（系统工程专业论文）城市重特大事故大规模人群疏散决策研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 粤日期：世i f j 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：鱼4 l 生一导师签名 期： 城市重特大事故大规模人群疏散决策研究 研究生：叶永导师：赵林度东南大学 摘要 2 l 世纪以来，中国经济保持快速发展，城市化进程日益推进、设施进一步 完善，应急管理能力更有大幅提升；同时，时有发生的城市重特大灾害亦是城 市安全的巨大威胁。因此，如何在灾害发生前未雨绸缪，做好灾害防范工作具 有重大的意义。然而，灾害发生后的应急救援工作亦是城市居民生命财产安全 的重要保障，人群疏散则是城市应急救援的重要方面。 为在城市重特大事故大规模人群疏散中给决策人员提供最优的人群疏散路 径选择、人数分配以及车辆资源配置方案，提高抢险救灾能力和保障人们生命 财产的能力，本文重点研究了如下三部分内容： 首先、在总结国内外人群疏散和人群疏散决策关键要素研究现状的基础上， 提炼城市重特大事故大规模人群疏散决策关键点和理论方法。系统分析城市重 特大事故大规模人群疏散基础、人群疏散决策的时间和资源约束及其决策模式， 并简述相关决策理论，为下文的两个模型做准备。 其次、运用非线性规划理论，建立城市重特大事故两阶段大规模人群疏散 决策模型。模型将疏散过程分为两个阶段先将灾民疏散至临时疏散救援点， 再根据灾民受伤的严重程度有选择的将其疏散至定点医院进行救治。综合考虑 灾害对人群疏散造成的影响，将道路危险系数等参数加入目标函数中，将灾区 按灾害程度赋予不同的优先疏散系数并反映在时i 日j 满意度上，以总疏散时间最 小为目标函数，建立模型，应用遗传算法进行求解。同时应用m a t l a b 软件进 行数值仿真，并将其应用于某化工厂的液氨泄漏事故人群疏散实例中，以验证 模型的正确性和科学疏散决策的重要性。 再次、运用动态规划理论，建立城市重特大事故大规模人群疏散动态决策 模型。利用灾害发展时间过程性，综合考虑安全疏散时间和应急疏散资源约束， 以疏散出的人数最多为目标函数，建立基于多出救点、多受灾点的人群疏散动 态决策模型，并应用动态规划逆序解法进行求解。最后，通过m a t l a b 软件对 模型进行仿真计算，同时将疏散策略应用于a n y l o 百c 软件的模拟仿真当中，结 果表明：所建立的模型是有效的。 关键词：人群疏散应急救援城市管理重特大事故应急决策 i l r e s e a r c ho nd e c i s i o n m a n go f a r g e s c a l e e v a c u a t i o ni nc i t ym a j o r h a z a r d g 陋d u a t e ：y ey 0 n g s u p e r v i s 叱p r 0 z h a ol i n 叫d us 0 u t h e 舔tu m v 懿蚵 a b s t r a c t c h i n e s ee c o n o m yh 嬲r a p i d l yd e v e l o p e ds i n c e2 0 0 0 ，i t su r b a n i z a t i o nh a sb e e n b e t t e ra n db 甜e r 锄dm ec 印a b i l 时o f e m e r g e n c ym a i l a g e m e i l th 嬲i m p m v e dal o t h o w e v t 1 1 e 丘明u e i l t l yh a p p e n e dc i t yd i s a s t e r sb e c o m em e 伊e a t 1 r e a to fc i t y s s a f e t y t h u s ，i ti sv e 可i m p o r t a i l tt od ot h ep r 印撕n gj o bt op r o t e c tc i t i z e i l s 丘o mt h e h a m lo fi n c o m i n gc i t yh a z a r d s ，s od o e sm ej o bo fe n l 哪e n c yr e s c u e ，a i l d t l l e c v a c u a t i o nj o bi sa v e 科i m p o r t a l l tp a no f 锄e 唱e n c yr e s c u e i i lo r d c rt 0p r o v i d et h ed e c i s i o n m a l ( e rw i t ht h eb e s ts c h 锄eo f e v a c u a t i o np a t h ， l er