, 钟少波Scenario deduction based emergency rescue plan assessment and decision optimization of urban rainstorm water-logging:A case study of Beijing
SUNChao, ZHONGShaobo通讯作者:
收稿日期:2016-03-29
修回日期:2016-12-10
网络出版日期:2017-07-12
版权声明:2017《地理学报》编辑部本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
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摘要
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Abstract
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1 引言
气候变化背景下极端天气频发已经成为国际社会关注的全球性重大问题。IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）第五次评估报告[1]指出,全球平均气温在过去100年内上升了0.74 ℃,全球变暖使得夏天更热、冬天更暖。与此同时,全球一半陆地面积遭受强降水的频率呈显著上升趋势,直接增大了暴雨、内涝、海啸等极端天气事件的发生风险,同时重点阐明了7个方面的科学问题,尤其是对21世纪末2 ℃的升温情景的相应措施。中国是一个自然灾害频发的国家,如1998年长江流域的强降水,2008年南方的雪灾事件以及2013年北京“7·21”城市暴雨内涝等,极端天气事件对国家经济建设、居民安全以及社会稳定造成严重影响。因此,灾害预警与应急救援决策能力被视为政府公信力和公共服务能力的重要组成,也逐渐成为学界关注的热点问题[2-7]。国内外****从灾害系统和灾害推演角度提出了灾害情景推演模型与方案,如构建了基于系统动力学的突发事件模型[9];基于元胞自动机的人员疏散推演模型[10];基于情景依赖的“情景—沟通—合作—共识—行动”的应急决策动态模式[8, 11-13],以及基于复杂网络的推演预警模型[14]。在灾害情景推演的基础上,采用AHP、ANP、TOPSIS、数值模拟法、多元统计等理论决策方法,评估应急方案并提出救援决策建议。诸如应用AHP法对县域尺度暴雨内涝风险评价[15],应用ANP法对航空空管安全场景的评估[19]。利用多属性效用分析方法处理核事故的应急决策[23]。总体看来,既有研究多以定性、半定量和部分耦合3S技术发展起来的灾情推演系统[16-18, 20-22, 24],主要利用有限信息进行时间片段式的情景推演和应急方案的灾后评估;尚缺乏统一的量化研究范式,没有充分发挥推演模型全链条、多维度的智能仿真和辅助决策功能。
综上所述,基于灾害全链条的情景推演和多时间刻度的应急方案评估充分考虑了灾害情景的时间演化特性,是大幅提高决策者应急处置效率、优化应急决策方案的重要支撑。因此,本文以城市频发的暴雨内涝灾害为例,选择北京城区西二环与西四环之间区域为实证研究区,首先构建了耦合内涝水淹模型和多智能体城市路况模型的全链条、多维度的灾害情景推演方案;在此基础上,实施不同应急救援目标导向下多时间刻度的应急救援方案预评估,进而提出应急救援决策的优化建议,以期为应急管理方法和理论研究的不断完善提供科学依据。
2 研究方法与数据来源
2.1 研究区域与方案
2.1.1 研究区域 北京地处半湿润大陆新季风气候,是华北地区降雨最多的地区之一。由于其降水分配不均,雨日少而极端雨量大,7月和8月间频发大到暴雨。而且,城市下垫面复杂的立体交通结构以及不尽完善的排水设施将增大暴雨内涝的发生机率与危害强度,从而对交通设施与居民出行安全造成较大威胁。由此,本文选择了北京市西二环到西四环之间包含莲花桥、北京西站、五棵松等交通热点以及多个立交桥设施近50 km2的区域作为研究区（图1）。2.1.2 研究方案 暴雨内涝灾害的情景推演可以从孕灾环境、致灾因子、承灾载体3个角度来表达分析。其孕灾环境主要为全球气候变化和城市化进程加快;致灾因子为在热带气旋的驱动下所引发的暴雨,同时直接或间接作用于地表事物并产生负面影响,表现为灾害导致的道路内涝积水;承灾载体则是暴露于城市暴雨内涝灾害风险中的社会、经济和自然系统要素[25]。本文通过对致灾因子的内涝淹没的范围与深度进行定量模拟,结合了基于多智能体的道路承灾载体推演模型,耦合得到全链条、多维度的灾害情景推演及其应急方案预评估。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1研究区域
-->Fig. 1Research area
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2研究总体方案
-->Fig. 2Research scheme
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城市内涝模型主要通过城市气象数据结合降水统计模型,模拟出降雨并输出城市径流模型所需要的结果。然后通过城市地形、土地利用以及城市排水管网布局模拟出城市降雨径流的动力过程,从而计算出城市各条街道的实时淹没深度（D）。道路动态推演模型则通过道路水深、路网结构以及车流量数据,对车辆行驶行为以及道路路况进行模拟,量化承灾载体的实时规模和空间分布特征。在此基础上,根据不同应急方案下承灾载体的暴露分析,综合考虑特定位置承灾载体的淹没深度（Dr）和驶离对应道路的淹没时间（Tr）,重点从受损车辆规模和遭受安全威胁人数定量评估基于救援人数、救援时间和救援空间布局原则的应急方案优劣,从而构建城市暴雨内涝灾害的应急决策研究范式。研究方案如图2所示。
2.2 城市暴雨内涝灾害的情景推演方案
2.2.1 城市内涝模型构建与场景模拟——致灾因子 致灾因子分析是灾害风险评估的重要部分,主要是对灾害的致灾因子的特征提取并进行模拟推演,从而获得灾害潜在的要 素[26]。城市暴雨内涝灾害情景由美国环境署开发的降雨径流动力学仿真软件SWMM模 拟[27]。该软件可以满足城市的径流排水的模拟需要,在SWMM中,城市降雨径流过程的模拟主要考虑雨水在地面汇流的水文过程（公式（1））与雨水在由管道、渠道、蓄水设施、水处理设施组成的排水系统运动的水力学过程（公式（2）、（3））来实现[28]：式中：V是水流在明渠中的流速;n是糙率;R为水力半径（流体截面积与湿周长之比）;S为明渠坡度。
式中：Q和A分别为截面流量和截面面积;s为距水道某固定断面沿流程的距离;t为时间;g为重力加速度;h和v分别为相应于s处过水断面的水深和断面的平均流速;S为底面坡度;
2.2.2 城市路况推演模型构建与模拟——承灾载体 城市路况推演模型是针对研究区内的承灾载体,即行驶车辆的数量特征和空间分布特征进行定量模拟,主要考虑道路的长度、宽度和路网拓扑等基本信息;道路的初始积水情况,由城市内涝模型模拟而来（D）;道路的车辆情况,包括道路的车辆数量、车辆的初始目的地、进入研究区的外围车辆。
t时刻的车辆数目：
式中：Nr是t时刻的车辆数目;Nr_In是进入研究区的外围车辆;Nr_Out是离开研究区到外围的车辆数目。基于此,平均车速
式中：S表示车辆平均间距,可由道路长度L、当前车辆N以及车道数WN估算;α表示车辆长度;β表示人的反应时间;γ表示跟驰车辆最大减速度的二倍倒数。那么,特定位置承灾载体驶离对应道路的淹没时间Tr=Lr/Vr。
2.3 内涝灾害的风险评测与应急救援方案评估
