浅析重大耦合突发事件大规模人员转移安置技术研究进展*

蔡 娜，端木祥玲，詹子娜，李 龙，李 磊

(中国建筑科学研究院建筑防火研究所，北京 100013)

随着我国城市化进程的加快，新的复杂灾害源不断增加，各种灾害对城市乃至整个国家所造成的损失越来越大，城市灾害对城市发展的影响日益引起人们的关注。城镇突发事件通常伴随一系列次生衍生灾害，具有群发性和连锁性的特征，是在时间空间尺度高度耦合且具有复杂和不确定特征的多种灾害组合。城市作为人口高度聚集的场所，减少人员伤亡应是灾害应急管理的首要目标。当重大灾难性突发事件发生时，在短时间内安全地大范围疏散转移高密集人群，合理规划安置点，实施科学的应急救灾策略，是减少灾害(事故)后果严重性的重要措施之一。本文就重大突发事件危险识别及大规模人员转移安置技术的相关技术手段进行了综述，总结分析目前国内外的研究进展和成果，归纳未来还需进一步研究的重要环节。

1 突发事件危险识别-致灾因子

国内外关于突发事件危险性识别方面的研究主要集中在致灾因子分析方面。致灾因子分析是研究给定地理区域内，一定时段里各种致灾因子发生的可能性和危险性。主要是通过概率统计的方法，基于研究区域地理特征、历史灾情、暴露要素等，分析致灾因子发生的概率和重现期等统计规律，预测某一强度的致灾因子在何时何地发生等。但随着突发事件的日趋复杂化，特别是非常规突发事件的高度不确定性、缺乏先验知识以及带有次生衍生危害的特性。以往的基于概率统计的方法已经难以对非常突发事件危险性进行分析和识别。

许多危险性识别相关的研究只针对单一致灾因子，如地震、洪水、台风等。张俊香[1]应用直方图法、信息扩散法和内集-外集模型评估方法，对历史地震灾害进行了致灾因子风险分析。Hongming He[2]考虑不同观测站历史数据的时间相关性，使用运动波理论对水流进行模拟，对洪水灾害进行了危害性分析。欧进萍[3]通过对历史数据的分析处理，提取了台风关键参数并进行了统计分析与建模，并用计算机模拟了台风风场，对台风灾害进行了危险性分析。张忠伟[4]采用台风灾害数据库相关资料，以台风发生的频次、日最大降雨量等参数为评价指标，绘制了台风灾害致灾因子危险性区划图。

近年来，各种严重的非常规突发事件频发。这些非常规突发事件中往往有不止一种致灾因子。多灾种转化和耦合会给应急救援工作带来难以预料的困难。为了能更好地应对此类事件，需要开展多致灾因子综合作用所导致的极端突发事件的危险性分析。由于其内在的复杂性，目前多致灾因子综合作用方面的研究并不多，成果仅形成了框架或处于定性、半定量研究阶段。杨远[5]利用模糊综合评价法和层次分析法建立了城市地下空间多灾种危险性模糊评价模型，同时对模型中的各个指标进行了权重序数分析。Juan Pablo Lozoya[6]基于DPSIR(驱动力、压力、状态、影响、响应)模型建立了针对海滩的多灾种风险分析框架，可以考虑自然灾害和人为事故。Jochen Schmidt[7]提出了一个由灾害、资产和脆弱性模型三者组成，可以考虑任何灾害的定量多灾种风险分析框架。

总的来说，目前对单一致灾因子危险性的研究很多，考虑多致灾因子耦合的研究较少；各种危险性评估方法框架以及定性研究多，定量评估的研究少。未来的研究方向应侧重于复杂致灾因子的识别与评价方法，应在研究层面由单一灾害的研究向多灾种耦合灾害链复杂演变及其防治技术研究转变。

