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| 內容簡介： |
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《城市及城市群地震重灾区现场人员搜救技术》是在国家重点研发计划项目“城市及城市群地震重灾区现场人员搜救技术研究”（2018YFC1504400）成果基础上撰写而成的。《城市及城市群地震重灾区现场人员搜救技术》共5章，介绍了关于城市及城市群地震重灾区现场人员搜救技术的最新研究成果，包括城市地震巨灾情景构建、联合搜救快速响应动态决策指挥与调度技术、地震埋压人员快速大面积精准搜索定位成套技术、倒塌建筑物生命通道优选与现场搜救效能动态评估技术、大规模救援现场场景仿真与搜救培训演练模拟技术系统等内容。
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目录前言第1章 城市地震巨灾情景构建 11.1 应用随机效应方法构建区域地震动预测模型 11.1.1 概述 11.1.2 数据介绍 21.1.3 地震动预测模型的标定 31.1.4 整体预测模型的对比与分析 131.2 城市建筑大震宏观情景模拟 151.2.1 城市建筑大震宏观情景模拟系统简介 151.2.2 城市与城市群案例分析 271.3 交通网络地震破坏情景构建 291.3.1 概述 291.3.2 道路网络单元地震破坏评估方法 301.3.3 道路网络单元重要度分析 421.3.4 建筑物倒塌对路网通行能力影响分析 431.3.5 道路网络整体功能失效状态分析 461.4 场地-城市相互作用效应模拟 481.4.1 研究背景与现状 481.4.2 场地-城市相互作用效应耦合数值模拟方法 491.4.3 场地-城市相互作用效应模拟方法的试验验证 521.4.4 北京与上海中心商务区案例分析 581.5 城市地震巨灾情景可视化 651.5.1 研究背景 651.5.2 基于无人机倾斜摄影技术的重点区域可视化框架 661.5.3 基于有限元模拟和物理引擎的重点建筑倒塌可视化框架 671.5.4 地震巨灾情景构建框架 711.6 本章小结 80参考文献 81第2章 联合搜救快速响应动态决策指挥与调度技术 862.1 资源动态优化配置决策模型研究与实现 862.1.1 救援资源需求评估模型研究与实现 872.1.2 救援资源优化配置模型研究与实现 1022.1.3 救援资源指挥调度模型研究与实现 1172.2 联合搜救数据与模型管理平台 1352.2.1 联合搜救数据概述 1352.2.2 城市巨灾应急救援数据与模型管理需求特性 1362.2.3 数据与模型管理平台总体设计 1382.2.4 联合搜救数据字典设计 1392.3 联合搜救指挥与调度运行平台 1492.3.1 需求分析与设计 1502.3.2 平台总体结构设计 1522.3.3 平台运行流程设计 1542.3.4 数据与模型体系 1582.3.5 平台产品体系 1622.4 本章小结 167参考文献 168第3章 地震埋压人员快速大面积精准搜索定位成套技术 1713.1 地震埋压人员集中区快速评估技术 1713.1.1 概述 1723.1.2 震后造成人员埋压的影响因素 1733.1.3 地震灾害人员埋压的评估方法 1753.1.4 评估模型 1783.1.5 实证研究—2014年鲁甸地震 1793.1.6 昭通市地震埋压人员风险评估 1823.2 基于热红外遥感技术的夜间倒塌房屋提取方法 1853.2.1 概述 1853.2.2 研究区和数据获取 1863.2.3 数据处理 1893.2.4 倒塌房屋提取 1923.3 基于无线通信的废墟及表层埋压人员集群快速探测技术 1953.3.1 基于手机上行信号的被动定位技术 1953.3.2 废墟埋压人员精准定位系统设计 2003.3.3 废墟埋压人员集群快速探测技术 2083.3.4 灾后复杂环境中的信道传播特性分析 2323.3.5 信号传播测试与结果验证 