城市防災(zāi)空間單元風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)防控算法仿真

焦 紅，鄒天宇，李彥雪

(東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040)

1 引言

城市是一個(gè)以空間利用為特點(diǎn)，以人為主體，以聚集經(jīng)濟(jì)效益為目的的集約經(jīng)濟(jì)、人口、科學(xué)文化的地域空間系統(tǒng)。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，城市規(guī)模高速擴(kuò)張[1]。雖然城鎮(zhèn)化發(fā)展為城市帶來了新的活力與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，但同時(shí)也帶來了許多“城市綜合癥”，例如環(huán)境惡化、交通擁擠等，極大地豐富了城市致災(zāi)因素種類，導(dǎo)致城市發(fā)生災(zāi)害的概率極速上漲[2]。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，在城鎮(zhèn)化高速發(fā)展的中國(guó)，城市災(zāi)害損失占據(jù)了災(zāi)害損失的70%，城市災(zāi)害逐漸受到社會(huì)大眾與學(xué)者的關(guān)注。就現(xiàn)有研究成果來看，使用較為廣泛的城市防災(zāi)空間規(guī)劃算法主要有三種，分別為基于社區(qū)的城市防災(zāi)空間規(guī)劃算法、基于救災(zāi)因素的城市防災(zāi)空間規(guī)劃算法與基于防災(zāi)機(jī)能的城市防災(zāi)空間規(guī)劃算法。其中，基于社區(qū)的城市防災(zāi)空間規(guī)劃算法以社會(huì)為單位劃分城市防災(zāi)空間，以此來提升城市整體防災(zāi)能力；救災(zāi)因素的城市防災(zāi)空間規(guī)劃算法以救災(zāi)因素為主體，將城市空間劃分為防災(zāi)空間與救災(zāi)空間，極大地提升了城市的安全性；基于防災(zāi)機(jī)能的城市防災(zāi)空間規(guī)劃算法以每個(gè)單元防災(zāi)機(jī)能為基礎(chǔ)劃分城市防災(zāi)空間，加大城市防災(zāi)性能。上述三種現(xiàn)有算法均存在著城市防災(zāi)能力評(píng)分低的缺陷，故提出城市防災(zāi)空間單元風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)防控算法仿真研究。

2 城市防災(zāi)空間單元風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)防控算法研究

2.1 城市防災(zāi)空間單元布局

城市防災(zāi)空間要素是防災(zāi)空間構(gòu)成，并發(fā)揮防災(zāi)機(jī)能的前提與依據(jù)[3]。若是城市發(fā)生某種災(zāi)害，每一種防災(zāi)功能單元均會(huì)影響城市救災(zāi)的效率，甚至還會(huì)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致城市災(zāi)害的擴(kuò)大。要想對(duì)城市防災(zāi)空間單元進(jìn)行精確的分區(qū)防控，首要的任務(wù)就是詳細(xì)分析防災(zāi)空間要素，合理布局城市防災(zāi)空間[4]。

經(jīng)過現(xiàn)有文獻(xiàn)研究可知，防災(zāi)空間要素主要包含防救災(zāi)路線、避難場(chǎng)所、消防系統(tǒng)、醫(yī)療救護(hù)系統(tǒng)與其它基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)[5]。

其中，依據(jù)道路層級(jí)將防救災(zāi)路線劃分為緊急救援通道、消防通道、避難/輸送通道與輔助通道，分別承擔(dān)著不同的防災(zāi)機(jī)能。緊急救援通道是第一層級(jí)的緊急通道，對(duì)救援工作順利進(jìn)行具備至關(guān)重要的作用；消防通道指的是消防車輛行駛的路徑，需要滿足消防車輛的操作空間；避難/輸送通道指的是避難人員以及物資運(yùn)送車輛行駛的路徑，避免救援車輛與自身救災(zāi)之間發(fā)生沖突；輔助通道指的是其它等級(jí)道路的輔助路徑，在上述通道無(wú)法順利使用情況下，保障防救災(zāi)的順利實(shí)施[6]。

為了保障城市防災(zāi)空間機(jī)能順利發(fā)揮，設(shè)置防救災(zāi)路線標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 防救災(zāi)路線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置表

避難場(chǎng)所指的是城市居民緊急避難與災(zāi)后重建時(shí)期居住的場(chǎng)所。按照城市災(zāi)難發(fā)生時(shí)序?qū)⒈茈y場(chǎng)所劃分為三種類型，分別為臨時(shí)避難場(chǎng)所、臨時(shí)收容所與中長(zhǎng)期收容所。每種類型的避難場(chǎng)所均具有不同的建設(shè)要求，具體如表2所示。

表2 避難場(chǎng)所建設(shè)要求表

消防系統(tǒng)指的是消防站與必須消防設(shè)施，是城市防災(zāi)空間的關(guān)鍵構(gòu)成部分之一[7]。依據(jù)國(guó)家制定的“城市消防站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)”，設(shè)置消防站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)如下所示：

