基于脆弱性理論的地鐵電氣火災(zāi)影響因子研究*

宋守信，肖楚陽，翟懷遠(yuǎn)，許　葭

(北京交通大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100044)

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基于脆弱性理論的地鐵電氣火災(zāi)影響因子研究*

宋守信，肖楚陽，翟懷遠(yuǎn)，許葭

(北京交通大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100044)

針對現(xiàn)有的脆弱性理論研究中，脆弱性特征要素關(guān)系不清、規(guī)律不明的現(xiàn)狀，提出脆弱性特征要素的遞次呈現(xiàn)與控制理論。并將其應(yīng)用于城市軌道交通系統(tǒng)脆弱性的研究中,根據(jù)城市軌道交通自身特點(diǎn)與實(shí)地調(diào)研結(jié)果，將地鐵機(jī)電設(shè)備火災(zāi)脆弱性影響因子依脆弱性特征要素與人、機(jī)、環(huán)2個不同角度進(jìn)行歸類，構(gòu)建地鐵機(jī)電設(shè)備火災(zāi)脆弱性影響因子矩陣。并從人員脆弱性、設(shè)備脆弱性及環(huán)境脆弱性三方面提出對地鐵電氣設(shè)備火災(zāi)脆弱性因素控制方案。

安全工程；城市軌道交通；脆弱性；呈現(xiàn)規(guī)律；控制方案

0　引　言

脆弱性的研究最早源于自然科學(xué)領(lǐng)域，比如水資源、自然災(zāi)害、生態(tài)系統(tǒng)等領(lǐng)域的探討。但從20世紀(jì)90年代以來，脆弱性概念已被逐步應(yīng)用到公共健康、土地利用、可持續(xù)性科學(xué)、工程學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等多個學(xué)科當(dāng)中。脆弱性的內(nèi)涵也隨之不斷延伸，從最初單純針對自然科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的固有脆弱性逐漸演化為成社會科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的意義廣泛、含義深刻的綜合概念，脆弱性的研究也從最初關(guān)注自然環(huán)境系統(tǒng)的脆弱性逐漸延伸到探討社會環(huán)境系統(tǒng)脆弱性、人—環(huán)境耦合系統(tǒng)的脆弱性的研究，呈現(xiàn)出多學(xué)科交融的趨勢。

城市軌道交通系統(tǒng)以其運(yùn)量大、速度快、效率高等特點(diǎn)已成為解決城市交通擁擠和運(yùn)力短缺等問題的首要途徑。隨著中國城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)步伐加快，國內(nèi)各大城市的地鐵運(yùn)輸量也日益上升。北京地鐵日均客流量在1 024萬人次左右；而同時上海地鐵運(yùn)輸量也已突破900萬人次。作為人員高度密集的地下場所城市軌道交通系統(tǒng)自身所固有的脆弱性，已經(jīng)成為城市軌道交通系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展必須跨越的障礙。

對于城市軌道交通系統(tǒng)脆弱性，北京交通大學(xué)風(fēng)險管理研究所近年來通過北京市社科基金和國家社科基金重點(diǎn)項(xiàng)目研究，已經(jīng)對城市軌道交通系統(tǒng)組元脆弱性評價研究[1]，運(yùn)用群體灰色層次模糊評價法對北京地鐵典型車站在大客流擾動下的脆弱性進(jìn)行了評價[2]，分析了火災(zāi)條件下的地鐵車站面對二次事故的脆弱性[3]，建立了網(wǎng)絡(luò)脆弱性評價模型[4]。

我們在研讀大量國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，梳理脆弱性研究發(fā)展進(jìn)程，對地鐵脆弱性的概念進(jìn)行深入探討，歸納地鐵脆弱性特征要素，并以地鐵電氣設(shè)備脆弱性為例，闡述并論證脆弱性構(gòu)成因素之間的關(guān)系，以期豐富與完善脆弱性研究，解決當(dāng)前地鐵運(yùn)營安全中的現(xiàn)實(shí)問題，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展。

1　脆弱性概念及構(gòu)成因素

國內(nèi)外有代表性的脆弱性概念論述，見表1.

