基于情景的社區應急疏散管理系統框架

□喬立民 李向陽 于 峰 姚 遠

[1.哈爾濱工業大學 哈爾濱 150001; 2.北京市新技術應用研究所 北京 100012 3.南京大學 南京 210093]

引言

目前，應急疏散研究主要采用數學分析法與計算機模擬仿真法，尤其是后者在面對具有偶發性與不確定性的災害時有更好的適應性。常用的疏散仿真軟件有美國橡樹嶺國家實驗室開發的OREMS與德國研究團隊開發的VISSIM等。與美國、德國等發達國家相比，我國在應急疏散策略制定、不同部門間的協同合作、資源的合理利用等方面仍存在一定的差距[1]。在此領域理論研究上，國內外學者主要結合GIS技術與網絡分析模型探討有關疏散路徑的設計[2～3]、疏散次序安排[4]、避難所的選擇[5]等。基于以上理論，實際應用主要體現在應急疏散系統構建方面，有基于時變動態流的網絡優化模型，考慮最短疏散時間建立了基于GIS的大規模應急疏散系統[6]；亦有通過路徑自動生成算法制定滿意的疏散預案，并可在一定范圍內依實際作出調整[7]。

綜上所述，由于災害具有偶發性、突發性、破壞性與復雜性等特點，加之災情信息的不完備，致使災害應對充滿不確定性[8]。一方面，當前的應急疏散理論的研究與實際情況脫節，往往難以滿足應急疏散的需求，且缺乏實踐指導性；另一方面，傳統的“預測-應對”模式來構建應急疏散系統已不適用，需建立“情景-應對”模式的疏散系統框架。因此，本文結合案例推理技術提出基于情景的社區應急疏散管理系統框架（Community Emergency Evacuation Management System,CEEMS）。該系統可依據當地社區情況與居民需求在特定災害情景下及時準確地生成有效疏散方案，從而降低社區居民因對災害的盲目所帶來的損失。

一、社區應急疏散管理

社區應急疏散規劃是指在災害來臨前或者發生后，將城市中處于危險區域即目標社區的人員有計劃有組織地轉移至安全避難所的過程。如火災時需要將危險社區的居民轉移到附近的廣場或者公園里。其主要目標是作出合理規劃，把危險社區的居民通過集中疏散或分流疏散等方式在有效時間內轉移到安全避難所。在特殊情況下，還需要對避難場所與安置點進行管理。但本文只考慮疏散階段，對于避難場所的管理與后期安置不進行討論。在應急準備階段需考慮情景認知、信息備災與資源布局三方面內容。

（一）災害情景認知

應急疏散計劃的制定是嚴格依賴于災害情景的，基于情景的假設、模擬、預測等方法逐漸成為災害風險評估領域的關鍵技術手段，風險分析也已然促使應急疏散管理更具科學性。情景可分為時間情景、空間情景與災害情景。疏散計劃基于具體的災害類別，而其前提又是通過仿真對災害情景演化的預測與推演。因此，在實際情況發生時需依據實時數據進行動態的調整。根據美國國土安全部所制定的《National Planning Scenarios（國家應急規劃情景）》[9]中提及的15類情景中與社區疏散相關的包含10類主要災害情景。因此，需要從災害學與公共安全學方面基于時空角度厘清其發生、發展、演化與消失的全過程。

（二）信息備災布局

信息備災就是為應急疏散所做的信息資源規劃和實際建設，首先應是其布局規劃。這方面研究涉及以下知識管理方面：應急管理的信息需求及表達、針對性的風險評估和風險地圖、相關案例庫、信息準備領域的本體構建等[10]。對目標社區的災害、地理環境與應急能力等需存儲在相應的數據庫中。

（三）應急疏散資源布局

關于應急疏散資源的研究主要規劃問題包括：疏散資源調度、疏散物資合理儲備、路徑選擇和交通調度、路徑恢復等。總體而言，應急疏散資源規劃的核心問題是應急疏散資源的布局問題：合理規劃需疏散社區（包括調整補充）和資源布局。

