劉敬嚴(yán)，鄭文文，陳 佳，趙莉琴

(1.防災(zāi)科技學(xué)院土木工程學(xué)院，河北 三河 065201；2. 河北省工程結(jié)構(gòu)多災(zāi)害韌性與應(yīng)急處置技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 三河 065201；3.石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050043)

受強降雨及連續(xù)性降雨影響，積水不能及時排出而造成損失，形成暴雨內(nèi)澇災(zāi)害[1]。在快速城市化發(fā)展、極端天氣頻發(fā)的今天，洪澇災(zāi)害影響大、損失重。地鐵車站易發(fā)生內(nèi)澇災(zāi)害，且疏散困難、救援難度大，易造成財產(chǎn)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(nèi)澇應(yīng)急能力評價工作，提升地鐵車站暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力的重要性。

地鐵暴雨內(nèi)澇的研究主要聚焦在地鐵車站暴雨內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險和脆弱性。楊可等[2]構(gòu)建了暴雨條件下地鐵系統(tǒng)脆弱性指標(biāo)體系，并運用實驗室綜合決策法和對抗哈斯圖技術(shù)方法進(jìn)行指標(biāo)重要性排序。王莉等[3]進(jìn)行了暴雨致災(zāi)的地鐵水災(zāi)事件情景貝葉斯網(wǎng)絡(luò)情景演化分析。陳佳等[4]基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)理論構(gòu)建地鐵車站暴雨內(nèi)澇脆弱性評價指標(biāo)，利用IOWA算子和向量夾角余弦(VAC)進(jìn)行地鐵車站暴雨內(nèi)澇脆弱性評價。趙露薇等[5-6]構(gòu)建了暴雨干擾下地鐵系統(tǒng)脆弱性指標(biāo)體系，并在FCM框架內(nèi)模擬地鐵系統(tǒng)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(nèi)澇脆弱性。李輝山等[9]從自然因素、周邊環(huán)境和防汛能力3個維度分析災(zāi)害原因，構(gòu)建DNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行地鐵洪澇災(zāi)害預(yù)測。閆緒嫻[10]構(gòu)建地鐵洪澇災(zāi)害事故樹。WU[11]基于語言直覺模糊集和TOPSIS進(jìn)行地鐵站工程內(nèi)澇災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案決策研究。YU等[12]采用組合賦權(quán)法，構(gòu)建地鐵車站內(nèi)澇風(fēng)險的AHP模糊綜合評價模型。LYU等[13]使用區(qū)間FAHP-FCA方法評估地鐵系統(tǒng)洪水風(fēng)險。

這些研究均是從傳統(tǒng)災(zāi)害風(fēng)險視角來進(jìn)行分析的，只討論了地鐵車站暴雨內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險和脆弱性，未涉及應(yīng)急能力。

地鐵應(yīng)急能力的研究方面，李會寧[14]依據(jù)事故致因理論，構(gòu)建了地鐵應(yīng)急疏散能力評價指標(biāo)，并采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行評價分析。林立等[15]基于可拓學(xué)理論，構(gòu)建了包括災(zāi)前監(jiān)測、災(zāi)中應(yīng)對、災(zāi)后恢復(fù)及政府應(yīng)急支持能力的地鐵應(yīng)急能力評價指標(biāo)體系，采用層次分析法確定權(quán)重的物元模型，評價地鐵突發(fā)事件應(yīng)急能力。高宇航[16]以扎根理論總結(jié)地鐵站應(yīng)急疏散影響因素，構(gòu)建了管理因素、應(yīng)急響應(yīng)、建筑因素、人員因素的評價指標(biāo)體系，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法評價地鐵站應(yīng)急疏散能力。袁孝偉[17]從人、物、環(huán)境和管理四方面分析地鐵系統(tǒng)的風(fēng)險因素，構(gòu)建了城市地鐵應(yīng)急能力評價指標(biāo)體系，運用模糊綜合評價法對廣州地鐵應(yīng)急能力進(jìn)行評價。

