基于微觀交通模型的核電廠應急撤離模式研究1)

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(1.清華海峽研究院(廈門)，福建 廈門 100036；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215000)

根據(jù)我國《核電廠核事故應急管理條例》第十三條規(guī)定，場內(nèi)核事故應急計劃、場外核事故應急計劃應當包括煙羽應急計劃區(qū)和食入應急計劃區(qū)的范圍，針對煙羽應急計劃區(qū)內(nèi)采取措施，按照國家標準GB/T 17680.1—2008中規(guī)定“應做好能在緊急情況下立即采取隱蔽、服用穩(wěn)定碘和緊急撤離等防護行動”。

核電廠應急撤離是核電廠事故發(fā)生時，有效的應急防護措施之一?？s短撤離時間對于降低核電廠嚴重事故的潛在后果有著積極作用。美國核管會(NRC)技術(shù)導則NUREG/CR—6863中提到：核電廠應急撤離時間估算(ETE)是各個核電廠應急計劃的一部分，也是獲得核電廠址審批許可證必須要研究的課題。撤離時間估算為核電廠和地方政府的核事故應急準備與決策提供重要依據(jù)，對緩解核電廠嚴重事故后果，保障周邊環(huán)境和公眾健康安全有重要作用。

基于微觀交通模型的核電廠應急撤離是以追蹤單個個體的撤離行動軌跡為基礎來對撤離時間進行估算分析的一種方法，其主要的組成成分包括單個個體、撤離路線的自然環(huán)境以及外部的其他干預措施，其中單個個體可以是行人、汽車、大巴車、摩托車等。在微觀交通撤離模型中，需要綜合考慮核電廠應急計劃區(qū)內(nèi)的居民點的人口組成、年齡分布特征、撤離道路網(wǎng)、交通狀況和應急集合點的設置，以及應急計劃區(qū)的地形地貌特征、氣象條件和極端自然事件等各種組合，這些不同的組合將作為微觀交通模型的輸入條件被反映在撤離模型中，通過模擬計算得到特定情況下的撤離時間，為后續(xù)的核事故應急決策提供了重要的技術(shù)支撐。

1 研究方法

核電廠應急撤離時間的評估是當核電廠發(fā)生重大安全事故并導致放射性物質(zhì)釋放到大氣環(huán)境后周邊居民應急撤離能力的重要內(nèi)容。對于撤離時間的確定，通常采用簡單的方法保守估算撤離時間，假設事件是相繼發(fā)生的，即在任何人開始行動之前，所有人都得到了通知并準備撤離，否則沒有一個人開始行動，時間的估算方法是簡單地把每一部分最大的時間相加。首先把撤離時間分成四部分，即：

ET=DT+NT+PT+CT

(1)

式中：ET為應急疏散時間(evacuation time)；DT為決策時間(decision time)，即突發(fā)事件預警至發(fā)布疏散指令之間所需要的時間；NT為通知時間(notification time)，即疏散警告時間；PT為準備時間(preparation time)，即撤離者從接受警告至撤離開始的時間；CT為疏散區(qū)清空時間(clearance time)，即撤離者從出發(fā)至抵達目的地所需要的行程時間。

疏散區(qū)清空時間主要指核電廠工作人員及核電廠應急計劃區(qū)內(nèi)居民從工作崗位或住所出發(fā)撤離到應急計劃區(qū)外的集合點的時間(CT)，在本文中該時間主要采用德國PTV公司開發(fā)的微觀交通仿真軟件系統(tǒng)VISSIM對撤離行為進行微觀模型的仿真模擬，通過模擬仿真獲得該撤離行動所消耗的疏散區(qū)清空時間，其基本流程如圖1所示。