二、基于情景的CEEMS模塊設計

應急疏散問題是一個多目標規劃問題其研究依賴于情景，災害情景分析可用于設定可能災情，用于探討具體處置措施。情景是對災害在時空維度下災情演變狀態的一種描述與假設，是某時刻災情所有要素的集合。制定有效可行的疏散方案是降低災害損失的重要手段，需及時作出決策指導行動，而考慮情景是保證有效性的基本前提[11]。當描述災害情景時，情景要素可分為若干方面及其構成指標。情景要素均以災害系統理論作為基本范式[12]構建于情景，包含致災因子子系統、疏散對象子系統（承災載體）與抗災因子子系統（見圖1）。

圖1 基于情景的CEEMS體系總體結構

（一）致災因子子系統模塊

致災因子是災害情景的重要因素，由此決定疏散的規模與類型。該模塊需從致災因子的發生、發展等情景演化作出推測來選擇合適的疏散方式。

1．致災因子預警與監測平臺：這一部分所發揮的功能是信息收集與整理，為災害預測與構建推演情景服務，同時增加疏散方案的實用性。并通過原始環境線索、官方平臺、新聞媒體與相關人員向具有致災因子的社區居民發出警報。

2．致災因子情景構建：從災害學與公共安全管理方面，融合收集得到的多源異構情景信息，提取情景要素，經組合以構建實時情景，記錄災害的演化路徑規律，刻畫災害類型、性質、特征，并分析災害發展趨勢，使情景呈鏈式或網絡表達（見圖2）。

圖2 災害情景鏈構建流程

據此，確定災害疏散等級指導疏散方案的設計，權衡不確定性與疏散風險之間的矛盾。

（二）疏散對象子系統模塊

疏散對象是指危險區的承災載體與避難場所即以社區為應急管理目標的所有居民及其相關場所。

1．疏散區域劃定：災害發生時，特別是規模較大的事件，如果城市所有社區同時疏散則會給路網帶來巨大壓力。需要結合城市的社區及其人口分布與交通網規劃將城市分為若干區域，確定應急疏散時各區域的疏散次序與疏散時間。根據致災因子情景，需要初步建立疏散分區，引導居民在一定范圍內合理避難。實現將危險區以管理職責為劃分標準，通過加權Voronoi圖得到各避難場所的責任范圍[13]。

2．人員疏散行為特征匯總：不同地區的居民不僅是群體特征、文化背景與行為習慣有所不同，較之人員應急疏散素質也差距頗大。因此，建立針對特定典型人群特征的數據庫，一方面可輸入到模擬仿真系統中以指導設計出較為準確適用的應急疏散方案，另一方面可融合群體或個體行為的情景要素到承災載體情景中。

3．人口容納數估算：根據社區人口分布特點[14]，估算居民人口規模與分布，方法如下：

其中，d表示該城市的社區人口密度，P表示該城市總居民人數，Sij表示第i個社區的第j個建筑的面積，Qij表示第i個社區的第j個建筑的面積的層數，sij表示第i個危險社區的第j個建筑的面積，qij表示第i個危險社區的第j個建筑的面積的層數。α∈(0,1]表示調解系數，表示疏散時危險社區的人口流動情況，白天α偏小，夜間α接近于1。

4．基于GIS的地理環境情景構建：災害發生時，需要來自不同領域的宏觀數據與微觀數據支持以構建災區地理環境情景。包括來自各類傳感器、攝像頭、GPS衛星的氣象數據、實時路況數據、選擇步行的人數以及社區可用代步工具數量等。該組件可提供圖層式的地理時空數據，決策者可選擇需要的圖層進行瀏覽。通過對受災區地理環境等數據信息的收集、篩選、挖掘、過濾與分析融合，同樣經要素提取、表達與確認，最終生成基于信息更新的動態災區承災載體情景鏈或情景網。

（三）抗災因子子系統模塊

抗災因子主要是指依災情所做出的決策與采取的處置措施中所包含硬件、軟件、技術、方法與執行任務的相關人員。這里主要是指疏散方案及其相關應急平臺資源。該模塊的主要目的是通過本體法或語義網方法自底向上構建災害應對的主體間邏輯框架，實現致災因子、疏散對象與應急投入三部分的情景集成，從而實現推演。

