李端杰 王夢晗 王潔寧
作為城市防災(zāi)系統(tǒng)的重要組成部分,城市公園除具備景觀、游憩、生態(tài)及文化功能外,在城市防災(zāi)救災(zāi)過程中還發(fā)揮了突出的防災(zāi)避險功能。然而在城市人口高密度聚集的情況下,災(zāi)害來臨時,情況復(fù)雜,人員恐慌,易出現(xiàn)嚴(yán)重的擁擠、踩踏等現(xiàn)象,不僅無法成功進(jìn)行避險疏散,還有可能引發(fā)二次傷害,造成重大損失。因此,將避險人員在規(guī)定時間內(nèi)疏散至安全區(qū)域,是規(guī)劃設(shè)計及管理人員面臨的一大挑戰(zhàn)。
目前,對于城市突發(fā)公共事件的應(yīng)急疏散研究多集中于管理領(lǐng)域及科學(xué)技術(shù)層面,對于突發(fā)事件狀況下建筑物內(nèi)部的人員疏散研究取得了大量成果[1-3],城市綠地應(yīng)急防災(zāi)避險功能的相關(guān)研究多集中于防災(zāi)綠地的體系構(gòu)建、規(guī)劃指標(biāo)與安全評價等方面[4-9],對城市防災(zāi)避險綠地可達(dá)性也有了一定研究,基于地理信息系統(tǒng)(GIS)的方法成為災(zāi)時城市公園綠地可達(dá)性評估的主要研究手段。屠夢慈等[10]利用空間句法專用分析軟件Depthmap對蘇州桐涇公園防災(zāi)避難空間視線及通行可達(dá)性差異進(jìn)行量化研究,并對其防災(zāi)避難空間布局提出建議;林麗麗等[11]借助ArcGIS空間分析工具,對災(zāi)時3、5、10 min內(nèi)避災(zāi)綠地的服務(wù)能力和承載力2個方面進(jìn)行量化,探討福州市鼓樓區(qū)綠地的避災(zāi)服務(wù)范圍、服務(wù)人口數(shù)量以及街道避災(zāi)服務(wù)的空間差異。但是,在災(zāi)時綠地可達(dá)性視角下,城市綠地應(yīng)急防災(zāi)避險功能的相關(guān)研究中缺少對于城市公園綠地邊界空間應(yīng)急疏散的研究,因而對突發(fā)災(zāi)害下城市公園綠地周邊人群有效疏散的指導(dǎo)非常有限。
本研究根據(jù)行為科學(xué)方法,對公園綠地周邊人群避險行為進(jìn)行仿真模擬,分析人群在疏散場景下對場所及路徑的選擇特征,提出防災(zāi)公園外部邊界空間優(yōu)化策略,為城市公園綠地空間布局、道路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃等提供參考。
研究發(fā)現(xiàn),人在大多數(shù)情況下都有聚集的傾向,人與人之間的各種心理活動通常相互制約、相互影響。在正常情況下,多數(shù)人會因其受教育程度及內(nèi)心道德約束主動進(jìn)行有序排隊,同時會出現(xiàn)相向人流分層、交叉人流成帶、流動人群成簇等現(xiàn)象。但處于擁擠狀況下,人員的心理互相影響,則會出現(xiàn)盲從、情緒傳染、責(zé)任感缺失等情況。
災(zāi)時人的行為因其恐慌心理而具有難以預(yù)測的特點。陳長坤等[12]發(fā)現(xiàn)人群在疏散過程中尤其是在資源匱乏的情況下,恐慌是其主要的心理狀態(tài);人群的恐慌狀態(tài)會在很大程度上影響個體行為,使人群在災(zāi)時的運動軌跡具有較大的隨機性。王莉[13]論述了人在恐慌狀態(tài)下的個體行為和群體行為,認(rèn)為個體在處于恐慌狀態(tài)下更容易處于“非適應(yīng)性行為”狀態(tài),正常狀態(tài)人群中的文明行為被打亂而引發(fā)災(zāi)難事故,如群體在恐慌狀態(tài)下易引起人流量波動、出入口堵塞或被忽視等情形。
1)疏散反應(yīng)延遲。研究發(fā)現(xiàn)突發(fā)事件情況下部分人的避險行為表現(xiàn)為原地不動或在出口滯留[14]。張培紅等[15]采用自適應(yīng)性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)樣本訓(xùn)練檢測機制,對人員開始疏散行為前的決策行為構(gòu)建了預(yù)測模型,總結(jié)出人員在建筑物外選擇避難場所進(jìn)行疏散這一過程的時間分布規(guī)律:約55%的人員需經(jīng)過10~20 min的反應(yīng)時間才開始疏散行為,僅有25%的人在災(zāi)害發(fā)生后馬上開始疏散行為。
