基于工作流的轨道交通应急管理系统设计与实现_徐瑞华

收稿日期:2006-10-31基金项目:国家自然科学基金资助项目(50478105)作者简介:徐瑞华(1963—),男,教授,博士生导师,工学博士,主要研究方向为交通与运输系统管理、运输系统仿真,E 2mail :rhxu @ ;张　铭(1979—),女,博士生,主要研究方向为轨道交通运营管理,E 2mail :zm -zhangming @ 基于工作流的轨道交通应急管理系统设计与实现徐瑞华,张　铭,王志强(同济大学交通运输工程学院,上海　201804)摘要:针对轨道交通系统内事故处理效率不高,各种辅助控制系统协作不足的问题,应用工作流过程管理思想,对应急处置流程及业务关系进行实体分析.构造了基于对象间静态关系的工作流静态模型和面向应急过程控制的工作流动态模型,建立支持跨系统动态协作的应急管理系统.引入可控度参数实现对协作系统的适度柔性控制和流程的协调,探讨了系统框架、通信机制、功能设置等问题.该系统可作为决策支持的工具,模拟实验证明了其在应急决策和实时控制中的有效性.关键词:城市轨道交通;安全;应急管理系统;事故处理;工作流中图分类号:U 298.6 文献标识码:A 文章编号:0253-374X (2008)06-0754-06Design and Implementation of Emergency Management System ofUrban Rail Transit Based on Workflow ModelingX U R uihua ,ZHA N G M i ng ,W A N G Zhiqiang(School of Transportation Engineering ,Tongji University ,Shanghai 201804,China )Abstract :In view of the low efficiency of accident disposal in urban rail transit system and lack of pro 2cess collaboration among several assisted control systems ,this paper analyzes emergency treatment pro 2cess according to workflow process management concept.A static workflow model based on static rela 2tion of objects and a dynamic workflow model describing emergency process control are constructed.The emergency management system (EMS )based on the models is developed ,which supports dynam 2ic cross 2system collaboration.A control parameter is introduced to keep appropriate flexibility for coop 2erative systems and process coordination.The system framework ,communication mechanism ,and function design are discussed.This implementation runs as a decision support tool ,the simulation ex 2ample proves its usefulness in decision making and real time control.K ey words :urban rail transit ;safety ;emergency management system ;accident dis posal ;workflow 城市轨道交通系统的技术设备复杂,运输组织专业化程度高,与自然、社会环境无缝接合,通常会因多种潜在的危险因素,如设备故障、自然灾害、恐怖袭击等,造成运营中断,而且事故的爆发波及范围第36卷第6期2008年6月同济大学学报(自然科学版)JOURNAL OF TON G J I UN IVERSITY (NATURAL SCIENCE )Vol.36No.6　J un.2008广、时延性强,甚至导致人财物的损失.为保障系统运营的安全与可靠性,在突发事故时能迅速、及时地采取应急措施,尽快恢复正常运营,构建一套完善的事故应急管理系统十分必要.