2.3.1 内涝灾害的暴露分析与风险评测 根据淹没深度（D）与淹没时长（T）综合评测承灾载体的暴露性和特定道路区域的风险指数。当淹没深度低于0.15 m时,车辆损坏可忽略不计;当车辆在淹没深度高于0.15 m低于0.4 m累积淹没30 min以上,车辆轻微损坏;当车辆在淹没深度高于0.4 m低于0.8 m的累积淹没30 min以上,车辆严重损坏;当车辆在淹没深度高于0.8 m的累积淹没30 min以上,车辆严重损坏,且乘车人员的生命安全遭到威胁[30-31]。在此基础上,根据特定道路内车辆空间位置和道路积水状况,计算t时刻道路内所有车辆驶出的风险指数Rt：
式中：Nt表示t时刻道路上的总车辆数;
2.3.2 应急救援方案与评估 在城市暴雨内涝的灾害场景下,应急救援力量一方面可以有效疏导路段车辆,加快车辆行驶速度,从而避免拥堵的产生;另一方面,可以对“严重损坏”的车辆实施救援,保护乘车人员的生命安全。应急救援配置可采用基于救援人数规模的应急方案、基于救援启动时间的应急方案和基于不同救援空间布局原则的应急方案。本文针对100年重现期降雨场景,采用蒙特卡洛模拟方法,分别对以上3类不同的应急方案进行多时间刻度的动态预评估,重点从受损车辆规模和遭受安全威胁人数定量评估应急方案优劣。基于救援人数规模的应急方案主要考虑救援人数在5人组至35人组区间的变化;基于救援启动时间的应急方案主要考虑救援启动时间在30 min至120 min的区间变化;基于不同救援空间布局原则的应急方案主要采用以下3种救援空间布局原则：原则A布置在道路中心性最高的路段;原则B布置在平均车速最慢的路段;原则C布置在车辆数量最高的路段。
3 城市暴雨内涝灾害的情景构建与推演
3.1 城市暴雨内涝仿真
从空间分布上看（图3）,50年重现期降雨下,道路积水的高危区并不明显。100年重现期降雨下,高危区主要分布在西二环和月坛南街交叉路段、广安门北街和天宁寺南街交叉路段以及西三环与广安路交叉路段。其中广安门北街与天宁寺前街最高积水深度达到0.4 m。200年重现期降雨下,高危区又增加了三里河路和月坛南街交叉路段,梅市口东路与西四环、莲花池西路交叉路段。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3研究区域道路最高积水空间分布
-->Fig. 3The spatial distribution of the road water-logging of the research area
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3.2 城市路况仿真
通过设置道路上初始车数量、目的地（随机出口）以及外围驶入车辆,可以模拟出无降水状态下研究区道路的车辆行驶情况。图4a中给出了初始车辆数为40辆/min,外围进入车辆最高为20辆/min的模拟效果;图4b、4c分别给出了30 min和60 min后的路况动态推演效果;图4d展示了在该路况动态推演下的道路平均车速和车辆总数的变化情况。道路平均车速在8 min时最小,说明模型运行至8 min时,道路上车辆较为集中,造成了局部拥堵。车辆总数在13 min前呈显著下降趋势,说明研究区内驶出车辆数大于驶入车辆数。由此,在10 min左右时局部拥堵逐步疏解,道路平均车速也显著上升。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4研究区域路况模型
-->Fig. 4Road condition model of the research area
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3.3 城市暴雨内涝灾害的情景推演
本节分别对100年暴雨重现期缓行场景和拥堵场景的车辆疏散状况进行动态推演,重点分析研究全域的风险指数变化特征及其区域分异现象,为应急决策方案的制定提供风险认知基础。图5展示了不同暴雨重现期缓行场景和拥堵场景的风险指数与车辆损失情况的时序变化。从100年重现期来看,风险指数在105 min时开始显著增大,且拥堵场景下的风险指数显著大于缓行场景下的风险指数。风险指数上升直至140 min时,开始陡然下降,这与积水深度的时序变化具有同步性。与风险指数变化相比较,车辆损坏情况约有10~15 min的滞后性,从120 min起也显著上升。拥堵场景下的车辆严重损坏数约为缓行场景的1.5倍,而遭受生命威胁的居民数量则远远大于缓行场景。随后,车辆损坏数上升至150 min后保持稳定,而拥堵场景下遭受生命威胁的居民数量依然在上升。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5研究区100年降雨重现期风险指数与灾情损失评估的时序变化
-->Fig. 5The sequential variation of risk index and loss evaluation under the 100 rain recurrence interval of the research area
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图6研究区100年降雨重现期不同场景下最大风险指数的空间分布
-->Fig. 6The sequential variation of the largest risk index of different scenarios under the 100 rain recurrence interval of the research area
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图6展示了100年降雨重现期不同场景下特定道路最大风险值的空间分布。100年重现期降雨的缓行场景下（图6a）,研究区北部路段风险值相对较大,以阜成路为主要风险道路,与其交叉路段包括西三环路,三里河路等到达到了较高的风险值,尤其是西三环北部路段风险值高达5级。研究区中部的复兴路与西三环路也是3级风险的路段。而在100年重现期降雨拥堵场景下（图6b）,阜成路与西三环交叉路段则成为风险最高的地区,风险级别均高达4级以上。此外,研究区中部的玉渊潭南路、复兴路以及莲花池东路也有部分路段达到4级风险,三里河路以东路段达到3级风险。
4 城市暴雨内涝灾害的应急决策与方案评估
4.1 基于救援人数决策的方案评估
救援人数规模在应急事件处置中具有基础性作用,但是由于灾害事件的突发性和救援力量原始配置的区域差异性,特定灾害情景下可迅即参与救援的规模往往有限[33-35]。因此,基于不同的救援人数限定的灾害损失模拟和方案评估对优化救援空间配置决策具有重要参考价值。本次方案评估设定救援人数分别取5、10、15、20、25、30和35组,救援启动时间为60 min。随着救援人数的增多,灾害损失显著下降,从5组时1800人遭受生命威胁降至35组时500人以下。由此可见,救援资源的规模是提升应急处置成效的基础性保障。图7展示了不同救援参与人数限定下,救援力量的空间配置格局。当救援资源较少,不多于10组时（图7a、7b）,路网的中部路段是主要的救援布局区,包括北蜂窝路、南蜂窝路、广莲路以及莲花桥等路段;当救援力量增加到20人组时（图7d）,除了路网中部以外,也包括了北部以及西南部外围路段：阜成路,西南四环,三环北部路段等;当救援力量较为充沛时（图7e、7f）,主要布置在莲花桥附近的莲花池东、西路以及三环上。此外,包括阜成门内大街、复兴门内大街及其大成路等易引发拥堵的道路也布置了救援力量。总体看来,救援力量将优先布局在风险指数高企的区域,随着救援力量的增多,将显著减少承灾载体的高风险区域,进而提升应急处置成效。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图7研究区救援力量布局模拟
-->Fig. 7The rescue forces distribution of the research area
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4.2 基于救援启动时间决策的方案评估
