陳偉　湯一鳴　趙軍　高婧怡　翟國方

摘要：城市尺度避難疏散模擬可發(fā)現(xiàn)應(yīng)急避難服務(wù)缺口，為避難場所建設(shè)提供量化基礎(chǔ)?；谑謾C(jī)信令數(shù)據(jù)，構(gòu)建疏散模擬模型，以天津市小白樓CBD地區(qū)為例，進(jìn)行地震應(yīng)急避難疏散模擬，研究發(fā)現(xiàn)：區(qū)域內(nèi)總避難需求人數(shù)約79.3萬，在全部298個(gè)地塊中，緊急避難需求人員分布于白天的地塊有199個(gè)；全部疏散路徑的平均疏散時(shí)間約為10.8 min，小于10 min的路徑占比約80.3%。116個(gè)緊急避難場所平均接收人數(shù)為6 396，其中25處接收人數(shù)超過10 000，6處接收人數(shù)超過20 000。超容規(guī)模較大的避難場所主要分布于天津站周邊地區(qū)、海河?xùn)|岸沿線區(qū)域、南京路沿線地區(qū)、津?yàn)硰V場、錦州道及山西路等，其中64個(gè)已超出其最大容量，共計(jì)超出容量人數(shù)為42.68萬，場均超容6 668人；52個(gè)未超容避難場所，總計(jì)最大能容納38.08萬人，但實(shí)際接收13.73萬人，尚能容納共計(jì)24.35萬人。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急避難場所；手機(jī)信令數(shù)據(jù)；地震避難；疏散模擬；天津

中圖分類號(hào)：P315.94文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2023）04-0611-11

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2023.0053

0引言

應(yīng)急避難場所在保持災(zāi)后秩序、降低損失等方面扮演著重要角色，同時(shí)在保證人員安全、健康方面也發(fā)揮著關(guān)鍵作用（Nigg et al，2016；Shaw，2004）。作為一項(xiàng)基礎(chǔ)工作，避難場所需求評(píng)估在當(dāng)前的避難場所規(guī)劃和災(zāi)時(shí)疏散預(yù)案制定中均是必須面對的一個(gè)重大挑戰(zhàn)，這關(guān)系到避難場所的設(shè)置能否在規(guī)模和空間分布上最大程度地覆蓋受災(zāi)人員，發(fā)揮出更好的服務(wù)狀態(tài)（Vecere et al，2017）。在地震災(zāi)害中，避難場所需求預(yù)測大致可分為兩類，一是通過對人口密度、地質(zhì)條件、用地性質(zhì)、建筑質(zhì)量、基礎(chǔ)設(shè)施等各種暴露性和脆弱性因子的綜合分析，得出各個(gè)區(qū)的受災(zāi)率和受災(zāi)人口（蔡庚洋，賀俏毅，2011；汪建等，2013）；二是通過更詳細(xì)的地塊建筑結(jié)構(gòu)及其它信息得出地塊的避難率，結(jié)合用地類型和建筑高度、容積率等開發(fā)強(qiáng)度指標(biāo)估算出地塊遭遇災(zāi)害時(shí)的潛在疏散人數(shù)（陳志芬等，2016）。由于大城市往往職住分離，鐘擺式交通現(xiàn)象明顯，城市人口的晝夜分布存在著較大的差別，采用常住人口評(píng)估的場所需求會(huì)在城市的某些片區(qū)形成巨大的誤差（趙來軍等，2014）。針對如何估計(jì)城市人口的晝夜分布這一問題，有學(xué)者結(jié)合土地利用類型進(jìn)行了人口的估算與模擬（江晴晴，2015；梁亞婷，2015；戚偉等，2013）。隨著可獲得的大數(shù)據(jù)類型的不斷豐富及其應(yīng)用面逐漸拓寬，已有基于大數(shù)據(jù)的人口分布研究（Chen et al，2020；周天綺，2018），如孫忠和運(yùn)迎霞（2021）提出“時(shí)間-空間-規(guī)模三維空間面板模型”，根據(jù)人口時(shí)空變化規(guī)律，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對城市人口規(guī)模進(jìn)行測算，依據(jù)建筑綜合抗災(zāi)能力和人均避難場所面積，對各區(qū)域不同時(shí)段避難人數(shù)及不同等級(jí)避難場所進(jìn)行測算。相比較傳統(tǒng)的常住人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)有助于實(shí)現(xiàn)時(shí)效性較強(qiáng)的高空間精度避難需求分布分析，進(jìn)而為城市尺度疏散模擬提供量化基礎(chǔ)。