目前,运营部门虽然采取了一些预防及事后救援的安全措施,但仍存在很多问题:①现有事故预案的管理方式落后,查找资料费时;②事故一旦发生,解决方案一般由管理人员根据经验磋商决定,处理流程分割不明确,流转情况不明晰;③各种辅助控制系统分散管理,单独运作,安全人员需在短时间内操控多个系统和设备,难以充分发挥综合效能;④预先制订的应急预案,无法直接用于解决各种情形的事故.因此,必须针对事故实际状态、特点、环境位置采取相应措施,才能迅速解决、减少损失.近年来一些学者从安全保障的不同角度进行了研究,文献[1]中分析了地铁事故应急处理机制,采用超媒体技术辅助管理;文献[2]详细分析了地铁事故救援的关键要素;文献[3]构建了基于multi2agent地铁事故应急系统框架;文献[4]设计了案例与规则推理结合的预案管理模式.但都未涉及事故发生后应急处置流程、工作环节的任务以及辅助控制系统如何协调等方面,不能从根本上解决实际处理效率不高的问题.工作流技术的特点是使工作流程管理自动化,使人及各种应用工具协调工作,并确保将正确的信息在正确的时间传递给正确的人(或应用系统).因此,若以应急处置过程为中心,提供工作流程活动管理、各系统协作的环境就可以显著地提高工作效率.1　应急处置与工作流管理结合工作流系统理论支持开发具有多个层次不确定因素的系统,引入系统柔性这一概念来描述与多方系统合作时系统适应变化的能力.已有研究实现了基于活动控制的面向协作型工作流[5];使用通信模板满足系统柔性和过程协作的要求[6];采用业务代理对柔性工作流系统建模[7].应急处置的特点是按照一定流程自动获得处置方案,指导现场人员工作,即具有严格过程业务,表现为应急处置主流程具有事先明确定义的步骤、数据流向、执行者.同时,流程涉及的多方系统提供信息配合,协作方包括:CCTV 视频监控系统、电力监控系统(SCADA)、环境监测系统(BAS)、防灾报警系统(FAS)、列车自动监控系统(A TS);预案管理系统(EPM IS);设备运行监测系统(ESAS);地理信息系统(GIS);列车自动运行控制系统(A TC);信息发布系统,即具有协作型业务,表现为提取辅助信息的子流程依赖于协作系统的支持.因此,需构建集系统内部运行机理与跨系统动态协作于一体的综合管理系统.本文尝试从支持跨系统功能集成的角度出发,针对处置作业流程,设计应急过程管理的工作流模型,构建支持过程协作的城市轨道交通应急管理系统(emergency management system,EMS),旨在实现应急处置的自动化流程,配合现场救援,提高事故处理效率.由于各协作系统承担任务不同,过程细节难以全面掌握,仅要求系统柔性对于EMS与其他系统的交互是不足的.本文提出在系统柔性的基础上施以可控度的控制,使交互的灵活性更高,达到因需施控,各系统可在不同过程、活动间适度协作.2　应急处置工作流系统模型2.1　模型描述定义函数ClassName=F(A1,A2,…,A i,…)为具有属性A1,A2,…,A i,…的类,每个类的属性描述该对象的特性和用途.使用UML(统一建模语言)的对象图描述应急管理系统的工作流静态模型,见图1.(1)应急处置工作流Schemeflow()是产生应急处置方案的主流程,也是系统的顶级业务.属性包括协作成员的有序列表;启动流程的初始条件,一般是由各种原因造成的事故的发生或列车运营的中断;表征事故性质、状态的基本信息以及参与各阶段进程的操作者,为生成方案提供必要的干预和辅助,引导流程的方向.(2)协作方系统工作流Agentflow()是参与主流程业务的协作系统接受任务、执行过程的容器.属性包括对应的责任方,即协作系统;参与该系统内部流程下一级子系统成员的有序列表;提供的服务,即在主流程中承担的任务;启动一般以接收主流程的通知为准,当内部服务完成提交结果时,设定标识结束;系统间传递的信息流的内容包含协作信息的发送方、接收方,传输的格式,协作任务的内容,即要求对方做什么;主流程授予的权限,可避免多个终端同时访问引起资源冲突.(3)控制流Controlflow()描述对协作方的控制信息.属性包括任务默认的接收方,变更时指定任务调整的承担方,调整条件及原因.设置对协作方的可控度,确定变更控制范围.557　第6期徐瑞华,等:基于工作流的轨道交通应急管理系统设计与实现 图1　面向对象的应急处置工作流模型Fig.1　Object oriented w orkflow model of emergency m anagement 本系统不同于以业务流程优化和重组为目标的商业或制造业工作流管理系统,而是以协作系统提交的信息为参考依据逐步优化处置方案,使其能应用于实际,这也是其专业性质所决定的.因此,必须使各协作系统满足应急处置流程各阶段的不同需求.但控制系统性能各异,难以统一协调,为此引入可控度参数C on ={0,1,2},标识控制能力:当C on =0时,表示服务是不可控的,这与协作系统的内在机制有关,该服务属强制执行,其状态转换都是单向的,不具有可逆性.