這些研究均只是從整體上探討地鐵突發(fā)事件的應(yīng)急能力，對于暴雨內(nèi)澇這種具體災(zāi)害情況分析不夠詳細(xì)。

地鐵車站系統(tǒng)處于“三度空間”中，可在物理、社會和信息空間找到其相應(yīng)的“投影”。方東平等[18-19]在考察城市災(zāi)害韌性時提出從物理、社會、信息三度空間下進(jìn)行“系統(tǒng)的系統(tǒng)”的思考，并在構(gòu)建社區(qū)地震安全韌性評估系統(tǒng)時基于“三度空間”理論框架，梳理影響因素。隨后，學(xué)者結(jié)合三度空間理念，從“物理-社會-信息”視角，先后構(gòu)建了城市韌性評價體系[20]、暴雨內(nèi)澇下交通系統(tǒng)安全韌性網(wǎng)絡(luò)分層模型[21]、社區(qū)韌性關(guān)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(xué)問題展望中指出人類世界正從原來的二元空間進(jìn)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(tài)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(nèi)澇應(yīng)急能力的主要因素，結(jié)合應(yīng)急能力動態(tài)演進(jìn)的過程屬性來構(gòu)建指標(biāo)體系。地鐵車站暴雨內(nèi)澇應(yīng)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(zhǔn)確地量化。故采用云模型方法，基于云數(shù)字特征和云圖進(jìn)行應(yīng)急能力分析。云模型能夠?qū)⒛：院碗S機性相互映射在定性語言和定量數(shù)值轉(zhuǎn)換中[26]，已成功運用在地鐵運營安全評價[27]、項目安全風(fēng)險評價[28]、危險性預(yù)測[29]、災(zāi)害風(fēng)險預(yù)警[30]、城市應(yīng)急管理能力評估[31]等領(lǐng)域。

1 地鐵車站暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力三度空間模型

1.1 地鐵車站暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力

地鐵車站暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力是為了應(yīng)對暴雨及連續(xù)性大降雨的發(fā)生，可能造成的內(nèi)澇災(zāi)害，盡量減少人員傷亡、降低經(jīng)濟(jì)損失、縮小后果影響范圍以及盡快恢復(fù)正常運營狀態(tài)的能力。地鐵車站暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力與地鐵車站的自然要素與社會要素、硬件設(shè)施與軟件環(huán)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(guān)。

地鐵車站暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力評價是在對地鐵暴雨內(nèi)澇災(zāi)害事故特點及應(yīng)急能力構(gòu)成深入研究的基礎(chǔ)上，運用科學(xué)、合理的評價方法，對地鐵車站暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力進(jìn)行定量化的分析，并將評價結(jié)果作為反饋信息，以改善地鐵的應(yīng)急管理狀況，提高暴雨內(nèi)澇應(yīng)對綜合能力。

張忠義等[32]在分析武漢洪澇災(zāi)害時提出從預(yù)防、準(zhǔn)備、響應(yīng)、恢復(fù)方面提升城市應(yīng)急軟能力。本研究將地鐵車站暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力分為預(yù)防能力、準(zhǔn)備能力、響應(yīng)能力和恢復(fù)能力。

預(yù)防能力指地鐵車站在預(yù)防城市暴雨積水內(nèi)澇災(zāi)害過程中所體現(xiàn)出來的能力。利用科學(xué)技術(shù)手段和管理措施來預(yù)防災(zāi)害事故的發(fā)生。從出入口地勢情況、出入口臺階高度、出入口建設(shè)類型、防汛應(yīng)急預(yù)案、防汛應(yīng)急制度、氣象信息預(yù)警分析等方面入手，預(yù)防暴雨積水內(nèi)澇災(zāi)害發(fā)生。

準(zhǔn)備能力是地鐵站在暴雨來臨之前及時接收當(dāng)?shù)貧庀?、水文部門和防汛辦關(guān)于天氣、雨情的預(yù)報，并及時向各單位各部門傳達(dá)發(fā)布預(yù)警信息，做好相應(yīng)準(zhǔn)備工作。包括車站擋水系統(tǒng)、車站排水系統(tǒng)、雨水監(jiān)測報警系統(tǒng)、防汛應(yīng)急演練、防汛應(yīng)急物資、應(yīng)急救援隊伍、廣播宣傳系統(tǒng)等準(zhǔn)備工作。

響應(yīng)能力是暴雨來臨時，啟動執(zhí)行應(yīng)急預(yù)案、汛情信息分析與發(fā)布、綜合指揮調(diào)度、利用應(yīng)急排水設(shè)備、應(yīng)急通訊設(shè)備、應(yīng)急供電設(shè)備等進(jìn)行人員疏散和搶險救災(zāi)的能力。

