城市地下空间安全监管系统研究

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　　摘要：城市空间资源的不足限制了城市建设和发展，城市地下空间的开发与利用在城市建设和发展中发挥着越来越重要的作用，但由于城市地下空间的特殊地理位置和复杂功能，地下空间的管理长期处于被忽略的位置。针对城市地下空间具有隐蔽性、复杂性、易破坏性等特点，运用物联网、大数据等技术，将地下空间面临的风险进行分类，并进行专门性监测和统一管理，建立具有风险隐患提前预警、安全事件及时报警和应急指挥辅助决策的监管系统。

　　关键词：城市地下空间;风险;监管系统;公共安全;网络传输;实时监测

　　中图分类号：TP39文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）01-000-03

　　《数字技术与应用》关注实际应用，紧跟世界数字技术及计算机发展潮流，以帮读者解决应用中的问题为立足点，以报道最新科技发展为杂志的特色，力求实用性、先进性、趣味性相结合，成为广大读者了解数字技术的窗口和解答应用问题的帮手。

　　0 引言

　　随着人口急剧增长，城市规模迅速扩大，城市地上可利用土地资源逐渐紧张。20世纪70年代后期，工业发达国家将地表下由天然形成或人工开发形成的地下空间[1]视为资源，大力发展各类地下建筑工程。纵向看，地下空间是城市地面基础设施的主要载体;横向看，地下空间可提供城市建设的利用空间，地下空间又是城市发展的二次土地资源。地下空间的开发和利用是城市建设的重要组成部分，是改善城市环境、提高城市容量的重要手段，是实施社会经济可持续发展的重要资源。据2016年7月发布的《2016—2022年中国地下空间开发利用产业深度调研及市场前景预测报告》显示，我国可供合理开发的地下空间资源量达3 873.60亿立方米。

　　人类开发利用地下空间具有悠久的历史，城市地下空间的发展经历了一个从自发利用到自觉开发、从被动走向主动的漫长过程[2]。远古时期，远古人类择天然洞穴为居，躲避寒暑风雨和猛兽侵袭。7 000～5 000年前，出现了人工挖掘的居住洞穴和向地表延伸的拥有简单屋顶的半地穴。4 000多年前的窑洞文化是人类定居生活的活化石。

　　我国城市地下空间的开发起初是以战备为主要目的的人防工程，如地道网。北京地铁基于战争疏散和城市交通思想，是中国首次开发和利用城市地下空间。

　　国外城市地下空间的开发利用起步较早的有日本、美国、欧洲等。从1863年建成使用的伦敦地铁到西方城市线性城市、双层城市、垂直城市等理论概念的提出与实践[3]，伴随着人类社会发展的历史过程，地下空间呈现出不同的模式和特征。

　　图1展示了一个将现代化城市空间发展向地表下延伸的多功能 “地下城”。分层布置构筑物，以地下交通设施为主要联系通道，显示出地下空间强大的可叠加性，统一规划，使相对独立的地下空间体现出发展的完整性、优越性。

　　此外，地下空间的发展也是由于地下空间的环境性质与地上空间不同，地下环境恒温恒湿的特性有利于粮食、酒类的长期保存，我国古代将粮仓（如隋代洛阳的含嘉仓）等建在地下。

　　目前城市地下空间发展方向主要包括地下建筑、地下商业、地下管线、地下管廊、地下隧道、地下交通、地下物流、人防工程、应急防灾等基础设施。地下建筑包括居住建筑、公共建筑以及各种公共基础设施[4]、地下仓储设施及容纳市政管线的廊道设备等。地下商业和地下市政设施可相互连接成动态交通网，具有“平战”双重功能的人防工程[5]为城市发展保驾护航。城市地下空间的功能方向见表1所列。

　　同时，城市地下空间大开发面临着诸多挑战，如地下开挖技术[6]、地下空间安全、地下空间利用战略、地下空气污染等，涉及规划、法规、消防、结构、管理[7]、环境、心理等方面，这些挑战导致地下空间利用存在交错混乱、相互影响等隐患。

