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美国洛斯阿拉莫斯国家实验室城市安全计划简介

供稿人:胡皓达  供稿时间:2008-5-27   关键字:城市安全计划  减灾计划  应急响应  

当灾害袭击一座城市时,其后果复杂且影响很大。例如,城市遭受一次较大地震的冲击,立体高速公路主干道遭到严重破坏,这会影响该市的应急响应和经济活动,延缓对变电所和通讯线路的抢修。由于地面道路(高速公路已被损坏)的交通流量完全依靠由电力控制的交通管理信号灯来指挥,因此电力问题也反馈到交通问题上来。要减少这些问题及其他复杂的“反馈”过程就需要一套综合方法。

洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员进行的名为“城市安全计划(Urban Security Initiative)”的研究项目旨在帮助城市官员、地区规划者、警察和其他机构做好应对地震等灾害的准备。

该项目运用实验室高效能的运算能力,将交通、能源分配、天气,基础设施、水分配、生态系统、经济活动、地质和人口统计等众多城市子系统连结成一个综合系统。城市安全计划采用计算机模拟和地理信息系统(GIS),模拟城市各部分受损时情形,并提出相应评估和对策。这有助于编制模拟灾害情况的程序,这些程序用于在灾害发生前制定减灾计划和培训计划。在灾害发生后,则能快速地利用模拟方法,以便最大限度地发挥应急响应的作用。

该项目涉及许多学科、大量的数据、几十个计算机程序以及众多的合作。城市安全研究小组的成员包括:环境工程师、地质学家、软件工程师、自然灾害专家、数学家、水文专家、土木工程师、气象科学家、化学家、GIS专家,以及与学术界和政府部门的城市规划者和环境科学家开展合作研究的运输专家。

项目小组重点在几个领域开展工作:城市空气和水传输途径、地震和基础设施、城市恢复与发展、空气传播的有毒物质泄漏及其对车辆的影响、数据管理。

城市空气和水传输途径

为了观察水和空气的污染情况,重点研究硝酸盐的迁移和演变。在洛杉矶盆地模拟硝酸盐的演变,从硝酸盐的产生,到它们的分散和化学演变。暴雨过后,跟踪探测它们进入地表水和雨水系,然后进入沼泽地中的轨迹,它们在沼泽地中产生分散和生物学上间接的化学反应。

地震与城市基础设施

较大地震会破坏道路和桥梁,造成大范围停电,使水和煤气总管破裂,通常还会给整座城市造成混乱。分析方法必须包括高质量的地震地面运动模拟,先进的灾害评估方法和已遭破坏系统的模拟。要做这些工作就必须建立一个将地球物理学与工程学联系在一起的多层GIS数据库。为此,洛斯阿拉莫斯、南加州地震中心和洛杉矶水电局合作开展较大地震对洛杉矶盆地内电力分布系统的影响的分析。

城市恢复与发展

模拟地震后洛杉矶的恢复和发展也需要一个综合的“系统”方法。根据土地使用、地面倾斜、人口统计、道路出入口等参数制订发展规则。模拟这种城市动态系统以评价它们对决策计划的响应。将这些以环境变化过程为基础的模型及它们的相互作用结合起来研究。

空气传播的有毒物质泄漏及其对车辆的影响

研究小组将洛斯阿拉莫斯研制的流体力学模型与交通模拟结合起来,并运用它们来研究城市环境中烟雾的消散及其对汽车的影响。作为适用范围的一个例子,应急响应工作人员可用这些方法测试,当车辆无意中穿过因运载化学物品的车辆倾翻而散发出有毒烟雾的地区时,车辆承受毒雾的量。如果化学制剂或生物制剂在闹市区泄漏,将运用上述方法来调查这些制剂是怎样蔓延的,蔓延到什么地方终止,通过运行的车辆又带走了多少。

数据管理

城市安全计划使用一台计算机服务器和过去计算出的相关数据及已应用的服务器进行模拟和一些其他工作,如可视化和数据分析,同时使用为用户提供图形界面的用户计算机。这样的设计能将原有模型和新模型连接起来,通过多种语言和工作平台进行模拟,检索过去的模拟结果,重复并修改过去的计算结果,保证安全可靠地管理这些庞大的数据。这种设计是平台式的,没有语言障碍,任何人都可通过Internet进行访问,支持分布系统部分,并可与新的或原有的模块直接联系。

洛斯阿拉莫斯的城市安全计划的长期目标是将这5个方面与其他城市系统的模型连接起来,建成一个“系统的系统”,用于对应急响应人员进行虚拟环境下的培训、应急响应,以及制定长期的城市规划。这些方法适用于不同层次的各种用户——从城市规划者到民防官员。

相关参考

海肯、乔迎春、张春艳、孙振凯:《模拟城市——洛斯阿拉莫斯的城市安全计划》,《国际地震动态》2001年第2期

洛斯阿拉莫斯国家实验室网站

http://www.lanl.gov/news/index.php/fuseaction/home.story/story_id/1830

http://eesftp.lanl.gov/EES5/Urban_Security/


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