城市應急疏散GIS關鍵模型研究

溫伯威，王超峰，2，劉瑞雪，管大鵬

(1.信息工程大學地理空間信息學院，河南鄭州 450052；2.73603部隊，江蘇南京 210049；3.78155部隊，四川成都 610036；4.96126部隊，遼寧沈陽 110033)

城市應急疏散GIS關鍵模型研究

溫伯威1，王超峰1，2，劉瑞雪3，管大鵬4

(1.信息工程大學地理空間信息學院，河南鄭州 450052；2.73603部隊，江蘇南京 210049；3.78155部隊，四川成都 610036；4.96126部隊，遼寧沈陽 110033)

應急疏散決策直接關系著人員疏散的成敗。應急疏散決策過程的定量化、模型化表達是提高疏散決策科學性和合理性的關鍵。本文通過系統分析城市應急疏散的關鍵問題，建立了城市應急疏散GIS關鍵模型，并基于組件技術實現了GIS與城市應急疏散關鍵模型的無縫集成。試驗表明，模型具有較高的可靠性和穩定性，可輔助城市應急疏散決策。

突發事件；應急疏散；疏散地域；模型；等效距離

一、引 言

近年來，突發事件頻繁發生，如2008年5月12日四川汶川特大地震、2010年8月7日甘肅舟曲特大泥石流事件、2012年河北趙縣化工廠爆炸并導致氨氣泄漏事件、2013年6月3日吉林德惠禽業公司特大火災事故等。這些突發事件不僅給人們造成了巨大的經濟財產損失，而且還給人們帶來了嚴重的心理創傷。天災人禍不可避免，歷次應對突發事件的成功經驗表明：做好應急疏散工作對減少人民生命財產損失具有十分重要的意義。

城市應急疏散是一項典型的非線性化決策問題，涉及公安、人防、交通、地震等眾多部門。城市應急疏散研究引起了國內外廣大學者的重視，文獻[1—6]分別從不同角度對城市應急疏散問題進行了研究。從目前國內外城市應急疏散的研究現狀分析，計算機仿真和最優化理論是人員疏散研究常用的方法。上述兩種方法應用于應急疏散具有一定的優勢，但也存在著明顯的不足，如空間數據管理、定量化、模型化表達能力較弱。而空間數據管理、定量化、模型化表達正是GIS的優勢所在，因此深化GIS技術在城市應急疏散領域的應用有助于城市應急疏散決策，提高疏散效率[7]。本文綜合運用了地理信息系統、領域模型、決策支持等技術，建立了城市應急疏散關鍵模型，實現了城市應急疏散過程的模型化、定量化表達。

二、城市應急疏散關鍵問題分析

如何進行疏散地域選址，如何依據突發事件的類型和性質確定疏散區域和估算疏散區域人口，如何選擇疏散路徑等問題都是決策者需要面臨的。這些關鍵問題是有機聯系在一起的，如疏散區域的精準性直接影響著疏散人口估算的精確性。

疏散地域是組織人員疏散的基礎，疏散地域選址直接關系著城市應急疏散的成敗。文獻[8—10]采用定性分析方法對疏散地域選址建設進行了探索，這些研究成果都是依靠經驗對影響疏散地域選址因素進行分析，缺乏對選址因素的定量化、模型化表達。其不足是選址過程中的人為因素較大，難以保證疏散地域選址結果是最優的。通過疏散地域選址模型實現對疏散地域選址因素的定量化表達、綜合評價是提高疏散地域選址科學性和合理性的關鍵。

突發事件時，確定疏散區域是決策者面臨的首要問題。疏散范圍確定大了會從心理上給居民造成恐慌，使本來脆弱的城市交通雪上加霜，造成不必要的資源浪費；疏散范圍確定小了達不到疏散目的，依然會造成人員傷亡和財產損失。因此，如何精確地確定疏散區域的范圍是擺在決策者面前的一項重要任務。疏散區域的范圍與突發事件的類型、性質等因素密切相關。疏散區域的劃定需要評估突發事件的影響范圍，由突發事件的影響范圍確定疏散區域。

