035、大数据时代城市地下空间智慧防灾系统的创新——以武汉光谷广场地下空间为例

大数据时代城市地下空间智慧防灾系统的创新

——以武汉光谷广场地下空间为例

侯杰

摘要：信息技术的快速发展带来了“大数据”时代的到来，改变了城市的空间组织与结构，并使得城市地下空间的研究面临变革。城市随着地下空间编制工作的逐步深入，地下空间开发利用规模迅速增长，许多城市围绕地铁站点建设了相互连通的大型地下空间设施群，其安全及环境问题越来越被各方面所关注。地下空间具有相对封闭的特点，使得安全保障及应急处理问题变的更为困难复杂。因此，城市地下空间的规划必须构建与之相应的安全评价体系与防灾系统。本文试图从地下空间的综合防灾角度出发，在回顾国内外地下防灾模拟的研究的基础上，对武汉光谷广场的地下空间防灾进行研究，以地理信息系统为方法，分别对系统的数据层、逻辑层、应用层提出不同的策略，探索城市地下空间“智慧防灾系统”的构建。

关键词：大数据时代；智慧防灾；城市地下空间；防灾系统

1引言

1.1 大数据时代对地下空间的影响

“大数据”最早被认为是更新网络搜索索引需要同时进行批量处理或分析的大量数据集，但后期不仅仅表达一个数量概念。大数据具有数据量巨大、类型复杂、价值密度低以及处理速度快4大特点，可划分大数据技术、大数据工程、大数据科学和大数据应用等领域[1]。其中，大数据技术和大数据应用为目前发展的主流。

城市地下空间的利用在不断深化，越来越多的城市开始运用地下的实体空间来进行商业活动、交通流等的形成。而信息技术的进步也在推进着技术、资源等的时空交换，使得居民的生活范围、活动空间在不断扩大，改变了城市地下空间的区域与格局。这样的格局是可以被大量复杂的网络或移动数据的形式表现出来。同时，由于手机网络化的普及、定位移动系统技术的成熟，居民的活动可以通过大数据而反映出来，大数据时代的到来深刻影响着地下空间的应用，这对地下空间的防灾具有深刻意义。

1.2 “智慧城市”的地下空间建构

目前，中国的粗犷式城镇化过程中产生了诸多弊端，土地浪费、资源匮乏、环境污染等问题，逐渐耗尽了城镇进一步提升的空间与潜力[2]。城镇如何能够更加智慧规划、集约发展、

精明增长的呼声高涨，在“大数据”时代的背景下，“智慧城市”也就相应的应运而生了。欧盟委员会在《Smart Cities Ranking of European Medium-sized Cities》中指出，“当一座城市既重视信息通讯技术的重要作用，又重视知识服务、社会基础的应用和质量，既重视自然资源的智能管理，又将参与式管理等融入其中，并将以上要素作为共同推动可持续的经济发展及追求更高品质的市民生活时，这样的城市可以被定义为‘智慧城市’”[18]。在智慧城市的指导下，可以将信息通讯技术与物联网、云计算等平台相结合，动态整合城市信息数据资源，构建一个地下空间防灾的系统。

1.3 地理信息系统的技术支持

地理信息系统在“大数据”时代得到了更加显著的关注，也发挥着更加重要的作用。地理信息系统并不是孤立存在的，它是在计算机的辅助下，以数据库为基础，对这些大量的数据进行批量处理与分析，通过模型的建立、管理体系的完善，并与遥感技术、航测技术等多项技术相融合[8]，从而形成处理速度快、应变能力强的系统。

2 城市地下空间灾害概况与发展态势

2.1 城市地下空间防灾的类型

（资料来源：《中国城市地下空间开发利用研究》中国工程院课题组）

2.1.1 火灾

根据我国1997-1999 年的火灾统计，每年地下建筑火灾发生次数约为高层建筑的3-4倍，火灾中死亡人数约为高层建筑的5-6倍，造成的直接经济损失约为高层建筑的1-3倍。因此，地下建筑的防火比地面建筑显得更为重要。

