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    城市道路的人員疏散風險評價探討——以上海市外環線內區域為例

    日期:2021年07月18日 編輯:ad201107111759308692 作者:無憂論文網 點擊次數:651
    論文價格:100元/篇 論文編號:lw202107070559377285 論文字數:33233 所屬欄目:在職研究生論文
    論文地區:中國 論文語種:中文 論文用途:在職研究生論文 On-the-job graduate paper

    本文是一篇在職研究生論文,本研究提出了一種城市道路人員疏散風險評價方法,綜合考慮多種道路疏散風險的影響因素并建立道路疏散風險評價函數,將臨界簇模型與道路疏散風險評價函數結合,彌補了臨界簇模型參數較少的不足。提出道路疏散風險指數,用空間量化表達的方式,能更綜合有效地評價城市道路的人員應急疏散風險,為城市道路規劃、交通基礎設施配置以及疏散預案預警提供決策支持。該方法還支持突發事件情景下的應急疏散風險評價,其評價結果可為相關應急管理部門在突發事件發生的情況下,根據道路疏散風險的空間分布,采取合理的疏散管理與救援措施,提高人員疏散的安全性與效率。


    第一章 緒


    1.1 研究背景及意義

    近年來,各類突發事件在世界各地不斷發生,自然災害和人為災害給人類生產生活帶來巨大的損失與影響[1-3]。2020 年以來,除了席卷全球的新冠肺炎疫情災難以外,由于全球氣候變化,以森林火災、暴雨洪澇、地震為主的自然災害也頻繁發生。在極端高溫天氣與干旱造成的林火肆虐下,截至 2020 年 7 月,澳大利亞叢林大火已致 30 億動物死亡。國內也有山西、四川、云南等地森林火災多點集中發生,據統計 2020 年一季度全國共發生森林火災 392 起。暴雨洪澇災害也在世界各地掀起軒然大波,印尼自 2019 年 12 月起,僅在一周時間內就造成了67 人死亡,巴西罕見暴雨天氣造成 2 萬人流離失所。而國內由于受到最強降雨天氣,僅一季度洪澇和地質災害共造成重慶、廣西、湖南等 13 個?。▍^、市)29.8 萬人次受災,5 人死亡失蹤,3500 余間房屋損壞,直接經濟損失達到 2.9 億元。地震頻發也給全球人類生產生活帶來巨大影響,2020 年一季度我國大陸地區共發生 5 級以上地震 12 次。除自然災害外,人為災害也在世界各地不斷發生。以火災爆炸事件為例,據不完全統計,2020 年上半年涉及火災爆炸的化工安全事故就發生了 13 起,其中 2020 年 2 月 11 日遼寧葫蘆島經濟開發區的遼寧先達農業科學有限公司車間發生爆炸,造成 5 人死亡,10 人受傷;2020 年 3 月 13 日臨沂市沂水縣廬山化工產業園的臨沂福德化工股份有限公司發生爆炸事故,造成1 人死亡,1 人重傷,直接經濟損失約 260 萬元。因此做好災害的防治與防控工作勢在必行,同時事故發生后的疏散預警與規劃工作也非常重要。

    習近平總書記在黨的十九大報告中指出,我國的經濟已由高速增長轉向高質量發展階段。在我國經濟高速發展的進程下,城市化發展也正逐步走向成熟,2019年我國城鎮化率達到 60.6%,而“十四五”時期我國城鎮化仍將保持相對較快的增長速度,這就要求我們必須充分考慮城市化快速發展對經濟和社會的影響,并針對呈現出的具體特征做出相應調整。隨著城市地區人口高度聚集,許多城市的道路網絡建設卻滯后于人口密度的急劇增加,疏散能力不足成為城市化帶來的一大重要問題。因此城市公共安全就顯得尤為重要,特別是當突發事件爆發,極易造成城市交通堵塞以及人群聚集,從而導致疏散成功率與效率降低。除此之外,人群恐慌心理也會造成不必要的踩踏事件乃至人員傷亡,如果相應的處置不當,極易造成嚴重的人員傷亡和經濟損失[1,4-9]。例如,2014 年 12 月 31 日上海市黃浦區外灘陳毅廣場發生群眾踩踏事故造成 36 人死亡與 47 人受傷;2018 年 9 月 24日,在距離沙特麥加東部 5 公里處的米納地區發生朝覲者踩踏事故,造成至少1399 人遇難,另有超過 2000 人受傷。由于踩踏事故具有原因復雜性、突發性、以及難以控制的特點,因此在城市中及時進行疏散預警與應急指揮顯得極其重要。為應對各種突發事件,各國政府及相關研究機構都在積極地研究城市中的應急措施,其中制定應急疏散預警方案是避免和減輕突發事件造成危害的有效方式之一[1,10-11]。

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    1.2 國內外研究進展

    1.2.1 人員應急疏散研究

    從上世紀 50 年代起,國內外研究人員就針對應急疏散開展了一系列研究。隨著計算機技術的快速發展,應急疏散研究也從一開始的實測研究、理論研究,轉向基于仿真模型的研究。由此可見,應急疏散研究的體系不斷完善,研究方法不斷全面化,為相關領域的研究奠定了堅實的基礎。人員應急疏散是當前城市公共安全研究的熱點。各國的研究人員進行了各種疏散建模與仿真研究,以提高疏散模擬的真實性與有效性。

