城市轨道交通运营安全管理协同机制

韩 豫 成 虎

(东南大学土木工程学院，南京210096)

由于城市轨道交通运营安全管理涉及众多主体，安全信息、组织和资源等的协调和调度具有不特定的复杂性.因此，城市轨道交通运营安全管理迫切地需要建立一个能够实现多系统、多部门高效协调集成的管理机制.

协同学研究的是系统在一定的外部条件下，各子系统之间通过非线性的相互作用产生的协同效应，从无序状态向有序状态以及从有序状态又转化为混沌的机理和规律［1］.目前，未见有直接将协同理论应用于城市轨道交通运营安全管理的研究成果，但是有研究者提出了城市安全应急管理协同机制的系统框架［2］、协同模式［3-4］和技术支撑［5］.本文以协同学为基础，将复杂网络和协同管理理论结合，以地理信息系统技术为支撑，构建了涵盖安全信息、组织和资源的城市轨道交通运营安全管理全要素、全过程和全资源协同机制.

1 城市轨道交通运营安全管理联动机制分析

城市轨道交通运营安全管理的过程中，安全组织根据安全信息，利用安全资源实施管理活动，以实现管理目标.安全信息、组织和资源是安全管理的三大要素.现实中，安全信息、组织和资源不是均匀分布的，而是集中于若干安全管理节点.一个节点对应一个管理的基本单元(如车站派出所等).安全管理节点在分布时以线路和站点的空间形式为基础，结合本专业的安全管理特点，同时考虑与其他专业的安全管理力量相配合，形成相互交叉的安全管理网络，如治安管理包含值班室、派出所、公安分局等若干级组织，并存在与消防等的联动机制.当发生安全管理事件时，管理者力求在最短的时间内通过多节点的安全信息、组织和资源的调配和作用，完成管理任务.这种调度和配合以城市轨道交通线网结构为基础，各专业的安全管理力量按照预先设计好的联动机制逐步、逐级共同开展工作.这一过程中产生了在线路和站点间流动的安全信息流、组织流和资源流，进而形成了以城市轨道交通线网结构为基础的运营安全管理网络.

传统的城市轨道交通运营安全管理以安全事件为核心，通过联动机制的作用，实现各节点的安全信息、组织和资源共同工作.即当某处发生安全事件时，各专业的安全管理力量根据自己获得的信息，协调各自的管理节点开展工作，让安全信息流、组织流和资源流基于多点最短路和一定的约束条件以最优化的方案汇集于该处.通常，考虑各节点的安全信息、组织和资源到达事件发生点的时间和费用以及可供量而进行优化决策.在保证需求的前提下，要求所花费的最长时间最短;当时间相同时要求费用最省.有时也会根据实际情况，限制参与的安全管理节点而寻求最佳组合方案.

目前，绝大多数的城市轨道交通运营安全管理均采用这种基于星形网络的联动机制.其优点是信息渠道顺畅、组织责任明确、资源调度路径清晰，通常能够在安全管理事件发生后立刻做出反应，较适应安全信息、组织和资源需求量确定的事件，例如单一事故救援.但其缺点如下:

1)各安全管理节点隶属于不同的专业系统或部门，彼此间缺少全面、通畅且持续的沟通渠道，且只在各自的职责内工作，容易各自为战.因此，传统的联动机制仅是针对突发事件的应急联动，而不是全面的安全管理联动.在发生连续性和消耗性极强的、需要多专业共同应对的重大突发安全事件时，可能会导致安全管理的混乱和效率低下.

2)传统的联动机制是基于响应和调度时间最短的联动，导致过分依赖临近的安全管理节点，而没有考虑各节点在管理过程中的能力和效率.有时最有效的管理力量并不一定存在于最近的节点中，而且越靠近安全事件发生点的节点越容易受到波及，从而影响自身的安全状况.

因此，现有的城市轨道交通运营安全管理联动机制不利于安全信息、组织和资源流的总体控制，不能从战略高度统一把握安全管理活动，不是整体作战，协同工作.在突发性和不确定性强的事件中，运营安全管理系统的整体效用无法得到充分发挥.