在不同的救援启动时间限定下对灾害损失进行了评估。本次方案设定救援人数为20人组,救援布局采用优先布置在车辆数量最多路段的原则。图8a展示了生命受威胁人数随救援启动时间的变化曲线,可以看到最优的救援启动时间在45 min到75 min之间。由此可见,过早启动救援并不能直接降低灾情损失。救援启动时间过早,不能准确把握重灾路段所在位置,难以将救援力量部署在相应道路上。救援启动时间过晚则使路段造成拥堵,难以疏解,车辆提前遭受严重损失,导致救援失效。此外,对比风险指数（图8b）可以看出,当救援启动开始于风险指数显著上升前15 min时（90 min以前）,灾情损害能降低至较低范畴;一旦车辆风险指数显著变高以后,如救援启动时间超过105 min,疏导行为就会过晚而导致灾害损失陡增。因此,适时的救援启动可以有效规避过早启动导致的救援空间配置不当和过晚启动导致的救援失效两类问题。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图8研究区救援力量时间参数配置
-->Fig. 8The time parameter configuration of rescue forces of the research area
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4.3 基于不同救援空间布局原则的方案评估
救援空间布局与实时路况密切相关,不同的救援布局原则将产生迥异的空间布局方案和风险程度。基于道路中心性的布局原则依托于研究区域的路网结构,基于路段平均车速和车辆数量的布局原则均是针对道路动态情况模拟布局。本文设定救援力量为20人组,救援启动时间为75 min,分别针对以上3种救援空间布局原则进行模拟对比与方案评估（图9,图10）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图9研究区不同原则下的救援力量布局
-->Fig. 9The rescue forces distribution under different principles of the research area
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图10研究区不同救援力量布局下的灾害损失
-->Fig. 10The disaster loss under different rescue forces distribution of the research area
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原则A主要将救援力量布置在路网中部,主要包括玉渊潭南路、三里河东里、白云路以及莲花池东路。这种布局策略相对保守,虽然可以保证居民生命威胁数量维持在较低范围,但整体损失的车辆最多。此外,由于没有全面考虑实时路况,难以有效支撑灾害动态演变下的应急决策。
原则B主要将救援力量布置在路网北部接近出口的路段以及中部三环以东的路段,包括阜成路、展览馆路、西三环、玉渊潭南路、南蜂窝路、广莲路附近等,这些路段一方面在交通枢纽（北京西站、莲花桥附近）或路宽较窄的出口或小路上（展览馆路、玉渊潭南路）,车速相对较慢;另一方面,也是积水深度容易达到0.4 m以上的路段。因此,该原则布局下的车辆严重损失是最少的。但由于该原则仅考虑了道路速度情况,未考虑车辆较多路段的风险指数可能更大,忽略了部分车辆密集且积水较深的路段（如西三环南部的阜成路,玉渊潭南路中段等）,因而遭受生命威胁的居民数量相对较多。该原则对积水不深的快速出逃场景更为适合。
原则C与原则B在救援力量布置上较为相似,均在北京西站、莲花桥等交通枢纽处布置了救援力量,同时包括了北部的阜成路。该原则下,救援力量主要布置在车辆较多的路段,因此车辆总体的风险指数最低,灾害损失最小。但基于该原则的救援布置容易造成救援力量浪费,例如某些路段车辆虽多,但由于道路较宽等因素,其实质风险指数并不高;再如车辆虽然拥堵,由于路段并未积水,其损坏风险也较小。因此,该原则适合在救援力量充足的场景下运用。
5 结语
（1）本文在构建内涝水淹模型和多智能体城市路况模型的全链条、多维度的灾害情景推演方案的基础上,实施应急救援目标导向下多时间刻度的应急救援方案定量预评估,有效顾及了灾害事件发生后生命周期过程中各类信息传递的不完整性、欠准确性和动态演化性等特点,通过应急救援方案的动态预评估支撑决策者的应急方案优化设计。（2）应急救援配置可采用基于救援人数的应急方案、基于救援启动时间的应急方案和基于救援空间布局原则的应急方案。本文针对100年重现期降雨场景,采用蒙特卡洛模拟方法,分别对以上3类不同的应急方案进行动态模拟,并从车辆损失和生命安全角度定量评估应急方案的优劣。基于救援人数的应急方案中给出了不同救援人数下灾害损失变化情况,印证了救援力量在应急事件处置中的基础性地位。随着救援力量的增多,将显著减少承灾载体的高风险区域,进而提升应急处置成效;基于救援启动时间的应急方案中得出,最优的救援启动时间在45 min到75 min之间,适时的救援启动可以有效规避过早启动导致的救援空间配置不当和过晚启动导致的救援失效两类问题;基于救援空间布局的应急方案实证了不同原则下救援力量的空间配置特点,并诠释其最优运用条件。
（3）城市气象灾害应急系统是个复杂而庞大的体系,受到多因素的制约,从而导致应急方案预评估与决策优化的复杂性和艰巨性。本文提出的灾害情景推演方案和应急决策范式可以为解决上述问题提供一种新的思路。但是,本文采用的模拟过程可能存在以下3类误差：降水模型的径流量预测误差一般在±6%~±25%之间;城市路况推演模型中平均车速误差不大于3%;城市积水仅模拟了高风险情景。因此,需继续完善对灾害情景推演方案的校验研究,将增强成果的现实价值;而且,文中仅对不同应急救援目标导向下的应急方案进行了预评估和比对研究,基于多目标耦合的应急方案构建及其评估也将是未来的研究重点。
The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献 原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
被引期刊影响因子
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| [2] | 本文在作者１９９１年发表的“灾害研究的理论与实践”一文基础上，全面分析了当前国外灾害理论研究的进展，对灾害理论研究中的致灾因子论、孕灾环境论、承灾体（人类活动）论进行了评述，并系统地阐述了区域灾害系统论的主要内容，即在综合分析组成区域灾害系统的致灾因子、孕灾环境、承灾体的基础上，通过对致灾因子的风险性评估、孕灾环境稳定性的分析、承灾体易损性的评价，揭示区域致灾与成灾过程中灾情形成的动力学机制，并从可持续发展的角度，理解资源开发与灾情形成的关系——“受益致损，兴利除害”常同时存在。因此，必须把资源开发与防灾减灾同步进行 . 本文在作者１９９１年发表的“灾害研究的理论与实践”一文基础上，全面分析了当前国外灾害理论研究的进展，对灾害理论研究中的致灾因子论、孕灾环境论、承灾体（人类活动）论进行了评述，并系统地阐述了区域灾害系统论的主要内容，即在综合分析组成区域灾害系统的致灾因子、孕灾环境、承灾体的基础上，通过对致灾因子的风险性评估、孕灾环境稳定性的分析、承灾体易损性的评价，揭示区域致灾与成灾过程中灾情形成的动力学机制，并从可持续发展的角度，理解资源开发与灾情形成的关系——“受益致损，兴利除害”常同时存在。因此，必须把资源开发与防灾减灾同步进行 |
