李玉堂,趙競爭,王民水,葉應(yīng)輝,王明常

1.吉林大學北區(qū)事務(wù)辦,長春 130026

2.吉林大學地球探測科學與技術(shù)學院,長春 130026

0 引言

地震具有突發(fā)性、破壞性強,可預測性低的特點,會對地面建筑物帶來強烈的破壞[1]。另外,在山區(qū)還會發(fā)生滑坡、泥石流等災(zāi)害[2]。在主要城市區(qū)域,當?shù)卣鸢l(fā)生時還可能會產(chǎn)生火災(zāi)、天然氣及有毒氣體的泄露等人為災(zāi)害[3]。因此,人們需要采取有效的防震減災(zāi)方法,以降低自身受到傷害的風險?！斗罏?zāi)避難場所設(shè)計規(guī)范》[4]、《中小學校地震避險指南》[5]以及部分高等學校避震指南等文件的發(fā)布表明,校園應(yīng)急地震疏散安全工作已經(jīng)成為一項重要的研究課題[6]。高等學校面積龐大、人口密度較大、校園道路縱橫交錯、各功能建筑物密度較大。當前,一般教學樓、宿舍的緊急疏散逃生路線多僅限于樓棟內(nèi)部,在關(guān)于應(yīng)急避震的逃生指南及相關(guān)培訓、演練方面還不夠完善[7]。如果沒有科學合理的逃生指南體系,在地震發(fā)生時將會產(chǎn)生更多次生危害, 如地震發(fā)生時人們會發(fā)生慌亂,嚴重時可能會發(fā)生擁堵,進而發(fā)生踩踏災(zāi)難[8]。因此,重視高校關(guān)于防震減災(zāi)工作,完善高等學校地震逃生體系、規(guī)劃最優(yōu)疏散路徑具有重要意義。

最優(yōu)疏散路徑國內(nèi)外已有較多的研究。20世紀70年代,美國針對核電站事故開發(fā)了確定時間最短的應(yīng)急疏散模型[9-10]。2005年,學者們提出了“疏散出發(fā)點”的概念[11]、基于計算機模擬的洪水應(yīng)急疏散計劃模型[12]和颶風中人員撤離和疏散時間方法[13]。2014年提出的地震疏散路徑規(guī)劃算法[14],能夠克服地震級別較大時最短路徑難以滿足逃生要求的問題。Hu等[15]綜合考慮避難場所分布與疏散的路徑規(guī)劃,提出了一種利用算法求解的綜合優(yōu)化模型。2019年,Dulebents等[16]考慮更多的應(yīng)急避難因素,如弱勢群體、交通條件等提出了混合整數(shù)規(guī)劃模型。當前更多的是基于計算機進行的模型研究,且模擬出的分配模型更加側(cè)重數(shù)據(jù)的構(gòu)建,對現(xiàn)實的避震疏散缺少相應(yīng)的考量。位置分配(location allocation, LA)模型[17]在多個場景得到廣泛應(yīng)用,如夜間防震應(yīng)急疏散[18]、社區(qū)地震應(yīng)急避難場所分配[19]、基于出行偏好和路徑長度的路徑規(guī)劃方法[20]等。LA模型能夠考慮更多的實際影響因素,實現(xiàn)地震應(yīng)急避難場所的最優(yōu)分配。迪杰斯特拉(Dijkstra)算法[21]能夠更好地模擬實際的道路距離,實現(xiàn)最優(yōu)疏散路徑的規(guī)劃。此外,現(xiàn)有的對場所空間分布平衡性與避震疏散之間關(guān)系的研究也較少。當前,我國衛(wèi)星事業(yè)飛速發(fā)展,高分辨率系列衛(wèi)星不斷升空,廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、軍事等各個領(lǐng)域[22],能夠為我們的避震疏散路徑研究提供更加清晰的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。

