淺析重大耦合突發事件大規模人員轉移安置技術研究進展*

蔡 娜，端木祥玲，詹子娜，李 龍，李 磊

(中國建筑科學研究院建筑防火研究所，北京 100013)

隨著我國城市化進程的加快，新的復雜災害源不斷增加，各種災害對城市乃至整個國家所造成的損失越來越大，城市災害對城市發展的影響日益引起人們的關注。城鎮突發事件通常伴隨一系列次生衍生災害，具有群發性和連鎖性的特征，是在時間空間尺度高度耦合且具有復雜和不確定特征的多種災害組合。城市作為人口高度聚集的場所，減少人員傷亡應是災害應急管理的首要目標。當重大災難性突發事件發生時，在短時間內安全地大范圍疏散轉移高密集人群，合理規劃安置點，實施科學的應急救災策略，是減少災害(事故)后果嚴重性的重要措施之一。本文就重大突發事件危險識別及大規模人員轉移安置技術的相關技術手段進行了綜述，總結分析目前國內外的研究進展和成果，歸納未來還需進一步研究的重要環節。

1 突發事件危險識別-致災因子

國內外關于突發事件危險性識別方面的研究主要集中在致災因子分析方面。致災因子分析是研究給定地理區域內，一定時段里各種致災因子發生的可能性和危險性。主要是通過概率統計的方法，基于研究區域地理特征、歷史災情、暴露要素等，分析致災因子發生的概率和重現期等統計規律，預測某一強度的致災因子在何時何地發生等。但隨著突發事件的日趨復雜化，特別是非常規突發事件的高度不確定性、缺乏先驗知識以及帶有次生衍生危害的特性。以往的基于概率統計的方法已經難以對非常突發事件危險性進行分析和識別。

許多危險性識別相關的研究只針對單一致災因子，如地震、洪水、臺風等。張俊香[1]應用直方圖法、信息擴散法和內集-外集模型評估方法，對歷史地震災害進行了致災因子風險分析。Hongming He[2]考慮不同觀測站歷史數據的時間相關性，使用運動波理論對水流進行模擬，對洪水災害進行了危害性分析。歐進萍[3]通過對歷史數據的分析處理，提取了臺風關鍵參數并進行了統計分析與建模，并用計算機模擬了臺風風場，對臺風災害進行了危險性分析。張忠偉[4]采用臺風災害數據庫相關資料，以臺風發生的頻次、日最大降雨量等參數為評價指標，繪制了臺風災害致災因子危險性區劃圖。

近年來，各種嚴重的非常規突發事件頻發。這些非常規突發事件中往往有不止一種致災因子。多災種轉化和耦合會給應急救援工作帶來難以預料的困難。為了能更好地應對此類事件，需要開展多致災因子綜合作用所導致的極端突發事件的危險性分析。由于其內在的復雜性，目前多致災因子綜合作用方面的研究并不多，成果僅形成了框架或處于定性、半定量研究階段。楊遠[5]利用模糊綜合評價法和層次分析法建立了城市地下空間多災種危險性模糊評價模型，同時對模型中的各個指標進行了權重序數分析。Juan Pablo Lozoya[6]基于DPSIR(驅動力、壓力、狀態、影響、響應)模型建立了針對海灘的多災種風險分析框架，可以考慮自然災害和人為事故。Jochen Schmidt[7]提出了一個由災害、資產和脆弱性模型三者組成，可以考慮任何災害的定量多災種風險分析框架。

總的來說，目前對單一致災因子危險性的研究很多，考慮多致災因子耦合的研究較少；各種危險性評估方法框架以及定性研究多，定量評估的研究少。未來的研究方向應側重于復雜致災因子的識別與評價方法，應在研究層面由單一災害的研究向多災種耦合災害鏈復雜演變及其防治技術研究轉變。

