科技保障地铁运营安全

宁丙文

《南京地铁一号线运营风险控制关键技术研究》项目对地铁火灾风险控制、人员安全疏散等方面进行了深入研究,探索了地铁运营风险与控制的基本原理和规律,研发了拥有自主知识产权的成套测试设备、形成了相应的国家标准和行业规范、探索了可推广的方法和关键技术,并在国内20个城市约90条地铁线路的设计、施工和运营中得到应用。

为了减少与控制地铁运营期间的安全事故,降低运营期间的风险水平,中国在地铁运营安全方面进行了大量探索,其中中国安全生产科学研究院地铁工程研究团队与南京市地下铁道工程建设指挥部等单位共同开展了《南京地铁一号线运营风险控制关键技术研究》,在地铁运营风险控制的相关方法、原理和关键技术方面取得了突破性进展。

为了对该研究项目的研究背景、创新之处、应用价值与前景等方面有一个更加深入的了解,本刊记者采访了该项目的主要完成人、中国安全生产科学研究院钟茂华博士。

地铁安全形势严峻

在国外地铁运营过程中,各种类型的事故都发生过。如2003年2月,韩国大邱地铁发生特大火灾事故,造成198人死亡。此外,城市地铁网络化运营格局的形成必将带来超大规模客流的冲击。如2008年北京奥运会闭幕式散场之后,地铁奥运支线70分钟内运送的乘客就达3.2万人。地铁运营安全的风险因素在增加,安全形势日益严峻。突发大客流和火灾事故是世界各国地铁安全运营所面临的重大挑战。

尽管我国已将地铁工程等交通运输安全与应急保障列为《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》的重点领域及优先主题。但是,我国在地铁运营安全风险控制方面,缺乏系统性研究,也未形成完整的地铁重大风险综合监管和控制体系。

火灾风险控制的研究

地铁运营风险控制关键技术研究的特点是大部分以现场实验、检查和测试为基础,研究团队的每一个人都要进现场开展工作。只有做实验才能很好地验证地铁系统的实际效果,计算机模拟只是一个辅助的手段。做完大量的实验之后,研究团队心里就有底了。钟茂华博士在谈到研究特点时如是说。

如果在地铁车站和隧道里着火怎么办?人员能不能及时地逃出来?这就要看各种设备系统的可靠性了。所以要在不同的位置,对通风排烟等各种设备系统进行效果检验。该项目的研究团队先后对地铁中不同火灾场景下的烟气扩散与控制进行数值模拟、模型实验和全尺寸实体实验,分析火灾后可能存在的安全问题,并提出相应的对策和措施。他们已在不同类型的地铁车站里进行了大量的全尺寸火灾实验研究,在站厅层、站台层、隧道、出入口通道等位置布满各种测量设备。通过测试观察多长时间消防系统能够启动,且与其他系统是否实现联动,并记录各项数据。此外,检验6分钟之内人员能否疏散到安全的地方,对烟流的控制是否达到了相应的要求等,也是实验所要考虑的因素。在取得现场数据后,他们再验证和完善火灾烟气蔓延与控制的计算模拟方法。此外,利用火灾数值模拟和实验的方法,该研究团队提出了区间隧道通风系统和车站隧道通风系统的排烟送风优化设计方案。

地铁典型材料的火灾燃烧特性也是他们的研究内容之一。他们选择地铁内典型的可燃物材料,进行释热速率、发烟量、毒性等燃烧特性的实验。经过测试研究,他们发现电缆火灾的稳定燃烧段与液体池火灾类似,热释放速率与有效平铺面积有关,电缆燃烧所产生的一氧化碳和二氧化碳的量远大于木材火灾。这样,他们就可以获得地铁火灾模拟所需要输入的基本数据。

总的来说,研究团队针对地铁火灾烟气蔓延与控制研究的框架是,对地铁典型材料进行实验测试,实现对其火灾燃烧特征量的测量;通过全尺寸现场火灾实验,观测实验现象和规律;输入实验数据,通过烟气运动模型、气流组织模型、区域及场模型对烟流和控制规律进行计算模拟分析。这样,就可以得出地铁车站及隧道火灾烟气蔓延与通风排烟控制的规律。