2443.4 基于超宽带雷达的埋压人员生命精准探测技术 2473.4.1 超宽带雷达的概念及特点 2473.4.2 埋压人员生命体征提取方法 2523.4.3 基于机器学习的埋压人员探测模型 2623.4.4 模型结果验证 2643.5 本章小结 275参考文献 276第4章 倒塌建筑物生命通道优选与现场搜救效能动态评估技术 2804.1 倒塌建筑物震害与实际救援案例 2804.1.1 主要建筑物废墟形式 2814.1.2 典型建筑物结构震害分析 2844.1.3 实际救援案例 2864.2 建筑物倒塌过程模拟与分析 2954.2.1 倒塌建筑物结构数值模拟方法 2954.2.2 建筑物地震倒塌数值模拟方法准确性验证 3094.2.3 建筑物实际结构地震倒塌数值模拟 3194.3 搜救全过程生命通道安全性评估方法 3304.3.1 生命通道安全性评估方法 3304.3.2 强余震统计分析 3344.3.3 最大余震震级与主震震级的关系 3354.3.4 建筑废墟生命通道安全性评估示例 3404.4 生命通道构建和优选技术 3464.4.1 生命通道优选技术应用 3464.4.2 生命通道构建 3634.4.3 建筑物废墟生命通道优选 3774.5 基于搜救医一体化的地震现场救援效能动态评估 3844.5.1 搜救医一体化地震现场救援效能动态评估指标体系 3844.5.2 地震现场救援效能动态评估实现 3894.5.3 搜救医一体化地震现场救援效能动态评估软件研发 3964.6 本章小结 400参考文献 401第5章 大规模救援现场场景仿真与搜救培训演练模拟技术系统 4055.1 城市地震现场救援三维场景仿真方法研究 4055.1.1 地震动情景模拟 4065.1.2 建筑物震害情景分析 4085.1.3 地震灾害情景可视化仿真 4105.2 地震救援过程情景推演研究 4115.2.1 地震灾害发展规律 4115.2.2 地震灾害救援情景元分析 4125.3 震后现场大规模伤亡医学救援模拟仿真技术研究 4245.3.1 强震后伤者现场医学救援流程研究 4245.3.2 医疗救援装备数据信息库的构建 4265.3.3 多角色、多分工的学员体验培训方法研究 4295.3.4 模拟救援流程 4325.4 系统设计及实现 4405.4.1 系统总体架构 4405.4.2 地震救援演练仿真模拟子系统 4435.4.3 搜救动态指挥与调度仿真模拟子系统 4465.4.4 搜救废墟环境仿真与生命通道优选模拟子系统 4495.4.5 地震救援演练过程和效能评估子系统 4545.4.6 地震救援综合培训子系统 4575.5 系统数据库 4615.5.1 数据需求 4625.5.2 数据分类 4625.5.3 数据库存储设计 4635.5.4 数据库表结构设计 4635.6 本章小结 471参考文献 472
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第1章 城市地震巨灾情景构建 构建城市地震巨灾情景是城市地震灾害防御和应急救援研究的基础性任务。为应对突发地震灾害，城市通常需要采取制订震前规划与应急演练、震后快速评估与救援两阶段的应对措施。在地震发生前，根据地震危险性分析，利用潜在发生地震的震源特性、传播机制，构建城市可能遭受的地震情景，分析其抵抗地震作用的能力，并参考模拟得到的震害，找到抗震设防的薄弱环节，采取提升措施以保护城市运转功能，以及为制订灾害发生预案和抗震救灾演练提供参考。地震来临时，根据实测地震特性，迅速构建真实地震场景，帮助决策者、救援人员形成对城市震害情况的精准认知，从而更合理地分配抗震救援力量，降低震后的人员伤亡和经济损失。 考虑不同构造环境，本章选取以西昌、天津和珠三角城市群为代表的大震高风险城市及城市群，建立考虑震源、路径、场地和近断层效应的地震动衰减关系，采用地震动合成技术构建所需城市或城市群的地震动时程场。通过拟静力试验和振动台试验，建立非结构构件破坏准则。