2)選擇就近避險。研究發(fā)現(xiàn)超過90%的人實際選擇的避難路線長度均小于500 m,即大部分人在緊急避險情況下會選擇離自己所處位置較近的地點避難[14]。
3)選擇熟悉場所。突發(fā)事件情境下,人們對場所的基本情況越熟悉,就能夠有更多的活動機會,并對這些場所具有更強的信任感,因而在緊急情況下人們趨向于選擇熟悉的地點進(jìn)行避險[16]。
4)選擇從眾避險。當(dāng)避險人員缺乏對周邊避難場所的了解時,大多會表現(xiàn)出從眾避險行為,即跟隨其他多數(shù)避險人員進(jìn)行場所選擇和避險行動[8]。
1)疏散人員。人作為應(yīng)急疏散的主體直接影響著疏散的效率。災(zāi)時個體的行為及心理受到多方面影響,如年齡、初始位置、狀態(tài)、經(jīng)驗、反應(yīng)能力等[17]。此外,主體行為還會受到他人及環(huán)境的影響,例如,處于恐慌狀態(tài)下的個體判斷能力減弱而導(dǎo)致從眾行為等[18]。
2)疏散環(huán)境。建筑物內(nèi)部及外部環(huán)境是影響疏散避險效率的主要因素(本研究對建筑物內(nèi)部環(huán)境暫不予討論)。建筑物外部環(huán)境主要指道路交通及其防護(hù)、水體等。當(dāng)避險人員的位置與避險場所間有水體、防護(hù)欄或是一定寬度的道路,同時周邊有其他避難場所時,會導(dǎo)致避險人員改變對避險場所的選擇[19]。
3)疏散策略。科學(xué)合理的疏散策略對于突發(fā)事件而言至關(guān)重要。城市公園綠地在規(guī)劃階段,對于周邊服務(wù)范圍的界定應(yīng)考慮居民和游客對防災(zāi)避險的規(guī)模需求,同時在建筑與場地之間、道路等處增加提示和信息引導(dǎo)類設(shè)施。城市公園綠地投入使用后,應(yīng)在平時進(jìn)行應(yīng)急演練,對周邊居民進(jìn)行應(yīng)急避險教育,注重對場地管理人員及指揮救援人員的知識普及,制定相應(yīng)的突發(fā)事件應(yīng)急管理預(yù)案等,這些均是提高人員疏散效率的重要策略。
當(dāng)前常用的疏散模擬軟件有STEPS、Building EXODUS、Pathfinder、MassMotion、Simulex等[20]。其中,MassMotion是一個行人微模擬平臺,目前已經(jīng)可以利用MassMotion對機場、火車站、地鐵站等大型交通設(shè)施以及商場等公共場所中的各類行人進(jìn)行較高精度的仿真模擬[21-22]。
MassMotion平臺模擬的人員運動分為人員決策過程和人員移動過程。在模型中為人員指定出入口后,人員會對起點和目的地之間的距離、擁堵情況和地形加以分析并進(jìn)行決策;然后,根據(jù)其對環(huán)境的熟悉程度,結(jié)合當(dāng)前的動態(tài)變化環(huán)境,考慮替代路線;最終,人員將沿著“最低成本”路線[23-24]到達(dá)特定的出入口。其工作原理可用式(1)表示:
式中:Cost=沿路線的總行程事件(單位:s);WD=“距離”權(quán)重(人員屬性,具體數(shù)值根據(jù)人員狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整),D=距離;DG=從人員位置到最終目標(biāo)的距離(單位:m),G=終點;V=人員所需速度(單位:m/s);Wq=“隊列”權(quán)重,q=隊列;Q=到達(dá)連接入口之前隊列中的預(yù)期時間(單位:s);WL=“幾何組件遍歷”權(quán)重;L=幾何組件類型成本(單位:s)。