    目前關于人員應急疏散的研究,主要集中在三個方面:人員疏散路徑優化、人員應急疏散模擬與人員疏散行為仿真[13]。人員疏散路徑優化的研究多基于一些經典算法進行改進,Pereira 等人[14]提出了一種用于自動疏散行人動力學元胞自動機模型的擴展;丁春輝[15]基于蟻群算法,提出行人流量高峰期城市交通應急疏散路徑的優化方法;王潔瓊等人[16-18]基于元胞自動機和圖論對應急疏散規劃路徑;赫鑫[19]為提高路徑規劃效率,綜合使用 A*算法與深度優先搜索算法,實現個體選擇傾向的差異性;曹祥紅等人[20]在 Dijkstra 算法獲得全局最優路徑的基礎上再采用蟻群優化算法對每個節點進一步優化以獲取最優路徑,并節省算法運行時間。但由于應用這些算法需要具備一系列的假設前提,而實際疏散場景中需要考慮的因素更為復雜,因此研究人員會結合多種因素進行人員疏散模擬仿真。人員應急疏散模擬方面有基于社會力模型的一系列研究和基于多智能體的研究兩個主要研究方向。李若菲等人[21]改進傳統社會力模型,為研究不同樓梯類型的行人疏散效果,模擬 4 種常見梯形中行人的疏散過程;Tak 等人[22]基于 Agent 智能體構建步行細胞傳輸模型(A-PCTM),仿真模擬行人在改變目的地以及根據前方情況判斷方向的疏散情景;Phark 等人[23]使用機器學習算法預測化學事故并模擬緊急疏散的過程;楊瀚申等人[24]基于 Agent 智能體仿真模擬三維巷道的人員疏散動態過程。然而除了模擬疏散情景外,疏散人員的行為也是一個重要研究方向。人員疏散行為仿真多綜合心理學、社會學等知識與理論,關注人員在突發事件發生時的情緒與反應。

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    第二章 城市道路的人員疏散風險評價方法


    2.1 道路應急疏散風險綜合評價方法

    本文提出的道路應急疏散風險綜合評價方法,考慮多種道路疏散風險影響因素,目的是綜合評價人員在道路上進行應急疏散的風險。這里的疏散風險實際上指的是事故發生的潛在風險,以及人員疏散的困難程度。并以此作為判斷依據對城市道路規劃、交通基礎設施配置以及疏散預案和預警提供決策參考。城市道路的人員疏散風險評價涉及眾多影響因素,通過對相關文獻的研究與參考,本研究從道路自身屬性、建筑影響、人員與交通情況中選取比較重要的風險影響因素,根據影響因素的正負相關關系建立道路疏散風險評價函數(EREF),并結合臨界簇模型(CCM),提出“道路應急疏散風險指數”,由該指數來量化評估道路疏散風險并得到整個研究區的綜合評價結果圖。

    2.1.1 道路疏散風險評價函數(EREF)

    道路疏散風險評價函數主要綜合多種影響因素,建立函數量化分析疏散風險??紤]城市人員疏散過程中的實際情況,本研究從三大方面:道路自身屬性、建筑影響、人員與交通情況的影響中選擇六個重要的影響因子,其中包括道路寬度、道路障礙系數、建筑威脅系數、行人逆流阻礙系數、交通流阻礙系數與應急避難場所分布系數,建立道路疏散風險評價函數,定量評價城市道路的人員疏散綜合風險。對六個影響因子進行詳細闡述如下:

    (1)道路寬度(RW):道路寬度作為道路自身基本屬性信息,是影響道路疏散效率的一個重要因素,較寬的道路具有較大的行人承載能力,在疏散過程中可以提供較好的疏散條件。在本研究中道路寬度直接運用在道路疏散風險評價函數(EREF)公式中。

    圖 2-4 最大增益啟發式算法示意圖

    圖 2-4 最大增益啟發式算法示意圖

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    2.2 突發事件情景下的應急疏散風險評價方法

    不同于道路應急疏散風險綜合評價,突發事件情景下的道路疏散風險評價針對某種類型的突發事件展開分析,能夠提供更為具體,在特定情景下可參考性更強的應急決策參考。道路疏散風險綜合評價提供了清晰直觀的風險分布圖,辨識存在一定潛在危險的區域;而突發事件發生后,為了能夠迅速對事故地實施救援與安全疏散,需要通過對突發事件情景下的應急疏散風險評價,及時設置出合理的疏散通道,制定高效的疏散方案。

    由于突發事件的擴散模式、環境條件等眾多復雜不確定因素,需要依靠物理和化學等相關學科的理論來獲得,本文對這些復雜因素進行了一定的簡化。假設在理想情況下,突發事件發生時,除了道路自身屬性等因素外,疏散風險僅與突發事件發生中心的距離、突發事件強度有關,本研究中僅考慮這兩個因素。根據生活體驗與相關文獻的參考,突發事件情景下道路疏散風險與事件發生地到該道路所在位置的空間歐式距離 D 呈負相關關系;而突發事件發生強度直接決定突發事件的影響程度,并且突發事件發生強度 a 與對城市道路疏散風險造成的影響呈正相關關系。

    圖 3-1 程序設計總框架結構

    圖 3-1 程序設計總框架結構

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    第三章 基于 Python 語言的道路疏散風險計算程序.......................16

    3.1 設計開發原則 ................. 16

    3.2 總體框架設計 ......................... 16

    第四章 上海市外環線內區域研究案例....................25

    4.1 研究區概況 ....................... 25

    4.2 數據與預處理 ..........

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