基于微观交通模型的核电厂应急撤离模式研究1)

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(1.清华海峡研究院(厦门)，福建 厦门 100036；2.苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215000)

根据我国《核电厂核事故应急管理条例》第十三条规定，场内核事故应急计划、场外核事故应急计划应当包括烟羽应急计划区和食入应急计划区的范围，针对烟羽应急计划区内采取措施，按照国家标准GB/T 17680.1—2008中规定“应做好能在紧急情况下立即采取隐蔽、服用稳定碘和紧急撤离等防护行动”。

核电厂应急撤离是核电厂事故发生时，有效的应急防护措施之一。缩短撤离时间对于降低核电厂严重事故的潜在后果有着积极作用。美国核管会(NRC)技术导则NUREG/CR—6863中提到：核电厂应急撤离时间估算(ETE)是各个核电厂应急计划的一部分，也是获得核电厂址审批许可证必须要研究的课题。撤离时间估算为核电厂和地方政府的核事故应急准备与决策提供重要依据，对缓解核电厂严重事故后果，保障周边环境和公众健康安全有重要作用。

基于微观交通模型的核电厂应急撤离是以追踪单个个体的撤离行动轨迹为基础来对撤离时间进行估算分析的一种方法，其主要的组成成分包括单个个体、撤离路线的自然环境以及外部的其他干预措施，其中单个个体可以是行人、汽车、大巴车、摩托车等。在微观交通撤离模型中，需要综合考虑核电厂应急计划区内的居民点的人口组成、年龄分布特征、撤离道路网、交通状况和应急集合点的设置，以及应急计划区的地形地貌特征、气象条件和极端自然事件等各种组合，这些不同的组合将作为微观交通模型的输入条件被反映在撤离模型中，通过模拟计算得到特定情况下的撤离时间，为后续的核事故应急决策提供了重要的技术支撑。

1 研究方法

核电厂应急撤离时间的评估是当核电厂发生重大安全事故并导致放射性物质释放到大气环境后周边居民应急撤离能力的重要内容。对于撤离时间的确定，通常采用简单的方法保守估算撤离时间，假设事件是相继发生的，即在任何人开始行动之前，所有人都得到了通知并准备撤离，否则没有一个人开始行动，时间的估算方法是简单地把每一部分最大的时间相加。首先把撤离时间分成四部分，即：

ET=DT+NT+PT+CT

(1)

式中：ET为应急疏散时间(evacuation time)；DT为决策时间(decision time)，即突发事件预警至发布疏散指令之间所需要的时间；NT为通知时间(notification time)，即疏散警告时间；PT为准备时间(preparation time)，即撤离者从接受警告至撤离开始的时间；CT为疏散区清空时间(clearance time)，即撤离者从出发至抵达目的地所需要的行程时间。

疏散区清空时间主要指核电厂工作人员及核电厂应急计划区内居民从工作岗位或住所出发撤离到应急计划区外的集合点的时间(CT)，在本文中该时间主要采用德国PTV公司开发的微观交通仿真软件系统VISSIM对撤离行为进行微观模型的仿真模拟，通过模拟仿真获得该撤离行动所消耗的疏散区清空时间，其基本流程如图1所示。

图1 微观交通撤离流程图Fig.1 The emergency evacuation based onthe microscopic traffic model

2 微观交通仿真原理及建模

2.1 微观交通原理介绍

VISSIM是由德国PTV公司开发的一款微观交通流仿真系统模拟工具，该软件系统能分析在车道类型、交通组成、交通信号控制、停让控制等众多条件下的交通运行情况，具有分析、评价、优化交通网络、设计方案比较等功能，是分析许多交通问题的有效工具。微观模型中行为的仿真主要是建立在社会力模型之上，其基本理念就是通过与牛顿机械学相似的受力分析来建立行人基本行为趋向性模型。VISSIM采用的核心模型是WIEDEMANN于1974年建立的生理—心理驾驶行为模型，该模型的基本思路是：一旦后车驾驶员认为他与前车之间的距离小于其心理(安全)距离时，后车驾驶员开始减速。由于后车驾驶员无法准确判断前车车速，后车车速会在一段时间内低于前车车速，直到前后车间的距离达到另一个心理(安全)距离时，后车驾驶员开始缓慢地加速，由此周而复始，形成一个加速、减速的迭代过程(见图2)。

图2 VISSIM中的跟车模型(Wiedemann 1974)Fig.2 Follow-up model in VISSIM (Wiedemann 1974)