1)所有城市必須建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)型普通消防站；

2)人口超過50萬(wàn)的城市應(yīng)該建設(shè)特勤消防站；

3)以接收?qǐng)?bào)警信息后，5min內(nèi)消防隊(duì)能夠達(dá)到責(zé)任區(qū)邊緣為準(zhǔn)則建設(shè)消防站；

4)消防站責(zé)任區(qū)面積設(shè)置原則如下：

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)型普通消防站來說，責(zé)任區(qū)面積應(yīng)該小于7平方千米，而小型普通消防站責(zé)任區(qū)面積應(yīng)該小于4平方千米；

對(duì)于特勤消防站來說，其責(zé)任區(qū)面確定規(guī)則與普通消防站保持一致；

5)消防站應(yīng)該設(shè)置在臨街地段，方便消防隊(duì)迅速出動(dòng)。

醫(yī)療救護(hù)系統(tǒng)應(yīng)該在城市發(fā)生災(zāi)害后，最大限度的救治傷者，故設(shè)置醫(yī)療救護(hù)系統(tǒng)救護(hù)行動(dòng)應(yīng)該在黃金急救時(shí)間段內(nèi)(4-6min)對(duì)傷者進(jìn)行最適當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>

其它基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)包含防火隔離帶、堤壩、城市生命線系統(tǒng)等。基礎(chǔ)設(shè)置系統(tǒng)的完善有助于提升城市的防災(zāi)性能[8]。

依據(jù)上述城市防災(zāi)空間要素的分析，合理布局城市防災(zāi)空間，其各級(jí)防災(zāi)空間單元布局情況如表3所示。

表3 各級(jí)防災(zāi)空間單元布局表

上述過程完成了城市防災(zāi)空間單元的布局，為后續(xù)防災(zāi)空間單元風(fēng)險(xiǎn)防控性能計(jì)算提供一定的支撐作用。

2.2 單元風(fēng)險(xiǎn)防控性能計(jì)算

以上述布局的各級(jí)防災(zāi)空間單元為基礎(chǔ)，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算單元風(fēng)險(xiǎn)防控性能，具體計(jì)算步驟如下所示。

步驟一：確定評(píng)價(jià)因素集

設(shè)置第一層次評(píng)價(jià)指標(biāo)采用U={U1，U2，…，Um}表示，第二層次評(píng)價(jià)指標(biāo)采用Uij表示[9]。依據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)分析得到單元風(fēng)險(xiǎn)防控性能第一層次評(píng)價(jià)指標(biāo)體系為

U={U1，U2，U3}

(1)

式中，U表示的是防災(zāi)空間單元風(fēng)險(xiǎn)防控能力；U1表示的是防災(zāi)空間單元防災(zāi)宏觀層面；U2表示的是防災(zāi)空間單元防災(zāi)中觀層面；U3表示的是防災(zāi)空間單元防災(zāi)微觀層面。

第二層次評(píng)價(jià)指標(biāo)為

(2)

式(2)中，U11表示的是防災(zāi)空間單元區(qū)位條件；U12表示的是防災(zāi)空間單元用地安全；U13表示的是防災(zāi)空間單元空間結(jié)構(gòu)；U21表示的是避難場(chǎng)所系統(tǒng)；U22表示的是避險(xiǎn)綠地系統(tǒng)；U23表示的是避難通道系統(tǒng)；U24表示的是以醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)；U25表示的是消防救援系統(tǒng)；U26表示的是治安防衛(wèi)系統(tǒng)；U27表示的是物資支持系統(tǒng)；U31表示的是建筑物；U32表示的是防災(zāi)標(biāo)識(shí)系統(tǒng)；U33表示的是防災(zāi)通信系統(tǒng)。

步驟二：確定評(píng)語(yǔ)集

此研究利用四個(gè)級(jí)別反映防災(zāi)空間單元風(fēng)險(xiǎn)防控性能，其表達(dá)式為

V={v1，v2，v3，v4}

(3)

式(3)中，v1表示的是風(fēng)險(xiǎn)防控性能好；v2表示的是風(fēng)險(xiǎn)防控性能較好；v3表示的是風(fēng)險(xiǎn)防控性能較差；v4表示的是風(fēng)險(xiǎn)防控性能差。

第一層次與第二層次評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)情況如表4所示。

表4 指標(biāo)分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表

步驟三：確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

防災(zāi)空間單元風(fēng)險(xiǎn)防控性能評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重如表5所示。

表5 單元風(fēng)險(xiǎn)防控性能評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重表

步驟四：將調(diào)查到的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值與權(quán)重進(jìn)行相乘并加和，再依照表4規(guī)則，即可獲得防災(zāi)空間單元風(fēng)險(xiǎn)防控性能等級(jí)[10]。

2.3 防災(zāi)空間單元分區(qū)算法推出

依據(jù)上述獲得的防災(zāi)空間單元風(fēng)險(xiǎn)防控性能等級(jí)數(shù)據(jù)，推出防災(zāi)空間單元分區(qū)算法，對(duì)防災(zāi)空間單元進(jìn)行分區(qū)操作，以此來提升城市防災(zāi)空間的性能，保障城市及其居民的安全[11]。

