地鐵域地下空間安全監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)探究*

趙盈盈，涂中強(qiáng)

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

當(dāng)前，我國(guó)正處于城市化快速發(fā)展時(shí)期，土地資源稀缺的現(xiàn)狀日益顯現(xiàn)，地下空間資源便得到了城市建設(shè)者們的青睞?！?016—2022年中國(guó)地下空間開(kāi)發(fā)利用產(chǎn)業(yè)深度調(diào)研及市場(chǎng)前景預(yù)測(cè)報(bào)告》中顯示，我國(guó)有3 873.60億m3的地下空間資源可供開(kāi)發(fā)利用，在城市地上空間資源日益緊張的今天，這的確是一個(gè)讓人驚喜的數(shù)字，為“海綿城市”“智慧城市”的建設(shè)提供了可能性。

地鐵域地下空間是指因?yàn)榈罔F存在而進(jìn)行的地鐵工程本身及其關(guān)聯(lián)的周邊空間地面以下空間。一方面，由于地鐵站往往聯(lián)系著大型商業(yè)綜合體，因此地鐵域地下空間的人流量極大；另一方面，由于相比于地面建筑，地下空間具有封閉性和難以疏散性，因此一旦發(fā)生安全事故，將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。因此，地鐵域地下空間的安全問(wèn)題一直是領(lǐng)域內(nèi)專(zhuān)家所重點(diǎn)研究的問(wèn)題。為了防患于未然，本文以地鐵域地下空間安全監(jiān)測(cè)的視角，認(rèn)真梳理所存在的風(fēng)險(xiǎn)因素，然后有針對(duì)性地利用關(guān)鍵技術(shù)去解決對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)因素的安全監(jiān)測(cè)，最終建立安全監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，以確保地鐵域地下空間的運(yùn)營(yíng)過(guò)程安全、高效。

1 地鐵事故及地鐵項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)因素分析

1）地鐵事故分析。縱觀國(guó)內(nèi)外相關(guān)報(bào)道，地鐵事故頻發(fā)，導(dǎo)致地鐵事故的因素包括自然因素和人為因素。其中自然因素包括水文地質(zhì)條件的變化、氣候條件的變化、地震等不可抗力事件的發(fā)生；人為因素包括施工過(guò)程及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的施工不當(dāng)、管理不當(dāng)、火災(zāi)等，可見(jiàn)，地鐵風(fēng)險(xiǎn)因素貫穿于地鐵項(xiàng)目全壽命周期。設(shè)計(jì)不當(dāng)直接影響地鐵項(xiàng)目結(jié)構(gòu)安全，施工過(guò)程中技術(shù)與管理的不當(dāng)同樣會(huì)影響結(jié)構(gòu)安全，由于地鐵項(xiàng)目是地下施工，封閉性強(qiáng)，因此該類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)因素極可能造成地鐵坍塌事故，所帶來(lái)的不僅僅是地鐵項(xiàng)目本身結(jié)構(gòu)的毀壞，還會(huì)波及到周邊建筑的結(jié)構(gòu)安全，據(jù)統(tǒng)計(jì)，地鐵坍塌事故率為33%，事故死亡率為60.9%[1]，因此，勘察設(shè)計(jì)及施工階段存在的風(fēng)險(xiǎn)因素需要引起足夠的重視。地鐵項(xiàng)目在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中存在的風(fēng)險(xiǎn)因素也有很多，比如運(yùn)營(yíng)管理不當(dāng)造成的火災(zāi)事故，地鐵項(xiàng)目的封閉性給消防工作及人員疏散工作帶來(lái)了巨大壓力，一旦火災(zāi)事故發(fā)生，傷亡會(huì)很慘重。

2）地鐵項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)因素分析。為了最大限度地避免地鐵事故的發(fā)生，有必要對(duì)地鐵項(xiàng)目全壽命周期內(nèi)存在的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析和歸納總結(jié)，然后有針對(duì)性地進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)防控，為地鐵域地下空間的安全監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的建立提供依據(jù)。下面將從勘察設(shè)計(jì)及施工階段、運(yùn)營(yíng)階段兩個(gè)方面分析地鐵項(xiàng)目存在的風(fēng)險(xiǎn)因素[2]。