本研究以吉林大學朝陽校區(qū)(以下稱朝陽校區(qū))為研究區(qū),通過實地調(diào)查數(shù)據(jù)和高分辨率影像數(shù)據(jù),提取校園空間信息,遵循人群時空分布特點,利用LA模型、Dijkstra算法研究晝夜兩個時間段的避震疏散最優(yōu)路徑,并對校區(qū)空間信息分布不平衡的問題提出建議,完善了高等學校地震逃生體系。

1 研究區(qū)概況

吉林省境內(nèi)分布多個地震帶(斷裂帶),如北東向的嫩江斷裂帶、松遼盆地東緣斷裂帶、伊通—舒蘭斷裂帶等[23],地殼活動頻繁多發(fā),但以震級較小的深源地震最為常見,對地表構(gòu)成的破壞性小。朝陽校區(qū)位于長春市城區(qū)中心,學生分布集中。長春市與微小地震多發(fā)的松原市毗鄰,松遼盆地東緣斷裂帶、伊通—舒蘭斷裂帶分別分布在長春市的綠園區(qū)和雙陽區(qū)境內(nèi),距離朝陽校區(qū)很近。

朝陽校區(qū)總面積為42 490.71 m2,共有宿舍樓6棟、教學功能樓7棟。運動場、廣場、教學樓主要位于校園南部,食堂位于校園中部,辦公樓、宿舍樓主要分布在校園北部(圖1)。東北部有教職工住宅區(qū),中間有鐵柵欄或磚墻隔開,可達性不足,不作為本研究的區(qū)域。

a圖2023年遙感影像從BIGMAP軟件中獲取。

2 數(shù)據(jù)處理與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)處理

通過實地調(diào)查及校園資料統(tǒng)計獲取研究區(qū)人口分布數(shù)據(jù),對影像進行目視解譯,構(gòu)建道路、建筑物、林地、避震場所等校園空間信息分布網(wǎng)絡(luò)。其中:建筑物以頂部為邊界,道路以道路中心線為準進行提取;以各樓棟出口為避震疏散的起點;備用避震場所選取面積不小于500 m2的開闊空間,由運動場、廣場、部分停車場構(gòu)成。本文選取9個備用避震場所(圖2)?！冻鞘猩鐓^(qū)應(yīng)急避難場所建設(shè)標準》[24]中要求室外型緊急避難場所有效避難面積不宜小于200 m2,人均有效避難面積不應(yīng)低于1 m2。在本研究中避震場所面積均大于500 m2,按照應(yīng)急要求1.5 m2/人進行可容納人數(shù)的統(tǒng)計;去除避震場所表面上的灌叢等占用的面積,估算避震場所的有效面積。避震場所分布、面積、可容納人數(shù)如表1所示。

表1 研究區(qū)避震場所可容納人數(shù)

圖2 研究區(qū)避震場所分布

2.2 研究方法

避震疏散目的是人們花最少的時間從建筑物中轉(zhuǎn)移到安全場所,其遵循的重要原則是安全性和可達性[25]。本文從晝夜兩個不同時間段的避震需求、安全區(qū)可達性、安全區(qū)分配3個方面進行分析研究?；诘乩硇畔⒎椒ㄟM行數(shù)據(jù)處理、分析和可視化表達。在網(wǎng)絡(luò)分析工具中,進行服務(wù)域分析、位置分配分析、最優(yōu)疏散路徑分析的可視化。

2.2.1 避震需求

本文主要對白天、夜間兩種情景進行研究分析。白天,只考慮學生和老師集中分布在教學區(qū)和行政區(qū);夜間,只考慮學生集中分布在宿舍樓,人們夜間處于休息狀態(tài),因此,疏散起來比較困難。在本文研究中規(guī)定一些條件:考慮沒有對地表建筑產(chǎn)生巨大破壞作用或震級較小的地震發(fā)生時人員的疏散情況;同一個樓棟內(nèi)人口默認被分配給同一避震場所,各樓棟(最小疏散單元)出口即是疏散起點;避震場所有多個出入口,且可容納人數(shù)滿足需求;采用跑步的方式沿著最優(yōu)疏散路徑避震;疏散路徑可以有交匯,但在方向上不能相沖;不考慮其他因素對疏散速度的影響。