精確估算疏散區域的人口，并詳細了解人口空間分布，對決策部門順利組織及實施人口救援、疏散至關重要。疏散區域確定后，如何在最短時間內快速、高效、準確地估算出需要疏散的總人口數是擺在決策者面前的一個現實問題，也是一個難題。城市人口分布具有很強的時空特征，如晚上城市居民大多在住宅區休息，白天則在辦公區辦公。因此，城市人口估算必須顧及城市人口分布的時空規律和特點。

如何以最安全的方式，在最短時間內把危險區域的居民從事發區域疏散至安全區域是城市應急疏散的最終目的，也是決策者需要迅速決策的一個重要環節。在復雜龐大的城市路網中選擇最佳應急疏散路徑是快速撤離危險區域的關鍵。最佳應急疏散路徑不僅在距離上是最短的，而且在安全性、暢通性等方面也是最佳的。同時，應急疏散路徑的選擇效率要高，用時要短，從決策層面提高城市應急反應能力。

上述城市應急疏散問題都是通用GIS空間分析模型(疊置分析模型、緩沖區分析模型、統計分析模型、網絡分析模型等)所解決不了的。根據城市應急疏散的領域特征，建立城市應急疏散GIS應用模型是提高城市應急疏散決策的根本。本文圍繞城市應急疏散各個環節所面臨的問題，建立了城市應急疏散關鍵模型。

三、城市應急疏散GIS關鍵模型

1.基于AHP的疏散地域選址模型

疏散地域選址是一個半定性、半定量的決策問題，而層次分析法[11](AHP)是將半定性、半定量問題轉化為定量問題的行之有效的方法。層次分析法運用于疏散地域選址的核心是將復雜的疏散地域選址問題逐層分解為影響選址的各個因素，并依靠專家經驗為每個選址因素賦予相應權重，最終通過計算層與層的組合權重確定最優的疏散地域選址方案。

以疏散地域選址為目標，確立疏散地域選址決策準則，將選址決策準則分解為獨立的選址決策因素，以選址決策因素為依據進行初選得到備選方案，以上是建立疏散地域選址層次模型的基本步驟。筆者在分析總結已有研究成果[9-10，12]的基礎上，從安全性、便捷性和適宜性對影響疏散地域選址的因素進行了歸類與分析，建立了基于AHP的疏散地域選址模型，如圖1所示。

模型中安全性準則由地質構造、植被、水源、地形、地貌、區位等因素共同作用，便捷性準則由路面質量、車流負載量、與市區距離三因素共同決定，適宜性準則的組成因素包括建設成本、產生效益、規模和經濟狀況。建立疏散地域層次模型的最終目的是確定疏散地域選址因素的權重，構造判斷矩陣是確定各選址因素權重的常用方法，筆者已在基于GIS和AHP的疏散地域選址[13]中對確定各選址因素權重的思路和過程進行了探討。選址模型中的決策因素是通過通用GIS空間分析模型獲得的，如植被是通過GIS的統計功能統計出來的。

圖1 基于AHP的疏散地域選址模型

式中，α為可燃蒸汽云爆炸效率因子，統計平均值為0.04；m為蒸汽云中可燃物的質量，單位為kg；ΔHc為蒸汽云中可燃物的燃燒熱，單位為kJ/kg；QTNT為TNT的爆炸熱，單位為kJ/kg，其值取4230～4836 kJ/kg，一般取4500 kJ/kg。

2.面向災害的疏散區域劃定模型

疏散區域的范圍與突發事件的類型密切相關，建立各種突發事件下疏散區域劃定模型是實現高效、精準確定疏散區域的根本。爆炸是時常發生的突發事件，本文以爆炸為例研究了疏散區域的劃定方法，并基于組件技術實現了GIS與疏散區域劃定模型的緊密集成。

