离散选择模型等主要模型。几种典型的微观行人仿真模型比较见下表。表1典型微观行人仿真模型比较成本效益元胞模型元胞自动机模型磁力模型社会力模型排队网络模型向目的地运动收益值定义方向异极相吸期望速度权重随机选择排斥作用成本值运动规则同极排斥相互作用力优先规则(FIFO)变量赋值任意赋值或任意赋值物理意义物理意义程序编写主导环节收益成本值计算If-then

9、规则(尝试性)尝试性动力学系统(连续)排队模型描述现象排队排队、自组织排队、路径搜索排队、自组织排队、疏散疏散时间评价不可能可能参数标定观测分析基础数据观测观测观测在对城市轨道交通车站行人行为特征模拟研究中，大部分学者们采用多智能体技术，分别针对车站整体行人行为或针对站台乘降行为开发了乘客集散仿真系统。可见研究趋势是解决基于个体的大规模车站系统下的行人行为仿真，以及针对车站行为的某个环节，开发出更逼近现实情况的高精度仿真系统。李得伟（2007）研究了基于多智能体的乘客集散微观仿真模型，开发了城市轨道交通乘客集散仿真软件MTR-PedSIM。该软件的动态仿真模块采用Agent技术实现枢纽内乘客购

10、票、上下车、换乘行为的再现。胡清梅（2011）研究了基于认知的轨道交通乘客运动仿真模型。该模型从人的认知决策行为出发，借鉴Agent建模思想，建立乘客视觉感知、行为控制、运动路径、移动和轨道交通环境知识模型，形成更复杂的乘客运动行为的过程，得出一般的解析模型无法得到的乘客群体运动混沌现象。Tatsuya INAGI(2011)研究了基于多智能体的乘客站台乘降运动仿真模型，该模型采用磁力模型研究了不同行为特征乘客个体的乘降行为，包括选择乘车位置、车门处乘客因避让二次乘车、选择舒适的车内位置、从车厢中部出发的下车行为等精细化的乘降行为模型，形成了更加符合现实的乘降行为模拟。苗晓娟（2008）使用微

11、观仿真软件VISSIM对枢纽乘客上下车集散运行状态进行仿真试验，计算了关于枢纽内乘客集散的评价指标，对当时规划中北京地铁10号线二期分钟寺车站未来高峰时段的客流进行了仿真实验。人群行为特征的演变模拟技术研究主要涉及人群行为建模与验证、人群运动合成、动态人群实时绘制等三个方面。根据行为仿真的目的不同，人群行为建模方法从群体宏观特征和角色微观行为特征两方面展开研究。宏观模型主要侧重于研究整个群体的行为真实性，它的描述对象是角色的集体交通行为，比如人群分组情况，组间交互方式，组内行为规则等，一般针对高密度、大范围的人群流动场景。与宏观模型相对应，微观模型研究重在从角色个体的角度建模，将个体的行为组合

12、而得到人群的行为。它的描述对象是单个角色的交通行为，适合于人群不太密集，对个体行为精度要求较高的场合。宏观建模方法主要包括博弈(决策)论模型、气体(或流体)动力学模型、流体力学模型及其相关的扩展模型。早期宏观模型主要用于为设计者提供设计和调整人群疏散方案的依据，Domencich（1975）利用博弈理论、决策理论以及传播理论等原理而建立的模型。气体或流体动力学模型则考虑人群为一个整体，Henderson（1971）建立人群行为类似于气体或者流体流动的形式模型。Jiang（2010）基于流体力学建立的人流模型，可从宏观上动态模拟行人流问题。宏观建模方法对复杂环境的计算比较困难且不灵活，无法描述复

13、杂的流动行为以及个体间的异质性。微观建模方法主要包括社会力模型、元胞自动机模型和基于自主体的模型。Helbing（2000）建立了社会力模型，并使用微分方程求解，其复杂度高，对边界条件依赖性大，效率相对较低。元胞自动机模型把空间和时间按照一定间距离散化、系统物理参量只取有限个数值集的物理系统简化模型，元胞自动机不是由严格定义的物理方程或函数确定，而是用一系列模型构造的规则构成。元胞自动机模型的研究成果可以分成两类：一类模型研究的是环境和行人间的交互；另外一类模型研究了行人与行人间的相互作用。元胞自动机方法将人的运动限制于离散的方格之中，其在时间和空间上都是离散的，因此仿真出来的人群运动不连续，

14、从而缺乏真实性。Sharma（2006）构建了考虑自主体的模型，把模型中的个体看作是具有自我思考能力的自主体，能够根据自身周围的情况和获得的信息进行判断，并做出行为反应。自主体模型能够更好地体现人员的个体行为特征细节和人的智能性特点，但计算复杂度受人群规模的影响很大。（3）应急指挥模拟演练平台应急指挥是基于模拟的实地救援环境，但考虑占地、经费、重复性等客观原因，不可能建立非常丰富的救援指挥训练环境。随着计算机仿真技术的不断提高，构建应急指挥训练仿真系统提供一个接近真实的训练环境，已成为训练指挥员的指挥能力的重要手段。国外对防灾、救灾应急管理工作开展较早，并成立了专门的机构，如美国的国土安全部，