疏散模擬實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是建立疏散活動(dòng)與城市環(huán)境之間的直接聯(lián)系，處理復(fù)雜的空間、設(shè)施、道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，選擇與避難場所、疏散道路相關(guān)的參數(shù)，建立模型加以解決（Filipe，Kacprzyk，2010；Zhou et al，2012；劉曉然等，2022；魏本勇等，2022）。如Yamada（1996）提出了兩種網(wǎng)絡(luò)流量方法來優(yōu)化城市應(yīng)急疏散計(jì)劃，考慮把城市的每個(gè)居民都分配到附近的避難場所，疏散模擬結(jié)果與各種交通場景、速度的假設(shè)密切相關(guān)。Yu等（2015）開發(fā)了一種基于代理人技術(shù)實(shí)現(xiàn)疏散仿真的方法，對城市避難場所進(jìn)行動(dòng)態(tài)空間分配評(píng)估，模擬居民疏散到避難場所的過程。為了盡可能貼近真實(shí)的疏散情形，Yuan等（2017）提出了一種基于集成多級(jí)驅(qū)動(dòng)決策模型的交通疏散仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)在統(tǒng)一的框架下生成代理行為，每個(gè)代理都經(jīng)歷戰(zhàn)略、認(rèn)知、戰(zhàn)術(shù)和操作決策過程，可以支持應(yīng)急管理人員設(shè)計(jì)和評(píng)估更貼近現(xiàn)實(shí)的交通疏散計(jì)劃，提高避難場所的利用效率?？傮w上，在整個(gè)疏散模擬過程中，“多目標(biāo)”通常是不可回避的約束條件（蔡凱臻，2018；張宣峰等，2020；鐘光淳等，2022）。

避難場所資源在一定區(qū)域內(nèi)的分布可能并不均衡，容量也各不相同，若不進(jìn)行疏散模擬分析，場所資源的不合理布局、配置效率低下等問題會(huì)持續(xù)存在。當(dāng)前的避難疏散研究主要關(guān)注疏散方案、決策方法、交通方式、影響因素、路線選擇等方面，有以整個(gè)城市為研究對象的，也有對城市特定片區(qū)（中心區(qū)、工業(yè)區(qū)等）和單個(gè)建筑的交通疏散與人群運(yùn)動(dòng)的仿真，但面向城市尺度下所有可用避難場所的疏散模擬研究較少。在避難需求評(píng)估中，由于數(shù)據(jù)的限制，導(dǎo)致需求分析困難或避難需求規(guī)模及分布的空間尺度較大，不便使用。本文嘗試?yán)檬謾C(jī)信令數(shù)據(jù)，以地震緊急避難疏散為情景，分析天津市小白樓CBD地區(qū)緊急避難需求，進(jìn)而構(gòu)建模型開展城市尺度疏散模擬，期望為城市避難場所規(guī)劃布局提供量化基礎(chǔ)，切實(shí)推進(jìn)我國防災(zāi)避難設(shè)施網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