表1　不同學(xué)者對脆弱性概念

Help-information：Chinese National Natural Science Foundation(13AZD088)

根據(jù)文獻(xiàn)分析可以得出，不同學(xué)者研究的領(lǐng)域不同，對脆弱性概念的理解也有差異，但依然可發(fā)現(xiàn)脆弱性概念的討論主要集中在3個部分：一是脆弱性對象為一個特定的系統(tǒng)或子系統(tǒng)；二是脆弱性要暴露在災(zāi)害、擾動下才會顯現(xiàn)；三是脆弱性是可能的災(zāi)害或損失程度。而對脆弱性特征要素的討論，大致可分為2派。一部分研究者認(rèn)為脆弱性的特征要素包括系統(tǒng)暴露在外界擾動的程度、系統(tǒng)自身的敏感性以及系統(tǒng)對擾動的適應(yīng)能力并且將隨著擾動的不同而發(fā)生變化；另一部分研究者認(rèn)為暴露不是脆弱性的組成元素，其認(rèn)為脆弱性是由系統(tǒng)對擾動事件的敏感性與反應(yīng)能力組成，是系統(tǒng)的一種特有性質(zhì)。

結(jié)合以上脆弱性概念以及特征要素的探討，我們提出的脆弱性概念為，系統(tǒng)在擾動下發(fā)生變化的程度及恢復(fù)正常運(yùn)行的能力，脆弱性的3個特征要素為暴露度、敏感度和適應(yīng)度[11]。

暴露度指作為風(fēng)險承載體的設(shè)備設(shè)施和人員暴露于風(fēng)險擾動的程度。這種程度反應(yīng)在承載體暴露于擾動的時間、頻率和范圍；敏感度是指作為擾動承載體，受到擾動的干擾產(chǎn)生不利影響的快慢大小多少的程度。包括擾動出現(xiàn)多長時間就會影響其功能，影響會嚴(yán)重到什么程度。適應(yīng)度是指作為風(fēng)險承載體在風(fēng)險擾動下適應(yīng)和恢復(fù)的能力。包括應(yīng)對不利影響的反應(yīng)時間、反應(yīng)力度等。

2　地鐵電氣系統(tǒng)脆弱性分析框架

2.1地鐵脆弱性概念

依據(jù)上文所給出的脆弱性及特征要素，將其引入到地鐵系統(tǒng)中可得到地鐵系統(tǒng)脆弱性概念為，地鐵系統(tǒng)在擾動下，暴露于擾動中的頻率、時間、范圍，擾動作用下系統(tǒng)發(fā)生的變化程度，以及由于擾動帶來的地鐵系統(tǒng)遭受的不利影響程度以及從擾動的不利影響中恢復(fù)正常運(yùn)營的能力。而地鐵脆弱性特征要素包括系統(tǒng)中的工作人員、乘客、列車及控制系統(tǒng)等設(shè)備設(shè)施和站臺等運(yùn)營環(huán)境的暴露度、敏感度和適應(yīng)度。

2.2地鐵電氣系統(tǒng)脆弱性影響因子確定

地鐵電氣系統(tǒng)脆弱性影響因子的確定應(yīng)依據(jù)地鐵脆弱性概念，以地鐵系統(tǒng)或其中電氣子系統(tǒng)作為研究對象，按照軌跡交叉論中人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)的分類，人包括乘客和員工，物包括設(shè)備、設(shè)施和環(huán)境。以此來篩選并逐步確定脆弱性影響因子。

地鐵電氣系統(tǒng)脆弱性影響因子數(shù)量眾多且關(guān)系復(fù)雜，文中通過對地鐵電氣火災(zāi)事故資料分析，依據(jù)地鐵脆弱性概念，按照脆弱性特征要素暴露度、敏感度、適應(yīng)度構(gòu)建出初步的地鐵系統(tǒng)脆弱性影響因子庫[11]，并利用德爾菲法經(jīng)過三輪量化篩選后，最終確定地鐵電氣系統(tǒng)脆弱性影響因子28個，見表2.