恢復(fù)能力是恢復(fù)運營條件、恢復(fù)運營秩序、災(zāi)后預(yù)案完善、應(yīng)急醫(yī)療救助和輿論引導(dǎo)的能力。

1.2 地鐵車站暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力三度空間

地鐵車站是超大規(guī)模地下建筑群、大型交通運輸系統(tǒng)和人員動態(tài)密集場所。應(yīng)急工作需要由可持續(xù)的物質(zhì)系統(tǒng)和社會群體結(jié)合形成，并通過社會群體發(fā)揮作用。災(zāi)害應(yīng)急涉及建筑工程系統(tǒng)，也涉及經(jīng)濟(jì)、社會、信息等系統(tǒng)。有必要從實體、信息、社會三度空間出發(fā)構(gòu)建評價體系。物理空間是對社會空間與信息空間的物質(zhì)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(tǒng)框架考慮各個子系統(tǒng)存在的空間，能綜合全面地分析系統(tǒng)問題。

圖1 地鐵車站暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力三度空間模型

物理空間是地鐵車站暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力的物質(zhì)基礎(chǔ)，主要是地鐵車站建筑和相關(guān)設(shè)施設(shè)備。社會空間是地鐵車站暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力的行動規(guī)范，主要是應(yīng)急人員和應(yīng)急管理制度。社會空間可以規(guī)范多元主體的行動，提高地鐵車站系統(tǒng)對災(zāi)害或風(fēng)險的恢復(fù)力和適應(yīng)力。信息空間是地鐵車站暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力的聯(lián)動保障，主要是信息技術(shù)應(yīng)用，保障雨水監(jiān)測報警系統(tǒng)、廣播通信系統(tǒng)等防汛系統(tǒng)聯(lián)動。

從應(yīng)急能力的預(yù)防能力、準(zhǔn)備能力、響應(yīng)能力、恢復(fù)能力內(nèi)涵出發(fā)，地鐵車站在應(yīng)對暴雨內(nèi)澇災(zāi)害時，首先是預(yù)防能力。預(yù)防能力主要是日常的規(guī)劃，取決于地鐵車站建筑及防汛設(shè)施等物理空間的抗汛水平，防汛應(yīng)急制度及防汛預(yù)案等社會空間，以及信息空間的汛情預(yù)警能力。準(zhǔn)備能力主要體現(xiàn)在暴雨來臨前做的應(yīng)對準(zhǔn)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(yīng)急人員等社會空間。響應(yīng)能力主要是應(yīng)急排水設(shè)備、應(yīng)急通信設(shè)備、應(yīng)急供電設(shè)備等物理空間和社會空間的應(yīng)急預(yù)案啟動執(zhí)行和指揮調(diào)度能力及信息空間的汛情信息分析與發(fā)布。恢復(fù)能力主要是物理空間方面的機車車輛、電梯系統(tǒng)、自動檢票機、屏蔽門安全門等的運營條件恢復(fù)和社會空間方面的運營秩序恢復(fù)及信息空間的輿論引導(dǎo)。

1.3 地鐵車站暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力指標(biāo)體系

本文對國內(nèi)外暴雨內(nèi)澇背景下地鐵災(zāi)害風(fēng)險、脆弱性以及韌性評價指標(biāo)體系的文獻(xiàn)以及城市暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力評價指標(biāo)體系的文獻(xiàn)進(jìn)行梳理。依據(jù)地鐵車站暴雨內(nèi)澇應(yīng)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(yù)防能力、準(zhǔn)備能力、響應(yīng)能力、恢復(fù)能力的應(yīng)急能力指標(biāo)(表1)。

表1 暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力評價指標(biāo)體系

2 地鐵車站暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力評價方法

2.1 云發(fā)生器

云模型是用云數(shù)字特征來反映定性概念的定量特征。三個云數(shù)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(shù)域空間的點的映射。期望Ex(Expected Value)是中心值或標(biāo)準(zhǔn)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(fā)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(shù)字特征(Ex，En，He)。

云圖的生成，通過正向云發(fā)生器生成云滴而得到，具體算法如下。

疏曠高遠(yuǎn)、曲折無窮的空間意識是王維山水詩的主要構(gòu)圖，此外，王維的詩中亦有如“返景入深林，復(fù)照青苔上”所表現(xiàn)的一個由光與影構(gòu)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(fù)進(jìn)行步驟(1)到(4)，生成所需云滴數(shù)。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)云圖

雙邊約束[ZminZmax]的標(biāo)準(zhǔn)云的數(shù)字特征公式為：

(6)

(7)

(8)

式中：c為常數(shù)，根據(jù)評語本身的模糊程度進(jìn)行具體調(diào)整。

地鐵車站暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力云模型的分值區(qū)間、等級描述以及標(biāo)準(zhǔn)云數(shù)字特征見表2。

表2 暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力標(biāo)準(zhǔn)云數(shù)字特征