人员安全疏散的研究

2008年3月4日上午8点30分左右,北京东单地铁站发生踩踏事故,至少造成11名乘客受伤。

如何保证地铁人员安全疏散和大客流疏运,该研究团队通过地铁乘客安全行为问卷调查、地铁人员疏散策略与计算模型、地铁疏散和大客流疏运过程的计算模拟这3种方法,研究了地铁车站的人员疏散策略、人员安全疏散时间、人员疏散和大客流疏运过程的数值模拟技术,对地铁车站的应急疏散及疏运过程进行仿真,最终分析了人员安全疏散时间、人员疏散个体特征和群体特征、大客流疏运过程的拥挤踩踏高风险点,为地铁风险管理和客流安全分析研究提供第一手数据支撑。他们在调查中发现了一些问题,如50%左右的乘客不了解报警装置的具体位置,站务人员对地铁可能发生的事故类型及应急处置也了解得不全面。

该研究团队在基础实验数据的采集和计算模型研究方面做了大量的工作。比如,发生了突发事件,乘客的反应时间(预动作时间)是多少?乘客至楼扶梯的时间是多少?乘客通过楼扶梯的时间是多少?乘客在楼扶梯上滞留的时间是多少?此外,还要分析通道非均匀性偏差时间。这是因为通道在疏散时容易产生人员不均匀聚集,从而导致疏散时间的增加。这样,将所有的时间相加,就可以推算出人员撤离站台所需的总时间。

在前期准备工作完成后,该研究团队就开始对车站人员的疏散和大客流疏运过程进行数值模拟,分析人员是否能够在规定时间内进行安全疏散,现有的通道设备及出口设置是否达到大客流安全疏运的要求,并提出相应的对策与措施。

创新之处

该研究团队开展的《南京地铁一号线运营风险控制关键技术研究》的成果都是多年持续性深入研究摸索出来的,在一定程度上弥补我国在这一方面的空白。该研究项目有以下几个创新点。

一是提出了城市轨道交通安全现状评价指标体系和评判标准;

二是对地铁内典型材料的火灾燃烧特性进行了实验研究,并提出了适用于地铁火灾数值模拟相关的技术、方法和计算模型;

三是对不同火灾场景下的火灾增长、烟气扩散、烟气控制进行了数值模拟,研究了烟气蔓延与通风排烟控制规律,提出了气流组织形式、排烟系统运行模式、火灾时屏蔽门开关方式、楼扶梯开口临界向下空气流速等结论,并给出了区间隧道通风系统和车站隧道通风系统的排烟送风优化设计方案;

四是提出了人员撤离站台时间序列的理论计算方法,同时提出了地铁人员安全疏散准则、人员疏散时间指标和人员疏散策略;

五是国内率先采用基于个体的人员行为动力学方法对地铁车站的大客流疏运过程进行模拟仿真研究,提出了重要风险点和应对突发大客流的控制措施。

总之,该研究团队所开展的地铁运营风险控制关键技术研究项目取得的研究成果,较大程度的推动了我国在地铁运营风险控制方面的研究和实践水平。

应用前景

该项目形成了一整套适用于地铁运营风险控制相关的技术、方法体系和计算模型,可广泛应用于国内外地铁运营风险管理、安全现状评价、地铁火灾通风排烟及新型系统设计、地铁人员疏散通道设计和安全疏散分析、地铁大客流疏运安全与动力学模拟、地铁应急预案编制等。

该项目的研究成果除具有良好社会效益外,还可产生巨大的经济效益。该研究项目关于地铁运营危险有害因素、各系统安全、事故风险水平、典型事故灾害后果的综合评估及提出的风险控制措施,特别是对于与人身安全密切相关的重大风险源,如火灾风险、人员疏散风险、大客流疏运的控制措施,及地铁应急预案的编制,应用于地铁运营安全管理中,可以有效应对各种突发事故,降低事故影响,减少人身伤亡和财产损失,降低了地铁运营成本。目前,该研究成果已在北京、广州、深圳、成都等20个城市的约90条地铁线路的设计、施工和运营中得到应用。

该项目的相关理论和研究成果将对城市轨道交通的安全运营和事故预防提供参考和依据,并会有效地降低地铁运营单位的运营成本,改善地铁运营的安全水平。

编辑宁 远