人員移動反射過程是基于人員基本的移動和對環(huán)境的響應(yīng),避險人員能夠利用社會力模型①以適應(yīng)物理環(huán)境內(nèi)的動態(tài)變化,如人員在環(huán)境中進(jìn)行導(dǎo)航,躲避障礙物或其他人員,從而導(dǎo)致人員避險疏散行為的變化[25]。MassMotion中采用的數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)理論是基于人員移動過程中觀察到的一般人類行為的數(shù)據(jù)和理論[26]。人員移動的速度根據(jù)對不同性別、年齡、體征等個體特征人群速度的調(diào)查而生成,默認(rèn)水平疏散行走速度在0.65~2.05 m/s間均勻分布。疏散過程中避險人員在物理環(huán)境中移動,物理環(huán)境包括空間環(huán)境、人員所在的場地、其他鄰近的人員情況。
MassMotion模擬平臺中的疏散人員具有疏散反應(yīng)延遲、選擇就近避險、選擇熟悉場所、從眾避險等特點,同時疏散過程中的人群會受到疏散人員及疏散環(huán)境的影響。因此,MsaaMotion模擬平臺在疏散人員屬性設(shè)置方面更加符合上述災(zāi)時人的應(yīng)急避險行為特點。將MassMotion模擬平臺應(yīng)用于城市公園綠地疏散模擬,能夠基于災(zāi)時人員心理與行為對城市公園疏散情況有較為真實的反映、分析與預(yù)測。
以濟南市泉城公園為例,設(shè)計本次模擬的研究技術(shù)路線(圖1)。通過天地圖、谷歌地圖、實地調(diào)研等進(jìn)行早期數(shù)據(jù)收集,獲取公園周邊建筑性質(zhì)、交通流線、行人路線、周邊入住率等數(shù)據(jù)。通過所收集數(shù)據(jù)推演災(zāi)時場地情景,建立泉城公園三維模型并導(dǎo)入MassMotion模擬平臺。驗證模擬結(jié)果與現(xiàn)狀吻合后就可進(jìn)行定量模擬:首先,根據(jù)前期數(shù)據(jù)獲取結(jié)果設(shè)定避險人員數(shù)量及特性;其次,測試現(xiàn)狀場地在緊急情況下的避險疏散表現(xiàn)是否滿足周邊避險疏散需求;最后,根據(jù)空間密度及場所人流量變化率,研究泉城公園的應(yīng)急避險功能在邊界可達(dá)方面存在的問題及原因,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行交通及空間結(jié)構(gòu)改善,即在其他條件不變情況下重復(fù)先前的仿真模擬,根據(jù)可視化結(jié)果判定場地優(yōu)化是否有效,以此提出更具科學(xué)性的解決對策。
1 泉城公園疏散仿真模擬技術(shù)路線[27]Simulated technical route of evacuation in Quancheng Park[27]
2.3.1 泉城公園概況
《濟南市城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃(2010—2020年)》將泉城公園定位為主城區(qū)內(nèi)最大的應(yīng)急避險公園(圖2),公園總占地面積46.7 hm2,其中用以應(yīng)急避險的有效面積約為30.3 hm2。濟南市泉城公園作為主城區(qū)的中短期避險綠地,除具備緊急疏散功能外,災(zāi)后還將為該片區(qū)避難人員提供1~30 d的生活保障和集中救援服務(wù),因此對于緊急狀況下公園周邊場所避險人員的近距離疏散具有足夠的承載能力。
2 泉城公園防災(zāi)避險平面圖Master plan of disaster prevention and avoidance of Quancheng Park
2.3.2 泉城公園周邊疏散人口調(diào)研
泉城公園北臨經(jīng)十路、南臨馬鞍山路、東臨舜耕路、西臨玉函路和順河高架路等城市主干道。公園周邊的濟南市全民健身中心、山東省體育中心、山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院及山東大學(xué)千佛山校區(qū)內(nèi)都具備空曠可供緊急避險的體育場,周邊住區(qū)為多層居民樓(圖3)。
