地鐵域地下空間安全監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)探究*

趙盈盈，涂中強

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

當(dāng)前，我國正處于城市化快速發(fā)展時期，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。《2016—2022年中國地下空間開發(fā)利用產(chǎn)業(yè)深度調(diào)研及市場前景預(yù)測報告》中顯示，我國有3 873.60億m3的地下空間資源可供開發(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為地鐵存在而進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，將會帶來嚴(yán)重的人員傷亡及財產(chǎn)損失。因此，地鐵域地下空間的安全問題一直是領(lǐng)域內(nèi)專家所重點研究的問題。為了防患于未然，本文以地鐵域地下空間安全監(jiān)測的視角，認真梳理所存在的風(fēng)險因素，然后有針對性地利用關(guān)鍵技術(shù)去解決對不同風(fēng)險因素的安全監(jiān)測，最終建立安全監(jiān)測管理系統(tǒng)，以確保地鐵域地下空間的運營過程安全、高效。

1 地鐵事故及地鐵項目風(fēng)險因素分析

1）地鐵事故分析?？v觀國內(nèi)外相關(guān)報道，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程及運營過程中的施工不當(dāng)、管理不當(dāng)、火災(zāi)等，可見，地鐵風(fēng)險因素貫穿于地鐵項目全壽命周期。設(shè)計不當(dāng)直接影響地鐵項目結(jié)構(gòu)安全，施工過程中技術(shù)與管理的不當(dāng)同樣會影響結(jié)構(gòu)安全，由于地鐵項目是地下施工，封閉性強，因此該類風(fēng)險因素極可能造成地鐵坍塌事故，所帶來的不僅僅是地鐵項目本身結(jié)構(gòu)的毀壞，還會波及到周邊建筑的結(jié)構(gòu)安全，據(jù)統(tǒng)計，地鐵坍塌事故率為33%，事故死亡率為60.9%[1]，因此，勘察設(shè)計及施工階段存在的風(fēng)險因素需要引起足夠的重視。地鐵項目在運營過程中存在的風(fēng)險因素也有很多，比如運營管理不當(dāng)造成的火災(zāi)事故，地鐵項目的封閉性給消防工作及人員疏散工作帶來了巨大壓力，一旦火災(zāi)事故發(fā)生，傷亡會很慘重。

2）地鐵項目風(fēng)險因素分析。為了最大限度地避免地鐵事故的發(fā)生，有必要對地鐵項目全壽命周期內(nèi)存在的風(fēng)險因素進行分析和歸納總結(jié)，然后有針對性地進行風(fēng)險防控，為地鐵域地下空間的安全監(jiān)測管理系統(tǒng)的建立提供依據(jù)。下面將從勘察設(shè)計及施工階段、運營階段兩個方面分析地鐵項目存在的風(fēng)險因素[2]。

一是勘察設(shè)計及施工階段。地鐵項目的順利實施依賴于勘察設(shè)計資料的準(zhǔn)確性，其實勘察工作早在地鐵項目選址規(guī)劃階段就已經(jīng)開始，這是因為地鐵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)劃地鐵線路穿過活斷層，那么為了避免活斷層地震對隧道結(jié)構(gòu)的影響，必須進行特殊避讓或者采取抗震設(shè)防設(shè)計。地鐵項目選址規(guī)劃確定后，就要嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，進行勘查工作，為工程設(shè)計提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)?？辈祀A段的風(fēng)險因素包括：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?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)計階段的風(fēng)險因素包括：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大；消防設(shè)計不合理導(dǎo)致滅火或疏散受到限制；抗震設(shè)計不合理導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞等。地鐵項目施工階段存在周期長、技術(shù)復(fù)雜而且封閉性施工等特點，屬于事故高發(fā)的一個階段，“人機料法環(huán)”中任何一個環(huán)節(jié)存在問題，都會影響施工的順利進行。例如，施工人員操作不當(dāng)、設(shè)備選型錯誤或故障、材料選取不當(dāng)、施工方法不當(dāng)、周圍環(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?？梢?，勘察設(shè)計及施工階段存在的風(fēng)險因素很廣泛，但關(guān)于該方面風(fēng)險防范的研究較為成熟，相信隨著相關(guān)部門技術(shù)水平和管理水平的不斷提高，在勘察設(shè)計或者施工階段發(fā)生事故的概率將會大大降低。

二是運營階段。運營階段是地鐵項目全壽命周期中持續(xù)時間最長的一個階段，運營過程中設(shè)備運行狀態(tài)、工作人員工作狀態(tài)、周圍環(huán)境影響或者管理系統(tǒng)不完善都是影響地鐵項目有效運營的安全隱患。2021年的多起地鐵事故至今還歷歷在目，例如，鄭州地鐵5號線“7·20事件”，由于持續(xù)遭遇極端特大暴雨，5號線一列車被洪水圍困，造成14人遇難。除此之外，地鐵追尾、電梯逆行、地鐵門夾人、踩踏事件等也不乏相關(guān)報道?？梢?，運營階段對應(yīng)的風(fēng)險因素更為廣泛，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產(chǎn)損失。因此，本文重點研究地鐵項目運營階段的安全監(jiān)測問題以及涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，目的是有效預(yù)防或者最大程度降低運營階段安全事故的發(fā)生。

2 地鐵域地下空間安全監(jiān)測管理系統(tǒng)

地鐵域地下空間的安全監(jiān)測管理工作是運營階段管理工作的重中之重，而合理高效的安全監(jiān)測管理系統(tǒng)是保證安全監(jiān)測管理工作順利進行的基礎(chǔ)。本文所構(gòu)建的安全監(jiān)測管理系統(tǒng)由基于傳感器針對各風(fēng)險的監(jiān)測系統(tǒng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的應(yīng)用系統(tǒng)3個部分組成[3]。