2.2.2 安全區(qū)可達性

安全區(qū)指避震場所;可達性是指從地理空間上的一點到另一點的難易程度,一般以費用、距離、時間等相關(guān)指標進行評價。目前,比例法、緩沖區(qū)法和核密度分析法沒有考慮實際空間中的障礙物阻隔;費用加權(quán)法、最小距離法未考慮避震場所可容納人數(shù);非緊急疏散的場景才會用引力模型;兩步移動搜尋法因難以確定臨界點而不為廣泛使用。資料[26]表明,網(wǎng)絡(luò)分析工具能夠考慮到實際的路網(wǎng)分布信息,可以通過建立道路網(wǎng)絡(luò)、確定最優(yōu)路徑、利用位置分配服務(wù)域工具,在微觀角度獲得定量數(shù)據(jù)。本文采用網(wǎng)絡(luò)分析法進行避震場所的位置分配。

1)校園空間信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

校園空間分布信息網(wǎng)絡(luò)主要由線和面組成。基于本文研究的避震疏散路徑問題,還需要引入點要素構(gòu)建避震數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。校園空間分布信息網(wǎng)絡(luò)主要基于建筑物、道路網(wǎng)絡(luò)、避震場所入口的矢量數(shù)據(jù)集而構(gòu)建;避震數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)由疏散起點、校園道路網(wǎng)、避震場所入口等數(shù)據(jù)集構(gòu)建。

2)最短路徑計算

通常使用歐氏距離來表示避震疏散最短距離,這與實際校園道路網(wǎng)絡(luò)路徑長度有一定偏差,是脫離實際情況的理想化模型。校園道路網(wǎng)絡(luò)路徑長度反映實際逃生時的路徑距離,可據(jù)此確定避震場所的服務(wù)范圍。因此,本文采用實際校園道路網(wǎng)絡(luò)的路徑長度作為避震疏散距離的值。Dijkstra算法[21]是路徑網(wǎng)絡(luò)中最常用的求最優(yōu)路徑的算法,其特點是在路徑網(wǎng)絡(luò)中,從一點出發(fā),按長度遞增的次序逐步得到最短路徑,能夠考慮道路網(wǎng)絡(luò)的實際情況。因此,本文選用Dijkstra算法來對最短路徑進行計算,公式如下:

dxy=min∑(dxu,duy)。

(1)

式中:dxy為空間信息分布網(wǎng)絡(luò)中x、y兩點間的最短路徑距離﹔dxu為需求點x與空間信息分布網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點u的路段距離;duy為空間信息分布網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點u到需求點y的路段距離。另外,距離不能出現(xiàn)負值的現(xiàn)象。

2.2.3 安全區(qū)分配

在進行避震場所分配研究時,應(yīng)先確定避震場所的空間位置。參考研究資料[18],本研究選擇校園的運動場、廣場、部分停車場等作為備用避震場所。根據(jù)就近避震原則,應(yīng)用LA模型進行避震場所的分配。

1)避震需求點歸屬

在避震場所可達性分析的基礎(chǔ)上,以避震場所可容納人數(shù)和避震歸屬唯一作為約束條件,以可避難人數(shù)最多為目標構(gòu)建疏散最優(yōu)方案?；诜?wù)域分析,設(shè)定空間最短路徑,完全覆蓋避震需求點。避震需求距離小于到最近避震點的距離,就將該避震需求點分配給最近的避震點,確定避震需求點的歸屬。

