基于復雜網(wǎng)絡模型的城市防災公園布局系統(tǒng)優(yōu)化★

薛亞東，孫 忠，劉夢豪，蔣曉涵，鈕志文

(南陽理工學院建筑學院，河南 南陽 473004)

近年來頻發(fā)的城市災害使居民生命安全受到嚴重威脅，災害發(fā)生時居民在廣場、道路、廢墟周邊等隨意選擇避難場地，居民避難安全性、場地之間聯(lián)系性等較為不足，給災后應急救援及災民救助帶來較大困難。公園、綠地等在防災、臨時避難、應急救援、災后重建等方面優(yōu)勢日益凸顯[1]，國外很早就將城市公園作為防災公園使用，我國直到2003年才建成了全國第一個防災公園試點——北京元大都城垣遺址公園，隨后國家出臺多項政策，明確提出利用城市公園建設防災避難場所，在災害時為居民提供避難、疏散及臨時生活的安全場所[2]，防災公園建設的重要性和必要性得到廣泛認可。國內(nèi)外專家和學者從空間結(jié)構角度，結(jié)合人口布局，采用GIS空間分析和數(shù)學模型等對防災公園進行了大量研究[3]，但都集中在定性、定量論述及經(jīng)驗總結(jié)方面，普遍利用空間單元移動歸屬算法模型[4]、單目標選址模型[5-7]、多目標優(yōu)化模型[8-10]、隨機規(guī)劃模型[11]、熵值權重法[12]、AHP法[13-15]、多因子綜合評價模型[16]等對場地選擇，未考慮相互之間聯(lián)系及災害時不同等級防災公園人員轉(zhuǎn)移等需求，規(guī)劃防災公園不成體系，布局總體效能不高。為提高其整體服務能力，對防災公園進行合理等級劃分，利用復雜網(wǎng)絡模型對不同等級場地的網(wǎng)絡性、同一等級場地的關聯(lián)性分析，對其布局優(yōu)化，確保系統(tǒng)的整體性、層次性、復雜性和網(wǎng)絡性，實現(xiàn)防災公園自組織系統(tǒng)建設。

1 防災公園規(guī)劃體系

由于我國在相關規(guī)范和標準體系上的不完善，城市防災公園標準劃分通常參考城市避難場所建設、公園設計等標準，但規(guī)范之間的差異也造成了其難以統(tǒng)一。為了對防災公園體系構建，結(jié)合國際經(jīng)驗及國內(nèi)相關規(guī)范進行深入梳理分析，進行合理等級劃分。

1)日本防災公園劃分標準。日本在1993年的《城市公園法實施令》修改案中提出了“防災公園”的概念[17]。在1998年日本建設省制定的《防災公園計劃和設計指導方針》中將防災公園分為6類，包括廣域防災據(jù)點、廣域避難場所、緊急避難場所、鄰近避難點、避難通道和緩沖綠地，并對其用地類型、規(guī)模、服務半徑等進行了詳細規(guī)定[18]。

2)我國防災避難場所劃分標準。由于我國尚未頒布防災公園建設標準，因此結(jié)合防災公園在災害的避難、疏散、救援及災后重建的功能，根據(jù)GB 51143—2015防災避難場所設計規(guī)范對防災公園進行等級劃分(見表1)。

表1 防災避難場所設計控制標準

3)本文對防災公園規(guī)劃體系標準劃分。由于城市防災公園為可利用面積1.0 hm2以上的城市公園、綠地，根據(jù)應急避難場所規(guī)范和日本防災公園標準，將其分為三類，確保災害不同時段居民的避難需求(見表2)。

表2 防災公園規(guī)劃體系劃分標準

2 復雜網(wǎng)絡模型構建

復雜網(wǎng)絡是各種大規(guī)模網(wǎng)絡的總稱，由多個個體組成，不同個體之間既對立又聯(lián)系，每個個體被看作不同節(jié)點，節(jié)點之間的聯(lián)系能夠反映相互之間的關系，不同節(jié)點相互連接的線為邊[19]。防災公園布局是對能夠滿足需求的城市公園進行選擇，各場地之間干擾較小，但又相互影響，利用復雜網(wǎng)絡進行布局，保證利用最少空間滿足最大需求[20]。

2.1 復雜網(wǎng)絡構成要素

1)度與度分布。度(ki)是網(wǎng)絡中與節(jié)點i連接的其他節(jié)點數(shù)目。節(jié)點度越大意味著與該節(jié)點連接的節(jié)點數(shù)越多，該節(jié)點越重要。

2)聚類系數(shù)。網(wǎng)絡中的任意一個節(jié)點i由ki條邊將它和其他節(jié)點相連，這ki個節(jié)點就稱為節(jié)點i的鄰居。ki個節(jié)點之間最多可能有ki(ki-1)/2條邊，而這ki個節(jié)點之間實際存在的邊數(shù)Ei和總的可能邊數(shù)ki(ki-1)/2之比就是節(jié)點i的聚類系數(shù)，即：

Ci=2Ei/ki(ki-1)

(1)

2.2 復雜網(wǎng)絡模型構建條件

由于不同級別防災公園服務范圍具有差別，在防災公園布局規(guī)劃中，首先根據(jù)規(guī)模對場地進行分級，對不同級別的場地分別研究。通過復雜網(wǎng)絡模型的應用，從同一等級多個備選場地中選取若干最優(yōu)場地[21]。利用gephi軟件對所有點進行處理，每個點對應一個備選用地，每個類型防災公園備選場地的地位和服務半徑都是平等且相同的，如果兩點之間直線距離小于服務半徑之和，說明這兩個點服務區(qū)域存在重疊，能夠形成邊，否則不能[22]。