2 突发事件链式效应

在许多情况下，各种灾害并非单独发生，而是在某一种灾害发生后常常诱发一种或多种灾害，形成复杂的灾害链。非常规突发事件的一个重要特征是原生突发事件经常演化出一系列新的次生、衍生突发事件，形成危害性极大的链式效应。国外学界对于这类事件采取了许多不同方法进行研究，例如多米诺效应[8-10]、Na-tech事件[11-12]等。国内突发事件链式效应的研究比较系统，在世界相关领域一直处于前沿地位。郭增建[13]于1987年首次提出灾害链的理论概念：灾害链是“一系列灾害相继发生的现象”。文传甲[14]提出了广义灾害和广义灾害链的概念。刘文方等人[15]运用系统理论观点，从数学层面上分析了自然灾害系统的链式关系结构，建立了自然灾害链式效应数学关系模型。袁宏永等[16]在灾害链模型的基础上提出了突发事件事件链的概念，将其应用领域从单一的自然灾害扩展到各种突发事件的应急工作。有大量学者使用灾害链模型，对地震[17-18]、台风[19-20]等自然灾害进行了研究。李藐[21]、季学伟[22]使用了事件链模型分析了自然灾害和人为事故耦合的案例。

由于非常规突发事件具有高度不确定性，在对突发事件链危险性进行分析识别时往往需要对突发事件链进行基于数据的不确定推理和识别。Nan Feng[23]提出了一个信息系统安全风险管理评估模型，使用贝叶斯网络，从历史数据中识别风险因素的因果关系并预测危险事件的发生概率。王向阳[24]在其博士论文中利用贝叶斯推理方法，把不确定性推理问题看作是给定完全观测数据时计算参数的后验概率，结合粗糙逻辑，最终研究了不确定性推理和数据分析的模式识别方法。赵艳林[25]研究了基于工程中存在的不确定信息引起的灰色模式识别问题，利用灰数及其距离计算公式，提出了一种基于区间灰数模糊灰关联分析的灰色模式识别方法。秦四清[26]针对滑坡，研究了滑坡前兆突变异常识别方法，将滑坡位移观测值时间序列视为平稳随机过程，采用建立系统的同态模型方法提取短期异常，并给出了异常识别准则，并利用灰色灾变对滑坡进行预测。

非常规突发事件经常产生链式后果，且具有高度不确定性，需要使用基于数据的不确定推理和识别方法进行非常规突发事件链的危险性识别和分析。

3 灾害风险评估模型

国内外基于灾害系统的风险理论，研发了很多灾害风险评估的模型，特别是已从单一突发事件风险的研究转向多灾种的综合风险研究。UNDP(United Nations Development Programme)[27]的“灾害风险指数系统(DRI)”，DRI是世界上第一个全球尺度的、空间分辨率到国家的人类脆弱性评价指标体系，灾害风险由致灾因子、物理暴露和脆弱性共同决定。欧洲多重风险评估(multi-risk assessment)是通过综合所有自然和技术致灾因素引发的所有相关风险来评估一个特定区域的潜在风险[28]，这种风险评估方法试图决定一个亚国家尺度地区总体的潜在风险，即把所有相关的风险综合起来，是一种对具有空间相关的各种灾害的综合风险评估方法。评估的主要输出是包括总体致灾因子图、综合脆弱性图、总体风险图。美国HAZUS模型是由美国联邦应急管理署(FEMA)和国家建筑科学院(NIBS)共同研究的成果。HAZUS模型是一个标准化的全国通用的多灾害损失估计方法，以现有的关于地震、洪水、飓风等灾害影响的科学和工程技术知识为基础进行损失估计，可以估算所有人口、建筑物、基础设施、交通运输、公共设施、机动车、农作物等的潜在损失。国内在20 世纪末就已经有学者开始关注多灾种问题。王静爱[29-30]等对中国以县级行政区为基本单元的多灾种强度和城市化水平做了评估，得到中国城市自然灾害区划图。

世界各国正在致力于进行城市脆弱性综合评估与城市多灾种综合风险评估技术与系统研发。我国城市风险评估研究工作起步较晚，且主要集中如地震、气象灾害、火灾、危险化学品事故等单一灾种的风险评估。因此综合考虑城市面临的各种灾害，研究城市脆弱性分析技术和研发城市综合风险评估系统，为管理者提供全面风险认识和决策依据，是目前国际风险评估技术的发展趋势。

