基于GIS的城市地震应急反应系统_汤爱平
第17卷第2期东北地震研究Vo1117No12 2001年6月SEISMOLOGICAL RESEARCH OF NORTHEAST CHINA Jun12001
基于GIS的城市地震应急反应系统
汤爱平1)，谢礼立1,2)，陶夏新2)
(11哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨150001;21中国地震局工程力学研究所，黑龙江哈尔滨150080)
摘要：介绍了为城市政府部门服务的基于GIS的地震应急决策支持系统。该系统能评估地震的危险
性，评定地震的破坏和损失，为地震应急反应和震后恢复重建提供辅助决策。本文对该系统的原理、设
计准则、结构和功能作了阐述。系统分四个部分：信息数据库系统；分析模块；决策支持子系统和系统
用户界面。信息数据库系统由68个图层构成；有28个分析模块，能完成设定地震的等震线生成、场地
影响分析、破坏与损失估计，为抢险、援救、人员疏散和其他的应急行动提供决策。最后，通过模拟一
次历史地震检验了系统的运行情况。
关键词：地理信息系统；地震应急反应；地震工程
中图分类号:P31519文献标识码:A文章编号:100422865(2001)022*******
1引言
中国是世界上地震灾害最严重的国家之一。中国陆地面积占世界陆地总面积的1/14，人口占世界人口的1/5，但是，中国强震发生率占世界强震发生率的1/3，地震损失(以死亡人口计算)占世界的1/2。中国正面临减轻地震灾害的严峻形势。为配合联合国的/国际减灾十年0(IDNDR)计划，中国政府加强了地震灾害的预防和减轻措施。在1995年12月，中央政府发布了中国大中城市预防和减轻地震灾害的十年规划。十年规划指明：在未来的十年里，在各级政府的领导下，应该努力使每个大中城市具有抵御6级地震的能力。在1997年的全国人民代表大会常务委员会上，中国人民最高立法机关通过了中华人民共和国防震减灾法，宣布从1998年3月1日起正式执行。从那时起，我国几十个城市相继采取了一系列措施减轻地震灾害，大庆市即是其中之一。
大庆是中国东北地区的一个中等规模的城市，有人口30多万，面积5000km2。是中国最大的石油工业基地。大庆也遭受过地震的威胁。为减轻潜在的地震灾害和减少地震损失，大庆市政府制订了一套减轻地震灾害的综合性计划，包括安装数字地震监测系统，进行建筑物和基础设施的潜在震害评估，对薄弱环节的抗震加固，以及加强基于GIS的地震应急反应。本项目的目的是为政府部门在地震发生后，
尤其是破坏性地震发生后提供有效的应急决策。
2系统结构
本系统是基于GIS和AI技术的决策支持系统。系统具有地震危险性评估、震害预测、震后地
收稿日期:2001201
基金项目：中国博士后基金资助项目
作者简介：汤爱平(19682)，男，湖南醴陵人，博士，主要从事地震工程、防灾减灾及地理信息系统等研究工作1
震损失快速评估以及为应急反应和震后恢复重建提供决策支持等功能。图1表示系统的总体结构和
主要内容。
图1 系统流程图Fig 11 The system flow digram
地理信息系统是系统的核心，由四个子系统组成:
(1)数据和信息子系统;(2)分析模块子系统;(3)地震应急辅助决策系统;(4)系统集成与用户界面。
数据和信息子系统能快速有效地获取、保存、显示、更新、处理和分析不同的空间数据和信息。分析模块子系统能完成空间数据和信息的分析，为应急反应和震后恢复重建提供数据，如地震危险性、损失和破坏评估、快速抢修的最佳路径选择等。地震应急辅助决策系统是在系统其他子系统提供信息和预设目标的基础上为用户提供优化决策。系统集成与用户界面功能模块是为保证各子系统间良好的通信和适合于不同层次用户方便使用而设计的。
3 数据与信息子系统
本子系统包括如下次一级的子系统：地震构造信息系统(ST IS)、工程环境信息系统(EEIS)。ST IS 和EEIS 均是空间数据库。其中ST IS 是重要的数据库之一，它包括了与地震潜在危险性相关的所有资料和信息。数据库的主要内容有:(1)大庆市及其周围县市的地理位置;(2)地震监测网络图层;(3)历史破坏性地震分布图层;(4)仪器记录地震图层;(5)地震断裂图层;(6)地震构造分区图;(7)地震区划图层。国庆的诗
上述提到的图层，每个又都包含多个内容更具体的子图层，如地震区划图层包含地震带、潜在震源、强震衰减关系和地震烈度分布等图层。
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东 北 地 震 研 究17卷