1研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1研究區(qū)域概況

本文研究區(qū)域位于天津市中心城區(qū)，屬“小白樓CBD”組成部分，面積約13.47 km2，是典型的高建筑密度、高人口密度城市中心區(qū)。區(qū)域內(nèi)及附近的主要設(shè)施與重要功能片區(qū)有天津站、意式風(fēng)情街區(qū)、海河文化廣場、和平路商業(yè)街、中心公園、靜園、五大道文化旅游區(qū)、天津總醫(yī)院、天津財(cái)經(jīng)大學(xué)、天津外國語大學(xué)、天津醫(yī)科大學(xué)、天津大學(xué)等。有4條地鐵線從片區(qū)內(nèi)部穿過，分別為1號(hào)線、2號(hào)線、3號(hào)線、津?yàn)I輕軌地鐵9號(hào)線，共有9處站點(diǎn)。片區(qū)內(nèi)建筑較為密集，意式風(fēng)情街區(qū)尤甚，低層建筑與高層建筑集中區(qū)邊界區(qū)分明顯。（超）高層建筑主要分布于小白樓地區(qū)、海河沿岸兩側(cè)以及營口道地鐵站（南京路與營口道交叉口）附近。

根據(jù)《防災(zāi)避難場所設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 51143—2015），應(yīng)急避難場所可分為緊急避難場所、固定避難場所以及中心避難場所，其中緊急避難場所為應(yīng)急或臨時(shí)避難的場所，是避難人員集合并轉(zhuǎn)移到固定避難場所的過渡性場所。在場地選擇方面，緊急避難場所可選擇居住小區(qū)內(nèi)的花園、廣場、空地和街頭綠地等。本文研究區(qū)域建筑與人員密集，緊急避難空間較為緊張，因而選取的資源類型包括學(xué)校操場、公園、街頭綠地、廣場以及其它室外開敞空間。研究區(qū)域內(nèi)共有緊急避難場所144處，總用地面積約1.308 km²，其中，103處的有效避難面積大于2 000 m2（圖1）。

1.2手機(jī)信令數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文采用的手機(jī)信令數(shù)據(jù)來源于中國電信基站數(shù)據(jù)，范圍包含以和平路地鐵站為中心，半徑約1.5 km內(nèi)的區(qū)域。時(shí)間跨度為2016年11月1—30日，共計(jì)51 694 631條數(shù)據(jù)，每一條數(shù)據(jù)都包含了用戶ID、坐標(biāo)及時(shí)間信息（日/時(shí)/分），數(shù)據(jù)格式見表1。本文利用手機(jī)信令數(shù)據(jù)分析研究區(qū)域的高精度人口時(shí)空變化情況，進(jìn)而預(yù)測緊急避難場所需求。需要指出的是，基站采集的信令數(shù)據(jù)并不能代表人員所在的精確位置，因而基于該數(shù)據(jù)得到的人員空間分布具有一定的誤差。在具體分析中，既要掌握人口的總體變化趨勢，也要詳細(xì)了解不同時(shí)間段駐留人員與流動(dòng)人員的規(guī)模及空間分布。首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗處理，具體步驟為：①對每一天的每個(gè)時(shí)刻（按小時(shí)）進(jìn)行數(shù)據(jù)提取；②對每一天的數(shù)據(jù)進(jìn)行批量提??；③對已提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行去重并計(jì)數(shù)：先以經(jīng)緯度坐標(biāo)和用戶ID作為唯一值進(jìn)行去重，然后以經(jīng)緯度坐標(biāo)作為唯一值，將與其對應(yīng)的所有人員計(jì)數(shù)，得到該坐標(biāo)點(diǎn)的人數(shù)。該步驟在不影響結(jié)果的前提下減小了數(shù)據(jù)量，便于在GIS中進(jìn)行分析，提升運(yùn)行速度。以2016年11月10日15時(shí)的數(shù)據(jù)為例，同一個(gè)坐標(biāo)存在較多的ID，經(jīng)上述步驟去重后總計(jì)62 989個(gè)點(diǎn)（人）。按相同坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)數(shù)（表2），使每個(gè)點(diǎn)都具備人員數(shù)量屬性，則點(diǎn)的數(shù)量降為2 936個(gè)（依然為62 989人）。