15、其主要职责是通过紧急事件预防、应急准备、应急响应和灾后重建等全过程的应急管理，领导国家应对各种灾难，保护各种设施，减少人员伤亡和财产损失。国内对防灾救灾管理工作开展较晚，自2003年“非典”后期，经过10年发展，已经日渐深入人们生活。虽然应急指挥管理理念已深入人心，但应急指挥技术平台有待进一步提高，以轨道交通系统为例，该系统下的应急指挥系统只是将各种分散的系统信息汇集，缺乏突发事件发生后指挥工作的系统性和决策的高效性等。这些分散的小系统如：铁路车站信号设备仿真培训系统，成都运达科技股份有限公司，2013年，公开号：CN103021220A高速铁路集控站调度仿真培训系统，成都运达科技股份有限公司

16、，2012年，公开号：CN202331866U轨道列车驾驶仿真器操纵评价系统及其评价方法，成都运达轨道交通设备有限公司，2011年，公开号：CN102074143A一种城市轨道交通运行联锁仿真方法及仿真器，上海电机学院,2011年，公开号：CN102211599A轨道交通自动驾驶系统模型开发与仿真测试系统与方法，北京交通大学，2010年，公开号：CN101916311A铁路综合培训仿真系统，中国神华能源股份有限公司、朔黄铁路发展有限责任公司，2008年，公开号：CN101201982城市轨道交通信号系统的列车环境仿真器，南京恩瑞特实业有限公司，2008年，公开号：CN201051254铁路机车

17、车辆运行仿真试验台，西南交通大学，2007年，公开号：CN1995949除上述专注“调度、信号、机车驾驶培训，轨道、车辆动力分析”等方面的系统外，也有一些多工种联合的系统，如：轨道交通多工种联合演练仿真培训系统，成都运达轨道交通设备有限公司，2011年，公开号：CN201918047U。陈海滨等人（2009）介绍了中国首套铁路运输综合仿真模拟培训系统朔黄铁路运输综合仿真培训系统，系统以高性能的全功能列车驾驶模拟器为依托，与车站作业仿真培训系统和列车调度运行指挥仿真系统协调运行，实现朔黄铁路主体运输作业过程的仿真，实践了列车、行调、车站三位一体的整体联合培训。李紫时等人（2010）提出应用HLA

18、仿真架构进行铁路综合培训系统设计。解决了驾驶仿真器等DIS系统以前所面对的各系统通信相对混乱、维护成本高、不能保存各系统仿真进度同步等问题，解决对已有软件的可重用和互操作，为基于广域网的多单位联合培训与预演的研究打下了基础。依托北京交通大学核心技术成立的北京交控科技有限公司研发的城市轨道交通仿真培训系统，实现了对列车驾驶员和调度人员在同一仿真环境下的三维实景仿真培训，可对正常与非正常情况下的列车运行进行模拟，且提供学员系统和教员系统，集培训和考核为一体。这些综合系统侧重于培训作用，在多种突发事件情形下的应急事件预案库构建、应急指挥决策效果评价等方面关注不足。因此，有必要借鉴在航空、军事领域的调

19、度指挥平台搭建方法和技术，做进一步完善。对安全生产应急救援的作用和意义项目所做研究工作在城市轨道交通领域的安全生产应急救援有着重大的作用和意义，具体表现在以下四个方面：用于城市轨道交通的设计和规划，保证安全运营城市轨道安全首要的任务是保证乘客的安全，而保证乘客的安全首先要了解乘客的行为模式，尤其是突发事件下的乘客的行为模式。由于城市轨道交通的高速发展和技术日新月异，人们所面对的工程系统和指挥系统的复杂性已大大超过历史上的同类系统。城市轨道交通在设计和规划时，在建筑结构、通道设计、通行能力、安全设备设施和安全保证措施等方面，都需要以客流的通畅与安全为首要考虑因素，这就需要对乘客的行为模式进行充分的了解，对设计方案进行反复论证和充分验证，避免设计偏差造成巨大损失。通过本项目的研究，我们可以通过高可信的乘客行为模型和虚拟仿真环境对设计方案进行验证，及时找到设计中可能存在的安全隐患和性能瓶颈，从而提高城市轨道交通设计和规划的可靠性，从源头上保证乘客的出行安全，为安全运营奠定良好的物质基础。用于日常培训和演练，验证安全管理体系的有效性遵循应急管理体系中“平战结合”的主体思想，强化日常的培训和演练，不但能够提升应急处置和应急指挥的能力，而且可以验证以应急预案为核心的安全管理体系的有效性，使之成为体系持续改进的源动力。通过本项目的研究，能够使虚拟