3 泉城公園邊界與周邊環(huán)境分析圖Analysis diagram of the boundary and surrounding environment of Quancheng Park
以泉城公園為中心15 min步行距離范圍內(nèi)的城市空間為數(shù)據(jù)調(diào)查范圍,根據(jù)公園周邊交通條件以及其他避難場所的影響,將泉城公園周邊居住用地、公共管理與公共服務(wù)設(shè)施用地、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地中的人員定為本次模擬主體(表1)。對居住用地內(nèi)的人員數(shù)量,通過居委會收集入住率信息獲得;通過電話尋訪,官方網(wǎng)站查詢,實地調(diào)研及大眾點評APP、百度地圖等數(shù)據(jù)統(tǒng)計,獲取公共管理與公共服務(wù)設(shè)施用地和商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地內(nèi)的人員數(shù)量。
表1 泉城公園周邊疏散模擬人口數(shù)量表Tab. 1 Simulated evacuation population scale around Quancheng Park
在SketchUp中建模,導(dǎo)入MassMotion進(jìn)行模型參數(shù)調(diào)整,默認(rèn)疏散人群中不同人員的速度呈正態(tài)分布,設(shè)置場景、建立疏散活動,觀察泉城公園在現(xiàn)狀及場景改變情況下突發(fā)災(zāi)害時空間擁擠程度變化及人流量變化率,導(dǎo)出場地的人員平均密度(圖4)及流量計數(shù)。模擬結(jié)果顯示,突發(fā)事件下泉城公園北側(cè)經(jīng)十路段、東北側(cè)經(jīng)十路與舜耕路交叉口、西側(cè)山東電力中心醫(yī)院及南側(cè)新南門附近出現(xiàn)明顯擁堵狀況,公園入口附近基本不存在擁堵情況。
4 疏散模式人員平均密度Average density of people in the evacuation mode
泉城公園內(nèi)部避難場所的模擬結(jié)果顯示(圖5),公園新南門、東門北側(cè)次入口、西南門、東南門利用率較高,災(zāi)害發(fā)生后4~9 min人流量達(dá)到峰值,但公園北側(cè)次入口人流量極低,災(zāi)時無法發(fā)揮其防災(zāi)避險功能。根據(jù)公園外部疏散場地人流量計數(shù)變化(圖5)發(fā)現(xiàn),現(xiàn)狀場地疏散情況下15 min內(nèi)約600人無法完成疏散,未能完成疏散的人員全部來自泉城公園北側(cè)青年西路及文化西路社區(qū),各場地除舜耕路教育機構(gòu)外,避險人員均在2 min內(nèi)離開所在場地。
5 公園內(nèi)部及外部疏散場地人流量計數(shù)People flow count inside and outside the evacuation site of the park
通過MassMotion模擬平臺模擬的仿真動畫可發(fā)現(xiàn),主要擁堵場景發(fā)生在公園北門經(jīng)十路段、公園北側(cè)次入口、新南門、玉函路東側(cè)人行路。公園北門經(jīng)十路段因避險人員僅能從1座人行天橋向公園北門進(jìn)行轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致天橋附近嚴(yán)重?fù)矶?;公園北側(cè)次入口在疏散人員進(jìn)入內(nèi)部承接廣場后,還須向公園主入口移動才能最終完成疏散行動,次入口場地與主疏散廣場間因道路狹窄而產(chǎn)生擁堵;新南門前因存在分車道導(dǎo)致疏散人群繞行,道路被分割、寬度變窄,疏散時間增加造成堵塞;西側(cè)山東電力中心醫(yī)院因院前道路與部分場地的疏散路徑重合,導(dǎo)致玉函路東側(cè)人行路擁堵情況嚴(yán)重。