2研究方法

2.1基于手機(jī)信令數(shù)據(jù)的避難需求分析

人口密集的CBD地區(qū)存在較大的晝夜人口差異，避難疏散應(yīng)滿足白天和夜間均會(huì)發(fā)生災(zāi)害的避難需求。因此，避難場所布局面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)便是人口晝夜變化，這直接關(guān)系到場所布局能否滿足晝夜防災(zāi)的要求。研究區(qū)域地塊白天和夜間的駐留人員分別以就業(yè)人口和居住人口為主，各自的人員規(guī)模在一天內(nèi)的變化較小。而由于大量旅客與商業(yè)休閑、娛樂人群的存在，流動(dòng)人員的變化相對比較大，故緊急避難需求預(yù)測應(yīng)結(jié)合駐留人員與流動(dòng)人員綜合分析。陳偉等（2019）根據(jù)手機(jī)信令數(shù)據(jù)的記錄規(guī)則與統(tǒng)計(jì)分析，將駐留人員與流動(dòng)人員分析模型的條件設(shè)置為：①若某ID一天之內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)大于6次，且在區(qū)域內(nèi)停留時(shí)間超過4 h，則將其標(biāo)記為駐留人員；反之，將其視為流動(dòng)人員；②若某ID僅在7：00～19：00出現(xiàn)，出現(xiàn)大于6次，且停留時(shí)間超過4 h，則將其標(biāo)記為白天駐留人員；若僅在7：00之前或19：00之后出現(xiàn)，出現(xiàn)大于6次，且停留時(shí)間超過4 h，則將其視為夜間駐留人員；③若某ID僅在7：00～19：00出現(xiàn)，出現(xiàn)小于6次或停留時(shí)間小于4 h，則將其標(biāo)記為白天流動(dòng)人員；若僅在7：00之前或19：00之后出現(xiàn)，出現(xiàn)小于6次或停留時(shí)間小于4 h，則將其視為夜間流動(dòng)人員；④某ID在區(qū)域內(nèi)的最終坐標(biāo)以該ID出現(xiàn)次數(shù)最多的坐標(biāo)來表示。

2.2疏散模擬模型構(gòu)建

考慮到給未來城市更新進(jìn)程中避難場所規(guī)模的增加提供量化依據(jù)，本文構(gòu)建了人員完全疏散情景下的疏散模擬模型，目的是將具有疏散要求的需求點(diǎn)（簡稱需求點(diǎn)）的待疏散人員疏散至附近合理距離內(nèi)的可用避難場所。一個(gè)需求點(diǎn)可以對應(yīng)多個(gè)避難場所。首先利用ArcGIS建立包含需求點(diǎn)、避難場所可用資源與路網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，然后通過Model Builder組合構(gòu)建OD距離成本矩陣模型。模型的輸入要素為道路網(wǎng)（實(shí)際疏散路徑）、需求點(diǎn)與避難場所，輸出要素為疏散距離。疏散沿著構(gòu)建的城市道路網(wǎng)進(jìn)行（非直線距離），運(yùn)算可視化結(jié)果中的直線不代表疏散路徑，而是需求點(diǎn)附近合理距離內(nèi)的所有可用避難場所資源，僅為對應(yīng)關(guān)系示意，可以理解為某個(gè)需求點(diǎn)的若干疏散方向（Chen et al，2020）。

我國成年男性與女性的步行速度約為在1～1.3 m/s（徐循初，湯宇卿，2007）。當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，步速一般較快。范晨璟（2017）通過一項(xiàng)疏散實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，居民在緊急情況下從其所處位置到附近避難場所的平均步行速度約2.15 m/s。因此，本文疏散模擬模型的人員平均步行速度設(shè)為2.15 m/s。根據(jù)模型可求得：①每一個(gè)需求點(diǎn)通往附近若干避難場所之間的每一條路徑疏散的人數(shù)以及疏散完成所花費(fèi)的時(shí)間；②每一個(gè)避難場所接收不同需求點(diǎn)的避難人員數(shù)量以及前往該避難場所的所有人員疏散完成所花費(fèi)的時(shí)間；③每一個(gè)避難場所最終呈現(xiàn)的狀態(tài)，即是否超容（Chen et al，2021）。

