城市軌道交通災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)模型及其風(fēng)險分析
——以地鐵水災(zāi)為例

李浩然,歐陽作林,姜 軍,楊起帆,劉 博,郗艷紅

(1.石家莊鐵道大學(xué)大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所,石家莊 050043； 2.石家莊鐵道大學(xué)河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制實驗室,石家莊 050043； 3.中交路橋北方工程有限公司,北京 100024； 4.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044)

1 概述

城市軌道交通具有運量大、占地少、低污染、舒適、準(zhǔn)時等優(yōu)點，建造地鐵已經(jīng)成為改善城市交通結(jié)構(gòu)、解決交通擁堵難題的重要手段[1]。盡管地鐵具有安全高效的特點，但由于地下空間環(huán)境封閉，建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)某一類災(zāi)害發(fā)生時，狹小空間內(nèi)災(zāi)害能量逸散困難，加之人群恐慌引發(fā)災(zāi)情放大，最終將導(dǎo)致其他次生災(zāi)害的產(chǎn)生，引發(fā)嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟損失。因此，揭示城市軌道交通系統(tǒng)災(zāi)變鏈?zhǔn)桨l(fā)展規(guī)律已經(jīng)成為保障地鐵運營安全亟待解決的問題。

國外學(xué)者從隧道通風(fēng)、人員疏散及運能分配等角度對地鐵災(zāi)變過程展開了相關(guān)研究，并取得了一定的進展[2-5]。Flores-Herrera[2]基于流體動力學(xué)理論，對地鐵隧道通風(fēng)進行了系統(tǒng)計算，以保證地鐵內(nèi)部換氣條件。Jae[3]通過火災(zāi)模擬和疏散仿真的方法，評估了地鐵火災(zāi)中列車遮掩門和通風(fēng)條件對乘客生命安全的影響。Vito[4]基于小世界概念，提出了從抽象網(wǎng)絡(luò)到實用系統(tǒng)的方法，依靠對運輸效率的精細分析，解決實際運輸網(wǎng)絡(luò)問題。Nikos[5]結(jié)合多重參考模型，通過監(jiān)測地鐵人群密度變化，研究地鐵內(nèi)部人群變化并預(yù)測擁擠密度。國內(nèi)學(xué)者的研究成果主要集中在地鐵系統(tǒng)的脆弱性、事故災(zāi)害分析、地鐵應(yīng)急管理和安全評價等方面[6-11]。韓利民、李為為[6-7]等提出了地鐵運營安全防范的人、物、制度和社會環(huán)境四要素，根據(jù)這四要素分析地鐵運營安全的防治對策。陳菁菁[8]梳理了城市軌道交通運營中發(fā)生的重大事故和災(zāi)害，并對各類重大運營事故和災(zāi)害進行系統(tǒng)解析。白亞飛[9]從地鐵車站的暴露性、易感性和沾應(yīng)性三方面來對地鐵車站的脆弱性進行分析，建立地鐵車站脆弱性的評價模型。徐田坤、黃雅坤、肖雪梅[10-12]將城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化，對運營安全進行了風(fēng)險評估。薛亮等[13]從系統(tǒng)工程學(xué)的角度出發(fā)，將事故樹分析方法應(yīng)用到城市軌道交通事故預(yù)防體系中。劉玙婷[14]基于區(qū)域災(zāi)害鏈形成過程，在對風(fēng)險要素進行統(tǒng)計和理論分析的基礎(chǔ)上構(gòu)建以承災(zāi)體為核心的區(qū)域災(zāi)害鏈風(fēng)險評估模型。

上述成果提升了城市軌道交通安全設(shè)計和管理水平。然而，針對地鐵災(zāi)變鏈?zhǔn)桨l(fā)展機理研究較少，對致災(zāi)因子間的耦合作用關(guān)系闡釋尚不清晰，而災(zāi)害衍變正是重大災(zāi)害形成的主要誘因?；诖耍ㄟ^地鐵系統(tǒng)脆弱性分析，辨識危險源，分析地鐵災(zāi)害鏈的成災(zāi)機制，并以地鐵水災(zāi)為例，構(gòu)建災(zāi)害演化網(wǎng)絡(luò)模型，辨識致災(zāi)演化災(zāi)害鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為地鐵次生或衍生災(zāi)害的防控提供依據(jù)。