l u l n b e ri i le a c hp a t ha n dm ea l l o c a t i o no fe v a c u a t i o nt m c k si nm el a r g e s c a l e c v a c u a t i o ni nc i t ym 旬o r h a z a r d ，s od o e st oi m p r o v et 1 1 ea b i l i t yo f 锄e r g c n c yr e s c u e a 1 1 d p r o t e c t i n gp e o p l ef 而mt h eh a n no fd i s a s t e r s ，t l l i st h e s i se m p h a s i z eo nm e f o l l o w i n gt 1 1 r e em a i np o i n t s ： f i r s t l y b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v e l ys u m m a z e do fe v a c u a t i o nb o t hi n d o m e s t i ca i l do v e r s e a s ，m ea n a l y s i so fe v a c u a t i o nk e y p o i n t s ，m em a i np o i n t sa n d a c a d 锄i cm e t h o d so fl a 唱e s c a l ee v a c u a t i o nd e c i s i o n m a l ( i n gi nc i t ym a j o rh a z a r d s a r ea n a l y z e d b e s i d e s ，m e 亿u n d a t i o nh o w l e d g eo fl a r g e s c a l ee v a c u a t i o ni nc i t y m 旬o rh a z a r d s ，m et i m ea n dr e s o u r c e sc o n s t r a i n t so f e v a c u a t i o nd e c i s i o n m a 虹n ga n d i t s d e c i s i o n _ m a l ( i n gp a t t 锄a r es y s t e m a t i c a l l ys 砌i e d a n d 也ed e c i s i o n - m a k i n g r e l a t i n gt h e o 巧i sm a i n l yd e s c r i b e dp r 印撕n gf o rt h e 咐om o d e l s s e c o n d l y ，m em o d e lo ft w o - p h a s e “a c u a t i o nd e c i s i o n m a k i n gi n c i t ym 旬o r h a z a r d si se s t a b l i s h e db yl l s i n gt h et h e o 巧o f n o n 1 i n e a rp l a n n i n g 1 1 1m em o d e l ，t h e p r o c e s so fe v a c u a t i o ni sd i v i i l e di n t ot 、op h a s e s ：t l l ef i r s ti st oe v a c u a t ep e o p l e 矗o m m ed i s a s t e r 卸e at ot e m p o r a 巧r e s c u i n ga r e a ，a n d 吐l e i lt oe v a c u a t et h eb a dh 黜l e d o n et 0h o s p i t a l t oh a v et h e r a p y w i t hm ec o n s i d e r a t i o no fm ed i s a s t e ri n f l u e n c et o e v a c u a t e ，m ep a t hd a n g e m u sf a c t o ri sp u ti n t ot h eo b j e c t 如n c t i o n ，a u l dt h ee v a c u a t i o n p 订o r i t yo fe a c hd i s a s t e ra r e ai sr c n e c t o di nt h es a t i s f a c t i o nl e v e lo fa v