2.2.1模型參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.2主要構(gòu)建流程

3城市尺度避難疏散模擬

3.1應(yīng)急避難需求規(guī)模與分布

經(jīng)前述人員分析模型計(jì)算得知，研究區(qū)域的夜間平均駐留人數(shù)為24 557，該數(shù)值是基于手機(jī)信令數(shù)據(jù)計(jì)算得出的人員規(guī)模，僅為區(qū)域人口的一部分。為了得到研究區(qū)域內(nèi)夜間駐留人員總規(guī)模，筆者采用來源于某房產(chǎn)交易網(wǎng)站的住宅建筑數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)包含了小區(qū)、公寓、宿舍等居住建筑的坐標(biāo)、戶數(shù)等信息。區(qū)域居住人口的數(shù)量通過其擁有的總戶數(shù)與戶均人口數(shù)相乘計(jì)算得到，戶均人口數(shù)來源于天津市人口抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)。由此，估算出夜間總居住人口數(shù)約為263 539?；谑謾C(jī)信令數(shù)據(jù)得到的夜間平均駐留人員規(guī)模與基于居住建筑數(shù)據(jù)得到的夜間總居住人口規(guī)模的比值即近似為區(qū)域內(nèi)電信服務(wù)的市場占比，約為9.32%，將其余日期的白天駐留人員、白天流動(dòng)人員、夜間駐留人員、夜間流動(dòng)人員分別按照此比例進(jìn)行校正，即可得到各自的實(shí)際人員規(guī)模。由此，得到研究區(qū)各地塊緊急避難需求人員規(guī)模及分布（圖2）。圖2中全部298個(gè)地塊中，需求分布于白天的地塊有199個(gè)，分布于夜間的為99個(gè)，總需求人員規(guī)模約79.3萬人。

3.2人員完全疏散情景下的疏散模擬分析

運(yùn)用疏散模擬模型對緊急避難場所和需求點(diǎn)的最終狀態(tài)進(jìn)行分析。首先運(yùn)用OD距離成本矩陣模型計(jì)算疏散模擬所需的疏散路徑信息（表3），然后結(jié)合點(diǎn)數(shù)據(jù)（需求點(diǎn)、避難場所點(diǎn)）、線數(shù)據(jù)（疏散路徑）展開疏散分析。表4為298個(gè)需求點(diǎn)人員全部疏散至緊急避難場所后的每條路徑詳細(xì)疏散人數(shù)及時(shí)間信息。統(tǒng)計(jì)顯示，全部1 190條路徑的平均疏散時(shí)間約為10.8 min，最短疏散時(shí)間在2 min之內(nèi)，而由于部分需求點(diǎn)人員數(shù)量規(guī)模龐大，導(dǎo)致少數(shù)路徑疏散時(shí)間達(dá)3 h以上，路徑疏散時(shí)間頻數(shù)分布區(qū)間如圖3所示，小于10 min的路徑占比約為80.3%。路徑平均疏散人數(shù)約624，最大路徑疏散人數(shù)約23 067，多數(shù)路徑的疏散人數(shù)在450以下，也有部分路徑疏散人數(shù)超過了1萬。

需求點(diǎn)人員完全疏散后的緊急避難場所接收人員規(guī)模分布如圖4所示。分析發(fā)現(xiàn)，116個(gè)參與疏散模擬緊急避難場所平均接收人數(shù)為6 396，最少人數(shù)少于10人，有25處超過10 000人。其中，有6處接收超過20 000人，超過30 000人的有2處，分別約32 165人、34 712人。將每一處避難場所接收的人員規(guī)模與最大容量進(jìn)行比較，可知其是否超容以及具體的超容與尚能容納的人數(shù)信息。總體上，超容規(guī)模較大的避難場所主要分布于天津站周邊地區(qū)、海河?xùn)|岸沿線區(qū)域、南京路沿線地區(qū)、津?yàn)硰V場、錦州道及山西路等（圖5）。

從表5統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，在116個(gè)接收了疏散人員的緊急避難場所中，有64個(gè)已超出其最大容量，其最大總計(jì)能容納17.78萬人，但實(shí)際接收了60.46萬人，場均接收9 447人，共計(jì)超出容量42.68萬人，場均超容6 668人。在52個(gè)未超容避難場所中，最大總計(jì)能容納38.08萬人，但實(shí)際接收了13.73萬人，場均接收2 641人，尚能容納共計(jì)24.35萬人，場均尚能容納4 682人。