1．疏散策略方案生成決策及評價：這一部分主要是根據前兩個模塊所構建的情景進行仿真實現對情景的推演，基于已有的應急能力投入推演可能的災情狀態[15]，模擬實際參考疏散效果得到相對合適的疏散路徑與疏散方式的方案選擇，預測方法可基于數據或者模型。決策者集成所有的情景要素實時構建事件從初始到當前的發展狀態，并對未來發展趨勢有合理的把握。參照王旭坪等的研究[16]，情景推演可通過模糊規則、復雜網絡、物理-信息-行為等多事件耦合、貝葉斯網絡、系統分析與實時情景匹配等手段，從時空與橫向縱向角度在決策點上考慮情景信息實時更新的特點，推演情景可能的發展序列即預測從當前到未來的情景鏈。以時空數據為依據進行集成融合的情景演化網，可用于探討所得疏散結論的可行性與效應。

結合社區具體特點與疏散目標，決策者需在成本約束或者時間約束的條件下選擇疏散方案，并在災后對疏散實際效果作出評價。特別是，在疏散執行時，需在不斷仿真與修正交通情景的過程中發揮輔助決策調整方案的功能。該方案包括分區的疏散規劃、避難場所的管理方案、疏散資源的指揮調度與疏散路徑時間的確定，向有關部門及居民發布。

2．基于案例的輔助決策支持：規律認知與經驗積累的困難促使案例推理技術及對應輔助決策的案例庫系統成為厘清災害情景演變與應對的重要工 具[17]。這將有助于增加應急決策時的可用知識量，有益于給應急決策者以心理暗示，減少因缺乏經驗和具體方案造成的壓力[18]。特別是具有不確定性、復雜性、隨機性與小樣本等特點的應急管理領域，傳統的統計研究方法難以從眾多的案例中找出普適的規律，歷史案例作為可用的經驗知識為災害應對提供了一套決策途徑。在應急疏散的緊急狀態下可能面對全局信息的缺失，難以刻畫疏散過程表現出的多樣性和不確定性，而導致難以構建完整情景，易使仿真數據出現偏差而造成更大的財產損失。歷史案例便成為有價值的經驗得以借鑒。通過收集各社區的相關災害情景下的歷史案例建立成庫，經檢索得到相似案例可直接重用或進行適配修正輔助生成疏散方案。

3．應急疏散優化模型：從管理的角度，國內外研究都表明科學的疏散計劃與管理都必須依賴于合理的疏散模型，通過數學分析、圖論與人工智能算法[19～20]得到疏散的優化結果。這一部分主要是優化應急疏散路徑與估算最短疏散時間，增強選定方案的效用。

綜上所述，CEEMS的處理流程見圖3。

三、CEEMS總體架構

社區應急疏散管理系統的總體框架包含面向各級應急部門、政府與社區居民及團體的應用平臺、CEEMS主干模塊系統、相關數據庫與硬件平臺等（見圖4）。社區應急疏散應用平臺主要面向應急部門、政府與社區居民的服務。一方面，基于C/S與B/S混合架構的GIS系統提供城市基礎地理信息的全方位內容，包含不同圖層可選擇的社區3D地圖以及相關災害情景數據信息的實時信息；另一方面，從疏散的角度，根據CEEMS所生成的疏散方案及時向三方發布避難場所、疏散路徑與實時信息更新。用戶可通過手機登陸及時查詢疏散與地理信息，以家庭為單位實現疏散導航的效果。特別是，在面對恐怖襲擊類災害時，還需做好系統的安全防護，以免疏散系統失效而造成更大的恐慌與混亂。