控制流的属性参数为空,系统柔性表现为差,如预案管理系统,若流程无法启动,则须修改信息,重新启动主流程,继而再次调用协作系统.当C on =1时,表示该服务在一定程度上满足要求,但精确度不够或成果不充分,这种服务可作为主流程业务执行的参考,须修正或调整后采用,如GIS系统无法精确定位EMS 请求的设施位置时,提交一定范围的信息供参考.当C on =2时,表示该服务完全可控,如监控系统,若默认流程无法启动,根据授权在可选流程中择一执行,更改任务的承担方,体现较高的系统柔性.2.2　过程逻辑将EMS 应急处置过程用UML 过程活动图进行工作流动态建模,见图2,由各部门执行方案的反馈和事态进展监控决定处置过程循环的结束.工作流过程管理负责不同阶段对松散耦合的协作方系统及时联系,驱动主流程节点的相应任务,确保应急处置工作流、协作系统工作流执行默认流程.一旦发生异常立即分析,据可控度C on 的级别提供许可范围内可选流程的调整或中断,这样就可避免因系统错误而干扰应急处置的执行、延误救援时机.图2　应急处置工作流过程建模Fig.2　Process model of emergency m anagement w orkflow657 同济大学学报(自然科学版)第36卷　3　应急管理系统的构建采用工作流管理模式控制应急处置过程繁杂的操作,可为管理人员整理出明确的处理主线和操作的最佳时机,变原有被动地随事态变化的反应性操作为主动地引导应急救援,同时各系统的协作任务并行执行,与应急处置主流程的顺序执行相结合,相比原有自始至终的序列化操作,效率得到提高.由于设备制式多样,参与成员复杂,综合协调不易,因此通过数据通信、任务控制及管理人员的少量引导操作实现应急处置流程的有效衔接和信息的动态交互.3.1　业务流程各控制系统都作为独立主体配合主流程,同时执行自身系统的内部过程,构成完整协作,业务流程见图3.应急处置方案的生成是流程的关键,其中应急预案的主体是按照事故特征制订的原则性的处理步骤、注意事项和相关岗位的责任划分,外部预案是通知外部机构援助,如公安部门维持秩序.仅程式化的操作规定无法配合事故处理的灵活应变,因此设计与GIS 和ESAS 动态交互,生成辅助救援指令集,如对事故区域内疏散通道开放、入口设备关闭、排风设施启动,而安全区域送风设施启动,均取决于现场布局,为救援提供直接指导.3.2　系统架构将业务流程的关键步骤设计为工作流节点,应用多层框架分解应用、流程管理、服务等功能特性,见图4.EMS 工作流引擎通过控制流实现对协作系统工作流的调用、分配,保证任务环节间平滑过渡,以最短时间完成事故处理的决策操作.图3　应急处置业务流程Fig.3　Operation process of emergency m anagement图4　EMS 工作流集成架构Fig.4　Collaboration Framew ork of EMS w orkflow757　第6期徐瑞华,等:基于工作流的轨道交通应急管理系统设计与实现 (1)信息传输.监控群组由CCTV,SCADA, BAS,FAS,A TS多个成员组成.综合运营协调中心(COCC)提请需求,主流程指派相应成员读取协作信息流,获取数据提交EMS,此项服务结束,待取得监控信息后即可进入处置方案设计的工作流节点.设备信息群组提供现场环境信息,往往直接决定方案的有效程度.监控信息为事故位置做初步定位, GIS以指定地点为对象分解任务,取得由EMS自动分析出预案所包含设备和即时操作设施的地理信息,以约定格式提交主流程.GIS信息包含大量图形数据,在服务器端以文件共享方式管理,为避免调用时频繁下载和上传数据而延误,分别设计为独立的子流程.此外,GIS提供的均为静态信息,无法引导动态操作,主流程启动ESAS搜集设备的运行状态, EMS综合两方的服务优化处置方案,确保应急决策方案与现场实际状况相一致,保证了方案的有效性.(2)成员组织.处置方案为“执行者”制定,需充分与决策组织机构结合,对参与执行的所有“成员”,配备相应角色和权限、成员关系.EMS包括两类成员:参与系统运行的成员(如协作方系统)和作为实际执行者的部门成员.信息发布系统服务的执行者是公众和轨道交通部门各岗位的安全人员,两者的信息内容可能截然不同,系统内明确区分.方案执行的反馈信息作为下一轮EMS工作流运行、调整方案的重要依据,反映事故救援的进展.(3)通信接口.系统流程面向多个应用控制系统,完善的通信机制是应急处置工作流运行的基本保障.因部分协作系统为开发成品,通信模式迥异且自成一体,为使各系统依据事故信息要素实现同步,需设计统一通信平台和接口协议,保证每个系统对协议的侦听.采用TCP/IP协议通讯、短连接模式,考虑到系统的扩展性,接口报文采用XML格式,应急信息发布系统为WEB服务调用方式.系统过程间模块级调用,数据流封装,使其具有一定的独立性.通信模块执行双向传输任务,作为交互的唯一数据传输通道,保障系统协调统一、安全可靠.