城市轨道交通应急演练中心功能体系设计

Functional System Design of Emergency Drill Center for Urban Rail Transit

摘要

近年来城市轨道交通快速发展，在给人们出行生活带来便捷的同时，也对运营安全提出了更高的要求。城市轨道交通具有高峰客流量大、专业系统多、技术复杂度高、运转强度大、运营环境封闭等特点，相应的应急安全工作更加复杂，因此开展城市轨道交通应急演练以增强应急处置和管理的韧性尤为重要。首先从国家、行业、企业3个层次分析了城市轨道交通应急演练的需求，并从需求出发，设计了城市轨道交通应急演练中心功能体系，包含业务布局、功能设计、技术装备和架构规划，旨在为国内城市轨道交通应急演练中心的设计提供一套科学、合理且具有操作性的整体解决方案，提升城市轨道交通应急处置水平，降低应急事件的危害。

Abstract

In recent years, the rapid development of urban rail transit not only brings convenience to people's travel but also puts forward higher requirements for operation safety. Urban rail transit has the characteristics of large peak passenger flow, multiple professional systems, high technical complexity, high operation intensity, and a closed operating environment, and the corresponding emergency safety work is more complex. Therefore, it is important to carry out emergency drills for urban rail transit to enhance the resilience of emergency response and management. Firstly, this paper analyzed the need for emergency drills for urban rail transit from the three levels of country, industry, and enterprise. Based on the needs, the functional system of the emergency drill center for urban rail transit was designed, including business layout, functional design, technical equipment, and architecture planning. The paper aimed to provide a scientific, reasonable, and operable overall solution for the design of an emergency drill center for urban rail transit in China, improve the emergency response level of urban rail transit, and reduce the harm of emergency events.

Graphical abstract

关键词

城市轨道交通 / 应急演练 / 需求分析 / 功能体系设计

Key words

Urban Rail Transit / Emergency Drills / Demand Analysis / Functional System Design

0　引言

城市轨道交通作为新时代生活中一类重要交通出行方式，具有运量大、效率高、能耗低、集约化、乘坐方便、安全舒适等特点，是解决城市交通拥堵问题、实现城市空间布局调整及城市均衡发展的重要途径。截至2022年底，全国共有55个城市开通城市轨道交通运营线路308条，运营线路总长度达10 287.45 km^[1]。国内大型城市如北京，其运营里程783 km，运营线路27条，运营车站459座(换乘站72座)，日均客运量840.5万人(2021年)，公共交通客运分担率57.4%，连续3年超过地面公交客运量。

城市轨道交通大部分运营区域处于地下封闭空间，结构复杂、专业繁多、客流稠密，一旦发生突发事件和安全事故且处理不当，会危害人民的生命财产安全，造成严重社会影响^[2-5]。城市轨道交通的突发事件和安全事故具有公共性和社会性明显、突发性和不确定性较强、破坏性和危害性较大、救援时间和难度苛刻的特点。因此，需要针对城市轨道交通中的突发事件和安全事故进行有效的应对和防范，建立一个高效能的城市轨道交通应急演练平台。通过进行科学的应急事件演练、采取有效的应急处置方案、构建规范的应急管理体系，将突发事件和安全事故的危害降到最低，最大限度地保护人民生命财产安全。