爆炸是物質系統的一種極為迅速的化學的或物理的能量釋放或轉化過程，爆炸產生的沖擊波會對周圍的目標造成極大損害。毒氣泄漏后與空氣混合形成覆蓋范圍很大的“預混云”，在某一有限空間遇到火源而導致的爆炸被稱做蒸汽云爆炸。典型的蒸汽云相關模型主要包括TNT當量模型、TNO模型、ME模型和CAM模型等[14]。TNT當量模型是常用的蒸汽云傷害模型。其基本思路為把蒸汽云爆炸的破壞作用轉化為TNT爆炸的破壞作用，可燃氣體爆炸時與TNT當量的轉換公式為

有了蒸汽云爆炸產生的能量就可以確定蒸汽云爆炸傷害半徑，蒸汽云爆炸傷害半徑是確定爆炸時疏散范圍的依據。

(1)死亡區域半徑

死亡區半徑按照TNT沖擊波超壓——沖量準則公式計算

式中，R1為死亡區域半徑，單位為m；mTNT為蒸汽云中可燃氣體TNT當量，單位為kg。

(2)重傷和輕傷區域半徑

重傷和輕傷按蒸汽云爆炸沖擊波超壓公式計算

式中，a＝-0.9；b＝-1.5；c＝0.167；d＝-0.032；Z＝R(Po/E)1/3；R為目標到蒸汽云中心的距離，單位m；Po為大氣壓，單位為Pa；E為蒸汽云爆炸總能量，單位為kJ。

蒸汽云爆炸沖擊波重傷超壓按44 Pa計，輕傷超壓按17 Pa計，則

聯合式(3)—式(6)即可求得重傷區域和輕傷區域的傷害半徑，得到爆炸可能產生的死亡區域、重傷區域及輕傷區域，在此基礎上可以確定爆炸情況下疏散區域的范圍。得到爆炸情況下疏散區域的范圍后，通過GIS可視化功能可在地圖上顯示疏散區域的范圍。

3.基于建筑物面積和用途的疏散人口估算模型

現行人口統計數據多是以行政區劃為統計單元的，人口統計數據的空間尺度滿足不了城市應急疏散決策的需求；同時，10年一次的人口普查，嚴重影響了人口統計數據的時效性。依托現有數字城市建設成果，研究基于GIS技術和城市人口空間分布規律的疏散區域人口精細、高效估算，對順利開展實施城市應急疏散工作具有重要意義。

現實生活中，人們以商業小區聚集，城市居民的分布可以由居住區和工作區的分布反映出來，因此，可以由居住區相關數據反演城市的人口分布。但是，原有方法是根據劃分單元內所有居住區與人口統計單元的面積比來給劃分單元分配人口數的，沒有考慮當前建筑物的高層或多層現象，忽略了不同類型建筑物容納能力的差別，且忽略了城市人口空間分布的時空性。這些因素直接導致城市人口估算出現了偏差。本文試圖通過建筑物的底部面積、層高、用途和政府部門每年發布的統計年鑒數據來反演城市人口空間分布，進而獲得不同時段的人口估算數據。

依據建筑用途和城市人口分布特點，將建筑物分為以下7類：居民區、辦公區(包括寫字樓、政府機關和企事業單位的辦公場所)、學校、商業區(商場、超市、專賣店、商店)、餐飲娛樂文體住宿(包括餐廳、歌舞廳、健身房、酒店、賓館、體育場、影劇院)、醫院及倉庫。在對建筑物分類的基礎上，分析每種建筑類型的人口分布特點，建立不同類型建筑的人口密度函數。假設同種類型建筑的人口密度相同，不同類型建筑的人口密度函數為

式中，k＝1，2，…，7，用于區分7種不同類型的建筑；d1，d2，…，d7分別表示居民區、辦公區、學校、商業區、餐飲娛樂文體住宿、醫院及倉庫的人口密度，單位為人/m2；β1，β2，…，β7分別表示居民區、辦公區、學校、商業區、餐飲娛樂文體住宿、醫院及倉庫的人口密度修正系數；P1，P2，…，P7分別表示居民區、辦公區、學校、商業區、餐飲娛樂文體住宿、醫院及倉庫工作的總人數；γ1，γ2，…，γ7分別表示居民區、辦公區、學校、商業區、餐飲娛樂文體住宿、醫院及倉庫對城市居民的吸引率；PT為城市總人口；表示建筑類型為k的第i個區域第j個建筑物底面積，可以通過建筑物底圖面積獲得；表示建筑類型為k的第i個區域第j個建筑物的層數。