一是勘察設(shè)計(jì)及施工階段。地鐵項(xiàng)目的順利實(shí)施依賴(lài)于勘察設(shè)計(jì)資料的準(zhǔn)確性，其實(shí)勘察工作早在地鐵項(xiàng)目選址規(guī)劃階段就已經(jīng)開(kāi)始，這是因?yàn)榈罔F線路的走向及地鐵站的布置除了要依據(jù)城市空間的發(fā)展現(xiàn)狀，還要考慮地鐵域附近建筑物環(huán)境情況以及地質(zhì)環(huán)境情況。例如，如果所規(guī)劃地鐵線路穿過(guò)活斷層，那么為了避免活斷層地震對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，必須進(jìn)行特殊避讓或者采取抗震設(shè)防設(shè)計(jì)。地鐵項(xiàng)目選址規(guī)劃確定后，就要嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行勘查工作，為工程設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。勘察階段的風(fēng)險(xiǎn)因素包括：環(huán)境因素、管理因素和技術(shù)因素。例如，地基土承載力太弱、取樣不規(guī)范、勘察方法及設(shè)備選取不當(dāng)?shù)染鶗?huì)導(dǎo)致勘察數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確，甚至導(dǎo)致勘察人員的傷亡。設(shè)計(jì)階段的風(fēng)險(xiǎn)因素包括：空間布局不合理而影響后期應(yīng)急疏散；結(jié)構(gòu)體系不合理導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力不足或者變形過(guò)大；消防設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致滅火或疏散受到限制；抗震設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞等。地鐵項(xiàng)目施工階段存在周期長(zhǎng)、技術(shù)復(fù)雜而且封閉性施工等特點(diǎn)，屬于事故高發(fā)的一個(gè)階段，“人機(jī)料法環(huán)”中任何一個(gè)環(huán)節(jié)存在問(wèn)題，都會(huì)影響施工的順利進(jìn)行。例如，施工人員操作不當(dāng)、設(shè)備選型錯(cuò)誤或故障、材料選取不當(dāng)、施工方法不當(dāng)、周?chē)h(huán)境影響及管理缺失等都將直接或間接成為事故發(fā)生的導(dǎo)火索。可見(jiàn)，勘察設(shè)計(jì)及施工階段存在的風(fēng)險(xiǎn)因素很廣泛，但關(guān)于該方面風(fēng)險(xiǎn)防范的研究較為成熟，相信隨著相關(guān)部門(mén)技術(shù)水平和管理水平的不斷提高，在勘察設(shè)計(jì)或者施工階段發(fā)生事故的概率將會(huì)大大降低。

二是運(yùn)營(yíng)階段。運(yùn)營(yíng)階段是地鐵項(xiàng)目全壽命周期中持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的一個(gè)階段，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、工作人員工作狀態(tài)、周?chē)h(huán)境影響或者管理系統(tǒng)不完善都是影響地鐵項(xiàng)目有效運(yùn)營(yíng)的安全隱患。2021年的多起地鐵事故至今還歷歷在目，例如，鄭州地鐵5號(hào)線“7·20事件”，由于持續(xù)遭遇極端特大暴雨，5號(hào)線一列車(chē)被洪水圍困，造成14人遇難。除此之外，地鐵追尾、電梯逆行、地鐵門(mén)夾人、踩踏事件等也不乏相關(guān)報(bào)道?？梢?jiàn)，運(yùn)營(yíng)階段對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)因素更為廣泛，雖然多為突發(fā)事件和偶然事件，但就是這些突發(fā)事件和偶然事件的發(fā)生最易造成了人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，本文重點(diǎn)研究地鐵項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)階段的安全監(jiān)測(cè)問(wèn)題以及涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，目的是有效預(yù)防或者最大程度降低運(yùn)營(yíng)階段安全事故的發(fā)生。

2 地鐵域地下空間安全監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)

地鐵域地下空間的安全監(jiān)測(cè)管理工作是運(yùn)營(yíng)階段管理工作的重中之重，而合理高效的安全監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)是保證安全監(jiān)測(cè)管理工作順利進(jìn)行的基礎(chǔ)。本文所構(gòu)建的安全監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)由基于傳感器針對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用系統(tǒng)3個(gè)部分組成[3]。