圖1 微觀交通撤離流程圖Fig.1 The emergency evacuation based onthe microscopic traffic model

2 微觀交通仿真原理及建模

2.1 微觀交通原理介紹

VISSIM是由德國PTV公司開發(fā)的一款微觀交通流仿真系統(tǒng)模擬工具，該軟件系統(tǒng)能分析在車道類型、交通組成、交通信號控制、停讓控制等眾多條件下的交通運行情況，具有分析、評價、優(yōu)化交通網(wǎng)絡、設計方案比較等功能，是分析許多交通問題的有效工具。微觀模型中行為的仿真主要是建立在社會力模型之上，其基本理念就是通過與牛頓機械學相似的受力分析來建立行人基本行為趨向性模型。VISSIM采用的核心模型是WIEDEMANN于1974年建立的生理—心理駕駛行為模型，該模型的基本思路是：一旦后車駕駛員認為他與前車之間的距離小于其心理(安全)距離時，后車駕駛員開始減速。由于后車駕駛員無法準確判斷前車車速，后車車速會在一段時間內(nèi)低于前車車速，直到前后車間的距離達到另一個心理(安全)距離時，后車駕駛員開始緩慢地加速，由此周而復始，形成一個加速、減速的迭代過程(見圖2)。

圖2 VISSIM中的跟車模型(Wiedemann 1974)Fig.2 Follow-up model in VISSIM (Wiedemann 1974)

2.2 車輛加、減速函數(shù)建模

VISSIM使用表征駕駛員駕駛行為差異的函數(shù)來確定車輛的加速度和減速度值，而并不是使用一個簡單的加速度或減速度值。加速度與減速度函數(shù)都是當前速度的函數(shù)。根據(jù)核電廠應急撤離道路的實際情況，制定相應的加速、加速函數(shù)建模，圖3是為某特定情景下制定的小轎車、公交車曲線加速度和曲線減速度函數(shù)。

圖3 小車(上)和客車(下)的仿真加、減函數(shù)圖Fig. 3 Simulation plus and minus function diagram for car (up) and bus (down)

2.3 期望車速分布建模

VISSIM中的許多參數(shù)是以一個分布的形式定義的，而不是一個固定值，這樣能夠真實地反映出交通的隨機性本質(zhì)。車速分布對于道路的通行能力和可達到的行駛車速有很大影響，因此它對任何一種車輛類型而言，都是一個重要的參數(shù)。假設車輛運行不受其他車輛的干擾，駕駛員將會以他的期望車速行駛。與自身期望車速不同的車輛越多，將會生成越多的車輛排隊。如果有可能超車，只要車輛的期望車速高于當前的行駛車速，就會選擇機會在對其他車輛不構(gòu)成危險時進行超車。根據(jù)撤離道路的實際情況，設定合理的期望車速模型(見圖4)。

圖4 特定情況下的一種期望車速模型Fig.4 A desired vehicle speed model for a specific situation

其中,橫坐軸表示期望車速，縱軸表示從0.0～1.0的累計百分比。為了模擬實際情況的交通隨機性，采用圍繞中間值的S形分布。

2.4 駕駛行為

在交通仿真車輛中選擇采用一種叫Wiedemann74跟車模型，這種模型參數(shù)是用來計算兩車之間的距離d，公式如下：

d=ax+bx

(2)

(3)

式中，ax為平均停車間距，變化幅度為±1 m;v為車輛速度m/s;z為介于[0,1]之間的數(shù)值，是以0.5為平均值的標準正態(tài)分布，標準差為0.15；bx_add為安全距離的附加部分，bx_mult為安全距離的倍數(shù)部分，這兩項參數(shù)根據(jù)實際情況可以自定義。

3 數(shù)據(jù)準備

3.1 自然環(huán)境特征

核電廠廠址的自然環(huán)境特征與核電廠實施應急計劃相關(guān)的因素主要包括兩大類：

(1)自然環(huán)境

主要是特殊的地理特征，例如島嶼、山脈、河流等，這些特征在應急情況下可能阻礙撤離通道并隔離廠址，會對廠內(nèi)工作人員和周圍公眾的撤離造成潛在障礙。

(2)外部自然事件

主要是可能導致應急狀態(tài)或限制應急響應有效性的災害性極端外部自然事件或可預見的自然災害，如地震、海嘯、臺風、暴雨、降雪、洪水、濃霧、山體滑坡/地面沉降等，主要考慮了道路的損壞和惡劣氣象條件對撤離的不利影響，以及對應急通信、電力供應、應急供給、救災搶險等方面出現(xiàn)困難。