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| [6] | 2008年初我国南方遭受特大低温雨雪冰冻灾害,并造成了重大损失。基于媒体发布的气象预报信息和灾情数据,从综合风险防范的角度深入分析了此次灾害应急中暴露出的问题,主要包括气象灾害应急社会联动机制不完善、电力和交通部门应急响应滞后、气象灾害综合风险影响评估缺位、政府与民众之间的风险沟通不足等;同时提出了气象灾害综合风险链的概念,认为气象灾害作为致灾因子可能引发出一系列灾害,在自然和人文因素的相互作用下形成综合风险链,具有很大的危害性。最后,从灾害过程的角度构建了气象灾害综合风险防范模式,认为当前特别要加强气象灾害综合风险评估,建立应急处置社会联动机制,风险沟通贯穿整个综合风险防范过程。 . 2008年初我国南方遭受特大低温雨雪冰冻灾害,并造成了重大损失。基于媒体发布的气象预报信息和灾情数据,从综合风险防范的角度深入分析了此次灾害应急中暴露出的问题,主要包括气象灾害应急社会联动机制不完善、电力和交通部门应急响应滞后、气象灾害综合风险影响评估缺位、政府与民众之间的风险沟通不足等;同时提出了气象灾害综合风险链的概念,认为气象灾害作为致灾因子可能引发出一系列灾害,在自然和人文因素的相互作用下形成综合风险链,具有很大的危害性。最后,从灾害过程的角度构建了气象灾害综合风险防范模式,认为当前特别要加强气象灾害综合风险评估,建立应急处置社会联动机制,风险沟通贯穿整个综合风险防范过程。 |
| [7] | 随着近年来自然灾害发生频次的增加与巨灾效应的不断涌现,人们对自然灾害风险分析提出了更高的要求与期望。然而,由于人们对"风险"认识的不全面与不系统,导致了灾害风险分析理论与技术水平的停滞不前。"风险是与某种不利事件有关的一种未来情景"是我们对"风险"的诠释。据该定义可知,风险不仅仅只是着眼于过去,更重要的是要展望未来;风险不再只是历史灾难的统计,而是未来不利事件情景的分析。因此,"情景分析"成为风险研究的一项新手段,它不仅摒弃了传统方法仅着眼"过去"的局限性而实现从"过去"到"现在"到"未来"合理过渡的研究思路,而且摒弃了传统方法仅限于因子统计分析的局限性而实现系统分析的研究理念。以"情景分析"为技术手段,提出了情景驱动的区域自然灾害风险分析方法,旨在探讨对风险研究思路与技术的创新。 . 随着近年来自然灾害发生频次的增加与巨灾效应的不断涌现,人们对自然灾害风险分析提出了更高的要求与期望。然而,由于人们对"风险"认识的不全面与不系统,导致了灾害风险分析理论与技术水平的停滞不前。"风险是与某种不利事件有关的一种未来情景"是我们对"风险"的诠释。据该定义可知,风险不仅仅只是着眼于过去,更重要的是要展望未来;风险不再只是历史灾难的统计,而是未来不利事件情景的分析。因此,"情景分析"成为风险研究的一项新手段,它不仅摒弃了传统方法仅着眼"过去"的局限性而实现从"过去"到"现在"到"未来"合理过渡的研究思路,而且摒弃了传统方法仅限于因子统计分析的局限性而实现系统分析的研究理念。以"情景分析"为技术手段,提出了情景驱动的区域自然灾害风险分析方法,旨在探讨对风险研究思路与技术的创新。 |
| [8] | 自然灾害情景模拟与风险评估是灾害研究的核心内容和热点问题之一,但城市自然灾害风险评估至今却缺乏统一的程序与范式。本文选择了城市频发的暴雨内涝灾害为研究对象,结合上海市静安区实证研究,提出了一套基于小尺度的城市暴雨内涝灾害风险评估的思路与方法。基于灾害风险的基本理念,从致灾因子分析、脆弱性分析和暴露分析三方面入手,探讨不同情景下的小尺度城市暴雨内涝灾害情景模拟与风险表达方式;提出了小尺度城市暴雨内涝灾害风险评估宜采用情景模拟和综合分析方法,充分考虑城市的内部地形特征、降水、径流和排水等因素,创建一个基于GIS栅格的城市内涝模型,并基于多种重现期灾害情景,更客观地模拟内涝积水深度和淹没面积;采用多次实地调查获得的内涝损失数据,拟合出居民房屋和室内财产的灾损曲线;利用灾损曲线评估脆弱性、暴露要素和损失,建立超越概率-损失曲线,创建了基于GIS栅格城市暴雨内涝灾害的风险评估模型与范式,为制订城市暴雨内涝灾害风险管理和规划奠定了基础。这亦为进一步开展小尺度城市自然灾害情景模拟和风险评估研究提供了一种新探索。 . 自然灾害情景模拟与风险评估是灾害研究的核心内容和热点问题之一,但城市自然灾害风险评估至今却缺乏统一的程序与范式。本文选择了城市频发的暴雨内涝灾害为研究对象,结合上海市静安区实证研究,提出了一套基于小尺度的城市暴雨内涝灾害风险评估的思路与方法。基于灾害风险的基本理念,从致灾因子分析、脆弱性分析和暴露分析三方面入手,探讨不同情景下的小尺度城市暴雨内涝灾害情景模拟与风险表达方式;提出了小尺度城市暴雨内涝灾害风险评估宜采用情景模拟和综合分析方法,充分考虑城市的内部地形特征、降水、径流和排水等因素,创建一个基于GIS栅格的城市内涝模型,并基于多种重现期灾害情景,更客观地模拟内涝积水深度和淹没面积;采用多次实地调查获得的内涝损失数据,拟合出居民房屋和室内财产的灾损曲线;利用灾损曲线评估脆弱性、暴露要素和损失,建立超越概率-损失曲线,创建了基于GIS栅格城市暴雨内涝灾害的风险评估模型与范式,为制订城市暴雨内涝灾害风险管理和规划奠定了基础。这亦为进一步开展小尺度城市自然灾害情景模拟和风险评估研究提供了一种新探索。 |
| [9] | New technology is making fundamental changes in the etiology of accidents and is creating a need for changes in the explanatory mechanisms used. We need better and less subjective understanding of why accidents occur and how to prevent future ones. The most effective models will go beyond assigning blame and instead help engineers to learn as much as possible about all the factors involved, including those related to social and organizational structures. This paper presents a new accident model founded on basic systems theory concepts. The use of such a model provides a theoretical foundation for the introduction of unique new types of accident analysis, hazard analysis, accident prevention strategies including new approaches to designing for safety, risk assessment techniques, and approaches to designing performance monitoring and safety metrics. |