2 突發事件鏈式效應

在許多情況下，各種災害并非單獨發生，而是在某一種災害發生后常常誘發一種或多種災害，形成復雜的災害鏈。非常規突發事件的一個重要特征是原生突發事件經常演化出一系列新的次生、衍生突發事件，形成危害性極大的鏈式效應。國外學界對于這類事件采取了許多不同方法進行研究，例如多米諾效應[8-10]、Na-tech事件[11-12]等。國內突發事件鏈式效應的研究比較系統，在世界相關領域一直處于前沿地位。郭增建[13]于1987年首次提出災害鏈的理論概念：災害鏈是“一系列災害相繼發生的現象”。文傳甲[14]提出了廣義災害和廣義災害鏈的概念。劉文方等人[15]運用系統理論觀點，從數學層面上分析了自然災害系統的鏈式關系結構，建立了自然災害鏈式效應數學關系模型。袁宏永等[16]在災害鏈模型的基礎上提出了突發事件事件鏈的概念，將其應用領域從單一的自然災害擴展到各種突發事件的應急工作。有大量學者使用災害鏈模型，對地震[17-18]、臺風[19-20]等自然災害進行了研究。李藐[21]、季學偉[22]使用了事件鏈模型分析了自然災害和人為事故耦合的案例。

由于非常規突發事件具有高度不確定性，在對突發事件鏈危險性進行分析識別時往往需要對突發事件鏈進行基于數據的不確定推理和識別。Nan Feng[23]提出了一個信息系統安全風險管理評估模型，使用貝葉斯網絡，從歷史數據中識別風險因素的因果關系并預測危險事件的發生概率。王向陽[24]在其博士論文中利用貝葉斯推理方法，把不確定性推理問題看作是給定完全觀測數據時計算參數的后驗概率，結合粗糙邏輯，最終研究了不確定性推理和數據分析的模式識別方法。趙艷林[25]研究了基于工程中存在的不確定信息引起的灰色模式識別問題，利用灰數及其距離計算公式，提出了一種基于區間灰數模糊灰關聯分析的灰色模式識別方法。秦四清[26]針對滑坡，研究了滑坡前兆突變異常識別方法，將滑坡位移觀測值時間序列視為平穩隨機過程，采用建立系統的同態模型方法提取短期異常，并給出了異常識別準則，并利用灰色災變對滑坡進行預測。

非常規突發事件經常產生鏈式后果，且具有高度不確定性，需要使用基于數據的不確定推理和識別方法進行非常規突發事件鏈的危險性識別和分析。

3 災害風險評估模型

國內外基于災害系統的風險理論，研發了很多災害風險評估的模型，特別是已從單一突發事件風險的研究轉向多災種的綜合風險研究。UNDP(United Nations Development Programme)[27]的“災害風險指數系統(DRI)”，DRI是世界上第一個全球尺度的、空間分辨率到國家的人類脆弱性評價指標體系，災害風險由致災因子、物理暴露和脆弱性共同決定。歐洲多重風險評估(multi-risk assessment)是通過綜合所有自然和技術致災因素引發的所有相關風險來評估一個特定區域的潛在風險[28]，這種風險評估方法試圖決定一個亞國家尺度地區總體的潛在風險，即把所有相關的風險綜合起來，是一種對具有空間相關的各種災害的綜合風險評估方法。評估的主要輸出是包括總體致災因子圖、綜合脆弱性圖、總體風險圖。美國HAZUS模型是由美國聯邦應急管理署(FEMA)和國家建筑科學院(NIBS)共同研究的成果。HAZUS模型是一個標準化的全國通用的多災害損失估計方法，以現有的關于地震、洪水、颶風等災害影響的科學和工程技術知識為基礎進行損失估計，可以估算所有人口、建筑物、基礎設施、交通運輸、公共設施、機動車、農作物等的潛在損失。國內在20 世紀末就已經有學者開始關注多災種問題。王靜愛[29-30]等對中國以縣級行政區為基本單元的多災種強度和城市化水平做了評估，得到中國城市自然災害區劃圖。

世界各國正在致力于進行城市脆弱性綜合評估與城市多災種綜合風險評估技術與系統研發。我國城市風險評估研究工作起步較晚，且主要集中如地震、氣象災害、火災、危險化學品事故等單一災種的風險評估。因此綜合考慮城市面臨的各種災害，研究城市脆弱性分析技術和研發城市綜合風險評估系統，為管理者提供全面風險認識和決策依據，是目前國際風險評估技術的發展趨勢。