2)避震路徑

LA模型能將避震需求點根據(jù)歸屬關(guān)系分配給避震場所,但是兩者的路徑不能夠可視化。為了更加直觀地表達,在建成的校園空間信息分布網(wǎng)絡(luò)中,以每個需求點為起點,以其歸屬的避震場所入口為終點,進行最短路徑分析;如果疏散路徑存在方向上的沖突,則調(diào)整優(yōu)化,得到最佳避震路徑。建立每個需求點的避震疏散路徑,即可形成避震疏散路徑網(wǎng)。

3 結(jié)果分析

3.1 避震需求分析

根據(jù)對校區(qū)內(nèi)建筑物的實地調(diào)查走訪估計,得到了白天、夜間人員分布情況,結(jié)果如圖3所示。按照在2.2.1節(jié)中設(shè)定的前提,根據(jù)相關(guān)研究[27]可以設(shè)定兩種情景模式。情景模式一:白天上課時,學生主要聚集在教學樓(建工樓、化學樓、地質(zhì)宮、油頁巖樓、黃大年樓、古生物樓)和圖書館,學生分布密度大,且仍有師生、員工分布在辦公樓、超市等(圖3a)。朝陽校區(qū)南部主要教學區(qū)周邊分布有運動場01、運動場03、廣場01、廣場02共4處較大的空曠場地,為避震疏散提供了現(xiàn)成的場所。且白天學生在疏散過程中一般有老師、值班人員及時指導疏散,相對夜間避震疏散難度低。情景模式二:夜間休息時,人群聚集在宿舍樓內(nèi),此場景下宿舍樓人口密度更大(圖3b),且仍可能有部分員工在教學樓、辦公樓值班。結(jié)合實地調(diào)查可知,宿舍區(qū)域內(nèi)道路較主要教學樓附近的道路要狹窄,給夜間避震疏散增加了難度。夜間4號樓、5號樓平均人數(shù)超過1 000人,人數(shù)較多,且朝陽校區(qū)西北部宿舍分布密度大,避震疏散過程中安全隱患較大,可能發(fā)生擁堵踩踏等人為傷害的風險較大。7號樓人數(shù)較多,近1 000人,距離6號樓太近,且附近沒有合適的場所作為避震場所,給避震疏散帶來了一定難度。1號樓、2號樓在廣場附近,相對于其他幾棟宿舍樓,需要疏散人數(shù)較少,疏散難度較低。針對朝陽校區(qū)避震場所分布不平衡的問題,建議高等學校的避震疏散工作應(yīng)該在學校規(guī)劃初期就考慮在內(nèi)。例如,應(yīng)該考慮相對空曠場所的位置及大小、道路主干道寬度及道路兩旁建筑區(qū)的距離設(shè)置等。

圖3 研究區(qū)白天(a)及夜間(b)人員分布

3.2 安全區(qū)可達性分析

安全區(qū)可達性分析主要通過服務(wù)域分析來評價避震場所的服務(wù)范圍。研究區(qū)內(nèi)有9個備選避震場所,以避震場所入口為出發(fā)點、避震疏散路徑長度為R、疏散路徑主要依托校園道路網(wǎng)絡(luò),進行服務(wù)域分析。結(jié)合朝陽校區(qū)的校園道路網(wǎng)實際情況,本文利用網(wǎng)絡(luò)分析工具中的服務(wù)域工具,對地理信息數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進行路徑、服務(wù)域范圍、資源分配等分析。在利用服務(wù)域工具時,根據(jù)研究的實際需要,令R= 300 m[24],得到白天與夜間的避震場所服務(wù)覆蓋范圍分布,如圖4所示。當R=300 m時,其服務(wù)范圍可完全覆蓋研究區(qū),保證每個避震需求點到最近的避震場所的距離不會超過300 m,滿足避震可達性。從圖4可知,本文選的避震場所可以覆蓋避震需求點。