求出每種類型建筑的人口密度后，即可估算給定疏散區域的人口，給定疏散區域R的人口總數等于R區域內各個類型建筑面積與相應人口密度乘積之和。

4.基于等效距離與A?算法的應急疏散路徑選擇模型

城市應急疏散過程中往往會選擇級別較高、交通狀況較好的道路。道路等級與實時交通狀況等因素對應急疏散路徑選擇都有直接影響，同時還要考慮路段的安全性、隱蔽性等因素。因此，需要建立道路綜合評價權重模型，將多條件約束轉換為單一條件約束，把道路級別、交通狀況、安全性等因素對應急疏散路徑選擇的影響轉化為路段的等效距離。綜合評價多種因素對選取應急疏散路徑的影響，將每種影響轉化為權重，加權后的空間距離即為等效距離。

根據城市應疏散的特點和需求，選取實時交通狀況、道路等級及路段安全性綜合評價應急疏散路徑，通過加權的方式把空間距離轉化為加權后的等效距離。路段綜合評價模型為

式中，fij代表路段Eij的等效長度；u為路段實時交通狀況對空間距離的修正系數，當路段暢通時，u＝1，堵塞時，u＝∞，城市應急疏散決策過程中，決策者借助現代智能交通(ITS)可以獲得實時的交通狀況，將實時交通狀況以權重形式賦予相應路段，達到動態選擇最優路徑的目的；dij為路段Eij的長度；路段wij為路段Eij的綜合評價權重，wij＝[w1w2]T× [vivj]。其中，w1為道路等級對路段長度的修正系數；w2為安全性對路段長度的修正系數；vi為路段Eij道路等級的評價權值；vj為路段Eij安全性的評價權值。修正系數w1、w2應根據突發事件的嚴重程度及實際需要確定，vi、vj需要結合統計數據采用模糊分級方法確定。

A?算法是目前廣為流傳的啟發式搜索算法，在電子地圖車載導航、應急救援等對時效性要求較高的領域有著廣泛的應用。A?算法通過啟發函數使搜索的方向始終朝著目標點，減少搜索的節點數和次數，提高算法的效率。A?算法的基本思路是：在選擇當前節點的下一個被考查節點vj時引入評價函數f′(j)，定義為

式中，g(j)是從源點到節點vj花費的實際代價；h′(j)是從節點vj到目標點最小代價的估算函數。A?算法優先搜索f′(j)最小的節點。精心設計啟發函數h′(j)是加快搜索速度、提高效率的關鍵。目前學者做了大量改進啟發函數h′(j)的研究，而有關改進g(j)的研究較少。結合城市應急疏散路徑選擇的特點和實際需求，本文采用從源點到節點vj的等效距離構造了g(j)，vj和目標點間的歐氏距離構造啟發函數h′(j)，即，估價函數為

四、應用分析

本文基于Microsoft Visual Studio 2008和Super-Map Objects組件包，在.NET平臺下用C＃語言進行了GIS與城市應急疏散關鍵模型的集成開發，實現了GIS與城市應急疏散應用模型的無縫集成。采用的試驗數據為濟南市轄區數據、1∶1萬城區數據、1∶5000城區數據、遙感影像數據。轄區數據主要是為了反映城市主輪廓與行政劃分；1∶5萬地形數據主要是為了滿足疏散地域選址分析和最佳應急疏散路徑的選取；1∶1萬城區數據和1∶5000城區數據可以從不同細節層次上反映城市基礎地理環境，主要用于應急疏散決策分析(劃定疏散區域的范圍、估算疏散區域人口)；遙感影像數據以更加直觀、真實的場景為決策者提供城市基礎地理環境信息。采用SuperMap SDX＋引擎將城市應急疏散系統中的地理實體數據存儲為SDB、SDD的數據文件型數據源，其中SDB存儲的為空間數據，SDD儲存的為屬性數據，SDB文件為超圖自定義的文件，SDD文件為Access關系數據庫，空間數據和屬性數據通過內部關鍵字連接。城市應急疏散關鍵模型的實現如圖2—圖5所示。試驗表明，建立的城市應急疏散關鍵模型具有較高的可靠性和穩定性，可輔助于城市應急疏散決策。