1）針對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。運(yùn)營(yíng)期間的安全監(jiān)測(cè)包括結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)（震動(dòng)頻率、變形位移、應(yīng)力作用等）、火災(zāi)監(jiān)測(cè)（煙霧濃度、溫度等）、水災(zāi)監(jiān)測(cè)（水位變化、水量變化等）及爆炸監(jiān)測(cè)（二氧化碳、甲烷等氣體濃度）。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該具備針對(duì)每一種風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)，目標(biāo)是使安全隱患及時(shí)發(fā)現(xiàn)、安全事件及時(shí)報(bào)警，并為事件的處理提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)?；趥鞲衅鬟M(jìn)行各風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)路徑見(jiàn)圖1。利用傳感器進(jìn)行圖像等信息的采集，經(jīng)過(guò)通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）線輸入給微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及圖像處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)規(guī)定的接口進(jìn)行傳遞。此處涉及到的關(guān)鍵技術(shù)將會(huì)在下文中詳述。

圖1 基于傳感器的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)路徑

2）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為安全管理的重要依據(jù)，其網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常重要。為了便于數(shù)據(jù)被及時(shí)有效地利用，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)應(yīng)該包括將數(shù)據(jù)源傳遞給安全監(jiān)測(cè)中心平臺(tái)以及各個(gè)管理用戶從安全監(jiān)測(cè)中心平臺(tái)調(diào)取所需信息兩部分，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳遞路徑見(jiàn)圖2。地鐵域地下空間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以采用專(zhuān)線的方式輸送到安全監(jiān)測(cè)中心平臺(tái)，當(dāng)然在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)日益發(fā)達(dá)尤其是5G網(wǎng)絡(luò)興起的今天，也可以采用無(wú)線的方式將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸送到安全監(jiān)測(cè)中心平臺(tái)。由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)各個(gè)用戶的作用是不同的，各個(gè)用戶需要根據(jù)自己職責(zé)或者工作需要有選擇性地調(diào)取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，因此一般來(lái)說(shuō)，從安全監(jiān)測(cè)中心平臺(tái)往各個(gè)用戶的傳輸采用專(zhuān)線的方式。

圖2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳遞路徑

3）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用系統(tǒng)。采集、處理及傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的最終目的是進(jìn)行有效的地鐵域地下空間的安全監(jiān)管。本文對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)儲(chǔ)存管理、運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、風(fēng)險(xiǎn)報(bào)警及安全事件應(yīng)急處理。應(yīng)對(duì)地鐵項(xiàng)目全壽命周期內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存管理并及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，利用傳感器采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)地下空間的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)設(shè)置傳感器數(shù)據(jù)閾值，發(fā)生異常情況及時(shí)啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，并結(jié)合數(shù)據(jù)信息的反饋進(jìn)行綜合分析，迅速做出應(yīng)急處理方案，盡可能減少事故損失。

3 安全監(jiān)測(cè)所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)

任何缺乏技術(shù)支持的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，都將會(huì)是一紙空談，地鐵域地下空間的安全監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)同樣需要建立在成熟的技術(shù)基礎(chǔ)上，所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包括傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及大數(shù)據(jù)處理技術(shù)[4-5]。

1）傳感技術(shù)。傳感技術(shù)同計(jì)算機(jī)技術(shù)及通信技術(shù)一起被稱(chēng)為信息技術(shù)的三大支柱，由于其核心設(shè)備就是傳感器，因此也被稱(chēng)為傳感器的技術(shù)。該技術(shù)可以感知周?chē)h(huán)境或者特殊物質(zhì)，比如氣體感知、光線感知、溫濕度感知、人體感知等，并把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，顯示為氣體濃度參數(shù)、光線強(qiáng)度參數(shù)、溫度濕度數(shù)據(jù)等。傳感器的種類(lèi)有很多，包括光敏、聲敏、氣敏、壓敏、溫敏等傳感器，甚至還有流體傳感器和化學(xué)傳感器。在地鐵域地下空間的安全監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)中可根據(jù)監(jiān)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)別的不同進(jìn)行選型，比如，火災(zāi)監(jiān)測(cè)及爆炸監(jiān)測(cè)可選用氣敏傳感器和溫敏傳感器，水災(zāi)監(jiān)測(cè)可選用流體傳感器。另外，由于傳感器的布置合理性直接決定監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的合理性，因此需要對(duì)地鐵域地下空間的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行充分分析和評(píng)估，依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)估的結(jié)果進(jìn)行傳感器的布置與部署，依靠發(fā)達(dá)的傳感器“感知網(wǎng)”，實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵域地下空間運(yùn)營(yíng)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供給數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行加工處理，從而形成安全監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)所需的可靠數(shù)據(jù)源。