基于精细有限元建筑倒塌模拟技术，研究建筑倒塌模式与坠落物三维形态，利用网络拓扑分析的基本理论，研究交通网络畅通性。采用演化动力学和协同方法，构建城市强震后伤员流理论模型，建立建筑破坏-坠落物分布-人员伤亡相关性模型，采用建筑逐栋自动化建模技术与弹塑性时程分析方法，实现城市建筑破坏与人员伤亡大震情景模拟。采用无人机倾斜摄影和纹理贴图技术，结合三维图形引擎，实现建筑地震坠物和倒塌高真实感可视化。 1.1 应用随机效应方法构建区域地震动预测模型 1.1.1 概述 地震动预测模型是地震危险性分析、地震安全评价以及特定工程设计中地震动参数确定的重要基础。研究表明，不同构造区域地震产生的地震动以及地震动的衰减特性是存在差异的，不同场地条件、传播路径以及震源效应都会存在明显差异。目前构建地震动预测模型的方法主要有两种，**种是直接法，即基于强震动数据统计回归得到地震动预测模型。例如，美国下一代衰减（next generation attenuation，NGA）关系项目采用这一方法，针对美国西部建立了多套地震动预测模型，这种方法具有明确的物理意义。第二种是间接法，由于我国历史强地震动数据不够丰富，并且各地区地震活动性差异明显，难以直接基于强震数据建立预测模型，但是我国历史地震烈度资料比较丰富。胡聿贤和张敏政（1984）提出了基于烈度转换建立地震动预测模型的方法。李小军等（2005）分析了烈度转换方法得到的预测模型在中强震近场以及远场地震动参数估计的适用性，认为直接采用地震记录建立的预测模型更为合理。 在区域性地震动特征和场地效应研究方面，以西昌附近为例，李平等（2010，2016）利用汶川地震主震中安宁河及邛海周边的台站记录，采用传统谱比法研究了5个土层台站的场地放大作用，结果表明场地对地震动的放大作用与工程地质分区有着密切关系。刘必灯等（2014）分析了汶川地震中在西昌市区获得的地震动记录的特征，从局部地形地貌、场地条件、地质构造环境方面分析了5个土层台站的地震动峰值、反应谱、傅里叶频谱等方面差异的原因。李平（2010）研究了3个50年超越概率（63%、10%和3%）水平下，小震、中震和大震人造地震动输入条件下的西昌典型场地的设计反应谱平台值。金喆等（2013）根据西昌市海河沿岸地区的地质环境，基于工程场地的钻孔资料，给出了场地50年超越概率为63%、10%和3%的设计反应谱，分析结果表明，土层软硬程度对地震动加速度的幅值和频谱影响显著，软土场地对峰值加速度（peak ground acceleration，PGA）的放大倍数较高且加速度反应谱谱形较宽。另外，李平等（2010）基于大量的实测数据，通过回归分析给出了西昌6类土剪切波速与深度的关系。在地震动预测模型方面，符圣聪等（1989）基于烈度转换的方法，利用西昌市周围57个5级以上的地震烈度资料，对美国西部地震动预测模型进行调整，得到西昌地震动加速度反应谱预测模型，但这两个模型在计算中未进行地区差别的修正。 综上所述，西昌市及其附近地区一直是我国地震研究工作的重点地区，近年来也一直被划定为地震重点监视区（闻学泽，2000；Wen et al.，2008；祝爱玉等，2015）。面向建设西部地震科学试验场的需求，本节基于西昌地区的地震动记录，通过分析有限的区域性数据，研究建立符合当地地震动特性的区域性预测模型。 1.1.2 数据介绍 作者从中国地震台网中心收集了2007年6月至2019年1月四川西昌附近200km以内的地震动数据，其中包括21次地震、1250条水平方向地震动记录。图1-1给出了地震动记录的矩震级Mw与断层距Rrup的分布。从图中可以看出，矩震级主要在5.0～7.0。台站场地条件以等效剪切波速Vs30表征，其取值参考喻畑和李小军（2012）的研究结果。由于汶川8.0级主震与本节中最大矩震级7.0级之间没有地震动记录，为了考虑矩震级分布的均匀性，本书不包含汶川主震记录，以减少由于矩震级在7.0～8.0数据缺失对回归结果的影响。水平PGA采用南北（NS）和东西（EW）方向的几何平均值，对地震动记录进行基线校正和滤波处理，滤波范围为0.1～35Hz。 