EEIS 是另一个重要的数据库，它描绘了整个工程环境的地理信息和特征属性，如建筑物、基础设施、生命线系统、石油生产的设备与设施等的分布和特征。为实现系统的目的,EERI 的图层主要分成如下几个部分:(1)单栋房屋数据;(2)体房屋数据;(3)各种生命线系统数据;(4)场地条件分布数据;(5)主要建筑数据;(6)消防队伍、设施等数据;(7)次生灾害数据;(8)救援物资数据;(9)通信联络数据;(10)安全保卫力量(公安局、派出所等)相关资料数据等等。
上述各个部分也包括与之相关的次一级图层。例如，生命线系统图层包括正在建造的管道系统、埋地管道系统、地面管道系统、电力供应系统、供水系统、污水处理系统等。在单栋房屋数据库中，所有的房屋又分成两类：按抗震设计建造的房屋和未经抗震设计建造的房屋。同时，房屋数据可随时更新。
4 震害评估分析模块
本系统提供一种评估在设定地震下已有建筑的潜在破坏、地震地表破裂的通用算法。对于实际地震，本系统能在地震发生后较短时间内给出结构的真实损失情况。本系统采用公式为:
P [D j ]=E 9
6
P [D j /I ]#P [I ]    (1)
其中D j (j =1,2,3,4,5)是描述结构破坏程度的震害指数矩阵,D j =0,012,014,016,018,110分别表示结构完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和倒塌。P [D j ]是以概率形式表示的结构易损性矩阵，描述结构在给定地震烈度I 下发生J 类破坏的可能性或百分比。易损性矩阵是通过震害统计和分析得到的。P [I ]为地震危险性矩阵，表示地震烈度的超越概率，由地震危险性分析得到。表1列出的是我国普遍使用的普通多层砖房的易损性矩阵。
表1 普通多层砖房的易损性矩阵
烈度
基本完好轻微破坏中等破坏严重破坏倒塌601596501274501087001033901008170151340123490113460108120103598013616012142011895011468010880901205601177201210801221201185210
010653
死亡人数最多的地震010959
011792
012689
013907
5 损失评估
本系统考虑的地震损失主要是经济损失和生命损失(包括死亡人数和受伤人数)。经济损失包括直接经济损失和间接经济损失两种。由于目前对间接经济损失的估计很困难，本文主要考虑直接经济损失的评估。511 地震经济损失估计
直接经济损失包括地震带来的房屋、设施破坏的修复费用和室内财产的损失，公式为L [I ]=E j E s b s (j )B s (j )+E j E s
Q s (j )W s (j)+A NF (t)(2)
其中L (I )表示地震烈度为I 地区的总直接经济损失,B s (j )表示S 类建筑(也可指设备和设施)发生J 级破坏时的损失比;B s (j )为发生了J 级破坏时S 类建筑物的重建总费用,Q s (j )为S 类建筑屋发生J 级水平破坏时室内财产和设施损失比,W s (j )为发生J 级破坏时S 类建筑屋室内财产修复或重购的总价值。N 为日净产值,A 为减产因子,F (t )表示生产停止减产恢复函数。F (t)一般是根据震前生产情况通过大致估计得出。如在T 日后生产恢复正常，总损失大约为015A -3。
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2期汤爱平等：基于GIS 的城市地震应急反应系统
512人员伤亡预测
一次地震造成的人员伤亡与地震发生的时间、人所处空间的位置和房屋建筑破坏以及抢救工作的好坏有关。本文使用如下简单但通用的方法预测人员伤亡数量:
N D=(A1R1+A2R2+A3R3)Q佛眼佛母咒
我的第一次作文式中:A1为毁坏建筑物的总面积,A2为严重破坏建筑物的总面积,A3为中等破坏建筑物的总面积,R1为毁坏建筑物中的死亡率,R2为严重破坏建筑物中的死亡率;R3为中等破坏建筑物中的死亡率。Q为建筑物中人员密度。R1,R2,R3的值如表2所示。
表2人员伤亡率
破坏水平L基本完好轻微破坏中等破坏严重破坏倒塌
死亡率01001001000010100101017
受伤率010010003010034010340189
6地震应急反应辅助决策
地震应急反应的决策支持系统实现整个系统的最佳路径选择、地址匹配和资源的最佳分配等功能，这些功能对实现震后快速、合理的反应有极其重要的意义。震后应急的内容包括：抢险和从废墟中救人、医疗抢救、消防、提供饮用水和食物、交通和通信、无家可归人员安置、震后安全保卫、震后恢复重建等。例如，医疗救护模块将根据人员伤亡模块预测的人员伤亡情况为政府分派医护人员的工作提供决策；饮用水和食物提供分析模块，根据建筑物的震害评估结果，为领导者提供应该为灾区准备多少饮用水和食物方面的决策；交通震害分析模块将根据道路的震害为实现震后交通路线的最佳选择作出判断。下面两个例子分别说明了地震应急反应辅助决策系统是如何实现医疗救护最佳抢救路线的选择(图2)和根据伤亡人员的分布与医院的实际救护能力来分配医护人员的(图3)。图2中第16点处代表医院所在的位置,rescut_id项表示道路节点(假设受伤人员都转移到了道路上或附近等待救援),out_id项