2 城市軌道交通災(zāi)害鏈特征分析

2.1 成災(zāi)機制

根據(jù)災(zāi)害系統(tǒng)理論[15]，災(zāi)害是致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體綜合作用的結(jié)果，城市軌道交通災(zāi)害模式見圖1。

圖1 城市軌道交通災(zāi)害鏈形成模式

(1)致災(zāi)因子特征。致災(zāi)因子復(fù)雜是地鐵災(zāi)害形成的主要特征。城市軌道交通是一個復(fù)雜且龐大的技術(shù)系統(tǒng)，涵蓋了土建、機械、電氣、電子信息、環(huán)境控制、運輸組織等門類；從系統(tǒng)角度來看的話，它是由多個完全不同功能的子系統(tǒng)所構(gòu)成，包括線路、車輛、車站三大基礎(chǔ)設(shè)備和電氣、運行、信號控制等系統(tǒng)。當(dāng)子系統(tǒng)中的任何一個節(jié)點元素發(fā)生故障，都將有可能引起潛在的風(fēng)險事故，若該事故的能量超過了子系統(tǒng)的承載能力，事故將向上一級系統(tǒng)擴散，并引發(fā)一連串的連鎖反應(yīng)。

(2)孕災(zāi)環(huán)境特征。孕災(zāi)環(huán)境是致災(zāi)因子與承災(zāi)體發(fā)生聯(lián)系的中間媒介，保持孕災(zāi)環(huán)境的有序性和能量穩(wěn)定性是實現(xiàn)系統(tǒng)安全的基本條件。城市軌道交通具有空間密閉性和狹小性的特征，這也決定了孕災(zāi)環(huán)境的脆弱性。災(zāi)害事件的發(fā)生是致災(zāi)因子和孕育環(huán)境在時間、空間上相互作用的結(jié)果，二者缺一不可。例如，地鐵車站內(nèi)發(fā)生了火災(zāi)事故，若其所處的孕災(zāi)環(huán)境比較穩(wěn)定，災(zāi)情經(jīng)過及時處理后即可得到遏制，從而無法引發(fā)下一級災(zāi)害事件的發(fā)生；相反，若該災(zāi)害事件釋放的能量擾動了車站內(nèi)部的環(huán)境穩(wěn)定性，并達到下一級災(zāi)害發(fā)生的閾值，則災(zāi)害鏈?zhǔn)窖莼纬伞?/p>

圖3 地鐵水災(zāi)災(zāi)害鏈演化模型

(3)承災(zāi)體特征。城市軌道交通災(zāi)害鏈的承災(zāi)體是一個復(fù)雜龐大的系統(tǒng)，各類承災(zāi)體彼此關(guān)聯(lián)，彼此作用，具備災(zāi)害鏈產(chǎn)生的條件。依據(jù)承災(zāi)體的不同屬性，將其分為人子系統(tǒng)(乘客、司機、管理人員)、機械子系統(tǒng)(機車、機電設(shè)備、站內(nèi)設(shè)施)、基礎(chǔ)設(shè)施子系統(tǒng)(軌道、道床、隧道結(jié)構(gòu)、車站主體結(jié)構(gòu))和環(huán)境子系統(tǒng)(站內(nèi)環(huán)境、周邊環(huán)境)。人子系統(tǒng)是保障城市軌道交通安全運營的核心。軌道交通災(zāi)害的承災(zāi)體具有雙重屬性，一方面這些子系統(tǒng)是災(zāi)害事件的作用載體，另一方面，這些子系統(tǒng)也可以成為災(zāi)害事件發(fā)生的誘因。例如，乘客的危險性行為可能導(dǎo)致了災(zāi)害事件的發(fā)生，而災(zāi)害事件的不良后果又將反作用于乘客自身。