公園東門的疏散路徑表現(xiàn)為橫穿道路到達(dá)或從東側(cè)各次入口進(jìn)入公園后向東門進(jìn)行移動。東門疏散場地及各次入口廣場面積都相對較小,與之連接的道路也較為狹窄,同時還存在承接廣場與公園內(nèi)部無法連通的問題。東南門與東門接收的避險人群基本重合,且內(nèi)部廣場面積較大,現(xiàn)狀模擬顯示能夠較好地安置避難人員。
針對以上分析,在MassMotion模擬平臺中對模型進(jìn)行了以下優(yōu)化修正。
1)增強經(jīng)十路兩側(cè)場地的連通性。公園外部北側(cè)堵塞點主要為西北側(cè)天橋處,其優(yōu)化策略為在現(xiàn)有人行天橋東側(cè)與泉城公園北門之間增設(shè)人行天橋并進(jìn)行參數(shù)調(diào)整(圖6)。經(jīng)多次實驗后發(fā)現(xiàn),天橋下坡從寬3 m、坡長7 m調(diào)整至寬4 m、坡長10 m,便可解決擁堵問題,能夠使所有疏散人員在規(guī)定時間內(nèi)全部成功避險;公園北門利用率明顯增強,在疏散活動開始7 min時達(dá)到人流峰值,并且疏散人員在12 min時全部完成避險(圖7)。
6 周邊交通改進(jìn)后疏散模式人員平均密度The average density of people in the evacuation mode after the improvement of the surrounding traffic
7 周邊交通改進(jìn)后公園內(nèi)部及外部場地人流量計數(shù)People flow count inside and outside the park after the improvement of the surrounding traffic
2)將各次入口與主園路連通。將公園內(nèi)各次入口與主入口相連以增加人們對避險場地的選擇,在其他條件不變的情況下進(jìn)行疏散模擬,導(dǎo)出人員平均密度(圖8)。經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn),當(dāng)次入口與主園路開放連通后,可對公園外部北側(cè)避險人群進(jìn)行分流,人員擁擠程度有所減弱。優(yōu)化后山東省電視大廈及其附屬宿舍內(nèi)部人員、省經(jīng)信委宿舍人員的避險場地變化為公園北側(cè)次入口及東門北側(cè)次入口,次入口利用率明顯提升。優(yōu)化后公園內(nèi)部及外部場地人流量計數(shù)如圖9所示。
8 優(yōu)化后疏散模式人員平均密度The average density of people in the evacuation mode after optimization
9 優(yōu)化后公園內(nèi)部及外部場地人流量計數(shù)People flow count inside and outside the park after optimization
3)公園西側(cè)擁擠路段附近增設(shè)小型入口。為解決玉函路東側(cè)人行路擁擠問題,在泉城公園西北側(cè)增加一個次入口并配套小型集散廣場(圖10),新增次入口在疏散中共承接疏散人員約100人,可有效分流山東電力中心醫(yī)院前擁擠的人流(圖11)。
10 增設(shè)入口后疏散模式人員平均密度The average density of people in the evacuation mode after adding entrances
4)減少馬鞍山路段分車帶。依據(jù)現(xiàn)狀擁堵情況,將馬鞍山路段新南門前分車帶減少,在其他條件不變的情況下進(jìn)行疏散模擬并導(dǎo)出人員平均密度(圖12),此處擁堵狀況得以解決,新南門承接疏散人員數(shù)量增加(圖13)。
12 減少分車帶后疏散模式人員平均密度The average density of people in the evacuation mode after reducing carpool belts
13 減少分車帶后公園內(nèi)部及外部場地人流量計數(shù)People flow count inside and outside the park after reducing carpool belts