2 城市轨道交通运营安全管理协同机制概述

针对上述问题，本文提出运用协同学的理论和方法，通过对安全信息、组织和资源的协调、集成和优化，构建城市轨道交通运营安全管理协同机制，通过系统整体功能的发挥实现对运营安全的全要素、全过程和全资源的集成管理［6］.城市轨道交通运营安全管理协同机制主要围绕以下目标展开:

1)全要素协同.城市轨道交通运营安全管理需要对安全管理链中的所有要素实施全面管理，而协同机制能够将针对单一事故的安全管理转化为针对全部安全要素的全面安全管理.

2)全过程协同.城市轨道交通运营安全管理是一个包含事故前预防和缓解、事故中抵抗和维持、事故后救援与恢复的系统周期过程.通过协同机制可将事故前的安全防御和防备管理、事故中的安全应急管理和事故后的安全危机管理整合为一个整体的、动态的运营安全管理系统循环.

3)全方位协同.城市轨道交通运营安全管理协同机制的核心目标是通过各系统、各主体之间的协调集成，通过多层次、多方位和多学科的沟通与合作，实现面向运营安全管理全寿命周期系统过程的安全组织整合、信息整合和资源整合，确保安全管理的有效性和安全资源的合理利用.

3 城市轨道交通运营安全管理的协同机理

3.1 城市轨道交通运营安全管理的枢纽节点模型

枢纽节点(HUB)是网络中度值(连接数)极高的节点［7］，其数量的多少以及所拥有的度值反映了网络的辐射能力［8］.HUB对网络的脆弱性和鲁棒性有重大影响［9］.目前，相关研究主要集中于航线、物流网络优化［10-12］和节点选取问题［13-15］.安全管理方面，有学者提出了基于多枢纽节点的应急物流管理优化理论［16-17］.

城市轨道交通运营安全管理的HUB模型(见图1)是在传统的安全管理网络中增加了HUB，整合了原先分散的安全信息、组织和资源，形成一个整体化和透明化的城市轨道交通运营安全多层管理网络，以实现城市轨道交通运营安全管理系统整体的安全信息、组织和资源的协调优化.

HUB是若干在时间、空间和逻辑关系上联系紧密的安全管理节点的信息流、组织流和资源流的枢纽节点.通过HUB对所有信息流、组织流和资源流进行权衡分配，能将城市轨道交通运营安全管理网络中“点对点”安全流变为经由HUB的、具备全局协同功能的系统安全流.通常，可根据需要在原有安全管理网络中设置多级HUB.一般城市轨道交通系统设置一个一级HUB，每条线路上设置一个二级HUB和若干三级HUB，分别实现宏观、中观和微观层面的安全管理协同.对于线路较少的城市轨道交通系统可不设立二级HUB.如图1所示，在包含2条线路的城市轨道交通运营安全管理的 HUB 模型中，点 M1，M2，…，M11是安全管理节点，H1是一级 HUB，H2和 H3是二级 HUB，H4，H5，…，H8是三级 HUB.

图1 城市轨道交通运营安全管理的HUB模型

HUB在协同机制中的作用为共享、协调和中转.当安全事件发生时，与之直接相关的安全管理节点在响应管理任务的同时向与之相连的三级HUB发送与事件进展同步变化的安全信息，并通过HUB网络以共享的方式将该信息逐级传递至全部安全管理节点，实现安全信息的全面共享.各级HUB根据全面的安全信息，进行各级安全管理组织间的逐级协调，通过基于HUB的最优路径选择，将所需的安全资源通过HUB中转至最终的安全管理节点，最终实现运营安全管理系统的协同工作.

HUB可依托实体平台设置，如利用车辆段设置车辆故障应急救援的二级HUB;也可依托虚拟平台设置，如南京地铁2号线中使用的地铁综合信息管理系统(IMS)可作为安全信息协同的二级HUB.

3.2 安全信息协同机理

安全信息协同是协同机制运作的重要基础和前提.城市轨道交通运营安全管理的信息协同主要通过安全信息的动态交互实现.在安全管理网络中，各安全管理节点是信息的原始来源和最终去处.各节点的安全信息首先向最低级的HUB汇集，再逐级向上一级的HUB汇集，经过实时分析和加工后，再自上而下传递，最终再次由三级HUB传递至各安全管理节点.同时，各同级HUB间也存在信息的实时交互.