2.2 城市軌道交通災(zāi)害衍生傳遞特征

統(tǒng)計城市軌道交通運營事故發(fā)現(xiàn)，火災(zāi)、列車脫軌/相撞、恐怖襲擊、停電、機械故障、信號控制、擁擠踩踏、地震、水災(zāi)9種典型事故構(gòu)成了地鐵事故災(zāi)害集。當(dāng)致災(zāi)物質(zhì)流、能量流或信息流超過了某一事故的承載極限，它們開始與周邊環(huán)境相互影響和作用，進而誘導(dǎo)下一級災(zāi)害事故的萌生。城市軌道交通9種典型災(zāi)害事件的輸入/出關(guān)系見圖2?？梢钥闯?，災(zāi)害間互相傳遞的通道有27條，傳遞性高，災(zāi)害鏈長。重大災(zāi)難事故的發(fā)生往往是由于多種事故的鏈?zhǔn)桨l(fā)展引起的。以韓國大邱市地鐵中央路站人為火災(zāi)事故為例，火災(zāi)發(fā)生后，車站斷電，緊急照明燈和出口引導(dǎo)燈均沒有閃亮，人群恐慌發(fā)生踩踏，車站內(nèi)的通風(fēng)設(shè)備運行不暢，材料燃燒散發(fā)出大量有毒成分難以排除，大量乘客吸入有毒濃煙窒息而死，總結(jié)事故原因發(fā)現(xiàn)，火災(zāi)→停電→擁擠踩踏事故鏈?zhǔn)菍?dǎo)致重大傷亡的主要原因，本次火災(zāi)造成198人死亡，146人受傷，298人失蹤，社會影響極其惡劣。

圖2 地鐵典型災(zāi)害鏈生網(wǎng)絡(luò)關(guān)系

3 城市軌道交通水災(zāi)災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)模型

以暴雨引發(fā)地鐵水災(zāi)為例，分析災(zāi)害的孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子及承載體特征，總結(jié)得出地鐵水災(zāi)災(zāi)害鏈演化模型，見圖3?？梢钥闯觯罔F水災(zāi)災(zāi)害鏈網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，因果關(guān)系多樣，地面暴雨災(zāi)害可以直接導(dǎo)致地面交通癱瘓和地鐵灌水，其間接影響導(dǎo)致地下承壓水位上升，威脅隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和密閉性；各類致災(zāi)因素演化發(fā)展最終導(dǎo)致人員傷亡和財產(chǎn)損失，帶來不良的社會影響。分析暴雨水災(zāi)導(dǎo)致地鐵災(zāi)害演化過程，將全部危機事件分為三級；第一級為地面降水直接導(dǎo)致的一級危機事件，即地面交通癱瘓、地鐵灌水和地下承壓水位上升；第二級為一級事件誘發(fā)的次級演化事件；第三級為地鐵水災(zāi)造成的終極危機事件，即人員傷亡、經(jīng)濟損失和不良社會影響。利用節(jié)點表示危機事件，邊表示節(jié)點事件間的演化關(guān)系，則圖3所構(gòu)建的地鐵水災(zāi)災(zāi)害鏈演化模型中共有36個節(jié)點和55條演化邊，節(jié)點通過邊的連接構(gòu)成災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)，見圖4。

圖4 地鐵水災(zāi)演化復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)

4 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)風(fēng)險分析與控制

4.1 節(jié)點結(jié)構(gòu)重要度分析

假設(shè)復(fù)雜無權(quán)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間的邊概率為1，利用出入度、子網(wǎng)點節(jié)數(shù)、事件所含支鏈數(shù)和介數(shù)中心度4個指標(biāo)，分析各個節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的重要程度，即復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點結(jié)構(gòu)重要度。

出入度表征災(zāi)害事件的輸入與輸出關(guān)系，其中入度表示該事件的誘因事件，出度表示該事件的引發(fā)事件。從表1可以看出，車站供電設(shè)備故障的出度最高，表明該事件在災(zāi)害鏈演化過程中的影響最廣泛；人員傷亡和經(jīng)濟損失的節(jié)點入度為6，顯示此類危機事件的誘發(fā)途徑較多，控制難度較高。子網(wǎng)點節(jié)數(shù)等于該事件本身與后續(xù)誘發(fā)事件數(shù)量之和，事件所含支鏈數(shù)表示自一級事件到終級事件的所有路徑中經(jīng)過該事件的路徑數(shù)目。這兩個指標(biāo)表征危機事件后果的嚴(yán)重性，指標(biāo)值越大，事件致災(zāi)重要度越高。表1顯示，在地鐵水災(zāi)災(zāi)害演化網(wǎng)絡(luò)中，地下承壓水位上升事件的子網(wǎng)點節(jié)數(shù)和所含支鏈數(shù)在所有事件中排位第一，該事件即為災(zāi)情演化發(fā)展的關(guān)鍵節(jié)點。為了分析某一事件在傳播路徑中的“橋梁”作用，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論中采用介數(shù)中心度對其進行評價，其計算公式見式(1)[16]。