城市主干道在災(zāi)時往往成為城市的應(yīng)急避險通道,因此應(yīng)保證主干道的交通通暢,但同時也造成了主干道兩側(cè)避險人員的連通障礙。當(dāng)應(yīng)急避險公園邊界是城市主干道時,首先應(yīng)考慮在主干道上設(shè)置多個上跨或下穿通道,確保在有組織疏散情況下的人員疏散效率及安全性;其次建議將主干道公園邊界段的道路分車綠帶或交通隔離護(hù)欄改為可穿越式,保證在特別緊急的情況下,避災(zāi)群眾及時發(fā)現(xiàn)公園入口,快速到達(dá)公園邊界。
當(dāng)應(yīng)急避險公園邊界是次干道或支路時,災(zāi)時往往受建筑倒塌等環(huán)境影響而中斷交通,使避險人員無法快速到達(dá)公園邊界。此時,應(yīng)確保公園邊界有一定的空間來容納瞬時聚集的人群。因此,應(yīng)充分調(diào)研周邊避險需求,測算邊界避險人流量,根據(jù)避險人員規(guī)模設(shè)計滲透式入口空間,增大公園的邊界緩沖空間,增強公園的應(yīng)急避險彈性。公園邊界滲透式入口空間應(yīng)擴大入口寬度和縮小入口間隔,設(shè)置引導(dǎo)標(biāo)識,不設(shè)置欄桿、臺階等可能降低安全性及疏散效率的設(shè)施。
主園路是公園應(yīng)急避險空間的聯(lián)系動脈,入口是接受避險人員的窗口,窗口與動脈的便捷聯(lián)系可提高疏散效率。應(yīng)急避險公園應(yīng)明確各入口到達(dá)主園路的最短路徑,提升聯(lián)系通道的指向性、可達(dá)性和便捷性,便于群眾避險時從公園邊界空間快速通過公園疏散通道到達(dá)避險場地,有效提高公園避險效率[28]。
筆者通過對災(zāi)時人員應(yīng)急避險行為的研究,總結(jié)災(zāi)時避險人員具有疏散反應(yīng)延遲、選擇就近避險、選擇熟悉場所、從眾避險的特點。選取功能特征相符合的仿真模擬軟件MassMotion,以濟南市泉城公園為例,構(gòu)建突發(fā)事件下周邊群眾避險行為模型,對公園外部應(yīng)急避險行為進(jìn)行模擬。通過仿真模擬,觀察泉城公園應(yīng)對緊急突發(fā)災(zāi)害時周邊群眾避險疏散表現(xiàn),對疏散狀況下公園邊界人員密度及人流量計數(shù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)泉城公園作為災(zāi)時避難場所目的地的現(xiàn)存問題;然后,針對問題對疏散模型進(jìn)行優(yōu)化模擬,根據(jù)改進(jìn)后的模擬效果提出應(yīng)急避險公園邊界空間優(yōu)化策略,即增強公園周邊主干道的可穿越性、營造滲透式入口空間、強化公園入口到主園路的便捷性,提升防災(zāi)避險公園邊界空間的可達(dá)性、包容性和應(yīng)急彈性。本研究重點研究災(zāi)時城市公園周邊人群向城市公園進(jìn)行轉(zhuǎn)移避險的過程,未來將對避險人員進(jìn)入公園的后續(xù)疏散需求以及公園的空間布局、管理響應(yīng)做進(jìn)一步的研究。
注釋(Note):
① 社會力模型被廣泛應(yīng)用于描述人群的運動,為當(dāng)前較為主流的疏散模型。該模型對行人自身驅(qū)動力、行人之間排斥或吸引力、行人與障礙物之間排斥力的關(guān)系進(jìn)行描述。
致謝(Acknowledgments):
感謝山東建筑大學(xué)風(fēng)景園林碩士校外合作導(dǎo)師、濟南園林集團(tuán)景觀設(shè)計有限公司陳朝霞院長提供論文數(shù)據(jù)支持;感謝重慶交通大學(xué)交通運輸工程專業(yè)研究生蔣遠(yuǎn)偉進(jìn)行實驗指導(dǎo)。
圖表來源(Sources of Figures and Tables):
圖1引自參考文獻(xiàn)[27];圖2由泉城公園導(dǎo)游圖改繪;圖3底圖來源于天地圖·山東(http://www.sdmap.gov.cn/),由作者改繪;其余圖表均由作者繪制。