3.2 社會環(huán)境特征

核電廠事故應急情況下除最大限度保證堆芯安全、避免放射性物質(zhì)大規(guī)模釋放外，公眾和環(huán)境的安全需要在應急計劃的框架下采取有效的防護行動來保障，社會環(huán)境特征方面需要關(guān)注人口分布、社會基礎設施、食物和飲水等要素，并保證在核電廠預計壽期內(nèi)得到有效的控制和安排：

(1)人口分布

應急計劃的實施的主要目的之一是為了在事故情況下，減少或避免公眾可能接受的輻射照射，人口分布是影響核電廠應急可行性的最重要因素之一，主要要素包括人口密度和分布、廠址與人口中心的距離以及特殊人群組。

(2)社會基礎設施

公眾實施有效應急防護行動的基礎是良好的通知通報、交通路網(wǎng)、交通工具、隱蔽場所等，具體因素包括核電廠周邊交通路網(wǎng)現(xiàn)狀及規(guī)劃、公眾自備交通工具保有量和依托社會力量可提供的大型交通工具、可供臨時避難的公眾居所或大型公共設施以及無線、有線及專用通訊設施及其他可用于傳遞信息的設施的分布和使用情況。

3.3 VISSIM撤離路網(wǎng)建模

應急撤離時間估算所需的交通要素包括如下內(nèi)容：撤離道路中各條路段的位置、類型、路口轉(zhuǎn)向和交通容量，應急計劃區(qū)內(nèi)各個應急集合點的位置，車輛產(chǎn)生源的位置，應急撤離道路的路線選擇等。通過交通和規(guī)劃部門，充分調(diào)查廠址周邊的詳細道路、交通資料，包括道路的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、道路的橋梁情況、路面情況、道路等級等，結(jié)合地理信息系統(tǒng)(GIS)在VISSIM軟件中準確地建立應急撤離道路的路網(wǎng)模型，并作為后續(xù)模擬仿真計算的輸入條件(見圖5)。

圖5 應急撤離道路路網(wǎng)模型Fig. 5 Emergency evacuation road network model

4 應急撤離微觀交通模型的仿真模擬

4.1 撤離場景設置

撤離情景設定多種，按不同類別主要分：撤離季節(jié)分為農(nóng)忙和農(nóng)閑，按時段分為平常、假日、特殊假日(主要指春節(jié)，外出打工者都回家了)，按時間分白天、晚上，天氣情況考慮：晴天、暴雨、霧天等，按風向分17個風向(包括無風)。對不同情境的分析如下：

1)天氣情況：暴雨和霧天時，在外工作的人群返回家中時間將會加大。撤離行動開始后，由于道路受到天氣影響，道路容量和交通速度將降低。特別是暴雨時，對于沙石和泥土路影響非常大。

2)時間：工作人群(包括學生)在晚上已返回家中休息，故晚上可將人群分成兩類，立即撤離和耽擱一段時間后撤離的人群。準備撤離的時間將會增加。撤離行動開始后，由于晚上視距變短，交通速度將降低。假設摩托車在晚上的最高時速為40 km/h。

3)農(nóng)忙時節(jié)：廠址周圍農(nóng)民白天一般會在地里干活，接到警告后返回家中準備撤離，所以農(nóng)忙時節(jié)工作人群比例增加，準備撤離所需時間也將增加。

4)假日：周末與小長假時，工作人群(包括學生)部分將在家休息，部分外出購物與旅游。此時人群分成兩類，立即撤離、耽擱一段時間后撤離?？偝冯x人口將減少，但由于私人車輛不在家中，家中原來可自行撤離的部分人群將依賴公共交通撤離。由于交通控制，假設外出到應急計劃區(qū)外的人群將不再返回家中。