各系统运行在相对封闭的环境中,时间作为下发指令、信息反馈的重要参数,通过发送时钟同步指令确保事故处理的实时数据的时间具有一致性和完整性.3.3　功能构成采用C/S模式的两层网络结构,为前端开发工具,oracle数据库安装于服务器端统一管理数据,实现由应急处置工作流自动引导执行、面向事故处理和辅助控制两方面的系统功能.接警处理模块汇总事故的基本信息,通过监控管理功能随事故进展实时更新数据;方案设计模块由应急处置主流程引导,综合信息生成处置方案,包括现场地形的疏散方案及路线.信息管理模块生成方案的电子工单,从信息发布系统传向不同的接收渠道,提供对发布信息内容、属性的综合查询.管理人员可以清晰地掌握当前事故处理的进程,救援的有效程度,以及下一步如何调整策略、实施救援.待处理完毕,报告管理功能提取相关记录自动生成事故处理报告,作为原因分析、责任追究及处理评价的依据.考虑到轨道交通网上同一时间段内多个事故同时处理的情况,设计事故队列管理功能,提供对处理过程的追踪和信息流转的查询.当某事故处理时遇另一事故爆发的紧急状态,当前工作流程“挂起”,事故被暂时搁置,进入待处理事故队列,并保留挂起时的信息,一旦恢复处理,由事故队列链接立即返回至最近处理状态,不会造成延误.3.4　模拟实验选用现场事故的典型案例设置基本信息,应用EMS模拟事故的应急处置.事故背景设定:轨道交通三线交汇的综合性枢纽车站,下午6∶00晚高峰时段,站台层公共区域内发生火灾.车站数据:具有站台层和站厅层的双层车站结构,出入口数为8,自动扶梯数为8,楼梯数为4,自动售票机数为6,人工售票点数为9,出入闸机数为35,消防疏散门数为20;运营数据:该站衔接上下行共6个方向,事发时段有两列车间隔1min先后到达,编组辆数均为6,车门数为60,实际载客量以450人计,站内停留乘客数以700人计;系统参数:GIS提供地理信息以车站为中心的500m范围内,CCTV及监控系统常开,系统查询反馈信息频率为10s,追踪记录刷新频率30s.假设应急方案下达后各部门执行无延误,人力投入充足,安全设备可用且足量.系统模拟过程涉及现场操作时间,如客流疏散、设备的动作等,均按已有案例的统计数据计算.经过多次模拟,该事故状态下处理总时间约为31.6min,并随操作人员对系统的熟练程度有下降趋势,稳态处理进度简要描述见表1.与原案例处理过程相比,各系统配合自动化处理流程,明显加快了应急救援的速度,改善了人工指挥的不足.857 同济大学学报(自然科学版)第36卷　表1　系统模拟火灾事故处理进度T ab.1　Disposal process of f ire accident simulation项目事故现象系统执行操作执行主体时间/minNO.1处置方案制订火灾爆发报警确认上报,初步救援FAS,CCTV,安全人员 4.0应急处置工作流启动应急管理系统EMS0.1现场状态监测,事故定性BAS,CCTV,EMS 1.0设施定位,应急方案规划GIS,ESAS,EMS 3.5NO.1方案下发处置方案下发应急信息发布系统0.1执行反馈1有列车到达进入火灾工况,应急操作FAS,BAS 5.0 NO.2处置方案制订烟雾弥漫,清客方案调整,客流疏散方案CCTV,ATS,EMS 1.5搜寻疏散路线GIS,ESAS 2.0 NO.2方案下发调整方案下发应急信息发布系统0.1执行反馈2有乘客拥堵挤伤方案执行,监控反馈CCTV 5.5 NO.3处置方案制订方案调整,乘客救援方案EMS 1.0 NO.3方案下发提请外部救援,方案下发GIS,信息发布系统 2.1执行反馈3乘客组织方案执行,监控反馈CCTV,EMS 4.5医疗救护现场执行情况信息反馈应急信息发布系统0.1恢复运营监控,关闭工作流引擎CCTV,EMS 1.14　结语基于工作流模式的轨道交通应急管理系统(EMS)以事故处理过程为中心,结合现有多个控制系统的功能跨系统集成.系统模型根据工作流系统理论和方法提出,注重与实际需求紧密结合.实验表明系统能够迅速生成处置方案下发各部门,循环反馈至事故解决,提高了应急处置效率.该系统的设计实现是工作流系统理论一个新的应用,实践证明该方法是可行的.由于城市轨道交通系统运营的复杂性,实现全方位的应急管理自动化需要一个循序渐进的过程,本系统为运营管理的综合协调和完善打下良好的基础.参考文献:[1]　JoséH Canós,Gustavo Alonso,Javier Jaén.A multimedia ap2proach to the efficient implementation and use of emergency plans [J].IEEE Multimedia,2004,11(3):106.[2]　Nikos Zarboutis,Nicolas Marmaras.Searching efficient 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