　　1 城市地下空间面临的安全风险

　　地下空间建筑与城市地面街区功能相同，与地面相比，地下建筑环境具有封闭特性，如果室内湿度较大，不仅会引起闷热不适等生理反应，还将有助于蚊、蝇害虫及霉菌繁殖生长。另外，地下空间应特别注意CO，CO2浓度，放射性物质含量和灰尘、气味等。

　　目前地下空间的迅速发展大多以轨道交通系统（地铁、轻轨）、地下商场（商店、停车场）和相互连通区域（地铁不同线路的换乘点）等多个复杂对象为综合体，不具有单一环境，所涉及的危险风险源种类杂、数量多[8]，风险因子在封闭的地下空间内互相作用、共同影响，易导致灾害链的形成，耦合事故联动可能性大。同时由于城市地下空间人员聚集，一旦发生事故，人员拥挤、疏散困难、施救难度大，人员伤亡风险高。

　　城市地下空间的安全事故不仅危及地下空间和地下、地面消费者，还会危及与地下空间相连的区域，甚至波及更大范围，对周边居民、行人的生命和财产安全形成威胁[9]，安全事故将直接损害城市的公共安全。

　　地下空间存在的风险事故包括火灾、水灾、施工事故、爆炸事故、坍塌事故、内容物泄露、地下空间交通事故等，还有可能发生人为破坏行为如恐怖袭击等犯罪行为，表2展示了城市地下空间的风险事件。爆炸、火灾、有害气体污染容易相互转变，引发衍生事故。泄露事故易造成火灾、爆炸和空气污染，爆炸事故引起火灾和破坏结构并造成粉尘颗粒污染，火灾引起爆炸并造成空气污染，地震往往伴生有火灾和洪灾，一旦水灾破坏了地下设备便将影响交通和通信等方面，而施工事故会引起火灾和爆炸[10]。

　　城市地下空间火灾原因主要包括设备及电路路障、人为因素（管理失误及破坏等）和自然因素（雷击）。一旦地下空间发生火灾，尤其是人员密集的场所，将会出现人员疏散难度大和应急救援困难等状况，且伴随有断水断电或踩踏事故。

　　地下空间水灾事故的主要原因是暴雨积水、洪涝灾害等。全球变暖使海水温度升高，水循环加快导致降雨量增多[11]，大暴雨等极端降水频率加大。大量降雨使得地下建筑物周围的地下水位上升，引起地下空間“超标”潮湿;严重时甚至会破坏建筑结构，影响地下空间和承载的地面建筑物的安全。

　　近年来我国城市洪涝灾害频发，具有形成范围广及发生频率高等特点[12]。洪涝一旦发生，水由地下建筑物的入口迅速到达地势偏低的多层地下空间，甚至相连通的地下空间[13]，将直接造成地下设备和储存物资的损坏甚至人员伤亡。

　　地下空间结构受周围不利地质条件的影响，如地下水渗漏、地震以及其他不良地质作用等，都会引起沉降、崩塌等事故[14]。另外，近年来大规模的城市地下空间开发导致原有地层应力的集中与重分布，对地面原有建筑物的安全及围岩的稳定性造成威胁[15]，由此引起的地面沉降问题也逐渐显现。

　　2 城市地下空间监管系统介绍

　　地下空间安全监管的目的是预防事故发生，或事故发生后最大程度阻止事态扩大，减少损失。地下空间安全监管系统包括地下空间风险监测系统、网络传输系统、地下空间安全监管应用系统三部分。

　　2.1 地下空间风险监测系统

　　地下空间风险监测系统针对地下空间面临的风险，构建“天空地”立体化监测网。针对每一类风险，监测的类型包括多个方面，实现隐患及时发现、事件实时报警和科学分析的数据支持，具体内容如图2所示。

　　2.2 网络传输系统

　　网络传输系统包括前端监测数据的传输以及地下空间监管系统与各管理单位之间的网络。如图3所示，可以通过无线由地下空间现场向监管中心的网络传输数据，如3G/4G，GPRS，NB等，也可以通过专线方式进行传输。地下空间监管中心通过专线与各地下空间使用管理单位进行信息传输。

