面向三度空間的地鐵車站暴雨內澇應急能力評價*

劉敬嚴，鄭文文，陳 佳，趙莉琴

(1.防災科技學院土木工程學院，河北 三河 065201；2. 河北省工程結構多災害韌性與應急處置技術創新中心，河北 三河 065201；3.石家莊鐵道大學，河北 石家莊 050043)

受強降雨及連續性降雨影響，積水不能及時排出而造成損失，形成暴雨內澇災害[1]。在快速城市化發展、極端天氣頻發的今天，洪澇災害影響大、損失重。地鐵車站易發生內澇災害，且疏散困難、救援難度大，易造成財產損失和人員傷亡。鄭州地鐵“7.20”特大暴雨事件，反映出加強地鐵車站暴雨內澇應急能力評價工作，提升地鐵車站暴雨內澇應急能力的重要性。

地鐵暴雨內澇的研究主要聚焦在地鐵車站暴雨內澇災害風險和脆弱性。楊可等[2]構建了暴雨條件下地鐵系統脆弱性指標體系，并運用實驗室綜合決策法和對抗哈斯圖技術方法進行指標重要性排序。王莉等[3]進行了暴雨致災的地鐵水災事件情景貝葉斯網絡情景演化分析。陳佳等[4]基于壓力-狀態-響應(PSR)理論構建地鐵車站暴雨內澇脆弱性評價指標，利用IOWA算子和向量夾角余弦(VAC)進行地鐵車站暴雨內澇脆弱性評價。趙露薇等[5-6]構建了暴雨干擾下地鐵系統脆弱性指標體系，并在FCM框架內模擬地鐵系統脆弱性演化。王軍武等[7-8]采用投影尋蹤方法和粒子群算法分析地鐵車站工程暴雨內澇脆弱性。李輝山等[9]從自然因素、周邊環境和防汛能力3個維度分析災害原因，構建DNN神經網絡模型進行地鐵洪澇災害預測。閆緒嫻[10]構建地鐵洪澇災害事故樹。WU[11]基于語言直覺模糊集和TOPSIS進行地鐵站工程內澇災害應急預案決策研究。YU等[12]采用組合賦權法，構建地鐵車站內澇風險的AHP模糊綜合評價模型。LYU等[13]使用區間FAHP-FCA方法評估地鐵系統洪水風險。

這些研究均是從傳統災害風險視角來進行分析的，只討論了地鐵車站暴雨內澇災害風險和脆弱性，未涉及應急能力。

地鐵應急能力的研究方面，李會寧[14]依據事故致因理論，構建了地鐵應急疏散能力評價指標，并采用貝葉斯網絡模型進行評價分析。林立等[15]基于可拓學理論，構建了包括災前監測、災中應對、災后恢復及政府應急支持能力的地鐵應急能力評價指標體系，采用層次分析法確定權重的物元模型，評價地鐵突發事件應急能力。高宇航[16]以扎根理論總結地鐵站應急疏散影響因素，構建了管理因素、應急響應、建筑因素、人員因素的評價指標體系，采用灰色關聯分析法評價地鐵站應急疏散能力。袁孝偉[17]從人、物、環境和管理四方面分析地鐵系統的風險因素，構建了城市地鐵應急能力評價指標體系，運用模糊綜合評價法對廣州地鐵應急能力進行評價。

這些研究均只是從整體上探討地鐵突發事件的應急能力，對于暴雨內澇這種具體災害情況分析不夠詳細。

地鐵車站系統處于“三度空間”中，可在物理、社會和信息空間找到其相應的“投影”。方東平等[18-19]在考察城市災害韌性時提出從物理、社會、信息三度空間下進行“系統的系統”的思考，并在構建社區地震安全韌性評估系統時基于“三度空間”理論框架，梳理影響因素。隨后，學者結合三度空間理念，從“物理-社會-信息”視角，先后構建了城市韌性評價體系[20]、暴雨內澇下交通系統安全韌性網絡分層模型[21]、社區韌性關鍵要素的治理機制[22]。王秉[23]在安全4.0時代的重大安全科學問題展望中指出人類世界正從原來的二元空間進入包括物理空間、社會空間與信息空間的三元空間。隨后他從理論層面分析了“物理-社會-信息”三元空間安全態勢感知路徑問題[24]，并建立理論模型，探討安全信息視域下的三元空間(物理-社會-信息)安全事件鏈防控問題[25]。