a i la ：b l et i m e a n da i m e dt 0m i n i m i z en l et o t a le v a c u a t i o nt i m e ，m et w o - p h 鹪ee v 剃a t i o nm o d e l i s e s t a b l i s h e da n ds o l v e dw i m 廿l eg e n e t i ca l g o r i t h m b e s i d e s ，m em o d e l i sn l 蛐嘶c a l l y s i m u l a t c db yu s i n gm a t l a b ，a n di ti sa p p l i e dt oa ne v a c u a t i o ne x a m p l ei na l i q u i d 锄m o n i ae s c 印i n gd i s 嬲t e rt ot e s tt h ec o r r e c t l l e s so ft h em o d e l 锄di m p o r t a l l c eo f l o 百c a le v a c u a t i o nd e c i s i o n - m a k i n g 7 1 1 1 i r d l mt h em o d e lo fd ”锄i cd e c i s i o n m a l ( i n go fl a 唱e - s c a l ee v a c u a t i o ni nc i t y m 旬o rh a z a r d si se s t a b l i s h e do nt h eb a s eo fd y n 锄i cp m 伊a m m i n gt h e o r y w i t hm e c o n s i d e r a t i o no fd i s a s t e r s d e v e l o p i n gp m c e s s 锄dt h ec o n s t r a i n to fa v a i l a b l e e v a c u a t i o nt i m ea n de v a c u a t i o nr e s o u f c e ，t h em o d e li se s t a b l i s h e d a i m i n gt 0 m a x i m i z et h en u l l l b e ro fe v a c u a t i o np e o p l e ，a i l di ti ss o l v e db ym er e v e r s e do r d e r s o l v i n gp r o c e s so fd y l l a m i cp r o g r 锄m i n g b e s i d e s ， t h e d y n 锄i cm o d e l i s n u m 喇c a l l ys i m u l a t e db yu s i n gm a t l a ba i l di t se v a c u a t i o ns t r a t e g yi sa p p l i e dt 0 t h ea n y l o g i cs i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o no u t c o m es h o w st h a t ：m ed y i l a m i cm o d e l i se 虢c t i v e l yw o r k i n g k e yw o r d s ：e v a c u a “o n ；e m e r g e n c yr e s c u e ；c i 锣m a n a g e m e n t ；m a j o rh a z a r d ； e m e r g e n c yd e c i s i o n m a l 【i n g 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 本文研究背景和意义1 1 1 1 研究背景1 1 1 2 研究目的3 1 1 3 研究意义5 1 2 相关文献综述6 1 2 1 人群疏散理论研究现状6 1 2 2 人群疏散决策关键要素研究9 1 3 本文主要研究内容1 3 1 3 1 研究内容1 3 1 3 2 研究思路：1 5 1 3 3 研究方法1 6 第二章城市重特大事故大规模人群疏散决策基础1 7 2 。1 城市重特大事故大规模人群疏散基础1 7 2 1 1 人群疏散行为规律1 7 2 1 2 人群疏散关键信息? 