徐建軍,陳衛(wèi)華,林加鎮(zhèn),王 浩,張曉艷
(中廣核工程有限公司核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 深圳 518172)
隨著核電事業(yè)的快速發(fā)展,我國已建成大亞灣、秦山、田灣、寧德、石島灣等大型核電基地。截至2022年6月底,我國在運(yùn)核電機(jī)組54臺(tái),總裝機(jī)容量列全球第三。在核電取得迅速發(fā)展的同時(shí),快速提升我國大型核電基地核事故綜合應(yīng)急能力,尤其是核事故應(yīng)急撤離能力顯得尤為迫切。我國《核電廠核事故應(yīng)急管理?xiàng)l例》規(guī)定,核電廠及所在省人民政府應(yīng)做好核事故應(yīng)急準(zhǔn)備和能力儲(chǔ)備工作[1-2]。然而,核電廠核事故及其周邊人員撤離預(yù)測是極其復(fù)雜的過程。復(fù)雜的主要原因是整個(gè)過程難以進(jìn)行還原分析,并開展與之相一致的試驗(yàn)。在極端情況下,復(fù)雜系統(tǒng)甚至無法對研究對象進(jìn)行建模,具體的“重復(fù)性”試驗(yàn)更無從談起。因此,核電廠應(yīng)急撤離預(yù)測研究需要采取與之相適應(yīng)的、符合其復(fù)雜特征的計(jì)算實(shí)驗(yàn)方法。
國際上對復(fù)雜系統(tǒng)試驗(yàn)的研究已非常深入。Epstein 和Axtell 等專家的研究[3-4]為利用代理方法探討和分析復(fù)雜社會(huì)問題和現(xiàn)象提供了較為完整的范例。王飛躍[5-7]等提出的“人工社會(huì)-計(jì)算實(shí)驗(yàn)-平行執(zhí)行”相結(jié)合的平行系統(tǒng)方法,是1種解決復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制問題的科學(xué)研究與實(shí)踐方法,能夠有效、綜合解決實(shí)際社會(huì)系統(tǒng)中無法重復(fù)試驗(yàn)、難以拆分還原、不可準(zhǔn)確預(yù)測等復(fù)雜性問題。邱曉剛[8-10]提出了社會(huì)性突發(fā)事件平行應(yīng)急管理研究方法,引入以仿真為基礎(chǔ)的人工社會(huì)計(jì)算實(shí)驗(yàn)方法,通過構(gòu)建人工社會(huì)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)以及平行控制來解決社會(huì)系統(tǒng)的復(fù)雜性、實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)性難題。目前,基于計(jì)算實(shí)驗(yàn)的平行系統(tǒng)方法已在化工、農(nóng)業(yè)、交通等復(fù)雜系統(tǒng)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,且均取得較好效果。
本文嘗試在核應(yīng)急領(lǐng)域,利用基于計(jì)算實(shí)驗(yàn)的平行系統(tǒng)方法,通過對核電廠周邊環(huán)境調(diào)查分析、人工交通系統(tǒng)建模和計(jì)算實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì),解決核事故下核電廠周邊居民應(yīng)急撤離的復(fù)雜需求及其相關(guān)性問題。通過該方法,可有效分析影響核應(yīng)急撤離時(shí)間的主要因素。這有助于擬定提升核應(yīng)急撤離時(shí)間效用的針對性措施。
計(jì)算實(shí)驗(yàn)是在多智能體建模、人工社會(huì)方法出現(xiàn)后,為解決復(fù)雜系統(tǒng)研究需要而產(chǎn)生的一種研究方法。該方法主要是為解決復(fù)雜系統(tǒng)研究手段匱乏而提供的一種可替代的有效研究手段。試驗(yàn)設(shè)計(jì)是試驗(yàn)過程的依據(jù),也是計(jì)算實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)分析、方案優(yōu)化的前提。