城市轨道交通运营安全管理的信息协同流程(见图2)中，包含两类信息:① 原始信息(包括安全事件实时状况和资源需求等)是事件的真实反映和管理组织的原始判断.②加工后的信息，主要是管理指令和沟通指令.当安全事件发生时，安全管理节点会根据事件的情况逐级向上传递，以事件实时状态为主的原始信息，各HUB也将逐级向下传递以初始安全管理指令为主的原始信息，各HUB之间进行沟通指令交互，同时开展各安全管理节点的信息汇总.随着事件的发展，原始信息将不断变化，加工后的信息也将据此修正，并进行HUB之间的交互共享以及逐级向下传递.最终，通过这种透明动态的信息协同机制实现了各管理主体之间快速的信息传递和联动，通过信息的透明和共享实现安全信息的协同，进而提高安全组织的工作效率和安全资源的利用率.

图2 城市轨道交通运营安全管理的信息协同流程

3.3 安全组织协同机理

实现城市轨道交通运营安全管理的组织协同，需要构建一个能将不同部门的安全管理组织有效地整合在一起，可根据管理需求的变化，随时改变组织的结构和功能的动态组织.在城市轨道交通运营安全管理动态协同网络组织中(见图3)，HUB是处于相对稳定性的核心地位的协调机构，并与若干安全管理节点存在固定联系.HUB间也存在固定关系，从而保证了该组织具有基本的组织结构.HUB对各安全管理节点无强制指令关系，而是在信息协同的基础上，重点解决不同安全管理专业之间的沟通和界面问题.网络化运营条件下，HUB面向全部线网进行管理，安全管理节点面向单一线路或者单一安全管理专业进行管理.HUB同时连接了全部安全管理节点，具有纽带作用，能够实现不同安全管理节点之间的交互，其包含2个层面:

1)基于单一HUB的安全管理节点之间的交互.其目的是完成不同安全管理节点具体的任务所进行的协调和沟通，主要体现在专业协调机构与安

图3 城市轨道交通运营安全管理的动态协同网络组织

全管理专业组织的交互以及各安全管理专业组织之间的直接交互.

2)基于多个HUB的安全管理节点之间的交互.包括同层安全管理网络的交互和上下层安全管理网络之间的交互.前者的目的是实现单一线路的全部安全管理专业组织的协同，后者的目的是实现全部线路的全部安全管理专业组织的协同.

3.4 安全资源协同机理

安全资源协同是城市轨道交通运营安全管理协同机制的实现环节，信息协同和组织协同的效用都将通过资源的协同调度以实际的管理活动体现.城市轨道交通运营安全管理的资源协同通过HUB对全网络的安全资源进行分阶段、分层和分级的协调和统筹实现，其包含3个过程(见图4).

图4 城市轨道交通运营安全管理的资源协同过程

当安全事件发生时，首先启动资源协同响应程序(见图4(a))，距离安全事件点最近的HUB以时效为原则调动与其直接相连的安全管理节点的资源.同时，将资源需求信息以信息协同的方式传递至全网络的安全管理节点，并根据所预测的事件发展状况，协调准备可调度的后续资源.随着事件发展，当首选HUB所能调度的资源不足时，启动资源协同补给程序(见图4(b))，由其余HUB以资源补给的形式向其调度资源，继而向安全事件点调集资源.最终，当需要大量持续的资源供给时，启动资源协同统筹程序(见图4(c))，将全部安全管理节点通过HUB连通，将安全管理节点中的资源逐级逐层汇总至各级HUB，经过全局优化后，再由HUB逐级逐层分配至全部安全管理节点，实现全网络的资源统筹、协调和调度.

在进行资源协同统筹时，所有的资源从出发地到达目的地都必须经由HUB的协调，虽然在有可能使调度的路径变长，但是能够汇聚资源流，实现全网络的资源统筹平衡，避免安全管理节点之间直接调度资源所带来的资源暂时短缺现象.

4 城市轨道交通运营安全管理协同机制的技术支撑

地理信息系统(GIS)是在计算机软硬件及网络支持下，对空间数据进行存储、处理、分析和应用的信息系统.GIS具备地理数据可视化、空间分析和空间数据和属性数据集成能力，能够实现对各类安全信息、组织和资源等的集成和图形表达，进而通过数据的共享、分析和图形表达加快对安全事件的了解和提高应急响应速度.