2 0 2 1 3 人群疏散决策指挥流程2 1 2 2 城市重特大事故大规模人群疏散决策基础2 3 2 2 1 灾害发展时间过程性2 3 2 2 2 人群疏散时间和资源约束2 4 2 2 3 两阶段疏散决策模式2 5 2 2 4 动态疏散决策模式2 7 2 3 城市重特大事故大规模人群疏散决策理论基础2 9 2 3 1 运筹学理论3 0 2 3 2 动态规划理论3 2 2 3 3 进化算法理论3 4 v 第三章城市重特大事故两阶段大规模人群疏散决策模型3 7 3 1 两阶段决策模型3 7 3 1 1 问题描述3 7 3 1 2 模型假设3 8 3 1 3 模型建立3 9 3 2 模型数值求解分析4 l 3 2 1 模型结构分析4 l 3 2 2 求解算法设计4 2 3 3 数值仿真分析4 5 3 3 1 相关参数设置一4 5 3 3 2 仿真结果分析4 6 3 4 实例分析4 9 3 4 1 情景描述4 9 3 4 2 人群疏散范围确定4 9 3 4 3 结果分析：5 2 第四章城市重特大事故大规模人群疏散动态决策模型5 3 4 1 动态决策模型5 3 4 1 1 问题描述5 3 4 1 2 模型假设5 3 4 1 3 模型建立5 5 4 2 模型求解分析5 6 4 2 1 动态规划解法分析5 6 4 2 2 动态规划逆序解法5 7 4 3 数值仿真分析5 8 4 3 1 相关参数设置5 8 4 3 2 二维离散动态规划求解过程5 9 4 3 3 仿真结果分析6 1 4 4a n y l o g i c 模拟仿真分析6 2 4 4 1 模拟仿真流程6 2 4 4 2 模拟仿真过程6 4 4 4 3 模拟仿真结果6 5 第五章结论与展望6 8 5 1 结论6 8 5 2 展望6 9 致谢7 0 参考文献7 1 附录7 9 作者简介8 4 v i 东南大学硕十学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着城市建设和社会经济的迅速发展，一些有毒、有害、易燃、易爆等危 险源有明显向城市整体区域扩散的趋势，由此产生的火灾、爆炸和毒物泄露等 重特大灾害事故也屡屡发生，严重危及了城市安全。城市重特大事故管理通常 是预防为主，同时积极面对某些不可避免的灾害，需要预防与救援两手并重才 能最大限度的保障城市居民的生命财产安全。研究城市重特大事故大规模人群 疏散决策对完善城市应急救援体系，增强疏散救援能力有着重大的理论和现实 意义。 1 1 本文研究背景和意义 1 1 1 研究背景 城市作为一个地域的政治、经济、文化、科技和教育中心，本就具有人口 密集、建筑物密集、交通复杂、工业危险品易聚集等特点，再加上伴随着经济 飞速发展而带来的各种各样不同于传统危机事件的潜在危机，城市就成为重特 大事故易于发生的地区。城市中发生的突发事件往往具有复杂的关联效应及积 累、扩散效应，往往是“动一线而牵全局”，容易快速扩散和积聚破坏性的能量， 城市一旦遭遇灾害，危害性是其他任何地区不可比拟的，这决定了城市救援应 急响和疏散救援过程的复杂性和不确定性，进一步增加了现场应急指挥决策和 人群疏散方案执行的难度。参与过应急响应和疏散救援的指挥人员普遍反映： 在应急救援与疏散过程中，根据监测到的现场参数，很难直观认识参数对事故 的进一步发展以及周围人员和财产具有何种影响，从而就难以准确地确定应该 采取哪种应急疏散策略，如何做出疏散决策，因而要么采取最保守的策略，从 而过度估计了事态的发展；要么对事态发展估计不足，加剧了事故后果的严重 程度。 然而，目前应对城市重特大事故大规模人群疏散主要依赖于各自独立的应 急管理部门，其效果主要取决于领导者掌握的信息量以及个人知识、经验水平， 东南大学硕上学位论文第一章绪论 但由于人为因素过多，难免产生一些错误的决策。一旦发生灾害，错误的决策 不仅容易导致在组织群众疏散和防止灾害扩大方面贻误时机，而且造成重大的 人员伤亡和经济损失。因此，亟需建立一套科学的人群疏散决策方案，以提高 城市应急疏散能力和效率。 近年来，国内外城市所发生的一些由燃气管道系统、燃气、燃具或工业可 燃气泄露，以及由商品库房的易燃易爆粉尘所酿成的重特大爆炸事故已触目惊 心。在国外，1 9 9 8 年秋，拉美地区遭受前所未有的“米奇”飓风袭击，夺走了 9 7 4 5 人的生命，仅在洪都拉斯死亡人数就达5 0 0 0 多人；1 9 9 9 年9 月，“佛罗伊 德飓风横扫美国东海岸，造成5 6 人死亡；2 0 0 1 年9 月1 日，美国纽约市世 界贸易中心发生的恐怖袭击，至少造成3 0 0 0 多人死亡；2 0 0 2 年1 0 月2 同，印 度尼西亚美丽的巴厘岛发生恐怖爆炸事件，造成2 0 2 人死亡；2 0 0 3 年5 月2 3 日，阿尔及利亚发生6 2 级地震，造成2 3 0 0 余人死亡、万余人受伤；2 0 0 4 年9 月lr ，发生在俄罗斯南部北奥塞梯一所学校发生劫持人质事件，造成3 0 0 多 人死亡，其中一半是儿童；2 0 0 4 年1 2 月2 6 日发生的印度洋海啸，这场突如其 来的灾难夺去印尼、斯里兰卡、泰国、印度等国近3 0 万人的生命；2 0 0 5 年3 月2 9 日，印尼苏门答腊北部发生8 5 级地震，近2 0 0 0 人在地震中丧生，尼亚 斯岛8 0 左右的房屋倒塌和破损；2 0 0 6 年7 月1 1 日，鹱生在印度孟买的火车 连环爆炸案造成近2 0 0 人死亡；2 0 0 7 年11 月1 6 日，孟加拉国遭受强热带风暴 袭击，造成4 0 0 多人死亡、数千人受伤；2 0 0 8 年9 月1 3 日，飓风艾克侵袭了 美国的加尔维斯顿和德克萨斯州，致使超过6 0 0 0 人死亡；2 0 0 9 年4 月，墨西 哥爆发大规模猪流感，疫情进一步扩大众多国家，造成了全球范围的恐慌。 