一般而言,計(jì)算實(shí)驗(yàn)用于研究系統(tǒng)或過程的性能。這些系統(tǒng)或過程是由代理、物、方法以及其他資源構(gòu)成的。給系統(tǒng)或過程一個(gè)輸入,就會(huì)得到相應(yīng)的輸出結(jié)果(或稱之為“響應(yīng)”)。在計(jì)算實(shí)驗(yàn)中,系統(tǒng)自身的變量以及其他因素有些是可控的,有些是不可控的。
計(jì)算實(shí)驗(yàn)的一般過程如圖1所示。
圖1 計(jì)算實(shí)驗(yàn)的一般過程
圖1中:xi為人工系統(tǒng)的輸入,i= 1,2,…,m;yj為人工系統(tǒng)的輸出,也就是響應(yīng),j=1,2,…,n;uk為人工系統(tǒng)的可控因素,k=1,2,…,p;vl為人工系統(tǒng)的不可控因素,l=1,2,…,q。
計(jì)算實(shí)驗(yàn)的主要任務(wù)和目的包括以下4點(diǎn):首先,確定對系統(tǒng)的響應(yīng)最有影響的因素;其次,設(shè)置有影響的因素,使系統(tǒng)的響應(yīng)總是接近希望的水平;然后,設(shè)置有影響的因素,使系統(tǒng)的響應(yīng)變異性較小;最后,設(shè)置有影響的因素,使不可控因素的作用最小。
基于計(jì)算實(shí)驗(yàn)的核應(yīng)急撤離預(yù)測平行系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括環(huán)境特征分析、人工核應(yīng)急撤離系統(tǒng)建模和計(jì)算實(shí)驗(yàn)3個(gè)部分。
核應(yīng)急撤離計(jì)算實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)框架如圖2所示。
圖2 核應(yīng)急撤離計(jì)算實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)框架
核事故應(yīng)急撤離的主要對象是核電基地及其周邊居民。居民人口數(shù)量及其分布是核事故應(yīng)急撤離前必須掌握的重要信息。該信息主要包括人口的數(shù)量、組成、密度及其分布等??傮w而言,核電廠周邊人口大致可分為四類:①本地原居民,主要是核電周邊的戶籍居民;②核電廠附近上班的工作人員,主要是為核電廠生產(chǎn)、大修配套輔助和服務(wù)的從業(yè)人員;③核電廠周邊臨時(shí)旅游度假人員,主要集中在周末和節(jié)假日;④臨時(shí)路過及其他辦事人員,這類人員比例相對較小。
交通工具是撤離人員在核事故應(yīng)急撤離時(shí)的必要保障,因此必須對撤離人員可能用到的交通工具信息進(jìn)行充分的了解和掌握,包括公眾自備交通工具的保留量和依托社會(huì)的公共交通資源,以及撤離區(qū)域內(nèi)及應(yīng)急集合點(diǎn)的車輛數(shù)量、類型、承載率等信息。近年來,隨著私家車的普及,私家車已成為居民出行的重要交通工具。同時(shí),部分居民仍依賴公共交通,以及電動(dòng)車、摩托車、自行車等小型交通工具出行。上述交通工具出行方式的載人量和行駛速度均有很大差異。
根據(jù)國內(nèi)道路特征和核電周邊交通實(shí)際情況統(tǒng)計(jì)[10],交通工具載人數(shù)和行駛速度如表1所示。
表1 交通工具載人數(shù)和行駛速度表