| [10] | We propose a two-dimensional cellular automaton model to simulate pedestrian traffic. It is a v max =1 model with exclusion statistics and parallel dynamics. Long-range interactions between the pedestrians are mediated by a so-called floor field which modifies the transition rates to neighbouring cells. This field, which can be discrete or continuous, is subject to diffusion and decay. Furthermore it can be modified by the motion of the pedestrians. Therefore, the model uses an idea similar to chemotaxis, but with pedestrians following a virtual rather than a chemical trace. Our main goal is to show that the introduction of such a floor field is sufficient to model collective effects and self-organization encountered in pedestrian dynamics, e.g. lane formation in counterflow through a large corridor. As an application we also present simulations of the evacuation of a large room with reduced visibility, e.g. due to failure of lights or smoke. |
| [11] | 综合考虑海平面上升、陆域和海域地形变化、海塘沉降等因素,本文以上海历史上引发强风暴潮的热带气旋TC5612、TC8114和TC0012为基础,构建了12种复合灾害情景,利用MIKE21 FM模型模拟分析了不同情景下台风风暴潮对上海造成的漫滩淹没影响。结果表明:以2010年为模拟基准年份,由于上海地区有高标准的海塘防护,发生风暴潮漫堤淹没的概率极低;但随着时间情景的改变,各情景要素强度加大,漫滩淹没危险性逐渐增大;在2040年的复合灾害情景中,以正面登陆类热带气旋造成的影响为最大,局部区域淹没深度可达3.0 m以上,全市25.23%的海塘和防汛墙存在漫堤危险,漫堤淹没危险区的面积可达到909.53 km2。在此基础上开展了应急避难模拟及避难场所优化研究,进而针对性地提出了保护城市水源涵养区、开挖城市蓄水空间、提高部分海塘设防水平、加强城市排涝系统建设和优化城市应急避难场所布局等空间应对方案。研究成果给上海新一轮"城市安全与综合防灾规划"提供了科学依据。 . 综合考虑海平面上升、陆域和海域地形变化、海塘沉降等因素,本文以上海历史上引发强风暴潮的热带气旋TC5612、TC8114和TC0012为基础,构建了12种复合灾害情景,利用MIKE21 FM模型模拟分析了不同情景下台风风暴潮对上海造成的漫滩淹没影响。结果表明:以2010年为模拟基准年份,由于上海地区有高标准的海塘防护,发生风暴潮漫堤淹没的概率极低;但随着时间情景的改变,各情景要素强度加大,漫滩淹没危险性逐渐增大;在2040年的复合灾害情景中,以正面登陆类热带气旋造成的影响为最大,局部区域淹没深度可达3.0 m以上,全市25.23%的海塘和防汛墙存在漫堤危险,漫堤淹没危险区的面积可达到909.53 km2。在此基础上开展了应急避难模拟及避难场所优化研究,进而针对性地提出了保护城市水源涵养区、开挖城市蓄水空间、提高部分海塘设防水平、加强城市排涝系统建设和优化城市应急避难场所布局等空间应对方案。研究成果给上海新一轮"城市安全与综合防灾规划"提供了科学依据。 |
| [12] | The network of public agencies, private firms, nonprofit organizations, ad hoc groups, and individual volunteers that deals with natural and technological hazards and disasters did a remarkable job of responding to and helping us recover from the September 11th attacks. That national emergency management network, along with the national security and law enforcement networks, provides a foundation for our war on terrorism, helps us mitigate the hazard of terrorism, and improves our preparedness for future violence. However, coordinating the efforts of the networks will be a real challenge for the director of homeland security and his or her state and local counterparts. Coordination will necessitate using legal authority to assure compliance, economic and other incentives to encourage compliance, formal partnerships to encourage collaboration, informal understandings to encourage cooperation, and personal encouragement to influence appropriate action. A top–down, command–and–control approach to the war on terrorism, such as the proposed Department of Homeland Security is intended to provide, may be counterproductive. |
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| [16] | 为了研究海底隧道火灾情景应急资源评价问题,以翔安海底隧道为例,基于隧道火灾情景演变机理与流程分析,建立火灾事故情景演变分析模型.选择特征情景演变路径并抽取关键情景,构建关键情景应急资源评价指标体系,确立模型方法与步骤,建立基于突变级数的海底隧道火灾情景应急资源评价模型.最后,以客车火灾事故为例,对模型进行验证应用,为海底隧道火灾应急资源评价提供一种新方法. . 为了研究海底隧道火灾情景应急资源评价问题,以翔安海底隧道为例,基于隧道火灾情景演变机理与流程分析,建立火灾事故情景演变分析模型.选择特征情景演变路径并抽取关键情景,构建关键情景应急资源评价指标体系,确立模型方法与步骤,建立基于突变级数的海底隧道火灾情景应急资源评价模型.最后,以客车火灾事故为例,对模型进行验证应用,为海底隧道火灾应急资源评价提供一种新方法. |
| [17] | 本文首先对案例推理用于应急决策的可行性做了分析，然后根据案例推理的“运作-反馈-修正-再运作”闭环渐进过程，提出面向应急决策的案例推理流程；其后将决策人得出方案的心理活动定义为“酝酿-提示-启发-顿悟-验证”五阶段，继而提出“人-机”交互路径包括积极走向的直接启发式、触类旁通式、人机互助式，以及消极走向的因循附属式、利己满足式、独裁冒进式；最后提出目标案例决策方案的概念模型，用以描述决策人在案例库辅助下决策的实现机理。 . 本文首先对案例推理用于应急决策的可行性做了分析，然后根据案例推理的“运作-反馈-修正-再运作”闭环渐进过程，提出面向应急决策的案例推理流程；其后将决策人得出方案的心理活动定义为“酝酿-提示-启发-顿悟-验证”五阶段，继而提出“人-机”交互路径包括积极走向的直接启发式、触类旁通式、人机互助式，以及消极走向的因循附属式、利己满足式、独裁冒进式；最后提出目标案例决策方案的概念模型，用以描述决策人在案例库辅助下决策的实现机理。 |