本研究借鑒上述研究，基于“三度空間(物理-社會-信息)”理念，梳理影響地鐵車站暴雨內澇應急能力的主要因素，結合應急能力動態演進的過程屬性來構建指標體系。地鐵車站暴雨內澇應急能力影響因素眾多，并且具有模糊性、隨機性的特點，難以準確地量化。故采用云模型方法，基于云數字特征和云圖進行應急能力分析。云模型能夠將模糊性和隨機性相互映射在定性語言和定量數值轉換中[26]，已成功運用在地鐵運營安全評價[27]、項目安全風險評價[28]、危險性預測[29]、災害風險預警[30]、城市應急管理能力評估[31]等領域。

1 地鐵車站暴雨內澇應急能力三度空間模型

1.1 地鐵車站暴雨內澇應急能力

地鐵車站暴雨內澇應急能力是為了應對暴雨及連續性大降雨的發生，可能造成的內澇災害，盡量減少人員傷亡、降低經濟損失、縮小后果影響范圍以及盡快恢復正常運營狀態的能力。地鐵車站暴雨內澇應急能力與地鐵車站的自然要素與社會要素、硬件設施與軟件環境、人力資源和體制資源、工程能力與組織能力等多方面因素息息相關。

地鐵車站暴雨內澇應急能力評價是在對地鐵暴雨內澇災害事故特點及應急能力構成深入研究的基礎上，運用科學、合理的評價方法，對地鐵車站暴雨內澇應急能力進行定量化的分析，并將評價結果作為反饋信息，以改善地鐵的應急管理狀況，提高暴雨內澇應對綜合能力。

張忠義等[32]在分析武漢洪澇災害時提出從預防、準備、響應、恢復方面提升城市應急軟能力。本研究將地鐵車站暴雨內澇應急能力分為預防能力、準備能力、響應能力和恢復能力。

預防能力指地鐵車站在預防城市暴雨積水內澇災害過程中所體現出來的能力。利用科學技術手段和管理措施來預防災害事故的發生。從出入口地勢情況、出入口臺階高度、出入口建設類型、防汛應急預案、防汛應急制度、氣象信息預警分析等方面入手，預防暴雨積水內澇災害發生。

準備能力是地鐵站在暴雨來臨之前及時接收當地氣象、水文部門和防汛辦關于天氣、雨情的預報，并及時向各單位各部門傳達發布預警信息，做好相應準備工作。包括車站擋水系統、車站排水系統、雨水監測報警系統、防汛應急演練、防汛應急物資、應急救援隊伍、廣播宣傳系統等準備工作。

響應能力是暴雨來臨時，啟動執行應急預案、汛情信息分析與發布、綜合指揮調度、利用應急排水設備、應急通訊設備、應急供電設備等進行人員疏散和搶險救災的能力。

恢復能力是恢復運營條件、恢復運營秩序、災后預案完善、應急醫療救助和輿論引導的能力。

1.2 地鐵車站暴雨內澇應急能力三度空間

地鐵車站是超大規模地下建筑群、大型交通運輸系統和人員動態密集場所。應急工作需要由可持續的物質系統和社會群體結合形成，并通過社會群體發揮作用。災害應急涉及建筑工程系統，也涉及經濟、社會、信息等系統。有必要從實體、信息、社會三度空間出發構建評價體系。物理空間是對社會空間與信息空間的物質支撐。社會空間是連接物理空間和信息空間的橋梁。信息空間是物理空間與社會空間信息交互的保障。社會-物理-信息系統框架考慮各個子系統存在的空間，能綜合全面地分析系統問題。

圖1 地鐵車站暴雨內澇應急能力三度空間模型

物理空間是地鐵車站暴雨內澇應急能力的物質基礎，主要是地鐵車站建筑和相關設施設備。社會空間是地鐵車站暴雨內澇應急能力的行動規范，主要是應急人員和應急管理制度。社會空間可以規范多元主體的行動，提高地鐵車站系統對災害或風險的恢復力和適應力。信息空間是地鐵車站暴雨內澇應急能力的聯動保障，主要是信息技術應用，保障雨水監測報警系統、廣播通信系統等防汛系統聯動。