4 疏散模型研究

4.1 階段疏散模型研究

自從1979年的三里島核電站事故以來，美國學者就開始研究人員轉移疏散模型[31]。早期研究主要集中在辨識需轉移的人員范圍和疏散路徑。標準的研究程序是先確認事故周邊的緊急轉移地區(emergency planning zone (EPZ))范圍，然后綜合考慮可能影響交通的各個要素，估算從EPZ轉移的疏散時間。這個方法多用于颶風災難中，疏散人群去各個轉移安置點(避難場所)。可用疏散時間和轉移安置點的可用性決定了總疏散時間。許多學者就如何選擇最適宜疏散路徑以縮短從EPZ到達附近安全場所的總疏散時間展開了一系列研究[31-32]。Pine等人[33]研究了美國路易斯安那州新奧爾良地區在結構上適合的避難場所。根據美國紅十字協會就大規模護理及颶風疏散避難的指導要求，作者研究了現有避難場所的結構穩定性，并將其歸類為可接受的、首選的和及格的。根據南佛羅里達建筑法規和佛羅里達州的房屋建筑標準[34-35]，以及由美國聯邦應急管理局和美國土木工程師學會(ASCE)開發的設計和建筑指南[36-37]，Coulbourne等人[38]評估了龍卷風和颶風情況下，三個社區的社區避難所的結構適宜性。Gall[39]根據對莫桑比克當地居民的調查，開發了避難場所位置的適應性模型。因為當地居民的出行方式主要為步行，因此該模型考慮的的影響因素包括脆弱人群的位置、距離公路的距離、當地的基礎設施和農田等。葉永等人[40]以重大危險源災害為背景,考慮其對疏散行為的影響,待疏散點的時間滿意度約束和待疏散點、臨時疏散救援點以及醫療救治點3層的人數約束,采用兩階段疏散模式,以尋求總疏散時間最小,來建立城市重大危險源災害應急疏散決策模型,給出了一個應用遺傳算法對模型進行求解的算法,最后利用MATLAB進行數值仿真求得模型的最優疏散策略,得出具體的疏散路徑和疏散人數。

4.2 基于GIS系統的人員疏散

由于人員疏散涉及大量的空間數據，近年來GIS系統在疏散研究中應用得越來越多。很多研究人員也意識到基于GIS系統的空間最優化技術在制定有效應急預案中發揮的重要作用， 特別是在應對自然災害、事故和恐怖襲擊后緊急轉移疏散應用中[41-44]。Kar等人[45]評估了現有避難場所(包括學校、大學、教堂和社區中心)的適用性，評估因素包括避難場所的地理位置、周邊是否有備用場所、是否位于社會適宜地區等。評估采用基于GIS的加權線性組合方法對避難場所進行篩選。Tsai等人[46]利用t-s模糊模型建立了一種基于takagi-sugeno(t-s)模糊模型的GIS模型，提出了一種集成的t-s的決策系統。該系統將t-s模糊模型與GIS空間分析相結合，用于解決不確定的問題。作者根據花蓮火車站區域的地理位置，進行了在火車站周圍地區的避難場所分配的案例研究。通過統計學、t-s模糊模型和GIS分析，試圖解決人群分散的問題，確定最優的避難場所和到車站的最小距離。TSDMK系統有效地提供了可能的避難場所的空間分析，并確定了三個最適合的避難所。同時指出用于確定最適合的避難地點的變量為從避難所到當地居民聚集地的距離。謝旭陽[47]在事故后果模擬以及實驗數據的基礎上,確定了單種災害和多種災害發生時應急疏散范圍,并結合GIS將需要疏散的建筑物標識出來,最后建立了應急疏散最優模型,確定應急疏散的最優方案。劉小嬋等人[48]將GIS與多主體技術結合，從空間個體行為的微觀角度入手，對疏散動態模擬進行了研究，構建了基于GIS與多主體技術的疏散仿真模型，呈現了災害情境下人群的動態疏散過程。

4.3 疏散路徑交通分配模型

現有常用于為疏散人員分配路線的模型主要基于三種交通分配模型，即，用戶均衡模型(UE模型)、系統最優模型(SO模型)和最近分配模型(NA)模型。這些模型的不同在于假定的驅動行為不同。根據UE原則，被疏散人員的目標是盡量減少他們個體的疏散時間。當個體的驅動行為得到滿足時，它并不一定會對最小化整個系統的疏散時間做出貢獻。從疏散交通管理當局的角度來看，理想的目標是通過計算一個系統最優值來顯著減少總疏散時間。在這樣的情況下，為了整個系統的利益，一些被疏散人員的個體疏散時間可能會更長。在NA模型中，根據地理距離或人員行動時間，每個疏散者都使用一條最短路徑到達最近的避難所。而這樣的交通作業方式可以導致整個系統的效率降低。