城市防災(zāi)空間單元分區(qū)指的是對(duì)城市功能分區(qū)、行政分區(qū)與防災(zāi)管理的整合分區(qū)，以社區(qū)為單元，依托現(xiàn)有的城市空間資源與設(shè)備資源，綜合配置城市防災(zāi)空間，以此來達(dá)到城市防災(zāi)性能的最大化[12]。

城市防災(zāi)空間單元分區(qū)框架如圖1所示。

圖1 城市防災(zāi)空間單元分區(qū)框架圖

如圖1所示，通過防災(zāi)空間單元分區(qū)，形成網(wǎng)絡(luò)狀城市空間防災(zāi)體系，能夠更大限度的為城市安全提供保障。

通過上述過程實(shí)現(xiàn)了城市防災(zāi)空間單元風(fēng)險(xiǎn)的分區(qū)防控，在提升城市防救災(zāi)性能的同時(shí)，也為城市防災(zāi)空間研究提供一定的理論參考與研究?jī)r(jià)值。

3 仿真與結(jié)果分析

上述過程提出了一種新的城市防災(zāi)空間單元風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)防控算法，為了驗(yàn)證提出算法與現(xiàn)有算法之間的性能差異，采用MATLAB軟件設(shè)計(jì)仿真，具體實(shí)驗(yàn)過程如下所示：

3.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取

實(shí)驗(yàn)選取某社區(qū)作為對(duì)象，其區(qū)位衛(wèi)星圖如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象區(qū)位衛(wèi)星圖

實(shí)驗(yàn)對(duì)象基礎(chǔ)信息如表6所示。

表6 實(shí)驗(yàn)對(duì)象基礎(chǔ)信息表

3.2 防災(zāi)能力評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

為了客觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的防災(zāi)能力，依據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，構(gòu)建防災(zāi)能力評(píng)價(jià)體系，具體如表7所示。

表7 防災(zāi)能力評(píng)價(jià)體系表

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

依據(jù)上述選取的實(shí)驗(yàn)對(duì)象與構(gòu)建的防災(zāi)能力評(píng)價(jià)體系為基礎(chǔ)，采用提出算法與現(xiàn)有三種算法(基于社區(qū)的城市防災(zāi)空間規(guī)劃算法、基于救災(zāi)因素的城市防災(zāi)空間規(guī)劃算法與基于防災(zāi)機(jī)能的城市防災(zāi)空間規(guī)劃算法)進(jìn)行仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)，為了方便實(shí)驗(yàn)結(jié)果的描述，將現(xiàn)有三種算法稱為現(xiàn)有算法1、2與3，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析過程如下所示。

通過實(shí)驗(yàn)得到實(shí)驗(yàn)對(duì)象防災(zāi)能力評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)如表8所示。

表8 實(shí)驗(yàn)對(duì)象防災(zāi)能力評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)表

如表8數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)有算法1實(shí)驗(yàn)對(duì)象防災(zāi)能力評(píng)分范圍為0.25-0.51；現(xiàn)有算法2實(shí)驗(yàn)對(duì)象防災(zāi)能力評(píng)分范圍為0.35-0.72；現(xiàn)有算法3實(shí)驗(yàn)對(duì)象防災(zāi)能力評(píng)分范圍為0.58-0.75；提出算法實(shí)驗(yàn)對(duì)象防災(zāi)能力評(píng)分范圍為0.75-0.90。通過對(duì)比研究發(fā)展，應(yīng)用提出算法后，實(shí)驗(yàn)對(duì)象防災(zāi)能力評(píng)分更高，充分證實(shí)了提出算法的有效性與可行性。

4 結(jié)束語(yǔ)

城市災(zāi)害指的是由于人為或者自然因素對(duì)城市中的社會(huì)物質(zhì)與生命造成危害的自然社會(huì)事件，集社會(huì)性與自然性為整體的混合災(zāi)害。城市災(zāi)害主要包含洪水、火災(zāi)、地震、環(huán)境公害、交通事故等多種災(zāi)害。城市災(zāi)害具備種類繁多、損失巨大、連鎖性強(qiáng)、影響面廣等特征。城市是否具備防災(zāi)能力是城市質(zhì)量、文化與能力的代表之一。只有提升城市防災(zāi)性能，才能創(chuàng)造城市安全“時(shí)空”。城市防災(zāi)空間能夠有效提高城市空間對(duì)災(zāi)害的適應(yīng)性，使城市在面臨災(zāi)害時(shí)具備一定的張力與彈性，以此來提升城市多種災(zāi)害的承載能力。此研究提出了一種新的城市防災(zāi)空間單元風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)防控算法，極大提升防災(zāi)能力評(píng)分值，能夠?yàn)槌鞘屑捌渚用裉峁└影踩谋Ｕ希矠槌鞘蟹罏?zāi)空間研究提供參考。