2）網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的匯集、傳輸、交互，在地鐵域地下空間安全監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)中，它是溝通前端傳感器和后端安全監(jiān)測(cè)中心平臺(tái)的橋梁，同時(shí)也是各個(gè)數(shù)據(jù)用戶從安全監(jiān)測(cè)中心平臺(tái)調(diào)取數(shù)據(jù)的紐帶。無(wú)線通信技術(shù)和光纖傳輸技術(shù)是未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)最重要的兩種傳輸技術(shù)。關(guān)于無(wú)線通信技術(shù)，值得一提的是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）技術(shù)，它被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)工作區(qū)域的安全監(jiān)測(cè)，也同樣適用于地鐵域地下空間的安全監(jiān)測(cè)。布置在地下空間內(nèi)的眾多傳感器節(jié)點(diǎn)，可采用自組織和多跳技術(shù)，并通過(guò)無(wú)線的方式相互通信，形成WSN，將傳感器節(jié)點(diǎn)搜集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給安全監(jiān)測(cè)中心平臺(tái)，解決了地鐵域地下空間安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性、準(zhǔn)確性難題。相較于無(wú)線通信技術(shù)的靈活性和機(jī)動(dòng)性，光纖傳輸技術(shù)具備高帶寬及高可靠性的特點(diǎn)，地鐵公司、管廊公司等數(shù)據(jù)用戶可與地下空間安全監(jiān)測(cè)中心平臺(tái)采用光纖進(jìn)行可靠連接，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的順利提取利用。

3）大數(shù)據(jù)處理技術(shù)。當(dāng)今時(shí)代早已是大數(shù)據(jù)時(shí)代，大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展極為迅速?？偨Y(jié)地鐵域地下空間的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，包括以下5個(gè)方面：數(shù)據(jù)體量大、數(shù)據(jù)多樣性、數(shù)據(jù)生成快、數(shù)據(jù)真實(shí)性以及數(shù)據(jù)價(jià)值大而密度低。地鐵項(xiàng)目全壽命周期內(nèi)積累的數(shù)據(jù)體量非常龐大，而且包括了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，體現(xiàn)了數(shù)據(jù)多樣性，另外，以WSN為例，傳感器日常監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)絕大多數(shù)屬于非事件數(shù)據(jù)，需要先進(jìn)的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集、處理及分析。大數(shù)據(jù)處理技術(shù)從根本上解決了傳統(tǒng)上單機(jī)數(shù)據(jù)處理速度慢的問(wèn)題，它將地鐵域地下空間安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、訪問(wèn)及處理各個(gè)環(huán)節(jié)很好地聯(lián)通，為安全監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)運(yùn)行、實(shí)時(shí)報(bào)警等提供了技術(shù)支持。

4 結(jié)束語(yǔ)

在地上空間資源日益緊張的今天，地下空間的開(kāi)發(fā)利用成為城市發(fā)展的必然選擇。從我國(guó)地下空間的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀來(lái)看，開(kāi)發(fā)對(duì)象往往并不單一，而是由軌道交通系統(tǒng)（地鐵）、地下商場(chǎng)和相互連通區(qū)域共同組成的綜合體，因此涉及的危險(xiǎn)源種類(lèi)繁雜且數(shù)量多，而且在封閉的地下空間眾多風(fēng)險(xiǎn)因素易互相作用，極易導(dǎo)致災(zāi)害鏈的形成，一旦發(fā)生事故，因疏散困難，人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)極高。

為了提升地下空間安全防控水平，使地鐵域地下空間真正造福人民，有必要對(duì)地鐵域地下空間進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，并且建立有效的安全監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，這是非常有必要的。安全監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)應(yīng)該包括：基于傳感器針對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用系統(tǒng)。當(dāng)然地鐵域地下空間的安全監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)需要建立在成熟的技術(shù)基礎(chǔ)上，所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包括傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及大數(shù)據(jù)處理技術(shù)。本文雖然涉及到了對(duì)這3種關(guān)鍵技術(shù)的論述，但是對(duì)它們的應(yīng)用研究并不深入，而且未涉及到信息化技術(shù)的集成應(yīng)用，這也是今后研究的方向和重點(diǎn)。