为了有效地应对城市轨道交通中的突发事件和安全事故，国内外政府、学者和相关机构开展了许多相关研究。美国联邦运输管理局制定了《轨道交通应急准备建议指南》，指南中明确规定了应急培训内容应覆盖的18类应急场景，并针对其中的8类场景提出专业培训指导建议，并开设轨道交通应急管理在线课程；法国成立专门面向轨道交通的培训架构CIFFCO，开展驾驶操作与安全检查的相关培训，有效地提高了应急事件处置水平；日本建设了东京地铁综合培训中心，通过模拟地面站、地下车站形成两站一区间的模拟训练设施；澳大利亚设立了关键性应急管理机构，通过明确分工来应对突发事件和安全事故；德国开展了突发事件和安全事故的普及宣传，并引入社会力量来应对突发事件和安全事故。我国也逐步开展轨道交通应急演练的相关工作，2011年建成的上海龙阳基地可承担自然灾害类、事故灾害类、公共卫生事件类、社会安全事件类等事故的应急演练；杭州五常实训基地内建有模拟岛式车站、模拟隧道、模拟测试站等，能够支撑开展故障培训；广州地铁综合实训基地提供设备操作培训、故障处理培训。上述内容均针对城市轨道交通突发事件和安全事故做了一定的防范准备工作，但对于城市轨道交通应急演练欠缺科学合理的理论指导，并且未充分利用当前的新兴技术。

在理论研究方面，Burstein等^[6]提出在突发事件应急管理中使用核心任务分析法来让多个相关部门在应急管理中协同工作；Lam等^[7]针对突发事件后的疏散开展研究，提出一种选择最大人流疏散路线的方法，能够快速地疏散受灾乘客；Yan等^[8]利用Simos构建了应急预案框架模型，能够对事故造成的危害程度进行评估并提供实践启示；Wang等^[9]构建了关于城市轨道交通突发事件的体系，并分析了应急工作机制的缺点，总结了应急预案的组成架构。上述研究利用各类新兴技术和分析方法建立了城市轨道交通突发事件的理论模型，但缺少实际场地进行验证。

综上所述，需在科学的理论指导下，结合新技术、新方法建立一套城市轨道交通应急演练功能体系^[10-11]，在实际运营场景的支撑下进行验证并开展演练活动，以有效应对和防范突发事件和安全事故，保护人民生命财产安全。

1　应急演练需求分析

1.1　需求分析依据

应急演练的需求来源应基于国家对公共安全的相关要求，同时以国家相关政策文件为导向，深度融合城市轨道交通行业安全需求，并结合运营企业自身的特定需求来进行分析。

应急演练功能体系的设计应以国家政策文件为导向，契合国家公共安全要求。2018年3月国务院办公厅印发《关于保障城市轨道交通安全运行的意见》(国办发〔2018〕13号)^[12]，2019年7月交通运输部印发《城市轨道交通运营突发事件应急演练管理办法》(交运规〔2019〕9号)，提出分区域组织设立国家级城市轨道交通应急演练中心，鼓励运营单位在国家级城市轨道交通应急演练中心组织开展拉练式实战演练，特别是针对列车脱轨、列车冲突、接触网事故、列车火灾等具有破坏性的、运营单位不具备开展实战演练条件的专项演练项目^[11]。国家级城市轨道交通应急演练中心应具备开展运营突发事件应急演练的线路、站场、相关专业设施设备系统、应急物资和安全防护设施等基础条件，具有采用三维场景构建、虚拟现实技术等建立的应急演练专用仿真系统。

应急演练功能体系的设计应以行业事故案例为参考，深度融合行业安全需求。应分析总结近年来行业内发生的案例事故，得出科学、合理的结论来指导应急演练功能体系的设计。突发事件和安全事故在新的社会发展形势下可能呈现新的状态，且在早期修建地铁的城市发生的突发事件和安全事故会在新修地铁的城市重现。通过深度分析城市轨道交通行业内的突发事件和安全事故案例库，提炼行业内需要演练的重点场景和事件集合，包括行车、客运、设备重大故障，保护区事件以及其他突发事件和安全事故，并基于历史行业事故案例分析总结。对城市轨道交通应急事件案例进行统计得出，设备故障类事故占比35.38%、事故灾难类占比29.23%、客运服务类占比18.46%、自然灾害类占比9.23%、社会安全类占比4.62%、公共卫生类占比3.08%。因此，应急演练功能体系的设计应有所侧重，符合该统计学结论。

因此，应结合新技术、新形势对重大风险、关键设施设备故障等某一类型或某几种类型的运营突发事件，明确风险分析、应急指挥机构及职责、处置程序和措施等内容，并充分考虑应急演练预案的编制、演练和评估^[13]。