给出了救护车救起伤员或派送医护人员到灾点依次行进的顺序。图3给出了各个医疗单位在震后负责抢救伤员的范围(责任区)。
ABC_RESCDT_ID BCOT
E_ID ID_ID OUT_ID
怎么刷机
1111615
121214
1031311
241413
35153
36164
47172
581819
591920
6101105
71111112
191211210
8131136
111411416
101511518
1216111
141711717
16181189
17191198
18201207
121612121
图2震后医疗救护系统实施抢险的最佳路径
F ig12The carrying out emergency p s optimal path for medical ambulance system after earthquake
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图3 医疗单位震后责任区的划分
我承认我去过
F ig 13 The dut y divided for medical station after earthquake
注：划分的原则是据伤亡人员的分布密度，医疗单位震后实际可用的医护人员数量、实际可容纳伤员的床位数
7 结论
不容置疑，地震应急反应系统的研制将为地方政府加强灾害管理起到很大的作用。本系统的研制填补了国内这方面研究的空白。但是，其实际效果尚未得到实际地震的检验，因此，加强系统的检验，以使其逐步完善起来是今后应做的工作。参考文献:
[1]谢礼立，等1基于GIS 和AI 的地震危险性分析和信息系统1J 21自然灾害学报,1995,4[2]陶夏新，等1GIS 和AI 在地震危险性分析和地震区划中的应用1J 21自然灾害学报,1996,5[3]汤爱平1城市灾害管理与震后应急反应辅助决策1D 21哈尔滨中国地震局工程力学研究所,1999
[4]Stephanie et al 1Methodologies for Evaluating the Socio 2Economic Consequences of Large Earthquake 1J 21Earthquake Spectra,1997,
2(4)
[5]中国地震局工程力学研究所1大庆油田防震减灾系统研制说明书1R 211999
GIS BASED URBAN EARTHQUAKE EMERGENCY
RESPONSE SYSTEM
TANG Ai 2ping 1)XIE Li 2li 1,2)TAO Xia 2xin 2)
(11Har bin I nstitute of Techno lo gy,Heilo gjia ng Har bin 150090,
21I nstitute o f Engineer ing Mechanics,China Seismolo gical Bur eau ,Heilongjiang Har bin 150080)
ABSTRACT  A GIS based decision 2making system designed for earthquake emer gency response for cit y gover nments is pre 2sented in this paper 1The system could be used for seismic hazar d assessment,earthquake damage and losses evaluation,e 2mergency r esponse and post 2earthquake recovering 1The pr inciple with designing criteria,structure and functions of the sys 2tem are descr ibed 1The system is composed of four parts:an information and data 2base,analytical modules,a decision 2mak 2
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2期汤爱平等：基于GIS 的城市地震应急反应系统

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