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

圖1 基于傳感器的風(fēng)險監(jiān)測實現(xiàn)路徑

2）監(jiān)測數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。監(jiān)測數(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)計非常重要。為了便于數(shù)據(jù)被及時有效地利用，監(jiān)測數(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)測中心平臺以及各個管理用戶從安全監(jiān)測中心平臺調(diào)取所需信息兩部分，監(jiān)測數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳遞路徑見圖2。地鐵域地下空間的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以采用專線的方式輸送到安全監(jiān)測中心平臺，當(dāng)然在無線網(wǎng)絡(luò)日益發(fā)達尤其是5G網(wǎng)絡(luò)興起的今天，也可以采用無線的方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)輸送到安全監(jiān)測中心平臺。由于監(jiān)測數(shù)據(jù)對各個用戶的作用是不同的，各個用戶需要根據(jù)自己職責(zé)或者工作需要有選擇性地調(diào)取監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此一般來說，從安全監(jiān)測中心平臺往各個用戶的傳輸采用專線的方式。

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

3）監(jiān)測數(shù)據(jù)的應(yīng)用系統(tǒng)。采集、處理及傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)的最終目的是進行有效的地鐵域地下空間的安全監(jiān)管。本文對監(jiān)測數(shù)據(jù)的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)儲存管理、運行狀態(tài)實時監(jiān)控、風(fēng)險報警及安全事件應(yīng)急處理。應(yīng)對地鐵項目全壽命周期內(nèi)的數(shù)據(jù)進行儲存管理并及時進行數(shù)據(jù)更新，利用傳感器采集的數(shù)據(jù)實時監(jiān)控整個地下空間的運行狀態(tài)，通過設(shè)置傳感器數(shù)據(jù)閾值，發(fā)生異常情況及時啟動報警系統(tǒng)，并結(jié)合數(shù)據(jù)信息的反饋進行綜合分析，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，都將會是一紙空談，地鐵域地下空間的安全監(jiān)測管理系統(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)同計算機技術(shù)及通信技術(shù)一起被稱為信息技術(shù)的三大支柱，由于其核心設(shè)備就是傳感器，因此也被稱為傳感器的技術(shù)。該技術(shù)可以感知周圍環(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，并把模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，顯示為氣體濃度參數(shù)、光線強度參數(shù)、溫度濕度數(shù)據(jù)等。傳感器的種類有很多，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)測管理系統(tǒng)中可根據(jù)監(jiān)測風(fēng)險類別的不同進行選型，比如，火災(zāi)監(jiān)測及爆炸監(jiān)測可選用氣敏傳感器和溫敏傳感器，水災(zāi)監(jiān)測可選用流體傳感器。另外，由于傳感器的布置合理性直接決定監(jiān)測數(shù)據(jù)的合理性，因此需要對地鐵域地下空間的風(fēng)險因素進行充分分析和評估，依據(jù)風(fēng)險因素評估的結(jié)果進行傳感器的布置與部署，依靠發(fā)達的傳感器“感知網(wǎng)”，實現(xiàn)對地鐵域地下空間運營環(huán)境的實時監(jiān)測，采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)提供給數(shù)據(jù)處理器進行加工處理，從而形成安全監(jiān)測管理系統(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)測管理系統(tǒng)中，它是溝通前端傳感器和后端安全監(jiān)測中心平臺的橋梁，同時也是各個數(shù)據(jù)用戶從安全監(jiān)測中心平臺調(diào)取數(shù)據(jù)的紐帶。無線通信技術(shù)和光纖傳輸技術(shù)是未來一段時期內(nèi)最重要的兩種傳輸技術(shù)。關(guān)于無線通信技術(shù)，值得一提的是無線傳感器網(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，也同樣適用于地鐵域地下空間的安全監(jiān)測。布置在地下空間內(nèi)的眾多傳感器節(jié)點，可采用自組織和多跳技術(shù)，并通過無線的方式相互通信，形成WSN，將傳感器節(jié)點搜集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸給安全監(jiān)測中心平臺，解決了地鐵域地下空間安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的時效性、準(zhǔn)確性難題。相較于無線通信技術(shù)的靈活性和機動性，光纖傳輸技術(shù)具備高帶寬及高可靠性的特點，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)測中心平臺采用光纖進行可靠連接，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的順利提取利用。

3）大數(shù)據(jù)處理技術(shù)。當(dāng)今時代早已是大數(shù)據(jù)時代，大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展極為迅速。總結(jié)地鐵域地下空間的數(shù)據(jù)特點，包括以下5個方面：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)真實性以及數(shù)據(jù)價值大而密度低。地鐵項目全壽命周期內(nèi)積累的數(shù)據(jù)體量非常龐大，而且包括了設(shè)計數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(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)測的數(shù)據(jù)絕大多數(shù)屬于非事件數(shù)據(jù)，需要先進的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行搜集、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)上單機數(shù)據(jù)處理速度慢的問題，它將地鐵域地下空間安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的儲存、訪問及處理各個環(huán)節(jié)很好地聯(lián)通，為安全監(jiān)測管理系統(tǒng)運行、實時報警等提供了技術(shù)支持。

4 結(jié)束語

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

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，有必要對地鐵域地下空間進行安全監(jiān)測，并且建立有效的安全監(jiān)測管理系統(tǒng)，這是非常有必要的。安全監(jiān)測管理系統(tǒng)應(yīng)該包括：基于傳感器針對各風(fēng)險的監(jiān)測系統(tǒng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)以及監(jiān)測數(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這3種關(guān)鍵技術(shù)的論述，但是對它們的應(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。