应急演练功能体系的设计应结合运营企业的自身条件和安全需求。从运营企业自身出发，各运营企业根据线路运营特点不断更新完善突发事件应急预案，一方面需要对既有预案进行更新迭代，另一方面需要根据新形式下不断出现的新状况编制新的应急预案，同时对不断完善的应急预案体系需求进行实际演练验证后评估，并加强应急演练。目前国内大型城市的应急演练依托于现有分散的实训基地进行，与运营环境存在差异；且面临着真实线路演练面临时间限制和协调难度大等问题。以国内某大型城市为例，应考虑其应急演练工作的现有基础和问题，如虽开展了桌面推演、模拟仿真、实战演练，但仍存在演练体系化程度低、对运营线路依赖高、各部门之间联动弱的问题。同时，还应充分利用其线网复杂场景的条件^[14]。

1.2　应急演练需求总结

综上所述，立足于国家、行业、企业3个角度，从应急演练的场景、演练方式和演练目的等层次开展需求分析，得出城市轨道交通应急演练功能需求如下。

（1）在演练场景和演练方式方面，通过提高破坏性场景实战演练比例和频次，保障城市轨道交通运营安全；应支持开展破坏性场景实战演练，结合新技术、新模式复刻真实场景，针对影响范围巨大、影响人民生命财产安全、国家公共财产安全的特大事故，运营场景下的频发事故开展联动演练，且联动范围扩大至区域和国家部门。

（2）在演练目的方面，通过检验性/示范性/研究性演练，完善应急预案、提升应急技能、检验应急装备。能够开展对应急演练预案的合理性评估与验证，并通过演练评估更新完善预案；开展应急技术装备的研发和验证，实现应急技术装备的标准化、通用性和便捷性。

（3）支持开展应急技能评估。对参演人员的处置能力和技术水平进行评估，通过评估规范人员应急处置操作流程，提升应急安全技能，并通过总结和评估来制定应急演练相关标准规范。

2　应急演练功能体系设计

2.1　技术路线

应急演练中心的设计应从应急演练需求出发，立足于国家、行业和企业的需求，并基于需求开展业务布局设计。应急演练中心设计思路如图1所示。其中，应急演练中心的功能体系应在业务布局的引导下设计，并支撑制订各类标准规范。在完备的功能体系下，开展演练中心的布局规划、功能架构规划和室内设计。

2.2　应急演练功能设计

应急演练功能体系包含应急演练组织管理、应急场景预案管理、应急演练评估管理和演练数据成果展示4部分。

2.2.1　应急演练组织管理

应急演练组织管理主要根据应急主体组成制订演练计划，分析并确定演练目的、演练需求、演练范围等；设计演练方案，明确演练目标、演练场景等；进行应急演练安全保障、人员保障、通信保障等。应急演练组织管理流程图如图2所示。

其中，演练方案中包含关键主体演练和联动演练2类。关键主体为以下城市轨道交通突发事件和安全事故中涉及的关键岗位。①行车调度员：列车事故故障、列车降级运行、列车区间阻塞、设施设备故障清客、火灾、临时调整行车交路、线路运营调整及故障抢修、道岔失表。②电力调度员、环控调度员：大面积停电、供电区段失电、电力监控系统离线、区间火灾、区间积水。③列车驾驶员：列车事故故障、列车降级运行、区间乘客疏散、列车连挂救援、非正常交路行车。④行车值班员：非正常情况下的行车进路办理、列车接发作业、道岔失表、车站乘客疏散、抢修作业办理。⑤车站服务人员：大客流组织、乘客应急疏教、火灾、客伤、站台门故障。⑥设施设备维护人员：土建结构、轨道线路、车辆、供电、通信、信号等关键设施设备故障抢修。