(1)

式中，σst(v)為節(jié)點s與節(jié)點t之間經(jīng)過節(jié)點v的最短路徑條數(shù)；σst為節(jié)點s與節(jié)點t之間的最短路徑條數(shù)；n為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)。計算地鐵水災(zāi)演化網(wǎng)絡(luò)圖中各事件的介數(shù)中心度，見表1，可見車站用電設(shè)備故障事件的介數(shù)值最高，該事件與后續(xù)誘發(fā)事件聯(lián)系的緊密程度最高。

表1 地鐵水災(zāi)事件網(wǎng)絡(luò)節(jié)點風(fēng)險分析

分別統(tǒng)計出入度、子網(wǎng)點節(jié)數(shù)、事件所含支鏈數(shù)和介數(shù)中心度指標(biāo)評價結(jié)果，得出不同指標(biāo)評價中的最不利危機事件排名，見表2。綜合表2結(jié)論，得出地鐵水災(zāi)演化復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點結(jié)構(gòu)重要度排序為：隧道結(jié)構(gòu)性能劣化，車站用電設(shè)備故障，地下承壓水位上升，站內(nèi)積水，隧道變形異常和隧道透水事件。

表2 地鐵水災(zāi)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點排序

4.2 斷鏈減災(zāi)控制方案

(1)降低車站用電設(shè)備故障。完善車站用電設(shè)備的采購、安裝與運維管理體系；有條件的地區(qū)探索建立地鐵用電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)用電設(shè)備的狀態(tài)識別、地理定位、移動終端和科學(xué)運維；建立備用設(shè)備冗余系統(tǒng)，保證臨時故障情況下，車站基本功能的無障礙實現(xiàn)。

(2)防止隧道結(jié)構(gòu)性能劣化及隧道透水。在隧道連續(xù)墻和內(nèi)襯結(jié)構(gòu)間設(shè)置排水設(shè)施，及時排出內(nèi)襯結(jié)構(gòu)中的滲流地下水，降低地下水壓力對隧道結(jié)構(gòu)性能的影響。安裝隧道變形監(jiān)控系統(tǒng)、滲水遠程監(jiān)測報警系統(tǒng)和隧道排水溝水位監(jiān)測系統(tǒng)，對隧道變形和滲水狀態(tài)實時監(jiān)控和管理，降低隧道透水和結(jié)構(gòu)大變形事件的發(fā)生概率。

(3)控制站內(nèi)積水事件的措施。依據(jù)地鐵的設(shè)防水準(zhǔn)，獨立設(shè)計地鐵雨水排放系統(tǒng)、廢水排放系統(tǒng)和污水排放系統(tǒng)，各系統(tǒng)間相互配合并預(yù)留擴建空間；車站排水接駁設(shè)計要與市政管網(wǎng)進行對接；設(shè)置地鐵防淹門和出入口防水淹措施，并制訂切實可行的搶險預(yù)案以應(yīng)對水災(zāi)事故的發(fā)生。

5 結(jié)論

(1)地鐵事故致災(zāi)因子復(fù)雜，孕災(zāi)環(huán)境脆弱，承災(zāi)體彼此關(guān)聯(lián)緊密；地鐵典型災(zāi)害事故間傳遞性高、災(zāi)害鏈長。

(2)構(gòu)建了地鐵水災(zāi)災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)模型，并采用出入度、子網(wǎng)節(jié)點數(shù)、所含支鏈數(shù)及介數(shù)中心度分析法，對危機事件的演化規(guī)律進行研究，得出復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點結(jié)構(gòu)重要度排序，并對關(guān)鍵節(jié)點提出斷鏈減災(zāi)方案。

(3)本文構(gòu)建的災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)具有無權(quán)屬性，適用于定性分析，對城市軌道交通災(zāi)害網(wǎng)絡(luò)進行定量的有權(quán)綜合評價有待進一步研究深入。