[論文レビュー] Agent-based simulation of pedestrians' earthquake evacuation; application to Beirut, Lebanon

Rouba Iskandar, Kamel Allaw+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2023

Evacuation and Crowd Dynamics被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、レバノンのベイルートにおける地震時の避難行動を評価するために、エージェントベースのシミュレーションモデルを開発した。地震動、建物の脆弱性、デブリ、人的行動を統合した。結果から、利用可能なオープンスペースが5分間の避難失敗率を13%削減（52%から39%へ）することが示され、都市部の地震耐性にその重要性が浮き彫りになった。

ABSTRACT

Most seismic risk assessment methods focus on estimating the damages to the built environment and the consequent socioeconomic losses without fully taking into account the social aspect of risk. Yet, human behaviour is a key element in predicting the human impact of an earthquake, therefore, it is important to include it in quantitative risk assessment studies. In this study, an interdisciplinary approach simulating pedestrians' evacuation during earthquakes at the city scale is developed using an agent-based model. The model integrates the seismic hazard, the physical vulnerability as well as individuals' behaviours and mobility. The simulator is applied to the case of Beirut, Lebanon. Lebanon is at the heart of the Levant fault system that has generated several Mw>7 earthquakes, the latest being in 1759. It is one of the countries with the highest seismic risk in the Mediterranean region. This is due to the high seismic vulnerability of the buildings due to the absence of mandatory seismic regulation until 2012, the high level of urbanization, and the lack of adequate spatial planning and risk prevention policies. Beirut as the main residential, economic and institutional hub of Lebanon is densely populated. To accommodate the growing need for urban development, constructions have almost taken over all of the green areas of the city; squares and gardens are disappearing to give place to skyscrapers. However, open spaces are safe places to shelter, away from debris, and therefore play an essential role in earthquake evacuation. Despite the massive urbanization, there are a few open spaces but locked gates and other types of anthropogenic barriers often limit their access. To simulate this complex context, pedestrians' evacuation simulations are run in a highly realistic spatial environment implemented in GAMA [1]. Previous data concerning soil and buildings in Beirut [2, 3] are complemented by new geographic data extracted from high-resolution Pleiades satellite images. The seismic loading is defined as a peak ground acceleration of 0.3g, as stated in Lebanese seismic regulations. Building damages are estimated using an artificial neural network trained to predict the mean damage [4] based on the seismic loading as well as the soil and building vibrational properties [5]. Moreover, the quantity and the footprint of the generated debris around each building are also estimated and included in the model. We simulate how topography, buildings, debris, and access to open spaces, affect individuals' mobility. Two city configurations are implemented: 1. Open spaces are accessible without any barriers; 2. Access to some open spaces is blocked. The first simulation results show that while 52% of the population is able to arrive to an open space within 5 minutes after an earthquake, this number is reduced to 39% when one of the open spaces is locked. These results show that the presence of accessible open spaces in a city and their proximity to the residential buildings is a crucial factor for ensuring people's safety when an earthquake occurs.

研究の動機と目的

• レバノンのベイルートにおける都市規模の避難シミュレーションに、人的行動、建物の脆弱性、地震動を統合すること。
• 都市化とオープンスペースへのアクセス制限が地震時の歩行者避難に与える影響を評価すること。
• オープンスペースへの障害物が避難効率と安全な結果に与える影響を定量化すること。
• デブリと地形が地震発生時の歩行者移動に与える影響を特定すること。
• 避難成功に影響を与える主要な空間的・政策的要因を同定することで、都市リスク軽減を支援すること。

提案手法

• GAMAプラットフォームを用いて、地震避難時の個々の歩行者行動をシミュレートするエージェントベースモデル（ABM）を実装した。
• レバノンの規則に従い、ピーク地面加速度0.3gとして地震動を定義した。
• 地震動、土壌特性、建物の振動特性を入力として、訓練された人工ニューラルネットワークを用いて建物損傷を推定した。
• 損傷予測に基づき、損傷建物周辺のデブリ体積と面積をモデル化した。
• 都市環境の空間的リアリズムを高めるために、高分解能のPleiades衛星画像を用いた。
• 2つのシナリオをシミュレートした：1つはすべてのオープンスペースが利用可能である場合、もう1つは障害物によるアクセスが遮断された場合。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地震発生後5分以内に安全な場所に到達できる歩行者の割合に、オープンスペースのアクセス性がどのように影響するか？
• RQ2 閉錠されたゲートなどの人為的障害物が、密集した都市部での避難をどの程度妨げるか？
• RQ3 建物損傷とデブリの分布が、歩行者の移動と避難経路に与える影響は何か？
• RQ4 地形、都市密度、オープンスペースの可用性の組み合わせが避難結果に与える影響は何か？
• RQ5 人的行動、構造的脆弱性、地震動を統合することで、都市規模の避難モデルの正確性はどの程度向上するか？

主な発見

• すべてのオープンスペースが利用可能な場合、ベイルートの人口の52%が地震発生後5分以内にオープンスペースに到達できる。
• 1つの主要なオープンスペースが障害物によって閉鎖された場合、同じ時間枠での避難成功率は39%に低下する。
• 利用可能なオープンスペースの有無が、避難失敗の低減と住民の安全向上に決定的な要因である。
• 損傷建物からのデブリは、避難経路を著しく妨げ、歩行者の移動時間を延長する。
• 緑地を失い、高層ビルに置き換える都市化は、安全な避難場所の減少を引き起こし、避難リスクを高める。
• 地震動、建物の脆弱性、人的行動を統合した1つのエージェントベースモデルにより、都市規模の避難ダイナミクスの現実的なシミュレーションが可能になった。