圖4 研究區(qū)白天(a)及夜間(b)避震場所服務(wù)域分析

在對朝陽校區(qū)的避震場所可達性進行分析時,會發(fā)現(xiàn)朝陽校區(qū)4號樓、5號樓、6號樓、7號樓人數(shù)多,附近缺少更多的空曠場地及更高質(zhì)量的避震場所。在本文中,避震場所08、避震場所09所在的廣場03與廣場04處,有少量樹木、設(shè)施,使得避震場所的有效面積僅為70%左右,造成了朝陽校區(qū)西北部地區(qū)避震疏散的工作較其他區(qū)域難度升級。除此之外,戶外運動場所及逃生節(jié)點應(yīng)當不設(shè)置門或門不加鎖,否則會導致在突發(fā)情況時,可逃生的避震場所失效、可快速逃生的疏散路徑被堵,其對生命安全造成的危害將是不可估量的。

3.3 安全區(qū)分配分析

避震場所分配即將避震需求點通過科學合理的方法規(guī)劃給出最優(yōu)的避震場所,是避震疏散路徑網(wǎng)中必不可少的重要環(huán)節(jié)。白天選擇的5個避震場所的總面積為102 916.81 m2,有效面積為100 616.81 m2;夜間選擇的4個避震場所的總面積為3 5254.35 m2,有效面積為31 267.91 m2。白天和夜間選的避震場所分別可容納67 078、20 845人,能夠滿足避震需求。由安全區(qū)可達性分析可知,選擇的避震場所均是有效的。在網(wǎng)絡(luò)分析工具中使用位置分配工具進行分析。首先,選定位置分配歸屬點、需求點,按照Maximize Coverage方式設(shè)置避震場所;根據(jù)避震場所分配的實際研究需要將阻抗設(shè)置為300 m,這樣就將距離歸屬點300 m范圍內(nèi)的需求點就近分配給歸屬點。避震場所位置分配如圖5,表2、表3所示。另外,本文疏散路徑長度R設(shè)置為300 m[24],這個距離可以使得在短時間內(nèi)人員疏散到安全場所。如果疏散路徑長度設(shè)置太長,則會導致人員逃生時不能夠到安全區(qū)域的現(xiàn)象,對人們的生命安全產(chǎn)生威脅。

表2 研究區(qū)白天LA模型應(yīng)急避震場所分配

表3 研究區(qū)夜間LA模型應(yīng)急避震場所分配

由圖5a、表1、表2可知,白天11個避震需求點主要被分配給了5個避震場所。在白天情境下避震場所01可容納人數(shù)為26 304,分配人數(shù)為400;避震場所03可容納人數(shù)為22 754,分配人數(shù)為700;避震場所04可容納人數(shù)為13 345,分配人數(shù)2 200;避震場所05可容納人數(shù)為2 457,分配人數(shù)為1 200;避震場所06可容納人數(shù)為2 218,分配人數(shù)為485。白天情景模式下,實際避震疏散人均面積為3.07 m2,分配人數(shù)均在避震場所的可容納人數(shù)范圍之內(nèi)。

由圖5b、表1、表3可知,夜間16個避震需求點主要被分配給了4個避震場所。在夜間情境下避震場所04可容納人數(shù)為13 345,分配人數(shù)為1 250;避震場所05可容納人數(shù)為2 457,分配人數(shù)為1 200;避震場所06可容納人數(shù)為2 218,分配人數(shù)為60;避震場所08+09為廣場03、廣場04共同組成,可容納人數(shù)為2 825,分配人數(shù)為2 475。夜間情景模式下,實際避震疏散人均面積最低為1.71 m2,分配方案可行。分配人數(shù)均在避震場所的可容納人數(shù)范圍之內(nèi),但避震場所08+09的疏散人群最多,加之宿舍樓下空場曠地面積有限,給疏散工作產(chǎn)生很大的難度。因此,學校應(yīng)該組織師生及時、適時的增加避震疏散的次數(shù),增加師生對自己所屬的避震安全點及疏散路徑的熟悉程度,以便在地震發(fā)生時能夠有序、迅速的疏散到安全點。