| [18] | 提出基于区域灾害系统理论来构建复杂灾害情景,用于描述突发事件的复杂性和高度不确定性.基于复杂灾害情景建立了一个两阶段随机规划模型,进行应急设施的定位决策、应急物资的库存决策和不同灾害情景下应急物资分配预案的制定.使用新的编码方式,将第一阶段的选址-库存模型转化为一个无约束非线性优化模型,使用自适应免疫克隆选择文化算法进行求解.对于第二阶段的应急物资分配模型,则提出了“势能抵消算法”.最后基于四川地震带的相关数据给出了算例,验证了模型及算法的有效性与可行性. . 提出基于区域灾害系统理论来构建复杂灾害情景,用于描述突发事件的复杂性和高度不确定性.基于复杂灾害情景建立了一个两阶段随机规划模型,进行应急设施的定位决策、应急物资的库存决策和不同灾害情景下应急物资分配预案的制定.使用新的编码方式,将第一阶段的选址-库存模型转化为一个无约束非线性优化模型,使用自适应免疫克隆选择文化算法进行求解.对于第二阶段的应急物资分配模型,则提出了“势能抵消算法”.最后基于四川地震带的相关数据给出了算例,验证了模型及算法的有效性与可行性. |
| [19] | 空中交通管制对于保障飞行安全至关重要,如何进行空管安全风险评估是亟待研究的问题.在分析三角模糊数学和ANP原理的基础上,针对空管安全风险因素相互影响的特点,建立基于Fuzzy-ANP的空管安全风险评估模型.以某空管单位为例进行实证分析,通过计算评价指标权重,找到影响空管安全风险的关键指标.结果表明,影响该空管单位安全的主要因素为管理标准效能、员工培训次数和人员语言及交流沟通状况等,该空管单位应重点改善这3个因素并兼顾其他影响因素.研究表明,Fuzzy-ANP分析法有助于确定安全风险评估的重点. . 空中交通管制对于保障飞行安全至关重要,如何进行空管安全风险评估是亟待研究的问题.在分析三角模糊数学和ANP原理的基础上,针对空管安全风险因素相互影响的特点,建立基于Fuzzy-ANP的空管安全风险评估模型.以某空管单位为例进行实证分析,通过计算评价指标权重,找到影响空管安全风险的关键指标.结果表明,影响该空管单位安全的主要因素为管理标准效能、员工培训次数和人员语言及交流沟通状况等,该空管单位应重点改善这3个因素并兼顾其他影响因素.研究表明,Fuzzy-ANP分析法有助于确定安全风险评估的重点. |
| [20] | 针对应急设施选址中存在的一类不同决策部门存在不同权重且属性值为精确数、三角模糊数和语言值的混合型多属性群决策问题,提出了一种基于TOPSIS和距离测度的应急设施选址群决策方法。该方法可直接集结评价信息,避免了数据类型转换和量纲统一所造成的信息损失,同时基于距离测度方法确定决策部门和属性的客观权重,将其客观权重和主观权重线性合成为综合权重。最后,通过具体的应急设施选址案例验证方法的可行性和有效性。 . 针对应急设施选址中存在的一类不同决策部门存在不同权重且属性值为精确数、三角模糊数和语言值的混合型多属性群决策问题,提出了一种基于TOPSIS和距离测度的应急设施选址群决策方法。该方法可直接集结评价信息,避免了数据类型转换和量纲统一所造成的信息损失,同时基于距离测度方法确定决策部门和属性的客观权重,将其客观权重和主观权重线性合成为综合权重。最后,通过具体的应急设施选址案例验证方法的可行性和有效性。 |
| [21] | Emergency service providers are facing the following problem: how and where to locate vehicles in order to cover potential future demand effectively. Ambulances are supposed to be located at designated locations such that in case of an emergency the patients can be reached in a time-efficient manner. A patient is said to be covered by a vehicle if (s)he can be reached by an ambulance within a predefined time limit. Due to variations in speed and the resulting travel times it is not sufficient to solve the static ambulance location problem once using fixed average travel times, as the coverage areas themselves change throughout the day. Hence we developed a multi-period version, taking into account time-varying coverage areas, where we allow vehicles to be repositioned in order to maintain a certain coverage standard throughout the planning horizon. We have formulated a mixed integer program for the problem at hand, which tries to optimize coverage at various points in time simultaneously. The problem is solved metaheuristically using variable neighborhood search. We show that it is essential to consider time-dependent variations in travel times and coverage respectively. When ignoring them the resulting objective will be overestimated by more than 24%. By taking into account these variations explicitly the solution on average can be improved by more than 10%. |
| [22] | Malaysia has seen tremendous growth in the standard of living and household per capita income. The demand for a more systematic and efficient planning has become increasingly more important, one of the keys to achieving a high standard in healthcare. In this paper, a Maximal Covering Location Problem (MCLP) is used to study the healthcare facilities of one of the districts in Malaysia. We address the limited capacity of the facilities and the problem is formulated as Capacitated MCLP (CMCLP). We propose a new solution approach