5)特殊假日：春節(jié)時，外出打工的人群、附近工作的人群(包括學生)將返回家中，部分外出購物與旅游。撤離人群分成兩類，立即撤離、耽擱一段時間后撤離。此時廠址附近人口將出現(xiàn)高峰，但由于私人車輛增加，本來依賴公共交通撤離的人群將減少。同樣，由于交通控制，假設外出到應急計劃區(qū)外的人群將不再回家，這與假日情況一樣處理。

6)風向：按風向分17個風向(包括無風)。按照我國目前相關(guān)導則與國家標準，應急撤離范圍為煙羽應急計劃區(qū)內(nèi)區(qū)(3～5 km)。保守起見，我們可以選擇兩種撤離方案：1)5 km內(nèi)全部撤離，2)3 km內(nèi)全部撤離，5 km內(nèi)下風向撤離。對于第二種方案需要考慮事故時廠址風向。不論任何風向，3 km內(nèi)(即應急計劃區(qū)域A、B、C、D、E)人口將全部撤離，3～5 km內(nèi)(即應急計劃區(qū)域F，G)將在位于下風向及下風向涉及范圍時進行撤離。

4.2 VISSIM運行參數(shù)設置

在進行撤離疏散模擬實驗之前，需要根據(jù)核電廠應急計劃區(qū)內(nèi)最新的調(diào)查數(shù)據(jù)，在VISSIM軟件中設置撤離人口總數(shù)、撤離時使用的交通工具、每種交通工具所占的比重以及期望的行駛速度等。在撤離時，假設居民使用的交通工具有私家車、客運汽車、自行車、摩托車以及步行，對于每種交通方式的載人數(shù)和行駛速度，如表1所示。

表1 每種交通方式的載人數(shù)和行駛速度Table 1 The load and the speed of each type of transportation

4.3 仿真計算

在微觀交通模型仿真軟件VISSIM中輸入上述的數(shù)據(jù)參數(shù)后，即可對不同的撤離場景進行撤離時間估算的仿真模擬(見圖6)。在VISSIM仿真模擬中，軟件將會記錄每輛車輛的出發(fā)時間、行駛路徑、最大速度、平均速度、擁堵時間、結(jié)束時間等。

圖 6 微觀交通模型的仿真過程Fig. 6 Simulation of microscopic traffic model

4.4 結(jié)果分析

通過對仿真數(shù)據(jù)的分析研究，我們可以從VISSIM軟件中得到：

1)撤離區(qū)域內(nèi)的公眾從開始撤離到完全撤離到安置點總共花費的時間；

2)從開始撤離到撤離區(qū)域內(nèi)的公眾人數(shù)的90%、100%撤離到安置點總共花費的時間；

3)撤離過程中各個車輛類型的平均需要花費的時間、平均行駛速度、在撤離過程中的平均擁堵時間等；

4)撤離范圍內(nèi)各個主要撤離道路的行駛車輛總數(shù)以及通過該道路的撤離總?cè)藬?shù)；

5)撤離范圍內(nèi)各個主要撤離道路上的行駛車輛的時間分布。

通過對比驗證，使用VISSIM微觀仿真模型得到的結(jié)果與國內(nèi)同行提供的宏觀撤離模型[12]計算得到結(jié)果在撤離時間的絕對值、撤離路網(wǎng)中的擁堵路段上都具有較好的一致性。

5 結(jié) 論

針對特定核電廠的應急撤離時間估算，使用微觀交通模型VISSIM軟件可以模擬仿真各種撤離情景下的道路交通狀況和車輛行駛狀態(tài)。與宏觀模擬估算不同的是，微觀交通模型不但可以詳細地記錄每個撤離個體的出發(fā)時間、行駛路徑、最大速度、平均速度、擁堵時間、結(jié)束時間，而且還能得到撤離過程中各條道路的通行能力，進而對撤離路網(wǎng)的設計和規(guī)劃方案提供有效的評價反饋，為應急準備和響應工作提供指導性的建議，優(yōu)化應急準備的資源配置，提高核電廠應急準備工作的經(jīng)濟性和應急防護行動決策的有效性，保障核事故情況下周邊居民安全。