表2　地鐵電氣系統(tǒng)脆弱性影響因子

針對上述28個影響因子，按人員、設(shè)備、環(huán)境三方面再次進(jìn)行分類。從脆弱性人、機(jī)、環(huán)影響因子以及脆弱性特征要素2個方面共同構(gòu)建出地鐵電氣系統(tǒng)脆弱性影響因子矩陣，如圖1所示。

從矩陣中能夠清晰地看出每個影響因子在2種不同的分類方式上所處的位置，有助于提高影響因子篩選的速度與控制的準(zhǔn)確性。

圖1　地鐵電氣系統(tǒng)脆弱性影響因子矩陣Fig.1　Subway electric system vulnerability impact factor matrix

2.3地鐵脆弱性構(gòu)成因素與脆弱性關(guān)系

由上文分析可知，脆弱性的特征要素為：暴露度、易感度、適應(yīng)度。它是所研究對象在擾動情況下狀態(tài)的一種描述，這種描述是以脆弱性的度來衡量的，為確定脆弱性的計量方法有必要理清脆弱性的特征要素與脆弱性關(guān)系。

暴露度主要考察承載體受到擾動侵襲的概率。暴露度越高，即受到擾動導(dǎo)致功能缺失的幾率越高，則系統(tǒng)脆弱性也就相應(yīng)提高，即暴露度對脆弱性的貢獻(xiàn)是一個同向增長、減少的過程。敏感度反映系統(tǒng)抵御擾動侵害的能力。如果系統(tǒng)在擾動作用下很快產(chǎn)生了運(yùn)行功能的病態(tài)反應(yīng)，偏離了正常運(yùn)行的狀態(tài)甚至崩潰，則敏感度強(qiáng)，脆弱性高；反之則脆弱性低。敏感度與脆弱性也是同向增長或減少。適應(yīng)度是指作為系統(tǒng)在擾動下適應(yīng)和恢復(fù)的能力。如果系統(tǒng)應(yīng)對不利影響的反應(yīng)時間快、反應(yīng)力度大，則說明系統(tǒng)的適應(yīng)度強(qiáng)，相對脆弱性就低，適應(yīng)度強(qiáng)或弱反應(yīng)的是脆弱性低或高。

將上述關(guān)系用數(shù)學(xué)形式可表示為：

脆弱性=f(暴露度+敏感度-適應(yīng)度)

根據(jù)脆弱性特征要素與脆弱性之間的函數(shù)關(guān)系，以及地鐵電氣系統(tǒng)脆弱性影響因子，可構(gòu)建出地鐵電氣系統(tǒng)脆弱性整體關(guān)系圖，如圖2所示。

圖2　地鐵電氣系統(tǒng)脆弱性影響因子關(guān)系圖Fig.2　Metro electrical system vulnerability impact factor diagram

3　脆弱性特征要素遞次呈現(xiàn)規(guī)律

脆弱性的3個特征要素為暴露度、敏感度和適應(yīng)度。三要素在系統(tǒng)的脆弱性當(dāng)中是以遞次呈現(xiàn)的規(guī)律逐一顯示出來的。暴露度是脆弱性最先顯現(xiàn)的要素，也是需要最先控制的要素。由于暴露度的大小與系統(tǒng)暴露于風(fēng)險之中的程度相關(guān)聯(lián)，故稱為關(guān)聯(lián)因素。在電氣系統(tǒng)中暴露度包括員工逾越安全距離的三違率、誤操作率、絕緣設(shè)備的老化程度、隔離設(shè)備負(fù)荷強(qiáng)度、隔離設(shè)備安全性能完備性、設(shè)備位置與布局、溫度控制水平、濕度控制水平、灰塵聚集水平、機(jī)械振動對電氣線路的影響等共10個因素，若將暴露度因素都進(jìn)行控制，使系統(tǒng)與外界擾動向隔離，降低暴露的時間、頻率、范圍。在系統(tǒng)沒有受到外界擾動的情況下，也就無需考慮擾動引發(fā)的敏感度和適應(yīng)度。