　　2.3 地下空间安全监管应用系统

　　地下空间安全监管应用系统包括地下空间基础数据管理、地下空间运行状态实时监测、地下空间运行风险报警分析和地下空间安全事件综合处置。

　　（1）地下空间基础数据管理子系统是将地下空间从规划到建设和运行的全周期数据进行管理，并对数据进行及时更新和维护，保证数据的时效性，具体包括地下空间的类型、基础地理信息、日常维护维修信息等。

　　（2）地下空间运行状态实时监测是在地下空间基础数据之上显示传感器数据，实时展示地下空间的运行状态。

　　（3）地下空间运行风险报警分析是根据对每类监测传感器设置的阈值，当监测数据超过阈值后对地下空间的运行异常和发生的危险源进行报警。

　　（4）地下空间安全事件综合处置是当地下空间出现安全问题后，通过综合分析，提出地下空间安全问题处置的建议及应急处置方案。

　　3 结语

　　在以往我国的城市管理中，存在“重地上、轻地下”的现象，在城市地下空间发展迅速、地下空间各类风险事故频发的背景下，城市管理必须更多地向地下转移，因此，期待各城市管理单位设置地下空间管理部门，对城市地下空间进行综合管理，解决多头管理和管理缺位的问题。地下空间管理部门的具体工作职责包括地下空间统筹规划和地下空间的日常管理。前者指地下空间建设需提前进行申请，然后地下空间管理部门根据地下空间的利用安全性、经济性等原则对申请进行评估，统筹规划全市地下空间建设，既可避免工程扰动对已有地下建筑物的影响，也可避免空间资源浪费、整体空间功能布局不合理、空间利用效率低下等问题，强化地下空间开发对城市发展的积极促进作用。后者指负责地下空间日常的安全管理、环境管理等工作。对城市地下空间安全进行全方位识别、合理估测评价，建立有效的风险预警管理机制以预防风险事故发生，制定切实可行的应急预案以降低风险事故的危害，从而达到安全利用地下空间的目的。

　　将“智慧”“信息化”等先进的技术手段应用于地下空间监管，做好地下空间基础信息的采集与处理，依托地下空间智慧化平台为城市地下空间的规划、建设、管理等提供智慧决策。对地下空间范围内的建筑、结构、供热、通风、空调、给排水和电力照明等实现可视化表达及展示，实现感知-传递-智能控制功能，为事故现场的应急指挥与决策以及事故发生后的抢险与迁移等提供信息与辅助支持，提升地下空间安全防控水平，为地下空间规划、建设和管理提供强有力的决策依据。

　　参考文献

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　　[2]郑怀德.基于城市视角的地下城市综合体设计研究[D].广州：华南理工大学，2012.

　　[3]袁红，沈中伟.地下空间功能演变及设计理论发展过程研究[J].建筑学报，2016（12）：77-82.

　　[4]徐辉，李晓昭，车晶.不同阶段地下空间开发的功能配比研究[J].地下空间与工程学报，2016，12（3）：573-580.

　　[5]王波.城市地下空间开发利用问题的探索与实践[D].北京：中国地质大学，2013.

　　[6]朱大明.“地下空间学”学科体系引论[J].地下空间与工程学报， 2011，7（4）：619-627.

　　[7]陈晓强，钱七虎.我國城市地下空间综合管理的探讨[J].地下空间与工程学报， 2010，6（4）：666-671.

　　[8]贺俊杰，杨君涛，王曦，等.城市轨交联通型地下空间火灾风险评估研究[J].消防技术与产品信息，2018，31（10）：5-9.

　　[9]赵丽琴.基于外部性理论的城市地下空间安全管理问题研究[D].北京：中国矿业大学，2011.

　　[10]李英民，王贵珍，刘立平.城市地下空间多灾种安全综合评价[J].河海大学学报（自然科学版），2011，39（3）：285-289.

　　[11]浦伟庆.城市地下空间防洪与对策研究[J].水运工程，2008（10）：223-228.