2.2 车辆加、减速函数建模

VISSIM使用表征驾驶员驾驶行为差异的函数来确定车辆的加速度和减速度值，而并不是使用一个简单的加速度或减速度值。加速度与减速度函数都是当前速度的函数。根据核电厂应急撤离道路的实际情况，制定相应的加速、加速函数建模，图3是为某特定情景下制定的小轿车、公交车曲线加速度和曲线减速度函数。

图3 小车(上)和客车(下)的仿真加、减函数图Fig. 3 Simulation plus and minus function diagram for car (up) and bus (down)

2.3 期望车速分布建模

VISSIM中的许多参数是以一个分布的形式定义的，而不是一个固定值，这样能够真实地反映出交通的随机性本质。车速分布对于道路的通行能力和可达到的行驶车速有很大影响，因此它对任何一种车辆类型而言，都是一个重要的参数。假设车辆运行不受其他车辆的干扰，驾驶员将会以他的期望车速行驶。与自身期望车速不同的车辆越多，将会生成越多的车辆排队。如果有可能超车，只要车辆的期望车速高于当前的行驶车速，就会选择机会在对其他车辆不构成危险时进行超车。根据撤离道路的实际情况，设定合理的期望车速模型(见图4)。

图4 特定情况下的一种期望车速模型Fig.4 A desired vehicle speed model for a specific situation

其中,横坐轴表示期望车速，纵轴表示从0.0～1.0的累计百分比。为了模拟实际情况的交通随机性，采用围绕中间值的S形分布。

2.4 驾驶行为

在交通仿真车辆中选择采用一种叫Wiedemann74跟车模型，这种模型参数是用来计算两车之间的距离d，公式如下：

d=ax+bx

(2)

(3)

式中，ax为平均停车间距，变化幅度为±1 m;v为车辆速度m/s;z为介于[0,1]之间的数值，是以0.5为平均值的标准正态分布，标准差为0.15；bx_add为安全距离的附加部分，bx_mult为安全距离的倍数部分，这两项参数根据实际情况可以自定义。

3 数据准备

3.1 自然环境特征

核电厂厂址的自然环境特征与核电厂实施应急计划相关的因素主要包括两大类：

(1)自然环境

主要是特殊的地理特征，例如岛屿、山脉、河流等，这些特征在应急情况下可能阻碍撤离通道并隔离厂址，会对厂内工作人员和周围公众的撤离造成潜在障碍。

(2)外部自然事件

主要是可能导致应急状态或限制应急响应有效性的灾害性极端外部自然事件或可预见的自然灾害，如地震、海啸、台风、暴雨、降雪、洪水、浓雾、山体滑坡/地面沉降等，主要考虑了道路的损坏和恶劣气象条件对撤离的不利影响，以及对应急通信、电力供应、应急供给、救灾抢险等方面出现困难。

3.2 社会环境特征

核电厂事故应急情况下除最大限度保证堆芯安全、避免放射性物质大规模释放外，公众和环境的安全需要在应急计划的框架下采取有效的防护行动来保障，社会环境特征方面需要关注人口分布、社会基础设施、食物和饮水等要素，并保证在核电厂预计寿期内得到有效的控制和安排：

(1)人口分布

应急计划的实施的主要目的之一是为了在事故情况下，减少或避免公众可能接受的辐射照射，人口分布是影响核电厂应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、厂址与人口中心的距离以及特殊人群组。

(2)社会基础设施

公众实施有效应急防护行动的基础是良好的通知通报、交通路网、交通工具、隐蔽场所等，具体因素包括核电厂周边交通路网现状及规划、公众自备交通工具保有量和依托社会力量可提供的大型交通工具、可供临时避难的公众居所或大型公共设施以及无线、有线及专用通讯设施及其他可用于传递信息的设施的分布和使用情况。

3.3 VISSIM撤离路网建模

应急撤离时间估算所需的交通要素包括如下内容：撤离道路中各条路段的位置、类型、路口转向和交通容量，应急计划区内各个应急集合点的位置，车辆产生源的位置，应急撤离道路的路线选择等。通过交通和规划部门，充分调查厂址周边的详细道路、交通资料，包括道路的网络拓扑结构、道路的桥梁情况、路面情况、道路等级等，结合地理信息系统(GIS)在VISSIM软件中准确地建立应急撤离道路的路网模型，并作为后续模拟仿真计算的输入条件(见图5)。

图5 应急撤离道路路网模型Fig. 5 Emergency evacuation road network model

4 应急撤离微观交通模型的仿真模拟

4.1 撤离场景设置

撤离情景设定多种，按不同类别主要分：撤离季节分为农忙和农闲，按时段分为平常、假日、特殊假日(主要指春节，外出打工者都回家了)，按时间分白天、晚上，天气情况考虑：晴天、暴雨、雾天等，按风向分17个风向(包括无风)。对不同情境的分析如下：