联动演练涉及到多专业协同，能够有效提升应急处置中的专业协同性；联动演练涉及多专业人员，能够有效提高专业协同性。联动演练的开展形式包括但不限于以下几类：①各类调度员与列车驾驶员的联动演练；②各类调度员与车站值班员的联动演练；③车站值班员与列车驾驶员的联动演练；④各类调度员、车站值班员与列车驾驶员的联动演练；⑤运营单位内部各岗位与外部的联动演练。

2.2.2　应急场景预案管理

应急场景预案管理针对城市轨道交通中需要演练的重点场景和事件集合，包括设备故障、事故灾难、自然灾害等在内的突发事件，设计应急预案并存储。同时根据突发事件类型，分析其伴生事件、衍生事件和次生事件，通过事件链-预案链的形式对应，实现对应急事件的全场景覆盖和多岗位联动演练。同时，基于业务流程建模思想建立数字化预案管理，按工作流程智能检索事件安全信息、事故灾害信息、应急资源的组织和调度等，实现应急预案的全面性、灵活性。

造成巨大损失的灾害都不是孤立发生的。突发事件发生后，随着时间和空间的转换以及实际条件的随机性，会产生十分复杂的变化。在特定场景下的一起突发事件很有可能诱发出一系列的次生、伴生、衍生事件。应急场景预案的设计以特定的具体突发事件出发，基于事件链为轴分析其伴生、次生和衍生事件，并设置相应的预案链与事件链对应。事件链和预案链示意图如图3所示。

事件链和预案链能够实现对突发事件的全场景覆盖，能够采取全面的应对防范措施，在次生、伴生、衍生灾害事件未发生或发生之初就做好应对准备工作，加快应急预案的执行速度，能够有效降低突发事件和安全事故的损失。

列车故障区间迫停场景预案如图4所示。当列车因故障在区间停车时，不仅需要考虑其主场景(即原生事件)的应急处置，还应考虑其衍生、伴生、次生事件的应急处置，如图4中的副场景一、副场景二。

为了避免出现传统预案偏重形式、机械枯燥、难以实施和管理的缺陷^[15]，应急场景预案通过流程数字化生成并管理。在上述流程中，通过事件要素关联相关预案模块，并最后结合应急模块生成数字化预案。列车挤岔场景数字化预案生成示意图如图5所示。图5a所示，以列车挤岔为例，首先根据事件类型、发生时间、发生地点、现场信息和周边信息关联预设的预案模块，如人员组成、信息发布、力量调配等，并在应急模块中匹配相对应的应急处置事项，从而形成完整的数字化应急预案。结合主体联动演练和数字化预案，所生成包含演练场景及内容的预案如图5b所示。

数字化预案将传统预案中的各要素结构化^[12]，基于工作流程智能选取相关预案模块，按照事件要素-预案模块进行关联，能够根据突发事件和安全事故形成预案，针对性强、实施性高且易管理。

2.2.3　应急演练评估管理

应急演练中心搭建应急智库作为整个中心的“智囊”。应急智库包含各类应急预案、应急演练标准规范等，并具备应急演练综合评价指标体系和方法的研究能力，能够对应急演练过程中的人员、装备功能、预案流程等进行评估。同时，应急智库也应具备国家政策解读能力，紧密贴合地方及企业需求，开展相关应急演练标准规范的制定。应急智库设计如图6所示。

其中，应急综合评价主要包含预案评估、应急指挥协调能力评估、现场处置能力评估、应急装备适用性评估、演练目标达成度评估及应急演练成本效益评估，以进一步规范应急演练评估内容和方式方法。评估的维度主要围绕情景事件-角色任务-人员能力，包括演练执行情况评估、演练预案的合理性评估、参演人员处置能力评估、演练装备适用性评估以及对应急预案的改进意见。应急演练评估指标体系如图7所示。

参演人员的处置能力分析是演练评估的主要内容，检验人员在工作中的应急能力。同时，在评估参演人员处置能力的基础上，应急演练评估能够检验应急预案的合理性和有效性，演练预案的合理性评估是提高预案效果和权威性的重要手段。