（资料来源：上海市消防局网站）

2.1.2 水灾

城市地下空间的水灾主要是由短期内的暴雨引起的，造成地铁出入口、小区商业区等地下车库的短期内大量积水，从而带来的人员、财产的损失。例如美国的飓风“桑迪”给华盛顿、巴尔的摩、费城、纽约及波士顿带来巨大灾害，经济损失达数百亿美元。

2.1.3塌陷灾害

地下空间是城市可持续发展的宝贵资源。这里不仅可以建设道路交通、工厂和仓库、地下商场，还可以埋设电力、油气、供水、供暖等多种市政公用管道。然而，如今大规模地开发地下空间，大大增加了地面塌陷发生的概率，它已成为困扰城市居民的一大难题，地震、暴雨等外界因素诱发的塌陷现象也很多。

2.2 城市地下空间防灾的特点

（1）封闭性

地下空间的最大特点是封闭性。首先，在封闭的室内空间中，容易使人失去方向感。其次，在封闭空间中保持正常的空气质量很难。此外，封闭的环境使物质不容易充分燃烧，在发生火灾后可燃物的发烟量很大，对烟的控制和排除都比较困难，对内部人员的疏散和外部人员的进入救灾都是不利的。

（2）垂直性

灾害发生时自下而上的疏散路线，与内部的烟和热气流自然流动的方向一致。而且，这个特点使地面上的积水容易灌入地下空间，难以依靠重力自流排水，容易造成水害，其中机电设备大部分布置在底层，更容易因浸水而损坏，将影响到内部防灾中心的指挥和通信工作。

2.3 国内外地下空间防灾概况

2.3.1 国外地下空间防灾研究

国外的关于地铁灾害形成发生的分析已经比较先进了，主要集中在数值模拟方面。例如Edison Brock[12]对芝加哥地铁隧道火灾进行了模拟分析，建立了列车活塞效应的计算式；美国交通部开发出SES程序用以模拟地铁内各种运行工况下隧道和通风井中的风速、风量、温度和湿度以及车站的空调负荷；Fox[13]等对地铁车站运行过程中的隧道压力分布进行了模拟研究；日本的平野敏右和英国的Woodburn[14]研究了地铁隧道内纵向通风速度、火源的热释

放速率以及湍流模型对烟气回流扩散范围的影响；Chow[15]用场模型对地铁火灾烟气与火灾时通风进行了三维模拟；Abu、Zaid[16]等人对地铁换乘站火灾进行了模拟，给出了不同火灾位置下烟气温度场和速度场的分析；Deng[17]等人对地铁火灾计算机模拟中的网格划分、物理模型的选择等方面进行了研究。

国外已经运用数据库等进行模型分析，对地下空间火灾的通风、排烟，以及对列车运行的轨道、温度、适度等环境，都进行了详尽的模拟分析。

2.3.2 我国地下空间的建设与研究

我国也对地铁灾害进行了模型预测分析。中国安全生产科学研究院建立了1:10的深埋车站实验模型对深埋地铁火灾进行了模拟实验研究；中国科学技术大学建立了小尺寸的地铁火灾实验台，通过基础性实验建立了地铁站火灾时顶棚射流最高温度的预测模型；四川消防研究所利用建立的地铁模拟实验台，研究了轨行区火灾、站厅火灾等场景的火灾特性。2.4 国内外研究对我国的启示

日本和美国在防灾体系方面的建设是较为成熟的，防灾的响应系统建设完善，各层级政府会有相应的部门进行防灾的统一调度，同时针对灾害会有应急行动中心进行反馈，做出应急回应规划减灾规划[4]。对我国来说，防灾规划缺乏相应的法律基础，解决灾害的效率很低，实施主体不明确。因此，笔者试图建立具有核心系统的集中统一的地下空间综合防灾管理系统。

图1. 美国的灾害防就体系图2. 日本的灾害防就体系

3 武汉城市地下空间智慧防灾系统的构建