敏感度是脆弱性第二顯現(xiàn)的因素，也是反映系統(tǒng)堅強(qiáng)程度的因素。由于敏感度的大小取決于系統(tǒng)自身固有的材質(zhì)，故稱為固有因素。由于地鐵的公共服務(wù)職能的需要，電氣設(shè)備設(shè)施與乘客和工作人員常共處同一空間，暴露度很難避免，雖然可以降低程度與概率，但無法將擾動與系統(tǒng)徹底進(jìn)行完全隔絕。當(dāng)擾動來襲時，這就需要考驗(yàn)人員對隱患的辨識和處置能力，安全意識水平，和設(shè)備自身應(yīng)對擾動沖擊的抵御能力。提高員工和乘客安全素養(yǎng)，提高設(shè)備設(shè)計、材質(zhì)、安裝質(zhì)量符合國家的相關(guān)規(guī)定與要求，就能夠經(jīng)受住擾動的侵襲，保證系統(tǒng)維持正常的工作狀態(tài)則無需考慮系統(tǒng)的適應(yīng)度。

適應(yīng)度是脆弱性第三顯現(xiàn)的要素，反映當(dāng)擾動破壞系統(tǒng)穩(wěn)定時，系統(tǒng)能否及時警示，及時調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)險有效控制，做到故障安全化，損失最小化。適應(yīng)度的大小取決于系統(tǒng)自身固有的隨機(jī)反應(yīng)功能，稱為固有因素。當(dāng)設(shè)備自身無法抵御擾動的侵襲發(fā)生故障甚至是事故時，系統(tǒng)能否及時反應(yīng)，及時處理，將損失降低到最小，考驗(yàn)系統(tǒng)的適應(yīng)度。例如車站的自動扶梯因?yàn)樵O(shè)備長時期高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，線路老化發(fā)熱，會點(diǎn)燃絕緣層并發(fā)出濃煙，若此時換乘通道內(nèi)FAS火災(zāi)報警探測器及時報警，車站工作人員立即趕到現(xiàn)場進(jìn)行處置，則能及時控制火勢，防止更大的災(zāi)害形成。但如果換乘通道內(nèi)自動報警裝置失效，消防設(shè)備配備不足，則有可能延誤最佳時間造成更大的災(zāi)害。

4　地鐵脆弱性的控制策略

為降低地鐵脆弱性，在地鐵運(yùn)營管理工作中應(yīng)突出重點(diǎn)，有針對性的開展相關(guān)工作。有效降低暴露度、敏感度的措施，加強(qiáng)地鐵應(yīng)急管理水平，提升地鐵適應(yīng)度的有效方式。

4.1人員脆弱性的控制

要想降低人員脆弱性，應(yīng)強(qiáng)化現(xiàn)場作業(yè)管理制度，加強(qiáng)員工在工作過程過程中的監(jiān)督、核查力度，減少員工在操作過程中的失誤率以及三違率；應(yīng)不斷提高員工個體素質(zhì)，落實(shí)相關(guān)的培訓(xùn)工作，充實(shí)安全知識、提升安全技能水平、端正員工安全態(tài)度，從根本上改善員工安全素質(zhì)狀況。加強(qiáng)管理人員的應(yīng)急處理能力，加快應(yīng)急反應(yīng)速度，當(dāng)?shù)罔F電氣設(shè)備出現(xiàn)故障甚至是發(fā)現(xiàn)明火時，一線管理人員能夠快速處理將災(zāi)害控制在最低水平；當(dāng)需要將車站內(nèi)大量乘客進(jìn)行緊急疏散時，能夠有效空客流密度保障客流的前進(jìn)速度，保障疏散的安全與效率。