从安全管理网络的角度，HUB是若干在时间、空间和逻辑关系上联系紧密的安全管理节点的信息流、组织流和资源流汇聚的平台式虚拟枢纽节点.HUB以GIS技术为内核，以空间和属性数据库为核心，结合无线通讯平台、卫星定位技术，使之成为安全信息采集、处理、分析和显示的图形化综合平台，实现对全部静态和动态的安全管理单元的状态监视和指挥调度，并最终成为城市轨道交通运营安全管理协同机制的技术支撑平台.

GIS的空间分析模型是其与各专业领域相联系的纽带［18］.在城市轨道交通运营安全管理协同机制中，空间分析模型要根据实际需要做出相应调整，构建专属的技术支撑模型(见图 5)，其主要包括:

1)安全预警与事故扩散分析模型.城市轨道交通系统具有复杂的线网结构，安全事故的波及扩散特征明显，必须在安全管理中高度重视.通过安全监控设施与GIS图层的实时叠加分析，实现对重点安全区域的监测和预警.同时，对安全事件的空间分布和发展趋势进行分析，实现对次生事件的有效预警，并可对事故救援所需的救援力量进行定性和定量的全面估计，为开展安全管理和事故救援工作提供可靠的决策依据.

图5 城市轨道交通运营安全管理协同机制的技术支撑模型

2)安全事件空间定位与分析模型.城市轨道交通系统以线网的形式分布于广阔的空间中.该模型主要用于安全事件的空间定位，使安全管理人员实时了解安全事件周边信息.同时实现安全要素的空间化管理，随时了解各种要素的空间分布情况和类型、数量等信息，为寻找最合适的事故救援机构和人员，查找受困人员疏散地点，统计事故影响范围和破坏程度，恢复重建提供决策依据.

3)安全调度路径分析与优化模型.路径分析以城市轨道交通系统的网络图为基础，建立基于时变的动态网络流模型用于安全信息、组织和资源调度的路径优化，如实地反映出安全管理网络中的信息流、组织流和资源流的变化状况，形成以全系统最优为目标的安全管理调度方案.

在城市轨道交通运营安全管理中，通过安全预警与扩散分析模型对重点安全管理区域的实时监控和事故预警，并在事故发生时模拟预测事故的发展趋势，为事故救援和恢复提供辅助，实现全过程的安全管理协同;通过安全事件空间定位与分析模型，依托城市轨道交通系统的线网和空间结构实现全要素的安全管理协同;通过安全调度路径分析与优化模型，统筹调度安全信息流、组织流和资源流，实现全方位的安全管理协同.

5 结语

本文将复杂网络与协同管理相融合，构建了城市轨道交通运营安全管理协同机制，并将GIS技术应用其中，弥补了基于星形网络的安全管理联动机制在协调集成方面的不足.机制运作中，通过动态交互循环的方式实现安全信息协同，以动态协同网络组织的形式实现安全组织协同，通过HUB对全网络的安全资源分阶段、分层、分级协调和统筹实现资源协同.同时，运用GIS技术提供技术支撑，通过基于空间分析技术的安全预警与扩散分析模型、安全事件空间定位与分析模型和安全调度路径分析与优化模型实现全要素、全过程和全方位的城市轨道交通运营安全管理协同，从而有效地提高管理效率和效果.

随着我国越来越多的城市轨道交通系统建设完成并进入网络化运营阶段，城市轨道交通运营安全管理面临着日益复杂的安全环境，如何科学地组织与协调不同管理部门和利益主体在运营安全管理的不同阶段以及应对不同安全威胁中的功能和作用，建立整合的运营安全综合管理系统和决策支持系统，实现各安全管理部门间的安全信息的及时沟通和安全资源的优化配置，提高运营安全管理的效率和效果是值得进一步关注的问题.

References)

［1］赫尔曼·哈肯.协同学［M］.上海:上海译文出版社，2005:9-10.