4結(jié)論

本文以天津市小白樓CBD地區(qū)為例，利用手機(jī)信令數(shù)據(jù)對區(qū)域內(nèi)緊急避難需求進(jìn)行分析，進(jìn)而構(gòu)建模型開展城市尺度疏散模擬，得出以下結(jié)論：

（1）手機(jī)信令數(shù)據(jù)可以較好地應(yīng)用于應(yīng)急避難場所需求評(píng)估與疏散模擬。從晝夜防災(zāi)角度來看，在研究區(qū)全部298個(gè)地塊中，緊急避難需求人員分布于白天與夜間的地塊分別有199個(gè)、99個(gè)，總需求人員規(guī)模約79.3萬。

（2）避難需求的分配不均導(dǎo)致部分地塊疏散時(shí)間較長，不利于災(zāi)時(shí)開展快速有效疏散。10個(gè)需求點(diǎn)周邊無緊急避難場所可用，而28個(gè)緊急避難場所不在任何一個(gè)需求點(diǎn)的合理疏散距離范圍內(nèi)。疏散完成的平均時(shí)間約為10.8 min，少數(shù)路徑疏散時(shí)間達(dá)3 h以上，小于10 min的路徑占比約80.3%。

（3）避難場所超出容量為普遍現(xiàn)象，亟需擴(kuò)容。超容規(guī)模較大的避難場所主要分布于天津站周邊地區(qū)、海河?xùn)|岸沿線區(qū)域、南京路沿線地區(qū)、津?yàn)硰V場、錦州道及山西路等。在116個(gè)避難場所中，64個(gè)已超出其最大容量，其最大總計(jì)能容納17.78萬人，共計(jì)超出容量42.68萬人，場均超容6 668人。

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Urban-scale Earthquake Evacuation Simulation Based

on Mobile Phone Signaling Data

CHEN Wei TANG Yiming ZHAO Jun GAO Jingyi ZHAI Guofang

（1.School of Management，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210023，Jiangsu，China）

（2.School of Geographic and Biologic Information，Nanjing University of Posts

and Telecommunications，Nanjing 210023，Jiangsu，China）

（3.Jiangsu Provincial Architectural Design and Research Institute，Nanjing 210023，Jiangsu，China）

（4.Department of Architecture and Building Science，Graduate School of Engineering，

Tohoku University，Sendai 980-8579，Japan）

（5.School of Architecture and Urban Planning，Nanjing University，Nanjing 210093，Jiangsu，China）

Abstract

The simulation of urban-scale evacuation can help to find the gap between the actually-required number of the emergency shelters and the number of the existing emergency shelters，and to provide a quantitative basis for the construction of emergency shelters.Based on the mobile phone signaling data，an evacuation model is built to simulate the earthquake evacuation in Xiaobailou area，the CBD of Tianjin.It is found that the total number of people in need of refuge in the area was about 793000，and among the 298 plots，199 plots are required for evacuation during the daytime.The average evacuation time for the people on all routes is about 10.8 minutes，and the routes for people costing less than 10 minutes account for about 80.3%.The average number of refugees accommodated by 116 emergency shelters in evacuation simulation is 6396.There are 25 shelters whose maximum capacity is more than 10000 people and 6 shelters whose maximum capacity is more than 20000 people.Shelters with large excess capacity are mainly distributed around Tianjin railway station，along the East Bank of Haihe River，along Nanjing Road，in Jinwan Square，along Jinzhou Road and Shanxi Road，among which 64 have exceeded their maximum capacity，with 426800 people exceeding the total capacity and 6 668 people exceeding the average capacity.There are 52 shelters which refugees do not exceed their capacity，altogether they can accommodate 380800 people，but the actual refugees are 137300；there is a gap of 243500 people.

Keywords：emergency shelter；mobile phone signaling data；earthquake disaster；evacuation simulation；Tanjin