圖3　脆弱性構(gòu)成因素遞次呈現(xiàn)規(guī)律模型Fig.3　Vulnerability factors sequence regular model

4.2設(shè)備脆弱性的控制

設(shè)備的可靠性是保障地鐵安全運(yùn)營的基礎(chǔ)。地鐵車站電氣設(shè)備眾多，所以對于電氣設(shè)備必須加強(qiáng)重視。對于諸如電梯、廣告燈箱、進(jìn)出站閘機(jī)等需要長時間、高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備。當(dāng)無法通過控制暴露度來降低設(shè)備風(fēng)險時，通過設(shè)備管理與維護(hù)檢修降低設(shè)備的帶病作業(yè)率，強(qiáng)化前期設(shè)備設(shè)計與安裝工作保證設(shè)備質(zhì)量，提高設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性，來降低其敏感度。

4.3環(huán)境脆弱性的控制

良好的車站環(huán)境可以降低設(shè)備的暴露度，避免高溫、潮濕、灰塵等不良的環(huán)境因素對設(shè)備的侵襲，同時也應(yīng)確保重要的電氣設(shè)備周圍不存在易燃物品或材料，降低建筑環(huán)境內(nèi)的敏感度。相對硬環(huán)境而言車站內(nèi)的軟環(huán)境也同樣重要，地鐵車站標(biāo)示系統(tǒng)改善與優(yōu)化對于地鐵安全信息溝通，在疏散時及時向乘客傳遞正確的信息，引導(dǎo)客流流動方向。保障疏散有序進(jìn)行。

5　結(jié)　論

1)從脆弱性現(xiàn)有研究出發(fā)，梳理脆弱性發(fā)展進(jìn)程，并對地鐵脆弱性的概念進(jìn)行深入探討，歸納地鐵脆弱性特征要素包括暴露度、敏感度、適應(yīng)度3個方面，并以地鐵電氣系統(tǒng)脆弱性為例闡述地鐵脆弱性特征要素與影響因子之間的相互關(guān)系；

2)解釋了脆弱性構(gòu)成因素遞次呈現(xiàn)規(guī)律，有助于實(shí)現(xiàn)對脆弱性分階段有效控制，做到故障安全化，損失最小化；

3)從地鐵脆弱性特征要素出發(fā)，針對地鐵電氣系統(tǒng)脆弱性依次對人員、設(shè)備、環(huán)境提出相應(yīng)的控制措施。

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Influential factors for subway electrical fire based on vulnerability

SONG Shou-xin，XIAO Chu-yang，ZHAI Huai-yuan，XU Jia

(SchoolofEconomicsandManagement，BeijingJiaotongUniversity，Beijing100044，China)

Accordingtotheexistingvulnerabilitytheoreticalstudies,therelationshipbetweenvulnerabilityfactorsisnotclear,andtheunknownlawstatus,putforwardsuccessivepresentationandcontroltheoryofvulnerabilitycharacteristics，andapplyitintheresearchofurbanrailtransitsystemvulnerability.Accordingtothecharacteristicsofurbanrailtransitandtheresultsoftheinvestigation,thesubwayelectricalequipmentfirevulnerabilityfactorsareclassifiedformtwodifferentaspectsofthevulnerabilityelementsandhuman,machineandthesubwayelectromechanicalequipmentfirevulnerabilitymatrixinfluentialfactorconstructed.Fromthreeaspectsofthevulnerabilityofpersonnel,equipmentandenvironment,thispaperputsforwardthecontrolschemeoffirevulnerabilityfactorsofsubwayelectricalequipment.

safetyengineering；urbanrailtransit；vulnerability；emergerules；controlscheme

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0514

1672-9315(2016)05-0691-06

2016-06-10責(zé)任編輯：劉潔

宋守信(1946-)，男，山東萊州人，教授，E-mail:songsx@yeah.net

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