圖3 應急疏散系統處理流程圖

圖4 CEEMS總體架構

另一個重要的方面是需要考慮該應急疏散管理系統的可擴展性，因為災害與社區情景復雜多變，在新的情境下該系統是否可通過系統擴展來滿足應急疏散的需求是需要考慮的地方。主要有：（1）對系統性能與安全性的擴展，在面對諸如恐怖襲擊或全城疏散的情景下對系統安全性能需要擴展；（2）對系統的集成特性的擴展，如處理多源異構數據或集成相關子系統；（3）當疏散原型系統設計實現后，應用于不同地區時，不可能每次都搭建全新的系統，需要結合使用者偏好擴展，并在每次事件中不斷擴充。

本文所設計的CEEMS框架以“情景-應對”型為范式集成了應急疏散所用的各類數據、方法、模型與相應的硬件系統。當面對新的情境或情景時，可通過繼承的方式完成疏散系統的基本分析與模擬仿真。如需要更新或改進模型與算法，可以直接修改代碼或通過中間語言如CSS、Javascript、XBL等進行擴展。當然，值得注意的地方是系統的擴展需要有目的性，特別是在應急疏散的狀況下，具有時間效應，如果一味追求精確而盲目擴展則會使系統十分復雜，對于應對突發性災害是沒有任何意義的，況且時間允許的條件下，用于應對發生概率極低的情景也是不需要的。

四、實例分析

本部分假設面向城市社區氯氣泄漏為例說明本文的CEEMS的實例體現。氯氣泄漏主要是因為存儲罐、運輸容器或者輸送管道破裂等原因所導致。一旦泄漏能在短時間內擴散，使得附近幾公里范圍內都受到不同濃度的毒氣污染，嚴重威脅居民的生命安全。在應急準備階段已有的信息備災體系下，建立如圖5所示的簡化的氯氣控制區域劃分。一方面，需要立即派遣醫療團隊進入氯氣高濃度與低濃度區域救援與轉移居民；另一方面，需要立即對氯氣緩沖區域居民制定疏散計劃，調遣資源與指揮居民自行撤離至就近安全區域的避難場所。

圖5 氯氣泄漏區域劃分圖

首先，城市各方應啟動毒氣泄露應急預案立刻成立應急指揮中心，各部門建立起聯動機制。致災因子子系統的運轉流程如圖6所示，獲得有關氯氣泄露的數據如氯氣擴散速率、氯氣濃度、單位時間泄漏量等，可通過高斯煙團模型確定短時間內氯氣泄漏擴散的影響范圍，并依據氣象信息動態監控氯氣的擴散情景。

圖6 氯氣監測子系統工作流程

其次，疏散對象子系統需考慮信息布局模型的分類信息有：第一，基本環境：氯氣災害情景中受影響地區的氣象、地質、地理等自然因素；第二，時間約束：疏散可能時限、相關時間窗等；第三，救助對象：緩沖區居民人口數、年齡分布、居住分布、自有交通工具等；第四，動態監控：路徑流量、路態變化、事故影響等；第五，文化影響：體制支持與約束、人文環境等。具體工作流程見圖7。

圖7 疏散對象子系統工作流程

最后，根據前兩個子系統對氯氣擴散情景的描述，為了避免氯氣影響更多的居民，需要在短時間內生成疏散方案。通過模擬預測與數據分析，針對所構建的氯氣災害情景與地理環境情景進行多階段仿真與情景推演。集成疏散能力如運送裝備、能力組織等得到疏散網絡如路徑布局、可達安全地方位等。具體抗災因子子系統工作流程見圖8所示。

圖8 抗災因子子系統工作流程

五、結論與展望

隨著我國城市規模的日益增大，城區人口的迅速增長，城市社區在發生災害性事件的情況下必將面臨大范圍的人員疏散問題。為此，應設計開發一個集成仿真模型、優化模型、歷史案例的綜合性應急疏散系統，該模型應可實際用于現有交通、人防設施的規劃、制定疏散計劃及災時應急疏散管理預案。盡可能真實地還原疏散情景、預測疏散發展趨勢，對實際疏散的決策指揮有重要的現實意義。使得面向各種災害條件下的疏散策略可為政府及有關部門提供災前或災時疏散應急管理指揮甚至城市規劃決策提供科學依據。

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