应急演练评估流程图如图8所示。首先获取文字及音像等形式的演练记录和相关记录，围绕情景事件-角色任务-人员能力开展评估。评估依据评估对象、评估指标、评估方法及模型进行。在评估结束后，编写演练评估报告，对参演人员、应急预案及其他进行评估总结。评估报告包含演练执行情况、预案的合理性与可操作性、人员指挥协调能力、处置能力、设备装备适用性、成本效益分析等。

同时，应急智库能够面向国家、城市和城市轨道企业应急管理需求，通过制定城市轨道交通应急演练指南，明确应急演练目的、原则和形式，提出应急演练组织架构包括管理部门、组织机构和参演机构等，制定应急演练工作方案、演练记录和评估模板，规范城市轨道交通应急演练的实施过程。应急演练标准规范-演练指南大纲如图9所示。

针对关键的破坏性场景演练，应急智库通过设计破坏性场景筛选标准和筛选方法，确定模拟场景的具体内容。应急演练破坏性场景构建指南如图10所示。

2.2.4　演练数据成果展示

应急演练功能体系搭建演练管理平台用以呈现演练数据成果，主要包含以演练录像为主的演练视频、演练预案展示、人员信息展示、演练记录展示、演练评估展示和演练数据总结。同时，应急演练成果展示是应急演练功能体系的可视化前端界面，可通过其查看演练评估、演练组织管理和演练场景。

可视化的演练数据成果还可用于应急安全技能培训，如安全用电培训、安全标识识别、灭火器使用、模拟触电、安全防护用品使用等。同时，可作为科普宣传音像资料面向社会公众提供科普专项教育和安全活动体验。

2.3　应急演练技术装备

2.3.1　应急演练管理平台

应急演练中心数字化管理平台，将应急演练平台设备、演练计划、应急预案、演练监控、演练记录、事后复盘、演练反馈、数据查询、人员信息等功能集成，科学有效地组织应急演练，为运营单位应急救援提供有力的技术支撑，实现应急演练的全流程数字化管理。

应急演练平台架构如图11所示。数字化管理平台的架构设计和功能设计应涵盖应急演练中心的业务布局、功能模块、技术装备，并结合各类新兴技术，建设一个数字化、智能化、可视化的应急演练管理平台。

2.3.2　应急场景任务模块分析

构建系统、乘客、运营之间的信息交互处理模型，重点分析突发事件和安全事故后引起的系统交互机制的变化。通过分析复杂装备系统下参演团队协调工作的交互，能够将相应事件下的应急预案中的任务分解成最小模块，形成脚本作业库。

以最小模块的细粒度作为预案评估、人员技能评估的依据，能够提升应急演练评估的合理性和准确性。

2.3.3　基于虚实结合的高精度仿真平台

将城市轨道交通运营场景中的系统要素进行数字化建模，构建应急演练场景全功能高精度虚拟仿真平台架构如图12所示。平台包含信号系统核心逻辑、综合监控核心逻辑，并打通与实际信号设备如信号机、转辙机、应答器及计轴等，机电设备如通信设备、供电设备及通信设备等专业设备的外部接口，用于实际线路行车组织规则、应急场景预案等运营准备工作的快速验证及分析，并可用于应急演练下关键岗位人员技能评估。

采用虚拟现实技术构建应急演练专用演练场所，并通过开发接口协议实现线路真实设备与高精度仿真平台的联动。对电子地图数据、联锁(CI)表数据、列车自动防护系统(ATP)及列车自动运行系统(ATO)公共配置数据、区域控制器(ZC)子系统配置数据等25大类真实设备数据实现底层数据共享，对构成信号、车辆、电力监控系统(PSCADA)、火灾自动报警系统(FAS)、环境与设备监控系统(BAS)、乘客信息系统(PIS)、广播系统(PA)、屏蔽门系统(PSD)等系统和设备的原理和功能分析实现52种故障模拟，对多专业设备进行标准接口仿真实现真实设备与虚拟仿真设备的全面兼容，实现应急演练场景的真实性、灵活性。