4 疏散模型研究

4.1 阶段疏散模型研究

自从1979年的三里岛核电站事故以来，美国学者就开始研究人员转移疏散模型[31]。早期研究主要集中在辨识需转移的人员范围和疏散路径。标准的研究程序是先确认事故周边的紧急转移地区(emergency planning zone (EPZ))范围，然后综合考虑可能影响交通的各个要素，估算从EPZ转移的疏散时间。这个方法多用于飓风灾难中，疏散人群去各个转移安置点(避难场所)。可用疏散时间和转移安置点的可用性决定了总疏散时间。许多学者就如何选择最适宜疏散路径以缩短从EPZ到达附近安全场所的总疏散时间展开了一系列研究[31-32]。Pine等人[33]研究了美国路易斯安那州新奥尔良地区在结构上适合的避难场所。根据美国红十字协会就大规模护理及飓风疏散避难的指导要求，作者研究了现有避难场所的结构稳定性，并将其归类为可接受的、首选的和及格的。根据南佛罗里达建筑法规和佛罗里达州的房屋建筑标准[34-35]，以及由美国联邦应急管理局和美国土木工程师学会(ASCE)开发的设计和建筑指南[36-37]，Coulbourne等人[38]评估了龙卷风和飓风情况下，三个社区的社区避难所的结构适宜性。Gall[39]根据对莫桑比克当地居民的调查，开发了避难场所位置的适应性模型。因为当地居民的出行方式主要为步行，因此该模型考虑的的影响因素包括脆弱人群的位置、距离公路的距离、当地的基础设施和农田等。叶永等人[40]以重大危险源灾害为背景,考虑其对疏散行为的影响,待疏散点的时间满意度约束和待疏散点、临时疏散救援点以及医疗救治点3层的人数约束,采用两阶段疏散模式,以寻求总疏散时间最小,来建立城市重大危险源灾害应急疏散决策模型,给出了一个应用遗传算法对模型进行求解的算法,最后利用MATLAB进行数值仿真求得模型的最优疏散策略,得出具体的疏散路径和疏散人数。

4.2 基于GIS系统的人员疏散

由于人员疏散涉及大量的空间数据，近年来GIS系统在疏散研究中应用得越来越多。很多研究人员也意识到基于GIS系统的空间最优化技术在制定有效应急预案中发挥的重要作用， 特别是在应对自然灾害、事故和恐怖袭击后紧急转移疏散应用中[41-44]。Kar等人[45]评估了现有避难场所(包括学校、大学、教堂和社区中心)的适用性，评估因素包括避难场所的地理位置、周边是否有备用场所、是否位于社会适宜地区等。评估采用基于GIS的加权线性组合方法对避难场所进行筛选。Tsai等人[46]利用t-s模糊模型建立了一种基于takagi-sugeno(t-s)模糊模型的GIS模型，提出了一种集成的t-s的决策系统。该系统将t-s模糊模型与GIS空间分析相结合，用于解决不确定的问题。作者根据花莲火车站区域的地理位置，进行了在火车站周围地区的避难场所分配的案例研究。通过统计学、t-s模糊模型和GIS分析，试图解决人群分散的问题，确定最优的避难场所和到车站的最小距离。TSDMK系统有效地提供了可能的避难场所的空间分析，并确定了三个最适合的避难所。同时指出用于确定最适合的避难地点的变量为从避难所到当地居民聚集地的距离。谢旭阳[47]在事故后果模拟以及实验数据的基础上,确定了单种灾害和多种灾害发生时应急疏散范围,并结合GIS将需要疏散的建筑物标识出来,最后建立了应急疏散最优模型,确定应急疏散的最优方案。刘小婵等人[48]将GIS与多主体技术结合，从空间个体行为的微观角度入手，对疏散动态模拟进行了研究，构建了基于GIS与多主体技术的疏散仿真模型，呈现了灾害情境下人群的动态疏散过程。

4.3 疏散路径交通分配模型

现有常用于为疏散人员分配路线的模型主要基于三种交通分配模型，即，用户均衡模型(UE模型)、系统最优模型(SO模型)和最近分配模型(NA)模型。这些模型的不同在于假定的驱动行为不同。根据UE原则，被疏散人员的目标是尽量减少他们个体的疏散时间。当个体的驱动行为得到满足时，它并不一定会对最小化整个系统的疏散时间做出贡献。从疏散交通管理当局的角度来看，理想的目标是通过计算一个系统最优值来显著减少总疏散时间。在这样的情况下，为了整个系统的利益，一些被疏散人员的个体疏散时间可能会更长。在NA模型中，根据地理距离或人员行动时间，每个疏散者都使用一条最短路径到达最近的避难所。而这样的交通作业方式可以导致整个系统的效率降低。