1)天气情况：暴雨和雾天时，在外工作的人群返回家中时间将会加大。撤离行动开始后，由于道路受到天气影响，道路容量和交通速度将降低。特别是暴雨时，对于沙石和泥土路影响非常大。

2)时间：工作人群(包括学生)在晚上已返回家中休息，故晚上可将人群分成两类，立即撤离和耽搁一段时间后撤离的人群。准备撤离的时间将会增加。撤离行动开始后，由于晚上视距变短，交通速度将降低。假设摩托车在晚上的最高时速为40 km/h。

3)农忙时节：厂址周围农民白天一般会在地里干活，接到警告后返回家中准备撤离，所以农忙时节工作人群比例增加，准备撤离所需时间也将增加。

4)假日：周末与小长假时，工作人群(包括学生)部分将在家休息，部分外出购物与旅游。此时人群分成两类，立即撤离、耽搁一段时间后撤离。总撤离人口将减少，但由于私人车辆不在家中，家中原来可自行撤离的部分人群将依赖公共交通撤离。由于交通控制，假设外出到应急计划区外的人群将不再返回家中。

5)特殊假日：春节时，外出打工的人群、附近工作的人群(包括学生)将返回家中，部分外出购物与旅游。撤离人群分成两类，立即撤离、耽搁一段时间后撤离。此时厂址附近人口将出现高峰，但由于私人车辆增加，本来依赖公共交通撤离的人群将减少。同样，由于交通控制，假设外出到应急计划区外的人群将不再回家，这与假日情况一样处理。

6)风向：按风向分17个风向(包括无风)。按照我国目前相关导则与国家标准，应急撤离范围为烟羽应急计划区内区(3～5 km)。保守起见，我们可以选择两种撤离方案：1)5 km内全部撤离，2)3 km内全部撤离，5 km内下风向撤离。对于第二种方案需要考虑事故时厂址风向。不论任何风向，3 km内(即应急计划区域A、B、C、D、E)人口将全部撤离，3～5 km内(即应急计划区域F，G)将在位于下风向及下风向涉及范围时进行撤离。

4.2 VISSIM运行参数设置

在进行撤离疏散模拟实验之前，需要根据核电厂应急计划区内最新的调查数据，在VISSIM软件中设置撤离人口总数、撤离时使用的交通工具、每种交通工具所占的比重以及期望的行驶速度等。在撤离时，假设居民使用的交通工具有私家车、客运汽车、自行车、摩托车以及步行，对于每种交通方式的载人数和行驶速度，如表1所示。

表1 每种交通方式的载人数和行驶速度Table 1 The load and the speed of each type of transportation

4.3 仿真计算

在微观交通模型仿真软件VISSIM中输入上述的数据参数后，即可对不同的撤离场景进行撤离时间估算的仿真模拟(见图6)。在VISSIM仿真模拟中，软件将会记录每辆车辆的出发时间、行驶路径、最大速度、平均速度、拥堵时间、结束时间等。

图 6 微观交通模型的仿真过程Fig. 6 Simulation of microscopic traffic model

4.4 结果分析

通过对仿真数据的分析研究，我们可以从VISSIM软件中得到：

1)撤离区域内的公众从开始撤离到完全撤离到安置点总共花费的时间；

2)从开始撤离到撤离区域内的公众人数的90%、100%撤离到安置点总共花费的时间；

3)撤离过程中各个车辆类型的平均需要花费的时间、平均行驶速度、在撤离过程中的平均拥堵时间等；

4)撤离范围内各个主要撤离道路的行驶车辆总数以及通过该道路的撤离总人数；

5)撤离范围内各个主要撤离道路上的行驶车辆的时间分布。

通过对比验证，使用VISSIM微观仿真模型得到的结果与国内同行提供的宏观撤离模型[12]计算得到结果在撤离时间的绝对值、撤离路网中的拥堵路段上都具有较好的一致性。

5 结 论

针对特定核电厂的应急撤离时间估算，使用微观交通模型VISSIM软件可以模拟仿真各种撤离情景下的道路交通状况和车辆行驶状态。与宏观模拟估算不同的是，微观交通模型不但可以详细地记录每个撤离个体的出发时间、行驶路径、最大速度、平均速度、拥堵时间、结束时间，而且还能得到撤离过程中各条道路的通行能力，进而对撤离路网的设计和规划方案提供有效的评价反馈，为应急准备和响应工作提供指导性的建议，优化应急准备的资源配置，提高核电厂应急准备工作的经济性和应急防护行动决策的有效性，保障核事故情况下周边居民安全。