城市轨道交通灾害链演化网络模型及其风险分析——以地铁水灾为例
城市轨道交通灾害链演化网络模型及其风险分析——以地铁水灾为例
李浩然1,2，欧阳作林1,2，姜军3，杨起帆1,2，刘博4，郗艳红4
（1. 石家庄铁道大学石家庄铁道大学 大型结构健康诊断与控制研究所，石家庄 050043；2. 石家庄铁道大学 河北省大型结构健康诊断与控制实验室，石家庄 050043；3. 中交路桥北方工程有限公司，北京 100024；4. 北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044）
摘要：灾害链式演变是重大灾害形成的主要诱因，探明城市轨道交通典型灾害间的链式衍生发展规律对保障地铁运营安全意义重大。基于灾变链式理论和复杂网络理论，对城市轨道交通灾害事件的致灾因子、孕灾环境、承灾体特征及灾情链式传递规律展开研究；并以地铁水灾为例，构建灾害链演化网络模型；而后采用出入度、子网节点数、所含支链数和介数中心度分析法，对该过程进行风险分析。结论为：在城市轨道交通灾害演化系统中，各类灾害连接紧密、链生性强，传递性高；在地铁水灾演化网络中，车站用电设备故障、隧道结构性能劣化和地下承压水上升是风险控制的关键节点。研究成果为构建地铁运营风险预控与断链减灾体系提供理论支持。
关键词：地铁灾害链；复杂网络；最短路径；介数中心度；出入度
中图分类号: X43;X951 文献标识码: A DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.201904020008
Urban Rail Transit Disaster Chain Evolution Network Model and Its Risk Analysis——Taking Subway Flood as an Example
LI Haoran1,2, OU YANG Zuolin1,2,Jiang Jun3, YANG Qifan1,2, Liu Bo3, XI Yanhong3
(1. Structural Health Monitoring and Control Institute,Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China; 2. The Key Laboratory for Health Monitoring and Control of Large Structures, ShijiazhuangTiedao University, Shijiazhuang 050043, China; 3. China Communication NorthRoad & Bridge Co. Ltd., Beijing 100024, China; 4. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)
Abstract:Disaster chain evolution is a main inducement to disasters,and it has a great significance for subway operation safety toresearch the chain-deriveddevelopment law of typical disasters in urban rail transit. Based on the chain-styled theory of disaster and complex network theory, the disaster events of urban rail transit were studied mainly from the hazard factors, the disaster-pregnant environment, the hazard bearing body and the chain-styled transmission law. Taking the metro flood as an example, the network model of disaster chains evolution was established. Then the risk analysis was carried out by the out-indegree, the number of subnet nodes and branches, and the betweenness centrality during the disaster evolution. It is concluded that, thevarious disasters have the characteristics of close connection, strong chainstyle and high transitivity in the disaster evolution system of urban rail transit. In metro flood evolution network, station power equipment, tunnel structure performance and underground confined water are the keys of risk control.The results provide a theoretical support for building the risk pre-controland chain-cutting disaster mitigation system of subway.