用于最优选择避难场所的地点分配模型一般为基于SO的单层规划模型或上层基于SO分配避难场所位置、下层基于UE分配疏散人员路径的双层规划模型。Sherali等人[49]开发了基于SO模式选择避难场所和分配疏散路径的地点分配模型，研究飓风/洪水时，避难场所分布对疏散时间的影响。Kongsomsaksakul等人[50]研究了避难场所地点对疏散交通流管理的影响。上层模型中管理者基于最小化总疏散时间的条件确定避难场所的数量和地点。下层模型应用UE公式和已得出的避难场所的数量和地点，解算疏散者的决定对疏散的影响。得出疏散人员选择的疏散路径和避难场所。Yazici等人[51]采用基于SO模式的随机动态模型，研究了飓风撤离中，路网承载能力变化对避难场所的位置和利用率的影响。Kulshrestha等人[52]开发了动态双层规划模型。下层模型考虑最小化建立和运行避难场所的总成本以及不确定性，上层模型采用UE模式分配避难场所和疏散人员的疏散路径。Li等人[53]提出了一种基于场景的分配模型，用于确立不同程度的飓风灾害下多个避难场所的位置。该模型为基于动态分布的双层规划模型，上层模型为管理层基于特定场景选择避难场所位置，减少不合格避难场所数量和总疏散时间。下层模型中，疏散人员基于UE原则选择疏散路径。

目前研究的疏散模型，对于灾种场景依赖性较强，多集中于飓风和龙卷风等自然灾害的研究，疏散路径解算的动态性分配不足。由于非常规突发事件应对需快速动态调整的弹性应急能力，上述的疏散评估模型与方法已很难满足城市非常规突发事件风险管理的需求。因此，如何在涵盖多个灾种和多元应急要素基础上开展综合的疏散能力评价研究，开始逐渐为国内外的学者所关注。

5 结语

城市面临的灾害风险呈现如下特点：灾害的种类繁多和差异性；灾害对象多，灾害造成的损失异常严重；灾害连发性、耦合性强。重大耦合突发事件中，有效的进行大规模人员转移安置，不仅是实现科学高效的城市公共安全保障的需要，也是国际城市安全关注的热点问题。纵观国内外研究成果，尚有以下几个方面问题有待解决。

(1)目前各国学者针对致灾因子、突发事件链式反应和突发事件风险评估等突发事件危险识别技术及突发事件下人员疏散转移技术进行了大量的研究。然而现有的研究成果主要针对单一灾种，考虑多灾种因素的较少，评估及疏散模型的研究也多基于框架、定性研究，定量研究的方法及应用较少。未来的研究方向应侧重于复杂致灾因子的识别与评价方法，应在研究层面由单一灾害的研究向多灾种耦合灾害链复杂演变及其防治技术研究转变。

(2)目前各国学者均致力于进行城市脆弱性综合评估与城市多灾种综合风险评估技术与系统研发。非常规突发事件经常产生链式后果，且具有高度不确定性。因此需综合考虑城市面临的各种灾害及其后果，研究城市脆弱性分析技术和研发城市综合风险评估系统。研究城市多灾种时空耦合的模拟分析技术，并对各种灾害复杂次生衍生和相互耦合下的城市脆弱性进行分析，综合评估城市灾害风险，辨识和加强城市的安全保障能力，是实现城市安全保障的重大基础需求。

(3)未来城市复杂环境下多灾种时空耦合条件下的人员疏散转移技术还有很大的研究空间。得益于高精度GIS技术的不断发展，对于大规模人员转移疏散技术的研究更为直观便捷，但对于如何将多灾种发生演变机理与疏散模型和疏散路径规划相耦合的研究还有待进一步深入，研究的科研成果将直接服务于城市防灾减灾事业，并可服务于城市建设布局的合理规划，产生显著的社会效益。