圖2 疏散地域選址模型的實現

圖3 爆炸時疏散區域的劃定

圖4 疏散人口估算模型的實現

圖5 應急疏散路徑選擇模型的實現

五、結束語

城市應急疏散決策直接關系著人員疏散的成敗和人民生命財產安全。本文通過對城市應急疏散關鍵問題的分析，建立了城市應急疏散關鍵模型，并基于組件技術初步實現了GIS與城市應急疏散應用模型的無縫集成。城市應急疏散關鍵模型的實現提高了城市應急疏散決策的科學性、合理性及高效率。在實踐應用中修正、完善城市應急疏散關鍵模型，建立多種突發事件下的疏散區域劃定模型，進一步增強城市應急疏散決策的科學性和合理性是今后努力的方向。

[1] 溫麗敏，陳寶智.重大事故人員應急疏散模型研究[J].中國安全科學學報，1999，9(6)：69-72.

[2] 盧兆明.基于GIS的都市應急疏散系統[J].應急救援，2005(2)：35-40.

[3] 陶岳明，蕭德云.應急疏散過程建模及其算法研究[J].交通運輸系統工程與信息，2008，8(6)：96-100.

[4] CHEN X，ZHAN F B.Agent-based Modeling and Simulation of Urban Evacuation：Relative Effectiveness of Simultaneous and Staged Evacuation Strategies[J]. Journal of Operational Research Society，2008，59(1)：25-33.

[5] YUAN F，HAN L D.Evacuation Modeling and Operations Using Dynamic Traffic Assignment and Most Assignment and Most Desirable Destination Approaches [C]∥84th Annual Meeting of the Transportation Research Board.Washington DC.：[s.n.]，2005.

[6] LAHMAR M，ASSAVAPOKEE T，ARDEKANI A.A Dynamic Transportation Planning Support System for Hurricane Evacuation[C]∥Intelligent Transportation Systems Conference.[S.l.]：IEEE，2006：612-617.

[7] 劉小明，胡紅.應急疏散交通研究現狀與展望[J].交通運輸工程學報，2008，8(3)：113-114.

[8] 崔從家.對城市應急避難場所建設的思考[J].指揮通防理論研究，2009，28(6)：390-395.

[9] 趙培安.冠縣人口疏散基地的建設實踐及思考[J].指揮通信，2010，233(7)：24-25.

[10] 陶中山.淺談城市防空襲疏散地域選擇[J].指揮學報，2002，20(10)：16-18.

[11] 韓中庚.數學建模方法及應用[M].北京：高等教育出版社，2005：91-95.

[12] 楊文斌，韓世文.地震應急避難場所的規劃建設與城市防災[J].自然災害學報，2004，13(1)：126-131.

[13] 溫伯威，魏海平.基于GIS和AHP的疏散地域選址[J].測繪科學技術學報，2012，28(6)：463-466.

[14] 傅知敏，黃金印，臧娜.爆炸沖擊波傷害破壞作用定量分析[J].消防理論研究，2009，28(6)：390-395.

Research on the Key Models of Urban Emergency Evacuation GIS

WEN Bowei，WANG Chaofeng，LIU Ruixue，GUAN Dapeng

P208

B

0494-0911(2014)09-0058-05

2013-07-24

國家自然科學基金(41071297)

溫伯威(1986—)，男，河南民權人，博士生，研究方向為數字地圖制圖、空間數據可用性。引文格式:溫伯威，王超峰，劉瑞雪，等.城市應急疏散GIS關鍵模型研究[J].測繪通報，2014(9)：58-62.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014. 0294