在国内，一方面，中国是世界上受自然灾害影响最为严重的国家之一，灾害 种类多、灾害发生频度高、灾害损失严重；另一方面，中国目前正处于经济学家 所预言的“非稳定状态”频发的“关键时期”，即人均国民收入水平处于1 0 0 0 3 0 0 0 美元发展阶段。这是一个人口与资源环境、效率与公平正义等矛盾突出的时期， 也是经济容易失控、社会容易失序、心理容易失衡、政治思想观念和社会伦理价 值容易失调的关键时期【l 】。近年来，中国城市灾害频频发生，造成了巨大的生命 财产损失。1 9 9 8 年夏，长江发生全流域性洪水灾害，受灾1 01 6 9 2 万人，成灾70 9 4 7 万人，死亡人口21 4 0 人，伤病人口l5 2 24 3 6 人，紧急转移l0 4 4 7 万人；2 0 0 0 年 2 东南大学硕- 上学位论文第一章绪论 1 2 月2 5 日，河南洛阳东都商厦发生火灾，造成3 0 9 人死亡；2 0 0 1 年7 月2 2 同，江苏 徐州发生瓦斯煤尘爆炸，致使9 2 人死亡；2 0 0 2 年6 月2 0 r ，黑龙江城子河煤矿西 二采区瓦斯爆炸，造成1 2 4 人死亡；2 0 0 3 年初爆发的s a r s ，给人民的健康和生命 安全造成了严重威胁，我国内地累计报告s a r s 临床诊断病例53 2 7 例，死亡3 4 9 例；2 0 0 4 年2 月1 5 同，吉林省吉林市中百商厦发生火灾，5 4 人死亡，7 0 人受伤； 2 0 0 5 年1 1 月2 1 日，哈尔滨全市停水事件，给城市居民生活造成极大不便；2 0 0 6 年夏季接连发生的飓风灾害，造成了10 0 0 多人死亡，超过10 0 0 万人遭受灾害； 2 0 0 7 年7 月1 6 日，重庆遭受1 1 5 年不遇的暴雨袭击，造成5 1 6 万人受灾，3 5 人死亡； 2 0 0 8 年5 月1 2 日，四川汶川发生8 级大地震，夺去超过8 万人的生命，给当地居民 造成了巨大的生命财产损失。 城市重特大事故大规模人群疏散决策是灾害应急救援与疏散行动的指南 针，直接关系营救行动的成败。一座城市的规模越大，现代化程度越高，它所 需要的人群疏散模式就应该愈加灵敏和高效。在发达国家的许多城市中，城市 人群疏散机制已经成为城市居民日常生活中一个不可缺少的组成部分，甚至成 为显示城市管理水平的标志性工程。建立和完善城市应急管理体系是一座城市 走向现代化、国际化的重要标志，提高城市人群疏散能力是应急管理水平提高 的关键，因此，建立统一高效的重特大事故人群疏散决策系统是城市步入现代 化管理的必然选择。 从我国城市应急管理系统的现状来看，城市应急管理水平与发达国家的城 市相比还存在较大差距。如何面对城市频发的重特大事故，建立科学、有效的 城市重特大事故大规模人群疏散决策模式，有助于提高城市重特大事故应急救 援的反应能力，降低重特大事故损失，减少人员伤亡。所以，必须采取系统工 程的方法对重特大事故人群疏散决策进行综合分析、系统建模，在准确把握城 市公共危机脉搏和城市应急管理主体状况的基础上，创建一个科学、有效的重 特大事故人群疏散决策方案，提高应急管理保障能力。 1 1 2 研究目的 城市作为区域经济和文化中心，在国民经济和社会发展中有着重要的战略地 3 东南大学硕士学位论文第一章绪论 位。城市的基本特点是集中，集中大量的人口，集中大量的设施及资源，同时功 能复杂并具有关联性。与此同时，在发展过程中，城市的应急救援中如何保障人 民生命安全的问题愈加突出，并在一定程度上影响和阻碍经济与社会的可持续发 展。随着城市发生重特大事故的可能性增大，城市事故的危害增大，防治城市重 特大事故发生的必要性需要增强，应对城市重特大事故发生后的人群疏散能力亦 需要加强。城市重大事故大规模人群疏散应在城市和谐发展思想指导下，以人群 疏散理论和实践方法为依据，总结前人研究的基础上，应用疏散决策理论，从重 特大事故大规模人群疏散决策基础、应急疏散要素等方面出发，建立城市大规模 人群疏散决策模型。 近年来，我国对公共危机事件的管理同益重视，尤其是在成功应对s a r s 、 禽流感、特大型火灾、暴风雪灾害、汶川大地震等公共危机之后，我国突发公共 事件应急机制已初步建成。