道路通行能力衡量的是在一定的道路路面條件下,單位時(shí)間內(nèi)一條車道上能夠通過的車輛數(shù),是表征路網(wǎng)能力的重要指標(biāo)。道路通行能力與車流速度是動(dòng)態(tài)變化的,往往隨著車流密度和實(shí)際路況發(fā)生變化。此外,道路通行能力還受天氣影響,雨雪、大霧、冰凍等天氣都會(huì)大大降低通行能力。根據(jù)我國天氣影響道路通行的情況,可得到各種天氣下對應(yīng)的道路通行能力因子參考值[11]。其中:晴天通行能力最好,因子參考值為1;冰凍天氣通行能力最差,因子參考值為0.4;大霧、臺(tái)風(fēng)天氣和雨雪天氣的因子參考值分別為0.5、0.6。
對撤離人員建模需考慮核電廠周邊應(yīng)撤離人口數(shù)量、密度分布、具有各類屬性的個(gè)體在總?cè)丝谥械姆植嫉?包括個(gè)體的性別、年齡、出行目的、汽車等交通工具選擇情況、心理狀況、情緒狀態(tài)等多種個(gè)體屬性,以及由交通調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出的個(gè)體出行習(xí)慣和偏好[11]。
人工系統(tǒng)將所有撤離個(gè)體視作一個(gè)整體,通過感知模塊實(shí)現(xiàn)個(gè)體與交通工具、撤離環(huán)境之間的信息交換。撤離個(gè)體通過感知、判斷外部環(huán)境,如天氣狀況、道路路況、交通工具的方便性和安全性等信息,根據(jù)自身狀態(tài)、撤離需求、行為規(guī)則,作出對撤離方式和路線的選擇[12-13]。決策分析模塊中,個(gè)體屬性集包括個(gè)體的性別、年齡、恐慌狀態(tài)、人員結(jié)構(gòu)等信息;交通需求集包括對個(gè)體選擇的目的地、交通工具、撤離時(shí)間、撤離方便性等信息的描述;規(guī)則庫則為撤離個(gè)體通過感知模塊掌握交通工具、交通環(huán)境等信息后,綜合作出的對交通方式、路線的選擇規(guī)則描述。在決策分析模塊作出整體決策后,撤離人員再開始執(zhí)行相應(yīng)的行為,并對整個(gè)過程狀態(tài)進(jìn)行分析。
撤離人員的模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 撤離人員的模型結(jié)構(gòu)
對撤離交通工具建模需考慮核電廠周邊人員撤離時(shí)選擇的交通方式,包括撤離交通工具數(shù)量、載人量、行駛速度、發(fā)車方式與時(shí)間間隔,以及行駛路線、途經(jīng)集合站點(diǎn)、方向等因素。撤離交通工具模型主要包括個(gè)體屬性集、感知分析、規(guī)則庫、行為和狀態(tài)轉(zhuǎn)化分析等。撤離交通工具雖具有不同屬性的異質(zhì)性,但撤離行為主要取決于駕駛?cè)说目刂坪蛯煌üぞ呒s定的規(guī)則,以及與外部環(huán)境交互的實(shí)時(shí)信息。
撤離交通工具的模型結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 撤離交通工具的模型結(jié)構(gòu)
撤離交通環(huán)境模型結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 撤離交通環(huán)境模型結(jié)構(gòu)
對交通環(huán)境建模需考慮到自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境。自然環(huán)境包括核電周邊行車路線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路段通行能力、天氣情況、紅綠燈路口、人員集合點(diǎn)、停車場、狹窄路段發(fā)生嚴(yán)重堵塞的可能位置等。社會(huì)環(huán)境包括公交站點(diǎn)附近的人口分布、土地利用類型、旅游生產(chǎn)狀況、大型社會(huì)活動(dòng)的舉行、政府地方交通節(jié)假日限流政策等[14]。
核應(yīng)急撤離計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖6所示。