用于最優選擇避難場所的地點分配模型一般為基于SO的單層規劃模型或上層基于SO分配避難場所位置、下層基于UE分配疏散人員路徑的雙層規劃模型。Sherali等人[49]開發了基于SO模式選擇避難場所和分配疏散路徑的地點分配模型，研究颶風/洪水時，避難場所分布對疏散時間的影響。Kongsomsaksakul等人[50]研究了避難場所地點對疏散交通流管理的影響。上層模型中管理者基于最小化總疏散時間的條件確定避難場所的數量和地點。下層模型應用UE公式和已得出的避難場所的數量和地點，解算疏散者的決定對疏散的影響。得出疏散人員選擇的疏散路徑和避難場所。Yazici等人[51]采用基于SO模式的隨機動態模型，研究了颶風撤離中，路網承載能力變化對避難場所的位置和利用率的影響。Kulshrestha等人[52]開發了動態雙層規劃模型。下層模型考慮最小化建立和運行避難場所的總成本以及不確定性，上層模型采用UE模式分配避難場所和疏散人員的疏散路徑。Li等人[53]提出了一種基于場景的分配模型，用于確立不同程度的颶風災害下多個避難場所的位置。該模型為基于動態分布的雙層規劃模型，上層模型為管理層基于特定場景選擇避難場所位置，減少不合格避難場所數量和總疏散時間。下層模型中，疏散人員基于UE原則選擇疏散路徑。

目前研究的疏散模型，對于災種場景依賴性較強，多集中于颶風和龍卷風等自然災害的研究，疏散路徑解算的動態性分配不足。由于非常規突發事件應對需快速動態調整的彈性應急能力，上述的疏散評估模型與方法已很難滿足城市非常規突發事件風險管理的需求。因此，如何在涵蓋多個災種和多元應急要素基礎上開展綜合的疏散能力評價研究，開始逐漸為國內外的學者所關注。

5 結語

城市面臨的災害風險呈現如下特點：災害的種類繁多和差異性；災害對象多，災害造成的損失異常嚴重；災害連發性、耦合性強。重大耦合突發事件中，有效的進行大規模人員轉移安置，不僅是實現科學高效的城市公共安全保障的需要，也是國際城市安全關注的熱點問題。縱觀國內外研究成果，尚有以下幾個方面問題有待解決。

(1)目前各國學者針對致災因子、突發事件鏈式反應和突發事件風險評估等突發事件危險識別技術及突發事件下人員疏散轉移技術進行了大量的研究。然而現有的研究成果主要針對單一災種，考慮多災種因素的較少，評估及疏散模型的研究也多基于框架、定性研究，定量研究的方法及應用較少。未來的研究方向應側重于復雜致災因子的識別與評價方法，應在研究層面由單一災害的研究向多災種耦合災害鏈復雜演變及其防治技術研究轉變。

(2)目前各國學者均致力于進行城市脆弱性綜合評估與城市多災種綜合風險評估技術與系統研發。非常規突發事件經常產生鏈式后果，且具有高度不確定性。因此需綜合考慮城市面臨的各種災害及其后果，研究城市脆弱性分析技術和研發城市綜合風險評估系統。研究城市多災種時空耦合的模擬分析技術，并對各種災害復雜次生衍生和相互耦合下的城市脆弱性進行分析，綜合評估城市災害風險，辨識和加強城市的安全保障能力，是實現城市安全保障的重大基礎需求。

(3)未來城市復雜環境下多災種時空耦合條件下的人員疏散轉移技術還有很大的研究空間。得益于高精度GIS技術的不斷發展，對于大規模人員轉移疏散技術的研究更為直觀便捷，但對于如何將多災種發生演變機理與疏散模型和疏散路徑規劃相耦合的研究還有待進一步深入，研究的科研成果將直接服務于城市防災減災事業，并可服務于城市建設布局的合理規劃，產生顯著的社會效益。