但是在应对这些危机的同时也暴露出我国城市应急管 理总体水平还较低，应急管理机制尚不健全、应急预警能力有限，尤其是有关城 市重特大事故大规模人群疏散决策的研究还缺乏系统性、有效性等不足。本文以 提高城市重特大事故大规模人群疏散决策效率，进而增强疏散能力、减少人员伤 亡、降低损失为目标，探讨城市重特大事故大规模人群疏散决策方法，进一步完 善城市应急管理理论体系，为城市公共管理决策咨询提供理论依据和可行方案， 为提高我国城市应对重特大公共安全突发事件的能力奠定基础。总之，在分析城 市重特大事故大规模人群疏散决策理论的基础上，建立城市重特大事故两阶段大 规模人群疏散决策和城市重特大事故大规模人群疏散动态决策模型，通过求解模 型可得出相应的疏散策略，本文的研究目的在于： 综合概述国内外人群疏散理论和人群疏散决策要素研究现状，并综合分 析城市重特大事故大规模人群疏散决策理论基础； 建立并求解城市重特大事故两阶段大规模人群疏散决策模型，以获取疏 散路径及其疏散人数策略，并应用m a t l a b 软件进行数值仿真，同时将其应用 于城市液氨泄漏事故疏散实例中，以验证模型的有效性和科学性； 进一步建立并求解城市重特大事故大规模人群疏散动态决策模型，以获 取人群疏散车辆资源配置策略，并应用m a t l a b 软件进行仿真分析，同时将所 得策略应用于a n y l o 西c 软件的模拟仿真中，以验证模型的有效性和科学性 4 东南大学硕士学位论文第一章绪论 本文在系统分析国内外研究现状和城市重特大事故大规模人群疏散决策理 论的基础上，运用非线性规划理论、动态规划理论进行系统建模，建立城市重特 大事故两阶段大规模人群疏散决策模型并采用遗传算法进行求解，以获取疏散路 径选择和人数分配策略，并将所建立的两阶段模型应用于城市毒气泄漏事故人群 疏散实例中：在确定疏散路径和疏散人数的前提下，建立时间和资源约束下的大 规模人群疏散动态决策模型，以获取人群疏散资源动态配置策略，同时运用 a n y l o 西c 软件对所建立的动态决策模型得出的策略进行模拟仿真；最后探讨城市 重特大事故大规模人群疏散结论与展望。以期进一步优化城市重特大事故大规模 人群疏散系统功能，提高城市应对重特大事故的应急反应能力，提升城市安全管 理水平，为城市创建一个安全、稳定的社会经济环境奠定基础，为创建最佳的人 居环境和城市安全应急系统、提高城市居民生活质量和水平创造条件。 1 1 3 研究意义 近年来，随着我国经济体制改革的不断深入，我国经济获得了高速发展， 但是，安全生产形式却十分严峻，尤其是火灾、爆炸、毒物泄露等重大恶性事 故不断发生，虽屡有惨重教训，但始终未能避免灾难重演，造成的经济损失和 社会心理创伤十分巨大【2 1 。 我国每年因突发事件造成的损失十分惊人。据国家安全生产监督管理局统 计，2 0 0 1 年我国安全生产形势严峻，全年死亡人数达1 3 04 9 1 人，受伤人数6 0 多万人【3 】；2 0 0 2 年全国共发生各类事故10 7 34 3 4 起，死亡1 3 93 9 3 人【4 】；2 0 0 3 年全国共发生各类事故9 6 39 7 6 起，死亡1 3 63 4 0 人【5 】；2 0 0 4 年我国共发生各类 事故8 0 35 7 l 起，死亡1 3 67 5 5 人【6 1 ，而这些损失几乎都发生在国民经济发展中 占有特殊地位、经济文化都比较发达的城市。如前文提到的2 0 0 3 年初爆发的 s a r s 事件，2 0 0 4 年吉林市“2 1 5 ”特大火灾事故，2 0 0 5 年1 1 月哈尔滨全市停 水事件，2 0 0 6 年浙江省金华“1 0 9 ”化学品爆炸事故，2 0 0 7 年5 月无锡蓝藻事 件，2 0 0 8 年1 月南方部分地区暴雪以及同年5 月发生的四川汶川大地震等事件， 暴露出中国城市公共危机综合管理能力的不足，都使人们充分意识到应急管理 不可轻视，更显示出城市应急管理体系建设的必要性和紧迫性。统计表明：有 5 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 效的应急管理体系可将事故损失降低到无应急管理体系的6 r 7 】可以认为：2 l 世纪的中国城市急需加强城市安全管理和应急管理方面的研究【8 】，现代化城市 要具备应对公共危机的现代化标删9 j 。 人群疏散是在重特大事故发生环境下，城市应急救援指挥中心根据事故地 点的位置和周围环境的情况，以最短时问调动相应的救援力量和资源对受事故 影响的人群实施有效引导和疏散的指挥过程。但是，由于计划经济体制下形成 的分部门、分灾种的单一的城市应急模式的影响，造成我国城市缺乏统一协调 的应急指挥系统，而且城市应急管理体系表面看起来各司其职，但面对复杂的 局面时，既不能形成应急合力，也不能及时有效地配置分散在各个部门的应急 资源。在网络化城市应急管理体系中，沟通与协调成为协同体形成的重要动力， 应急疏散决策的效率决定应急疏散行为的效能，城市重特大事故大规模人群疏 散决策研究为充分发挥应急管理体系应急疏散功能提供重要保障。 