圖6 核應(yīng)急撤離計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)
計(jì)算實(shí)驗(yàn)以人工系統(tǒng)作為重復(fù)試驗(yàn)的平臺(tái),以配置、定義各種虛擬的試驗(yàn)場景,從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)急撤離場景配置、參數(shù)標(biāo)定、參數(shù)靈敏度分析等功能。該平臺(tái)包括環(huán)境特征分析與建模、計(jì)算實(shí)驗(yàn)?zāi)K、撤離方案生成模塊和試驗(yàn)結(jié)果分析模塊等。環(huán)境特征分析與建模為計(jì)算實(shí)驗(yàn)提供數(shù)據(jù)支持,包括應(yīng)急計(jì)劃區(qū)內(nèi)的人口分布、交通工具、撤離環(huán)境及其交通圖、應(yīng)急資源、撤離預(yù)案庫等數(shù)據(jù)資源。撤離方案生成模塊主要功能為輸出撤離方案。需要輸出的內(nèi)容包括撤離路徑規(guī)劃方案、人員引導(dǎo)、指揮與決策等。
本文以大亞灣核電基地為例進(jìn)行分析。該核電基地及其周邊區(qū)域東西直線距離約為11 km,南北最遠(yuǎn)直線距離約為6 km。目前,基地及其周邊僅有1條東西向布局雙向四車道主干道,并向西連接坪西公路唯一出口[15]。核電廠區(qū)以東建有1條應(yīng)急公路,專供核電廠區(qū)人員應(yīng)急時(shí)撤離使用。核電基地周邊居民全部分布在廠區(qū)以西長條型區(qū)域內(nèi),共有建筑物700余座,常駐人口約18 000人。
針對計(jì)算實(shí)驗(yàn)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),本文通過揭示偏好(revealed preference,RP)調(diào)查和實(shí)地交通調(diào)研方法,獲取相關(guān)調(diào)查基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
①RP調(diào)查。抽樣調(diào)查對象為核電廠周邊居民。調(diào)查問卷主要包括以下內(nèi)容。人員特征信息包括被調(diào)查人員性別、屬性、年齡、恐慌情緒。交通工具相關(guān)信息包括交通工具的選擇、通過交通工具離開居住地或工作地的時(shí)間、撤離可靠性選擇等。
②實(shí)地交通調(diào)研。實(shí)地交通調(diào)研對核電廠周邊環(huán)境的主干道通行能力、工作時(shí)間及上下班高峰期主干道擁堵程度、當(dāng)?shù)亟煌ㄒ?guī)則等信息進(jìn)行觀測、統(tǒng)計(jì)和掌握。
考慮到試驗(yàn)中需對不同情景進(jìn)行分析,根據(jù)核事故應(yīng)急撤離的特點(diǎn)和周邊環(huán)境的實(shí)際情況,本文分別選取與撤離人員、交通工具和環(huán)境特征相關(guān)的3大類變量作為計(jì)算實(shí)驗(yàn)輸入自變量。上述輸入自變量中,撤離人員性別、恐慌狀態(tài)變量均僅有2個(gè)選項(xiàng)賦值,可直接作為二維賦值變量引入計(jì)算實(shí)驗(yàn)?zāi)P?其他描述變量(如撤離人員的年齡結(jié)構(gòu)、交通選擇、天氣狀況、道路通行能力、擁堵程度等)均為2個(gè)以上選項(xiàng)賦值變量,可用虛擬變量賦值法對自變量進(jìn)行賦值,再引入計(jì)算實(shí)驗(yàn)的效用模型中。上述各類變量的選取和變量值說明如表2所示。
表2 各類變量的選取和變量值說明
表2中的11個(gè)變量可分別以3種方式賦值。
①0和1二維賦值。撤離人員性別(Aa0i)分為男性和女性,賦值男性為1,女性為0。撤離人員恐慌狀態(tài)(Aa3i)分為無和有,賦值有為1,無為0。