图1-1 地震动记录的矩震级Mw与断层距Rrup分布 1.1.3 地震动预测模型的标定 1.距离效应项 在物理力学模型中，地震动受到震源、传播路径和场地的影响，因此地震动的预测模型应该包括以下影响因素（Boore and Atkinson，2008；Campbell and Bozorgnia，2008；Chiou and Youngs，2008）： （1-1） 式中，Y为地震动参数；fS(site)为场地效应项；fE(M)为震源效应项；fP(R)为传播距离项。 对式（1-1）取对数得到 （1-2） 目前，一般地震动预测模型中，路径函数fP(R)对地震动的影响可以表示为如下形式： （1-3） 式中，为几何衰减项，其形式为=ln(R+R0)。因此，距离项的形式为 （1-4） 式中，为近场距离饱和因子；C1、C2为通过回归确定的系数；为回归残差。 为了比较震级对预测模型距离项的影响，本书将地震根据矩震级分为5～6级、6～7级以及5～7级三个类别，分别用式（1-4）的形式进行回归，拟合*线如图1-2所示。 图1-2 PGA与断层距的拟合*线 回归得到的函数分别对距离衰减因子R求偏导数得到距离项衰减率DR，如图1-3所示。 （1-5） 图1-3 距离项衰减率 由图1-3可以判断出，震级不同距离项衰减率也不同。因此，系数中必定夹杂着不同地震震级大小的影响。据此，参考NGA中AS08模型（Abrahamson and Silva，2008）形式，结合西昌地区地震动数据的特点，建立距离项衰减函数的形式，如式（1-6）所示；其中Mc为分段点震级，可参考张齐（2012）基于中国西部地震动建立的分段点震级。通过上述建立的距离项预测模型，对西昌地区地震动PGA以及不同周期反应谱的幅值（Sa(T)）进行拟合回归，典型周期（T=0.1s、T=1.0s、T=2.0s以及T=4.0s）的回归系数C1、C2、C3、C4、δ如表1-1所示。 （1-6a） （1-6b） 图1-4是实际地震动记录与NGA模型以及本书建立的距离项预测模型比较。选取Mw = 6，Vs30 = 270m/s，其中AS08、BA08、CB08和CY08分别是NGA-West1（Abrahamson and Silva，2008；Boore and Atkinson，2008；Campbell and Bozorgnia，2008；Chiou and Youngs，2008）项目给出的4个预测模型。从图中可以发现，对于PGA，本书模型和NGA模型都与实测值吻合得较好。但在预测反应谱Sa（T=1.0s）时，NGA模型的预测值明显偏大，可见地震动区域性差异明显，而本书的距离项预测模型较好地与实测值相符。 2.震源效应项 为了系统地研究震源效应与场地效应之间的关系，需要从地震动中分离出震源效应、距离效应以及场地效应，分离步骤分为两步（Holland and Welsch，1977）。 *先，分离距离效应，即 （1-7） 式中，i为地震编号；j为记录地震动的台站编号；Yij为第i次地震第j个台站记录到的地震动参数；为回归残差。根据式（1-8）可以分析出回归残差是震源效应和场地效应的耦合项： （1-8） 因此，需要对进行解耦分离出震源效应和场地效应，方法如式（1-9）所示： （1-9） 由于系数矩阵的秩r(A)大于未知量矩阵的秩r(f(x))，因此对上述矩阵进行约束，这里指定解耦项中场地效应（Vs30＞600m/s）fS(site)=0，即不考虑软土层对硬基岩的放大效应，求解上述矩阵可以实现震源效应和场地效应的解耦。在地震动预测模型中，震源效应项通常有两种形式：①Campbell和Bozorgnia（2008）提出的分段线性函数；②Abrahamson和Silva（1997）提出的二次分段函数。本书通过对解耦的川滇地区震源效应项进行拟合回归，结合上述提出的形式，确定出震源效应项的函数形式为 （1-10a） （1-10b） 式中，为通过回归分析得到的系数；Mc为分段点震级。
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