因此，本研究将为预案提供合理有效的大规模人群疏散决策理论和方法，为 建立城市重特大事故大规模人群疏散决策系统提供理论指导，使城市灾害人员 伤亡和经济损失降低到最低限度，有力地推动城市经济的可持续发展。 1 2 相关文献综述 在城市重特大灾害发生后的应急救援中，应急物资配送和人群疏散是两项保 障灾民生命财产安全的重要措施。如何在城市重特大灾害爆发后第一时间做出有 效反应，并在最短时间内以最有效的方式尽可能多地疏散灾民，是应急救援的首 要目标，也是学术界研究的一个热点问题。借鉴前人在人群疏散领域的研究成果， 总结他们所采取的理论基础，对比不同方法得出结论的异同点，对本文研究方向 的确定和研究点的开展有着重要的作用。 1 2 1 人群疏散理论研究现状 目f i ，有关应急疏散方面的研究成果大都集中在人群疏散群集理论、疏散建 模、疏散仿真和疏散策略等问题上。 6 东南大学硕士学位论文第一章绪论 l 、人群疏散群集理论 最早的疏散模型为基于单位出口宽度概念的模型，根据疏散实验或实际观测 得到通过单位出口的流量值，然后计算所有人通过出口所需的时间。而近代开展 人员疏散研究的代表性人物有t o g 删a ( 1 9 5 5 ) 【i o 】、j o l l i lf “n ( 1 9 7 1 ) f 1 、p r e d t e c h e n s l ( i i 和m i l i n s k i i ( 1 9 7 8 ) 【1 2 1 、g a l b r e a t hm e l i n e k 和b o o t h ( 1 9 7 5 ) 【1 3 】与p a u l s ( 1 9 8 0 ) 【1 4 】等。他们的研究主要是集中在建筑物内人员疏散时间、人群流量、人员行走速 度和密度等。国内在人员疏散行为方面的研究还处于起步阶段。主要集中在特定 环境下的人群流动集结时间【1 5 】、紧急疏散时速度与密度的关系【16 1 、不同空间特 征的疏散通道上群集流动的规律【1 7 1 、人群特征与疏散时间之间的关系【1 8 】、人员 在拥挤环境下的移动速度 1 9 】、群集流动的微观动力学模型【2 0 1 、特定场所的滞留 人数定量模型f 2 l 】以及人群疏散中“非适应性”行为理论研究等等。 2 、人群疏散建模 目前已有超过5 0 种人员疏散模型在各类文献中被介绍。具体的建模方法大体 上可分为3 种【2 3 】：一是宏观的方法即把行人视为连续流动介质【2 4 】；二是把行人视 为相互作用的粒子的微观方法，其中最为著名的就是h e l b i n g 社会模型【2 4 1 ，在此 模型的基础上，n a g a t a nt 等人( 2 0 0 2 ) 将行人视为相互作用的微观粒子，提出 了著名的h e l b i n g 分子动态性模型【2 5 l 。三是在宏观和微观中取折中的介观方法， 如格子气模型 2 6 1 ，在此模型的基础上，m a s a k u i l i ( 2 0 0 0 ) 研究了在开放条件下交 叉口的人群疏散情况【2 7 1 ，t a i i my 等人( 2 0 0 2 ) 将入视为格子上活动的粒子，通 过概率统计方法研究拥挤人群的特点【2 8 】。g u ory 等人( 2 0 0 8 ) 结合格子气模型 和社会力模型，提出了移动的格子气模型并模拟了公共建筑物内的人群疏散流程 【2 9 1 。趾m i ns e y 衔e d ( 2 0 0 8 ) 研究了在格子空间有限制的条件下人群的单向疏散 问题，认为当人群密度高于临界值时，堵塞就会出现，人群由不均匀状态回复到 均匀状态时拥挤会进一步加划3 0 1 。h a 0y u e 等人( 2 0 0 7 ) 提出了基于元胞自动机 的人群流动模型，发现在临界交通密度点将会产生相变【3 l 】等等。 3 、人群疏散仿真 人群疏散仿真模型可分为宏观疏散仿真模型和微观疏散仿真模型两种【3 2 】：宏 观疏散仿真模型主要是“排队网络”这一建筑物疏散的仿真模型，如澳大利亚国 家研究局开发的w a y o u t 模型( 1 9 9 4 ) f 3 引、e v a c s i m 模型【3 4 】等；微观仿真模型 7 东南大学硕七学位论文第一章绪论 又被称为“基于a g e n t 技术的仿真模型 。它也可以分为两大类：离散型仿真模型 和连续型仿真模型。离散模型又被称为元胞自动机模型或格子自动机模型【3 2 1 ，如 b y p a s s ( 2 0 0 1 ) 【3 5 】，s c k a d s c l l l l e i d e r 的模型( 2 0 0 1 ) 【3 6 1 等。n 嘶ap e l e c h a i l o 和砧i m a l k 删( 2 0 0 8 ) 利用元胞自动机方法对高层建筑的人群疏散问题进行了仿真研 究，并在模型仿真中增加了人的心理因素，研究得到了人群疏散必须遵循的基本 原则【3 7 】。