②實(shí)際度量賦值。撤離時(shí)間(Tnk)引入連續(xù)實(shí)際時(shí)間長度值。撤離方便性(Cnk)引入0~100之間度量值,描述為撤離工具的可靠性和方便性,包括沿途人、車、路的可靠性,以及綜合交通工具的技術(shù)安全性、舒適性等體驗(yàn)值。
③多維虛擬變量賦值。Aa2i等7個(gè)變量均各自引入多個(gè)虛擬變量值。以Aa1i引入的虛擬變量賦值舉例如表3所示。
表3 以Aa1i引入的虛擬變量賦值舉例
本文在環(huán)境特征分析與建模的基礎(chǔ)上,選擇Mixed Logit模型作為數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ),通過模型計(jì)算來解決人員特征、交通工具、環(huán)境特征這3大類型相關(guān)變量參數(shù)的標(biāo)定,以實(shí)現(xiàn)對參數(shù)效用的評估及其敏感性分析。
Mixed Logit模型的典型應(yīng)用為效用最大化分析[16]。效用函數(shù)通常采用線性形式表示。效用值Unk由確定項(xiàng)Vnk和隨機(jī)項(xiàng)εnk這2個(gè)部分組成:
Unk=Vnk+εnk
(1)
式中:Unk為撤離者n對所選擇的交通方式k的效用;Vnk為效用項(xiàng)的確定部分;εnk為效用項(xiàng)的隨機(jī)部分,包括難以直接確定的效用值和誤差。
Vnk用線性式表示為:
(2)
式中:βi為待定系數(shù);xnki為撤離者n所選擇的交通方式k的第i個(gè)變量。
Mixed Logit模型假定式(1)中,εnk服從獨(dú)立同分布的Gumbul分布,且待估變量系數(shù)β因個(gè)體偏好不同服從一定的分布形式。本文假設(shè)β服從正態(tài)分布和對數(shù)正態(tài)分布,可得到撤離者n對選擇項(xiàng)的概率表達(dá)式為:
(3)
式中:Pnk為撤離者n選擇的交通方式k的概率在分布密度函數(shù)上的平均值;f(β)為β的分布密度函數(shù)。
根據(jù)Mixed Logit模型,本文將表2中相關(guān)變量引入模型式,由式(1)和式(2)可得:
Unk=Vnk+εnk=βa0Aa0i+βa1Aa1i+βa2Aa2i+βa3Aa3i+
βb0Vb0i+βTTnk+βCCnk+βc0Tc0i+βc1Tc1i+
βc2Tc2i+βc3Tc3i+ε0
(4)
式中:βa0~βc3為待標(biāo)定變量系數(shù);Aa0i~Tc3i為變量選定值;ε0為效用項(xiàng)的誤差調(diào)整部分。
由式(4)求導(dǎo)可得撤離時(shí)間與撤離方便性的比值,即可靠性價(jià)值率R為:
(5)
式中:Tnk為撤離時(shí)間,即撤離個(gè)體從居住或工作地撤離到規(guī)定場所所需的時(shí)間;Cnk為撤離方便性,即撤離個(gè)體選擇撤離工具、路線、道路擁堵總體可靠性量化值。
在完成環(huán)境特征及變量的分析和建模后,本文利用核應(yīng)急撤離計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的計(jì)算實(shí)驗(yàn)?zāi)K,進(jìn)行場景設(shè)置和參數(shù)標(biāo)定。模型參數(shù)標(biāo)定采用Stata統(tǒng)計(jì)學(xué)工具。鑒于Mixed Logit模型的積分函數(shù)為多維積分,試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用極大似然估算法對模型進(jìn)行參數(shù)求解、標(biāo)定并校正[15]。模型的檢驗(yàn)指標(biāo)采用檢驗(yàn)和優(yōu)度比,以檢驗(yàn)?zāi)P妥兞渴欠耧@著、模型精度可否滿足條件。通過樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行模型變量的敏感性分析,調(diào)整和優(yōu)化影響不顯著的變量。Mixed Logit模型參數(shù)標(biāo)定結(jié)果如表4所示。