based on genetic algorithm to examine the percentage of coverage of the existing facilities within the allowable distance specified/targeted by Malaysian government. The algorithm was shown to generate good results when compared to results obtained using CPLEX version 12.2 on a medium size problem consisting of 179 nodes network. The algorithm was extended to solve larger network consisting of 809 nodes where CPLEX failed to produce non-trivial solutions. We show that the proposed solution approach produces significant results in determining good locations for the facility such that the population coverage is maximized. |
| [23] | . 核事故应急决策是一个复杂的决策过程,需要综合考虑很多因素.多属性分析方法可以帮助决策者进行决策分析,使得决策过程更科学,决策结果更合理. 该方法首先为决策目标建立一棵与决策目标相关的属性树,并通过决策会议将决策树简化, 然后为简化后的决策树的重要属性建立效用函数, 使用RR、 RS、 ROC以及权衡方法确定各属性权重,并计算出各备选方案的效用值,从而得出最优方案. 最后给出了一个计算实例, 将此方法应用于一个特定的核事故情况下的应急决策.结果表明,多属性效用分析方法能有效地帮助决策者在核事故应急情况下作出最佳合理决策. . 核事故应急决策是一个复杂的决策过程,需要综合考虑很多因素.多属性分析方法可以帮助决策者进行决策分析,使得决策过程更科学,决策结果更合理. 该方法首先为决策目标建立一棵与决策目标相关的属性树,并通过决策会议将决策树简化, 然后为简化后的决策树的重要属性建立效用函数, 使用RR、 RS、 ROC以及权衡方法确定各属性权重,并计算出各备选方案的效用值,从而得出最优方案. 最后给出了一个计算实例, 将此方法应用于一个特定的核事故情况下的应急决策.结果表明,多属性效用分析方法能有效地帮助决策者在核事故应急情况下作出最佳合理决策. |
| [24] | 针对滨海城市旅游的特点,以4S技术与TIS集成构建滨海城市旅游安全预警与事故应急救援系统,该系统具有旅游环境和事故安全预警、应急事故处理决策及应急救援网络组织互动等功能,实现了旅游管理的科学化、可视化、智能化,它不仅能为政府机构的管理决策提供科学依据,而且是旅游及其相关管理部门实施旅游安全管理的有力工具. . 针对滨海城市旅游的特点,以4S技术与TIS集成构建滨海城市旅游安全预警与事故应急救援系统,该系统具有旅游环境和事故安全预警、应急事故处理决策及应急救援网络组织互动等功能,实现了旅游管理的科学化、可视化、智能化,它不仅能为政府机构的管理决策提供科学依据,而且是旅游及其相关管理部门实施旅游安全管理的有力工具. |
| [25] | 案例表示是案例推理的基础，突发事件案例涉及到大量非结构化的信息，如何有效地将海量信息整合成案例是案例表示的关键。该文针对中国突发事件的特点，结合信息来源，给出了突发事件案例应包括的要素，针对结构化信息和非结构化信息提出了不同的表示方法。对于结构化信息，使用模糊集合的方法定量表示，以隶属度函数代替单一的数值；对于非结构化的文本信息，通过对3种关键词提取方法的比较研究，选择了基于词语共现概率的改进方法提取关键词，利用提取结果进行信息抽取。整个案例被表示成包含定量化数据和抽取文本的半结构化形式，前者主要用于案例匹配，后者记录了案例的详细内容，用于提供决策支持。这种表示方法为进一步的案例推理奠定了基础。 . 案例表示是案例推理的基础，突发事件案例涉及到大量非结构化的信息，如何有效地将海量信息整合成案例是案例表示的关键。该文针对中国突发事件的特点，结合信息来源，给出了突发事件案例应包括的要素，针对结构化信息和非结构化信息提出了不同的表示方法。对于结构化信息，使用模糊集合的方法定量表示，以隶属度函数代替单一的数值；对于非结构化的文本信息，通过对3种关键词提取方法的比较研究，选择了基于词语共现概率的改进方法提取关键词，利用提取结果进行信息抽取。整个案例被表示成包含定量化数据和抽取文本的半结构化形式，前者主要用于案例匹配，后者记录了案例的详细内容，用于提供决策支持。这种表示方法为进一步的案例推理奠定了基础。 |
| [26] | Risk management has been established as a well defined procedure for handling risks due to natural, environmental or man made hazards, of which floods are representative. Risk management has been discussed in many previous papers giving different meanings to the term result of the fact that risk management actually takes place on three different levels of actions: the operational level, which is associated with operating an existing system, a project planning level, which is used when a new, or a revision of an existing project is planned, and a project design level, which is embedded into the second level and describes the process of reaching an optimal solution for the project. The first two levels will be briefly described in the paper. It will be emphasized that the transition from the first to the second level is a dynamic process. As the value system of a nation changes, and as the natural boundary conditions are modified by human actions or global changes, an existing system will be found not meeting the demands of the present society, and actions on the second level are initiated. The decisions for change depend on the changes in options available for handling a flood situation, as well as on the changes in risk perception and attitudes towards risk. On the third level, the actual cost of a design are evaluated and compared with the benefits obtained from the planned project. In particular, on this level the residual risk is considered, i.e. the risk which remains even after a project is completed and fully operational. |