Keywords：metro disaster chain; complex network; shortest path; betweenness centrality; out-in degree
1 概述
城市轨道交通具有运量大、占地少、低污染、舒适准时等优点，建造地铁已经成为改善城市交通结构、解决交通拥堵难题的重要手段[1]。尽管地铁具有安全高效的特点，但由于地下空间环境封闭，建筑结构复杂，当某一类灾害发生时，狭小空间内灾害能量逸散困难，加之人群恐慌引发灾情放大，最终将导致其他次生灾害的产生，引发严重的人员伤亡和经济损失。因此，揭示城市轨道交通系统灾变链式发展规律已经成为保障地铁运营安全亟待解决的问题。
国外学者从隧道通风、人员疏散及运能分配等角度对地铁灾变过程展开了相关研究，并取得了一定的进展[2-5]。Flores-Herrera[2]基于流体动力学理论，对地铁隧道通风进行了系统计算，以保证地铁内部换气条件。Jae[3]通过火灾模拟和疏散仿真的方法，评估了地铁火灾中列车遮掩门和通风条件对乘客生命安全的影响。Vito[4]基于小世界概念，提出了从抽象网络到实用系统的方法，依靠对运输效率的精细分析，解决实际运输网络问题。Nikos[5]结合多重参考模型，通过监测地铁人群密度变化，研究地铁内部人群变化并预测拥挤密度。国内学者的研究成果主要集中在地铁系统的脆弱性、事故灾害分析、地铁应急管理和安全评价等方面[6-11]。韩利民、李为为[6-7]等提出了地铁运营安全防范的人、物、制度和社会环境四要素，根据这四要素分析地铁运营安全的防治对策。陈菁菁[8]梳理了城市轨道交通运营中发生的重大事故和灾害，并对各类重大运营事故和灾害进行系统解析。白亚飞[9]从地铁车站的暴露性、易感性和沾应性三方面来对地铁车站的脆弱性进行分析，建立地铁车站脆弱性的评价模型。徐田坤、黄雅坤、肖雪梅[10-12]将城市轨道交通网络化，对运营安全进行了风险评估。薛亮等[13]从系统工程学的角度出发，将事故树分析方法应用到城市轨道交通事故预防体系中。刘玙婷[14]基于区域灾害链形成过程，在对风险要素进行统计和理论分析的基础上构建以承灾体为核心的区域灾害链风险评估模型。
上述成果提升了城市轨道交通安全设计和管理水平。然而，针对地铁灾变链式发展机理研究较少，对致灾因子间的耦合作用关系阐释尚不清晰，而灾害衍变正是重大灾害形成的主要诱因。基于此，本文通过地铁系统脆弱性分析，辨识危险源，分析地铁灾害链的成灾机制，并以地铁水灾为例，构建灾害演化网络模型，辨识致灾演化灾害链中的关键环节，为地铁次生或衍生灾害的防控提供依据。
参考文献：
[1] 徐新玉．城市轨道交通概论[M]．北京：国防工业出版社，2017：1-44．
[2] Flores-HerreraL A，Sandoval-Pineda J M，Silva-Rivera U S，et al．CFD Simulation ofObstructed Ventilation Ports in A Subway Tunnel Section[J]．International Journal of Simulation Modelling，2017，16(3)：386-398．
[3] JaeS R，Hong S R，Won H P，et al．CFD simulation and assessment of life safety in a subwaytrain fire[J]．Tunnelling and Underground Space Technologyincorporating Trenchless Technology Research，2008，24(4)：447-453．
[4] VitoL，Massimo M．Is the Boston subway a small-world network?[J]．Physica A: Statistical Mechanics and its Applications，2002，314(1)：109-113．
[5] ParagiosN，Ramesh V．A MRF-based approach for real-timesubway monitoring[J]．IEEE Computer Society Conference on Computer Vision andPattern Recognition，2001 (1)：1034-1040．
[6] 韩利民，李兴高，杨永平．地铁运营安全及对策研究[J]．中国安全科学学报，2004，14(10)：46-50．
[7] 李为为，唐祯敏.地铁运营事故分析及其对策研究[J].中国安全科学学报，2004，14(6)：105-108．
[8] 陈菁菁．城市轨道交通重大运营事故和灾害分析[J]．城市轨道交通研究，2010，13(5)：41-45．
[9] 白亚飞．大客流条件下地铁车站的脆弱性研究[D]．北京：北京交通大学，2014：22-34．
[10] 徐田坤．城市轨道交通网络运营安全风险评估理论与方法研究[D]．北京：北京交通大学，2012：35-58．
[11] 黄雅坤．城市轨道交通路网运营安全评价方法研究[D]．北京交通大学，2014：15-49．
[12] 肖雪梅. 城市轨道交通网络化运营风险与安全评估[D]．北京交通大学，2014：29-84．
[13] 薛亮，刘小玲．事故树分析法在城市轨道交通事故分析中的应用[J]．交通科技与经济，2011，13(3)：98-101．
[14] 刘玙婷．基于承灾体的区域灾害链风险研究[D]．大连：大连理工大学，2016：32-54．
[15] 史培军．四论灾害系统研究的理论与实践[J]．自然灾害学报，2005，14(6)：1-7．
[16] 王林，张婧婧．复杂网络的中心化[J]．复杂系统与复杂性科学，2006，3(1)：13-20．
（审核：刘家锋 图文编辑：田园）