连续型仿真模型则是人的坐标、时间及其他的一些量都是连续而非离散 的，只要给出了初始的条件，模型就可以模拟出之后的状况。如“社会力 ( s o c i a l f o r c e ) 模型( 1 9 9 1 ) 【3 8 1 ，s i m u l e x ( 1 9 9 3 ) 【3 9 1 ，b u i l d i n ge v a c s i m 【删，网格模型 ( 2 0 0 1 ) 【4 1 】等。 4 、人群疏散策略 国内外都有学者开展了相关研究并提出了一系列基于网络理论的模型与算 法1 4 2 4 5 1 ，1 9 9 4 年，f a l l y 为高危建筑中密集人群的疏散设计了网络模型，可实现疏 散过程中的个体追踪【4 叼；g u 衄a r ( 1 9 9 8 ) 将疏散过程中的寻路问题纳入数学框架 下，提出了寻路行为的量化模型【4 7 】；r e l l i e r sgll 等人( 2 0 0 7 ) 针对化学工业区 发生火灾事故后选择终止生产模式来管理应急疏散问题，建立了一个基于时间和 终止模式最优的决策模型4 引。g e o 唱i a n al ，h 锄z a - l u p 等人( 2 0 0 7 ) 研究了现 代智能交通系统在恐怖袭击等突发事件中的紧急疏散作用，开发了智能交通疏散 管理系统，并应用突发事件紧急疏散算法动态产生应急疏散计划【4 9 1 。w dy i 等人 ( 2 0 0 7 ) 研究应急物流中灾害发生后应急物资的紧急配送和灾区人员疏散的协同 性，建立了一个动态的受伤人员疏散和救援物资供应的物流协同模型【5 0 1 。 c h i e h h s i nt 锄g 等人( 2 0 0 8 ) 对应急疏散环境下建筑物紧急疏散指示图与疏散者 选择疏散路线之间的时间关系进行了研究，研究表明：良好的疏散指示路线对应 急人群疏散比语言信息更有效率【5 1 1 。 综上所述，无论是人群疏散群集理论、疏散建模、疏散仿真还是疏散策略的 研究，都是在特定的人群聚集场所，如建筑物1 2 ，1 5 ，1 7 1 、高层建筑3 7 1 、体育赛 场【2 l 】、工业区【4 7 】等特定场所中，发生火灾h 8 1 、恐怖袭击【4 9 1 、人群踩踏等各类群 集事故下，从社会学、心理学、群集动力掣9 】【2 0 】等角度对人群流动【l l 】、人流密 度【l i ，1 6 1 、群众心理【2 2 2 5 1 、疏散速度【1 8 1 以及疏散时间【1 0 1 等方面进行深入研究。其中 人群疏散群集理论、疏散建模和仿真基本是从待疏散人群角度出发，应用数学建 东南大学硕士学位论文第一章绪论 模、计算机仿真等科学方法研究各类突发情况下的人群疏散情况，各得出了重要 的研究成果。而人群疏散策略方面的研究则是在各类突发灾害情况下，从灾害事 故中总体人群疏散效果出发，运用网络理论【4 2 。4 5 1 、电子信息系统【4 9 1 、协同理论【5 0 1 以及最优化方法对人群疏散的计划和方法，主要是对路径选择【4 7 ，5 1 1 、交通疏散管 理【4 9 】、应急资源配置【5 0 】等进行研究。 因此，在应急疏散过程中，本文立足于城市重特大事故的背景，从应急疏散 指挥决策者的角度出发，运用运筹学理论、动态规划理论、进化算法理论，研究 城市重特大事故大规模人群疏散过程中的决策模型，通过模型求解可以得出人群 疏散过程中的疏散路径选择、疏散人数分配和车辆资源配置三个疏散救援中的重 要方面。 1 2 2 人群疏散决策关键要素研究 疏散决策是应急疏散救援的重要内容之一，面对洪水、飓风等自然灾害以及 建筑物火灾、毒气泄漏等突发事故，都需要将处于危险地带的人群快速疏散至安 全地带【5 2 5 3 1 。同时，在应急疏散过程中，受到灾害环境的影响，疏散者将处于高 度恐慌的状态，从而影响疏散者寻找合适路径以及跟随疏散指令的能力【5 4 5 5 1 。因 此，有效的疏散决策对于减轻灾害或事故损失，保证人民生命财产安全具有重要 意义。单从受灾人群从受灾点疏散至安全点来看，应急疏散决策主要包含了人群 疏散路径选择、疏散人数分配和疏散车辆资源配置三个方面的问题。该问题的解 决需要综合应用包括运筹学、应用数学、组合数学、网络分析、图论、计算机应 用等学科，成为运筹学和组合优化领域的前沿和热点问题。 1 、疏散路径选择 人群疏散最优路径的选择，可归结到人群疏散网络的最短路径问题，是对 一系列应急救援点和灾民安置点，组织适当的人群疏散路线，可多次往返与两 点之间( 时l 日j 允许的情况下) ，使应急人群疏散有序地进行，在满足一定的约束 条件( 如待疏散人群数限制、灾民安置点可容纳人数限制、安全疏散时间限制、 可供调度车辆资源限制、医疗资源限制、灾害条件等) 下，达到一定的目标( 如 总疏散时间最短、总疏散人数最多等) 。通过最短疏散路径的选择，可以将无组 9 东南大学硕上学位论文 第一章绪论 织的人群疏散，减少疏散过程的盲目性，提高城市重特大事故大规模人群疏散 的效率