| [27] | 针对上海市城区排水系统的水文水力学特性,以SWMM(Storm Water Management Model)为基础开发出适合上海市区产流及排水特点和防汛管理要求的城市雨洪模型.模拟结果表明,该模型的计算结果较为理想、可靠,可在实时和规划条件下动态模拟各排水片和街区的地面积水全过程,并能满足市区防汛预报、水情分析、工程规划与管理等工作的要求.该模型对其他城市的类似工作具有较好的参考价值和指导意义. . 针对上海市城区排水系统的水文水力学特性,以SWMM(Storm Water Management Model)为基础开发出适合上海市区产流及排水特点和防汛管理要求的城市雨洪模型.模拟结果表明,该模型的计算结果较为理想、可靠,可在实时和规划条件下动态模拟各排水片和街区的地面积水全过程,并能满足市区防汛预报、水情分析、工程规划与管理等工作的要求.该模型对其他城市的类似工作具有较好的参考价值和指导意义. |
| [28] | The EPA Storm Water Management Model (SWMM) is a widely used program for simulating urban runoff quantity and quality. Its existing documentation includes a User's Manual that describes how to run the program and a Reference Manual that covers its theory and algorithms. A new manual, the “SWMM Applications Manual”, has been added to this collection. It contains nine worked-out examples addressing common stormwater management and design problems encountered in practice. The manual will be especially useful for new SWMM users who need additional guidance in applying this powerful tool to urban drainage design and analysis. |
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| [31] | . 近年来,南方春夏季暴雨不断,经常造成淹车事故,给车主造成了较大的经济损失.因此,在暴雨天,驾驶员掌握一些正确的涉水及施救方法显得尤为重要. 一、正确涉水 1.雨天行驶的准备 暴雨天出行前应先检查雨刮器,再检查前风挡处的防水槽排水是否通畅.避免雨天积水造成发动机进水,防止车载电脑短路.一汽大众系列车型的电脑就装在防水槽 底下.遇到不明深度水坑时减速慢行,调低挡位,油门适中,禁止在涉水时换挡,防止熄火情况的发生.如果确实准备涉水,则应将空气滤清器拆下或将进气软管抬 高,将排气管通过软管接岛.使汽车的进、排气口远离水面,以减少发动机进水的可能. . 近年来,南方春夏季暴雨不断,经常造成淹车事故,给车主造成了较大的经济损失.因此,在暴雨天,驾驶员掌握一些正确的涉水及施救方法显得尤为重要. 一、正确涉水 1.雨天行驶的准备 暴雨天出行前应先检查雨刮器,再检查前风挡处的防水槽排水是否通畅.避免雨天积水造成发动机进水,防止车载电脑短路.一汽大众系列车型的电脑就装在防水槽 底下.遇到不明深度水坑时减速慢行,调低挡位,油门适中,禁止在涉水时换挡,防止熄火情况的发生.如果确实准备涉水,则应将空气滤清器拆下或将进气软管抬 高,将排气管通过软管接岛.使汽车的进、排气口远离水面,以减少发动机进水的可能. |
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| [33] | In this paper we present a method to optimize the configuration and operation of emergency medical systems on highways. Different from the approaches studied in the previous papers, the present method can support two combined configuration decisions: the location of ambulance bases along the highway and the districting of the response segments. For example, this method can be used to make decisions regarding the optimal location and coverage areas of ambulances in order to minimize mean user response time or remedy an imbalance in ambulance workloads within the system. The approach is based on embedding a well-known spatially distributed queueing model (hypercube model) into a hybrid genetic algorithm to optimize the decisions involved. To illustrate the application of the proposed method, we utilize two case studies on Brazilian highways and validate the findings via a discrete event simulation model. |
| [34] | 利用DEA模型对警力资源配置的效率进行研究,对影响警力资源配置效率的环境因素进行多元统计回归分析,并基于DEA投影公式来研究警力资源配置效率,可以看出,部分地区警力资源配置效率并未达到最优水平,仍有改进空间。辖区人口数量、人口密度和辖区范围因素对警力资源配置效率呈负向影响,而就业人数因素对警力资源配置效率呈正向影响。运用投影公式优化警力资源配置效率相对较低的决策单元的改进策略,可以达到提高警力资源配置效率、为全面提高警力资源配置效率提供理论指导的目的。 . 利用DEA模型对警力资源配置的效率进行研究,对影响警力资源配置效率的环境因素进行多元统计回归分析,并基于DEA投影公式来研究警力资源配置效率,可以看出,部分地区警力资源配置效率并未达到最优水平,仍有改进空间。辖区人口数量、人口密度和辖区范围因素对警力资源配置效率呈负向影响,而就业人数因素对警力资源配置效率呈正向影响。运用投影公式优化警力资源配置效率相对较低的决策单元的改进策略,可以达到提高警力资源配置效率、为全面提高警力资源配置效率提供理论指导的目的。 |