從應急能力的預防能力、準備能力、響應能力、恢復能力內涵出發，地鐵車站在應對暴雨內澇災害時，首先是預防能力。預防能力主要是日常的規劃，取決于地鐵車站建筑及防汛設施等物理空間的抗汛水平，防汛應急制度及防汛預案等社會空間，以及信息空間的汛情預警能力。準備能力主要體現在暴雨來臨前做的應對準備工作，主要包括擋水墻、防汛擋板、排水溝等物理空間和防汛物資和防汛應急人員等社會空間。響應能力主要是應急排水設備、應急通信設備、應急供電設備等物理空間和社會空間的應急預案啟動執行和指揮調度能力及信息空間的汛情信息分析與發布。恢復能力主要是物理空間方面的機車車輛、電梯系統、自動檢票機、屏蔽門安全門等的運營條件恢復和社會空間方面的運營秩序恢復及信息空間的輿論引導。

1.3 地鐵車站暴雨內澇應急能力指標體系

本文對國內外暴雨內澇背景下地鐵災害風險、脆弱性以及韌性評價指標體系的文獻以及城市暴雨內澇應急能力評價指標體系的文獻進行梳理。依據地鐵車站暴雨內澇應急能力三度空間框架，從物理空間、社會空間和信息空間選取合適的表征預防能力、準備能力、響應能力、恢復能力的應急能力指標(表1)。

表1 暴雨內澇應急能力評價指標體系

2 地鐵車站暴雨內澇應急能力評價方法

2.1 云發生器

云模型是用云數字特征來反映定性概念的定量特征。三個云數字特征包括期望Ex(Expected Value)，熵En(Entropy)和超熵He(hyper Entropy)。云中的每個云滴都是定性概念數域空間的點的映射。期望Ex(Expected Value)是中心值或標準值，是最能代表該定性概念的云滴；熵En(Entropy)是模糊性；超熵He(hyper Entropy)是隨機性和離散性。

期望值Ex、熵En和超熵He，通過逆向云發生器計算樣本的均值和方差而得到，具體算法如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

輸出云數字特征(Ex，En，He)。

云圖的生成，通過正向云發生器生成云滴而得到，具體算法如下。

疏曠高遠、曲折無窮的空間意識是王維山水詩的主要構圖，此外，王維的詩中亦有如“返景入深林，復照青苔上”所表現的一個由光與影構成的明暗映襯的如西洋印象畫般的空間意識。

3)計算云滴隸屬度

(5)

4)生成云滴(x，μ(x))；

5)重復進行步驟(1)到(4)，生成所需云滴數。

2.2 標準云圖

雙邊約束[ZminZmax]的標準云的數字特征公式為：

(6)

(7)

(8)

式中：c為常數，根據評語本身的模糊程度進行具體調整。

地鐵車站暴雨內澇應急能力云模型的分值區間、等級描述以及標準云數字特征見表2。

表2 暴雨內澇應急能力標準云數字特征

利用正向云發生器matlab編程構建標準評價云生成標準云圖，作為應急能力評價的基準參照圖(圖2)。

圖2 暴雨內澇應急能力標準云圖

2.3 評價云圖

用matlab編程模擬逆向云發生器求指標評價云的數字特征(Ex，En，He)；加權匯總，得到評價云結果。

(9)

式中：(w1，w2，…，wn)為采用熵權法確定的權重wj。

利用matlab編程模擬正向云發生器生成云滴形成云圖，對比評價云圖與標準云圖，引入貼近度，確定韌性等級。

(10)

3 實例分析

北京地鐵金安橋站是6號線西端終點站，也是北京地鐵S1號線、11號線、6號線三線換乘站，共設有8個出入口：A、B、C、D、E、F、H、J、K，如圖3所示。

圖3 金安橋地鐵站示意圖

金安橋地鐵站區域周邊自然地勢低洼，特別是地鐵站的B口和C口，周邊道路很容易積水。金安橋是下凹式立交橋。這種下凹式立交橋橋下往往積水深度大、積水面積大、持續時間長、交通影響大。在2021年7月18日北京強降雨時地鐵口出現積水發生了地鐵站倒灌現象。共調集4站10車45名消防指戰員攜帶手抬泵10臺，浮挺泵5臺及救援器材，40名消防員連續排水3 h。反思“7·18”地鐵站出現雨水倒灌問題教訓，地鐵公司加強了暴雨內澇應急能力建設。