表4 Mixed Logit模型參數(shù)標(biāo)定結(jié)果
表4中,βa0~βc3為各變量的待估系數(shù),根據(jù)系數(shù)估算值可求得似然函數(shù)值和優(yōu)度比值。實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)優(yōu)度比值達(dá)到0.2~0.3時(shí),模型的精度較高。由表4可得如下結(jié)論。
①人員特征變量中,βa0、βa1和βa2這3個(gè)變量系數(shù)均為正值,且介于0.6和0.8之間。這說明其對整體效用函數(shù)為正向影響,但影響效果不明顯,遠(yuǎn)不及其他正向變量的影響。因而本文認(rèn)為,無論撤離人員的性別為男或女,屬于本地居民、附近上班人員還是旅游度假人員,對撤離的整體效用影響并不顯著。從模型優(yōu)化角度,可考慮將上述3個(gè)變量從模型中剔除。
②βa3系數(shù)為正,說明保持適度的緊張情緒,一定程度上有助于提高整體效用??傮w而言,隨著恐慌情緒的增長,駕車速度呈線性增加趨勢,但受道路條件的限制和交通工具自身設(shè)計(jì)的影響,恐慌并不會(huì)使車輛無限制地超速行駛。過度恐慌會(huì)使人產(chǎn)生緊張、害怕的心理狀態(tài),導(dǎo)致無法冷靜處理,使反應(yīng)時(shí)間延長、反應(yīng)速度變慢[16]。
③環(huán)境特征變量中,βc1、βc2系數(shù)均為負(fù),且絕對值較大。這說明上述2個(gè)變量對整體效用起較大的反作用,即道路越擁堵、天氣狀況越惡劣,對整體效用影響越負(fù)面。并且,從絕對值看,道路擁堵比天氣狀況對整體效用的負(fù)面影響更大。
④βT為負(fù)值,且從絕對值看撤離時(shí)間對整體效用負(fù)向作用顯著,即隨著撤離時(shí)間的增加,整體效用反而降低。
⑤其他正向影響變量中,βc0影響最大,其次是撤離人員的βb0,再者是βc3的選擇。所以從提升核電廠應(yīng)急撤離整體效用看,考慮的有效措施是:首先,盡量提升主干道通行標(biāo)準(zhǔn),尤其是拓寬某些容易擁堵的路段;其次是有效引導(dǎo)交通工具,盡量選擇轉(zhuǎn)運(yùn)效率高的公共交通;最后是做好周邊人口的撤離策略,有序組織好周邊人口撤離順序,避免產(chǎn)生瓶頸式擁堵。
本文提出了基于計(jì)算實(shí)驗(yàn)的核應(yīng)急撤離效用評估方法,并以大亞灣核電基地為例,利用計(jì)算實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的模型和方法,實(shí)現(xiàn)對影響核應(yīng)急周邊居民撤離效用的相關(guān)參數(shù)的標(biāo)定及其敏感性分析。分析結(jié)果表明,基于計(jì)算實(shí)驗(yàn)及其Mixed Logit模型敏感性分析可有效發(fā)現(xiàn)影響核應(yīng)急撤離時(shí)間的關(guān)鍵因素,幫助解決核事故下核電廠周邊居民應(yīng)急撤離的復(fù)雜需求和狀態(tài)關(guān)系問題。這為提升核電廠應(yīng)急撤離研究能力提供了新思路。
受人工系統(tǒng)建模參數(shù)選擇的主觀影響,本文在參數(shù)范圍選擇、參數(shù)之間的相互關(guān)聯(lián)迭加影響、計(jì)算實(shí)驗(yàn)誤差控制方面仍存在較大提升空間。在下一步的研究中,可適當(dāng)擴(kuò)大參數(shù)考慮范圍,例如考慮不同人口規(guī)模、不同區(qū)域分布等因素,并將其加入核應(yīng)急撤離策略的量化計(jì)算模型,同時(shí)加強(qiáng)綜合測試多種場景下的撤離效果,為核應(yīng)急撤離預(yù)測方案的完善、核電周邊交通設(shè)施的改造升級提供科學(xué)、有效的計(jì)算實(shí)驗(yàn)方法。