［2］林冲，赵林度.城际重大危险源应急管理协同机制研究［J］.中国安全生产科学技术，2008，4(5):54-58.Lin Chong，Zhao Lindu.Research on intercity emergency management coordination mechanism for major hazard installations［J］.Journal of Safety Science and Technology，2008，4(5):54-58.(in Chinese)

［3］赵林度，杨世才.基于Multi-Agent的城际灾害应急管理信息和资源协同机制研究［J］.灾害学，2009，24(1):139-143.Zhao Lindu，Yang Shicai.Information and resources synergetic mechanism of inter-city disaster emergency management based on multi-agent systems［J］.Journal of Catastropholog，2009，24(1):139-143.(in Chinese)

［4］赵林度，孔强.基于知识管理的城际应急管理协同机制研究［J］.软科学，2009，23(6):33-37.Zhao Lindu，Kong Qiang.The inter-city emergency synergistic management based on knowledge management［J］.Soft Science，2009，23(6):33-37.(in Chinese)

［5］赵林度，林冲.基于GIS的城市重大危险源应急管理协同机制［J］.城市管理与科技，2007(6):51-53.Zhao Lindu，Lin Chong.Emergency management coordination mechanism of urban major hazards based on GIS ［J］.Municipal Administration ＆Technology，2007(6):51-53.(in Chinese)

［6］韩豫，成虎，赵宪博，等.综合交通枢纽运营安全集成管理机制的构建［J］.中国安全科学学报，2011，21(5):160-165.Han Yu，Cheng Hu，Zhao Xianbo，et al.Building of operation safety integrated management mechanism of integrated transport Hub［J］.China Safety Science Journal，2011，21(5):160-165.(in Chinese)

［7］Pastor-Satorras R，Vespignan A.Epidemic spreading in scale-free networks ［J］. Physical Review Letters，2001，86(14):3200-3203.

［8］Wang Xiaofan，Cheng Guanrong.Pining control of scale-free dynamical networks［J］.Physical A:Statistical Mechanics and its Applications，2002，310(3/4):521-531.

［9］Albert R，Jrong H，Barabasi A.Error and attack tolerance in complex networks ［J］.Nature，2000，406(30):378-382.

［10］Nicole Adler，Joseph Berechman.Evaluating optimal multi-hub networks in a deregulated aviation market with an application to Western Europe［J］.Transportation Research PartA:Policy and Practice，2001，35(5):373-390.

［11］Groothedde Bas，Ruijgrok Cees，Tavasszy Lori.Towards collaborative，intermodal hub networks—a case study in the fast moving consumer goods market［J］.Transportation Research，2005，41(6):567-583.

［12］Hsu Chaug-Ing，Hsieh Yu-Ping.Routing，ship size，and sailing frequency decision-making for amari time hub-and-spoke container network［J］.Mathematical and Computer Modeling，2007，45(7/8):899-916.

［13］Marianov V.Location of hubs in a competitive environment［J］.European Journal of Operational Research，1998，114(2):363-371.

［14］Kara B Y，Tanse B C.On the single-assignment p-Hub center problem ［J］.European Journal of Operation Research，2000，125(3):648-655.

［15］Rodríguez V，Alvarez M J，Barcos L.Hub location under capacity constraints［J］.Transportation Research Part E:Logistics and Transportation Review，2007，43(5):495-505.

［16］何礼顺，赵林度.基于多枢纽城际应急管理网络资源调度鲁棒优化［J］.中国安全科学学报，2008，18(6):95-103.He Lishun，Zhao Lindu.Robust optimization of intercity emergency management network resource scheduling based on multi-HUB ［J］.China Safety Science Journal，2008，18(6):95-103.(in Chinese)

［17］王菡，韩瑞珠.基于城际多HUB的应急物流网络协同动力学模型分析［J］.东南大学学报:自然科学版，2007，37(S2):387-392.Wang Han，Han Ruizhu.Analysis of intercity emergency logistics network dynamics model based on multi-hub［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2007，37(S2):387-392.(in Chinese)

［18］毛政利，朱宝训.城市应急预案决策支持系统框架研究［J］.测绘与空间地理信息，2007，4(2):8-11.Mao Zhengli，Zhu Baoxun.Study on the frame of decision support system for emergency plan of city［J］.Geomatics＆Spatial Information Technology，2007，4(2):8-11.(in Chinese)