基于虚实结合打造的演练中心可支持实景实兵、实景虚兵、虚景实兵、虚景虚兵4类演练策略，虚实结合的演练策略如图13所示。其中，实景实兵是指创造真实的突发事件场景并派专业人员进行处置，可用于突发事件情景易构建并且危险性较低的场景；虚景实兵是指通过虚拟现实技术设置场景并派专业人员通过操作虚拟现实设备进行演练，适用于现场难以构建突发事件情景并且岗位人员充足的场景；实景虚兵指创造真实突发事件场景并设置虚拟岗位配合专业人员演练，适用于突发事件情景易构建并且演练人员缺少的场景；虚景虚兵是指通过虚拟现实技术设置场景并设置虚拟岗位进行演练，适用于突发事件情景难构建并且无演练人员的场景。

2.4　应急演练架构规划

应急演练中心应支撑上述技术装备、功能设计和业务布局，在架构上包含应急指挥中心、调度中心、综合车控室、站台层、站厅层、设备室、轨行区、司机驾驶室、成果展示平台。应急演练中心规划图如图14所示。

其中，调度中心区域内的岗位包括行车调度、电力调度、环控调度、车场调度、乘客调度及车辆调度。各岗位可参加联合应急演练，也可以单独进行调度岗位的主题演练。

车站区域包含综合站控室、站台层、站厅层和轨行区。综合站控室主要进行IBP盘和消防设施操作、车站ATS操作、车站ISCS操作等；站厅主要进行AFC设备操作及应急处置；站台主要进行站台门操作及应急处置、轨行区手摇道岔作业流程等。同时，基于VR技术搭建虚拟现实仿真实训平台，并利用BIM对真实车站场景和隧道建模，通过沉浸体验设备和万向跑步机，能够进行日常正常及非正常突发事件下的应急演练。

司机驾驶室采用真实列车或模拟驾驶的方式，模拟驾驶结合真实列车驾驶能够满足多个司机、多列车同时加入应急演练中。

3　研究结论

城市轨道交通具有运量大、效率高、能耗低、集约化、乘坐方便、安全舒适等优点，但其突发事件和安全事故也具有公共性和社会性明显、突发性和不确定性较强、破坏性和危害性较大、救援时间和难度苛刻的特点，处置不当将会造成严重社会影响。研究设计了城市轨道交通应急演练中心功能体系，其创新点如下。

（1）提出应急演练中心设计思路，并着重进行了功能体系设计。应急演练中心的设计需求应从国家、行业、企业3个维度出发，在此之上进行业务布局规划用以指导功能体系设计；而功能体系为应急演练新技术、新装备提出了新需求。最后，结合业务布局、功能体系和技术装备进行应急演练中心的架构规划。

（2）提出主体演练和联动演练结合的应急演练方式。能够面向关键岗位人员和岗位专业协同性开展应急演练；设计了数字化应急预案生成方法，基于事件链-预案链实现对突发事件和安全事故的全场景覆盖以及预案的数字化管理；设计应急智库的架构，实现了对应急演练的评估以及对应急预案的验证，支撑制订应急演练标准规范。

（3）搭建应急演练高精度仿真平台。数字化建模运营场景中的关键要素，实现对应急演练中心的可视化、数字化、智慧化管理。

（4）设计虚实结合的应急演练策略。利用实际场地、虚拟场地、实际岗位、虚拟岗位，结合突发事件和安全事故的属性构建实景实兵、实景虚兵、虚景实兵、虚景虚兵演练方式，实现了演练场景的全覆盖。

后续拟利用某大型城市既有线拆分改造工程停运段既有资源规划实现，提升城市轨道交通应急处置水平，降低应急事件的危害。

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基金资助

北京市地铁运营有限公司国家级轨道交通应急演练及综合测试认证中心专项研究课题(2022000581000005)