[논문 리뷰] Agent-based simulation of pedestrians' earthquake evacuation; application to Beirut, Lebanon

Rouba Iskandar, Kamel Allaw외 9명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 06.

Evacuation and Crowd Dynamics인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 레바논 베이루트에서 지진 대피를 평가하기 위해 에이전트기반 시뮬레이션 모델을 개발하며, 지진 위험도, 건물 취약성, 잔해 및 인간 행동을 통합한다. 결과적으로 접근 가능한 개방공간이 5분 이내 대피 실패율을 13% 감소시켜 52%에서 39%로 낮추며, 도시 지진 회복력 향상에서의 핵심 역할을 확인한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 레바논 베이루트 도시 규모의 대피 시뮬레이션에 인간 행동, 건물 취약성 및 지진 위험도를 통합하기 위해.
• 도시화와 개방공간 접근 제한이 지진 발생 시 보행자 대피에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 개방공간 접근 장벽이 대피 효율성과 안전성 결과에 어떤 영향을 미치는지 정량화하기 위해.
• 잔해와 지형이 지진 사건 중 보행자 이동성에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 공간적 및 정책적 요인이 대피 성공에 미치는 영향을 규명함으로써 도시 위험 완화를 뒷받침하기 위해.

제안 방법

• GAMA 플랫폼을 사용하여 보행자 행동을 개별적으로 시뮬레이션하는 에이전트기반 모델(ABM)을 구현하였다.
• 레바논 규정에 따라 지진 하중은 정점 지반 가속도 0.3g로 정의되었다.
• 지진 하중, 토양 특성 및 건물 진동 특성을 기반으로 훈련된 인공 신경망을 사용하여 건물 손상 정도를 추정하였다.
• 손상된 건물 주변의 잔해 부피와 면적은 구조적 손상 예측 기반으로 모델링되었다.
• 고해상도 Pleiades 위성 영상이 도시 환경의 공간적 현실감을 향상시키는 데 사용되었다.
• 두 가지 시나리오를 시뮬레이션하였다: 하나는 개방공간이 완전히 접근 가능한 경우, 다른 하나는 장벽으로 인해 접근이 차단된 경우.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지진 발생 후 5분 이내에 안전한 곳으로 도달하는 보행자 비율에 대해 개방공간의 접근성이 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 잠긴 게이트와 같은 인위적 장벽이 인구 밀도가 높은 도시 지역에서 대피를 얼마나 막는가?
• RQ3 건물 손상과 잔해 분포가 보행자 이동성과 대피 경로에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 지형, 도시 밀도 및 개방공간 가용성이 대피 결과에 미치는 병합된 영향은 무엇인가?
• RQ5 행동, 구조적 요소 및 지진 요소를 통합함으로써 도시 규모의 대피 모델링 정확도가 어떻게 향상되는가?

주요 결과

• 모든 개방공간이 접근 가능한 경우, 베이루트 인구의 52%가 지진 발생 후 5분 이내에 개방공간에 도달할 수 있다.
• 한 개의 주요 개방공간이 장벽으로 인해 차단될 경우, 동일한 시간대 내 대피 성공률은 39%로 떨어진다.
• 접근 가능한 개방공간은 대피 실패를 줄이고 인구의 안전을 향상시키는 결정적 요소이다.
• 손상된 건물에서 발생한 잔해는 대피 경로를 심각하게 차단하고 보행자의 이동 시간을 증가시킨다.
• 녹지 공간을 제거하고 고층 건물로 대체하는 도시화는 안전 구역을 감소시키고 대피 위험을 증가시킨다.
• 지진 위험도, 건물 취약성 및 인간 행동을 하나의 에이전트기반 모델에 통합함으로써 도시 규모의 대피 동역학을 현실적으로 시뮬레이션할 수 있었다.