城市地铁系统韧性塑造、仿真与提升策略研究

Metro is the backbone of public transportation system nowadays and its safety operation is a commonly concerned issue. After introducing the system resilience and studying its shaping mechanism, this research is focusing on exploring the improvement strategies for system resilience based on simulation-based techniques, which formalize a solid foundation for the safety operation of metro system. Based on the theory of Near-Miss, the mechanism for the generating process of accidents would be studied and a fundamental safety operation database of metro system is constructed. From the database, the types of metro operation disruptive events and the interrelations among these events are obtained, which could generate the metro operation disturbances network. With the assist of complex network theroy and agent-based model, the static and dynamic feature of the network will be explored. With the assist of summarizing the emergency process, constructing the emergency model based on Petri net and Agent-based model for participant, the key to performing the emergency action and the collaborative efficiency would be obtained. The visual simulation model for metro system resilience would be conducted based on the theory of metasynthesis to explore how to intergratedly manage the obtained improvemet strategies and acquire the best stategy under different scenarios and periods by using Builiding Information Modelling (BIM) and Muti-Agent. This research would be useful for the decision-making department to strengthen the safety level of metro operation.

地铁现已成为城市公共交通系统中的骨干，其运行安全问题备受关注。本课题以系统韧性为切入点，研究地铁系统韧性的塑造机制，运用仿真手段探索提升地铁系统韧性的方法，以保障地铁系统的运行安全。基于Near-Miss理论研究事故形成过程，构建地铁系统运行安全风险数据库，提取地铁系统干扰源类型及相互关系，形成地铁系统干扰源网络，利用复杂系统理论和智能体模型对干扰源网络的静态拓扑特征和动力学特性进行解析；归纳不同干扰源风险场景下的应急流程，并构建处置流程的Petri网模型，引入应急主体的Agent模型，挖掘应急流程的关键环节和解析应急协同效率；以综合集成方法论为指导，构建基于BIM的集成化、可视化地铁系统韧性仿真模型，研究不同场景、不同时期下对提升地铁系统韧性的最佳策略，为地铁系统运行管理部门提供决策支持，提升地铁系统的运行安全水平。

地铁是一个庞大复杂的分布式社会技术系统，运行环境特殊，其安全易受到各种来自内部或外部扰动的影响。过去强调事后处理、由果及因的Safety-Ⅰ型研究范式显然已经不能满足目前城市地铁运营安全管理的刚性需求，以韧性理念为核心且强调超前预防、迅速恢复、主动适应的Safety-Ⅱ型系统安全研究范式才能全面认知复杂地铁系统的安全属性。塑造地铁系统运营韧性是提升地铁运营安全的有效途径和科学方法。本项目首先解析地铁系统运营韧性的内涵，挖掘韧性与可靠性、脆弱性、恢复力等概念的区别，形成地铁系统运营韧性的理论研究框架，基于文献调研和专家访谈识别地铁系统运营韧性影响因素，在此基础之上明确地铁系统运营韧性的塑造机制。接着，对地铁系统运营干扰源展开分析，通过地铁运营事件案例，识别地铁运营干扰事件的类型，获取干扰事件间的联系，构建地铁运营干扰事件网络，利用复杂网络理论揭示地铁运营干扰事件网络的拓扑特性，验证干扰源网络的小世界和无标度特性，找到应对干扰源网络的最佳策略，提升地铁系统的承载能力。随后，针对干扰事件发生后的应急流程展开研究，梳理地铁系统应急响应流程，基于Petri网对地铁系统应急流程进行建模，利用CPN Tools对地铁系统应急流程展开仿真分析，找出地铁系统应急流程中的关键环节，提升地铁系统的恢复能力。最后，对地铁系统运营韧性展开评估，利用解释结构模型对地铁系统运营韧性影响因素进行分层，明确地铁系统运营韧性影响因素的作用路径，通过问卷调查，借助结构方程模型评估地铁系统运营影响因素的重要度，在此基础之上，构建地铁系统运营韧性的系统动力学模型，利用Vensim PLE开展仿真分析，以某城市地铁系统进行实证分析，模拟其运营韧性的发展趋势，找到提升地铁系统运营韧性的有效策略。综上所述，本项目的相关研究成果，对推动韧性工程理论和仿真建模技术具有重要的理论和学术价值，对塑造地铁系统运营韧性和提升地铁系统运营安全水平具有重要的实践和应用价值。