物理空間方面，站外廣場進行了翻修改造，站前廣場平整了路面，增加了通鋪的雨水箅子和排水溝。在站前廣場處新建了1.2 m高的混凝土擋水墻。并在地鐵站出入口準備了設置了5層高強度擋水板，每層20 cm，共1 m高。對該地鐵站周邊北辛安路金安橋下的排水設施進行改造，增強瞬時排水能力。社會空間方面，加強了預防、演練、搶險等一系列工作措施。修訂完善防汛應急預案，對出現積水情況，對于車輛限流、導行和道路臨時封閉，都做了預案，開展防汛綜合演練和安全檢查。

邀請來自地鐵運營單位、高校、應急管理部門的6位專家打分評議得到各指標分值。利用云逆向發生器matlab編程計算求出指標層的云數字特征，采用熵權法確定權重(表3)。

表3 暴雨內澇應急能力評價云數字特征

通過計算得知，目標層評價云即綜合評價云特征值(58.05，3.08，2.04)。利用正向云發生器matlab編程生成評價云滴，生成綜合評價云圖。將綜合評價云與圖2標準云圖做對比，發現評價對象處在Ⅱ級(一般)和Ⅲ級(較強)之間，更接近Ⅲ級韌性，如圖4所示。計算綜合評價云與各等級標準云的貼近度分別為0.023，0.077，0.084，0.031。可知評價云與Ⅲ級標準云(較強)貼近度最大，因此判定為應急能力較強。

圖4 暴雨內澇應急能力評價云圖

運用障礙度模型探索地鐵車站暴雨內澇應急能力的障礙因素。將數據輸入SPSSAU障礙度模塊進行計算。結果發現主要障礙因素是應急預案啟動執行、出入口臺階高度、應急供電設備、汛情信息發布、應急醫療能力、輿論引導、指揮調度能力和雨水監測報警系統。

雖然采取的措施一定程度上提升了暴雨內澇應急能力，但防汛仍不容樂觀。采取的措施大多是從物理空間進行了加強。社會空間和信息空間仍有很多需要完善的地方。

基于三度空間視角，結合案例分析，提出地鐵車站暴雨內澇應急能力提升建議。

1)物理空間方面。推進海綿城市建設 ，提升城市抗澇韌性。改造地鐵站周邊道路、站前廣場、綠地公園，減少地鐵站周邊暴雨內澇風險。

2)社會空間方面。進一步總結極端降雨天氣應急搶險工作經驗教訓，完善應急預案體系，加強模擬演練。加強暴雨內澇應急宣傳，提升民眾認知和災害應急時的社會公眾參與度。加強應急管理隊伍建設，建立專業的應急處置小組、專業消防救援隊等，吸收地鐵車站志愿者，作為暴雨內澇災害應急響應的重要補充力量。

3)信息空間方面，綜合運用現代計算機網絡技術進行危害分析與風險評估、形成智能輔助方案、進行應急決策與指揮。

4 結論

依據三度空間理論分析地鐵車站暴雨內澇應急能力，結合災害應急的預防能力、準備能力、響應能力、恢復能力過程屬性，構建地鐵車站暴雨內澇應急能力分析框架。引入熵權云模型進行地鐵車站暴雨內澇應急能力評價分析。

1)地鐵車站暴雨內澇應急能力需要從預防能力、準備能力、響應能力、恢復能力的全過程展開分析。

2)地鐵車站暴雨內澇應急能力需要從物理空間、社會空間、信息空間的三度空間視角展開全空間分析。

3)建立地鐵車站暴雨內澇應急能力評價熵權云模型，用云發生器算法求云數字特征，生成云滴及云圖，并與標準云圖對比結合貼近度來判定應急能力。

4)對金安橋地鐵站綜合評價結果為Ⅲ級即應急能力較強。在應急能力建設過程中不僅要注重物理空間的應急能力，還應該加強社會空間和信息空間方面的應急能力。

5)指標體系建立過程中雖然盡可能涵蓋了地鐵車站的物理空間、社會空間、信息空間以及應急能力的預防能力、準備能力、響應能力、恢復能力過程，但由于地鐵車站暴雨內澇應急能力影響因素較為復雜，后續可以進一步細化指標體系，并深入分析各指標間的數量關系。

6)本文采用了熵權云模型對地鐵車站暴雨內澇應急能力進行評價分析，后續研究可以運用更多評價方法進行實證分析。