3.4 疏散路徑分析

利用網(wǎng)絡(luò)分析中的路徑分析,可以求解出避震疏散最短路徑,將每一條最短路徑進行合并,就構(gòu)建出了校園避震疏散路徑。校園道路兩邊5 m范圍內(nèi)無高層建筑、遠離危險源,能夠保證師生安全通過。疏散路徑由疏散起點、校園道路網(wǎng)、避震場所入口三部分組成,通過疏散路徑,各避震需求點的人可以有序地到達避震場所入口。白天與夜間兩種情景模式的完整疏散路徑分布分別如圖6所示。由圖6可知,疏散路徑在方向上并沒有沖突,且在距離上最短,可作為避震最優(yōu)疏散路徑。考慮到地震時可能會產(chǎn)生電力系統(tǒng)的癱瘓,所以校園內(nèi)應(yīng)急標識牌、應(yīng)急照明應(yīng)該進行加強,提高校園道路的可識別性。

圖6 研究區(qū)白天(a)及夜間(b)避震疏散路徑

考慮到疏散時人的疏散平均速度會隨著疏散距離的增加而減小,本文按照疏散距離劃分區(qū)間設(shè)定疏散平均速度。當疏散距離≤50 m時,疏散平均速度為1.75 m/s;當50 m<疏散距離≤100 m時,疏散平均速度為1.50 m/s;當100 m<疏散距離≤200 m時,疏散平均速度為1.20 m/s;當200 m<疏散距離≤300 m時,疏散平均速度為1.00 m/s。最優(yōu)疏散路徑的距離和用時如表4、表5所示,其中用時是最優(yōu)疏散路徑的距離與疏散速度的比值。由表4、表5可知,白天和夜間避震疏散需要的時間均在300 s內(nèi),避震最遠距離為7號樓疏散到避震場所05。結(jié)合空間信息分布可知,7號樓附近缺乏面積較大的避震場所,朝陽校區(qū)空間規(guī)劃存在不平衡的問題,該校區(qū)西北部是避震疏散的重點關(guān)注區(qū)域。

表4 研究區(qū)白天避震最優(yōu)疏散路徑

表5 研究區(qū)夜間避震最優(yōu)疏散路徑

4 結(jié)論

本文基于朝陽校區(qū)的校園空間分布信息網(wǎng)絡(luò)及人員空間分布情況探討了白天、夜間兩種場景的避震人員疏散路徑,得到如下結(jié)論:

1)將校區(qū)內(nèi)的空曠場地、運動場、籃球場等作為避震場所,避震場所能夠容納校區(qū)內(nèi)的師生員工;利用位置分配模型、迪杰斯特拉最優(yōu)路徑算法實現(xiàn)了朝陽校區(qū)的避震疏散最優(yōu)路徑的合理規(guī)劃;發(fā)現(xiàn)朝陽校區(qū)避震短板在校區(qū)的西北部,空曠場地分布不平衡,給西北部共4棟宿舍樓的避震疏散增加了難度。

2)本文給出了朝陽校區(qū)完善避震減災(zāi)體系的建議。本文在研究時假定了一些前提條件,沒有考慮在實際的避震疏散時,避震所需時間必然受到地形、樓棟高度、廊道寬度、疏散行動熟練程度、現(xiàn)場疏導指引等因素的影響。因此,在后續(xù)的校園建設(shè)中,應(yīng)該更多地考慮人口分布密集區(qū)附近空曠場地的規(guī)劃;在教學樓區(qū)域,更多地安裝緊急避險標識牌和應(yīng)急照明燈等避震疏散設(shè)施;學校防災(zāi)減災(zāi)部門應(yīng)當加大重要疏散路徑的暢通程度,多組織避震疏散演練,加強校區(qū)師生員工的避震疏散演技能。