利用正向云發(fā)生器matlab編程構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)評價云生成標(biāo)準(zhǔn)云圖，作為應(yīng)急能力評價的基準(zhǔn)參照圖(圖2)。

圖2 暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力標(biāo)準(zhǔn)云圖

2.3 評價云圖

用matlab編程模擬逆向云發(fā)生器求指標(biāo)評價云的數(shù)字特征(Ex，En，He)；加權(quán)匯總，得到評價云結(jié)果。

(9)

式中：(w1，w2，…，wn)為采用熵權(quán)法確定的權(quán)重wj。

利用matlab編程模擬正向云發(fā)生器生成云滴形成云圖，對比評價云圖與標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(qū)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(xù)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(xiàn)積水發(fā)生了地鐵站倒灌現(xiàn)象。共調(diào)集4站10車45名消防指戰(zhàn)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(xù)排水3 h。反思“7·18”地鐵站出現(xiàn)雨水倒灌問題教訓(xùn)，地鐵公司加強了暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力建設(shè)。

物理空間方面，站外廣場進(jìn)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(zhǔn)備了設(shè)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(shè)施進(jìn)行改造，增強瞬時排水能力。社會空間方面，加強了預(yù)防、演練、搶險等一系列工作措施。修訂完善防汛應(yīng)急預(yù)案，對出現(xiàn)積水情況，對于車輛限流、導(dǎo)行和道路臨時封閉，都做了預(yù)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(yīng)急管理部門的6位專家打分評議得到各指標(biāo)分值。利用云逆向發(fā)生器matlab編程計算求出指標(biāo)層的云數(shù)字特征，采用熵權(quán)法確定權(quán)重(表3)。

表3 暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力評價云數(shù)字特征

通過計算得知，目標(biāo)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(fā)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(biāo)準(zhǔn)云圖做對比，發(fā)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)云的貼近度分別為0.023，0.077，0.084，0.031?？芍u價云與Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)云(較強)貼近度最大，因此判定為應(yīng)急能力較強。

圖4 暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力評價云圖

運用障礙度模型探索地鐵車站暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力的障礙因素。將數(shù)據(jù)輸入SPSSAU障礙度模塊進(jìn)行計算。結(jié)果發(fā)現(xiàn)主要障礙因素是應(yīng)急預(yù)案啟動執(zhí)行、出入口臺階高度、應(yīng)急供電設(shè)備、汛情信息發(fā)布、應(yīng)急醫(yī)療能力、輿論引導(dǎo)、指揮調(diào)度能力和雨水監(jiān)測報警系統(tǒng)。

雖然采取的措施一定程度上提升了暴雨內(nèi)澇應(yīng)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(jìn)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(jié)合案例分析，提出地鐵車站暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力提升建議。

1)物理空間方面。推進(jìn)海綿城市建設(shè) ，提升城市抗?jié)稠g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(nèi)澇風(fēng)險。

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

3)信息空間方面，綜合運用現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行危害分析與風(fēng)險評估、形成智能輔助方案、進(jìn)行應(yīng)急決策與指揮。

4 結(jié)論

依據(jù)三度空間理論分析地鐵車站暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力，結(jié)合災(zāi)害應(yīng)急的預(yù)防能力、準(zhǔn)備能力、響應(yīng)能力、恢復(fù)能力過程屬性，構(gòu)建地鐵車站暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力分析框架。引入熵權(quán)云模型進(jìn)行地鐵車站暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力評價分析。

1)地鐵車站暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力需要從預(yù)防能力、準(zhǔn)備能力、響應(yīng)能力、恢復(fù)能力的全過程展開分析。

2)地鐵車站暴雨內(nèi)澇應(yīng)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(nèi)澇應(yīng)急能力評價熵權(quán)云模型，用云發(fā)生器算法求云數(shù)字特征，生成云滴及云圖，并與標(biāo)準(zhǔn)云圖對比結(jié)合貼近度來判定應(yīng)急能力。

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

5)指標(biāo)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(yīng)急能力的預(yù)防能力、準(zhǔn)備能力、響應(yīng)能力、恢復(fù)能力過程，但由于地鐵車站暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力影響因素較為復(fù)雜，后續(xù)可以進(jìn)一步細(xì)化指標(biāo)體系，并深入分析各指標(biāo)間的數(shù)量關(guān)系。

6)本文采用了熵權(quán)云模型對地鐵車站暴雨內(nèi)澇應(yīng)急能力進(jìn)行評價分析，后續(xù)研究可以運用更多評價方法進(jìn)行實證分析。