在防災公園選擇時根據(jù)其集中程度進行選擇，選擇出與周邊相鄰點聯(lián)系較強的場地，而每個場地的度和聚類系數(shù)反映其在周邊場地的中心程度，因此只需考慮每個備選場地的節(jié)點度和聚類系數(shù)即可。

2.3 復雜網(wǎng)絡模型構造算法

1)度分布。由于網(wǎng)絡中所有節(jié)點之間不具有方向性，且相互之間聯(lián)系都是相同的，因此定義p(k,ti,t)為在ti時刻加入的節(jié)點i在t時刻的度恰好是k的概率，在模型中加入一個新節(jié)點時，節(jié)點i的度增加1的概率為mⅡi=k/2t，否則該節(jié)點度保持不變。

p(k,ti,t+1)=(k-1)p(k-1,ti,t)/2t+
(2t-k)p(k,ti,t)/2t

(2)

而該網(wǎng)絡度的分布為:

(3)

滿足以下遞推方程：

(4)

無標度網(wǎng)絡的度函數(shù)為:

(5)

2)聚類系數(shù)。由于網(wǎng)絡規(guī)模較大，當網(wǎng)絡足夠大時，無標度網(wǎng)絡不具有明顯的聚類性特征，因此，無標度網(wǎng)絡的聚類系數(shù)為[23]：

(6)

3 基于復雜網(wǎng)絡模型的天津市南開區(qū)防災公園布局優(yōu)化

3.1 天津市南開區(qū)防災公園布局問題

南開區(qū)人口數(shù)量較多(見圖1)，區(qū)域規(guī)模較大，區(qū)域范圍內(nèi)受鐵路、河流、城市快速路等影響，各部分聯(lián)系不便，南開區(qū)規(guī)劃有兩處防災避難場所，距離相對較遠，尚未形成完整的防災公園體系，對災害不同時段居民的避難疏散造成較大影響。

1)防災公園缺乏完整體系。南開區(qū)規(guī)劃2處防災公園，根據(jù)防災公園劃分標準，長虹公園可利用面積27.18 hm2，可作為固定防災公園，水上公園為75.6 hm2，可作為中心防災公園。南開區(qū)各區(qū)域人口數(shù)量較多，建筑綜合抗災能力相對較差，在災害發(fā)生時，臨時避難人員數(shù)量也較多，且對避難的快速性需求較強，僅有中心防災公園和固定防災公園無法滿足居民的避難需求，需要進行合理的防災公園布局，建設臨時、固定和中心相結(jié)合的三級防災公園系統(tǒng)，滿足災害不同時段居民的避難疏散需求。

2)防災公園布局與人口聯(lián)系性不強。目前，規(guī)劃防災公園與周邊人口的聯(lián)系性較差，居民使用相對不便。南開區(qū)人口密度為2.79萬人/km2，其中鼓樓街道人口密度最高，為3.63萬人/km2，大部分區(qū)域人口密度都在2.0萬人/km2以上，南部區(qū)域人口密度較小，北部的萬興街道和鼓樓街道人口密度較高。根據(jù)人口分布情況將人口密度分為六個等級，規(guī)模較大的水上公園位于人口密度相對較小的區(qū)域，周邊居民與其距離相對較遠，長虹公園所處的長虹街道人口密度處于第三等級，人口密度較高的區(qū)域無防災公園分布，因此必須對防災公園進行布局優(yōu)化，提高防災公園與人口分布的聯(lián)系性，降低居民的長距離避難。

3)防災公園之間聯(lián)系缺乏。目前規(guī)劃防災公園數(shù)量較少，最短路徑距離為5.9 km，相互聯(lián)系較為不便，在重大災害時人員轉(zhuǎn)移較為困難。由于防災公園數(shù)量較少，尚未建立完整的防災公園體系，因此無法進行同一等級防災公園之間的聯(lián)系，相互之間無法形成網(wǎng)絡，給居民的避難、疏散及救援帶來較大不便，因此必須進行合理的防災公園布局，形成完整的防災公園體系，保證同一等級防災公園的關聯(lián)性和不同等級防災公園的網(wǎng)絡性，使所有場地之間形成完整聯(lián)系，保證防災公園形成自組織系統(tǒng)。

3.2 天津市南開區(qū)防災公園可利用場地分布情況

為了對南開區(qū)防災公園布局，根據(jù)防災公園劃分標準，利用地形圖、google地圖和天津市城市總體規(guī)劃(2005—2020)數(shù)據(jù)選取南開區(qū)的現(xiàn)狀公園、可利用的綠地作為防災公園備選場地。由于南開區(qū)南部和西南部多為新開發(fā)區(qū)域，綠地及公園數(shù)量較多，北部區(qū)域為開發(fā)較早的居住區(qū)、商業(yè)等，建筑密度較高，內(nèi)部及周邊公園和綠地數(shù)量相對較少，備選場地分布不均。南開區(qū)的可利用場地共計70處，總規(guī)模361.42 hm2，實際可利用面積182.6 hm2。南開區(qū)規(guī)模在20 hm2以上的場地有3處，面積為231.69 hm2；規(guī)模在5 hm2以上場地有7處，面積為67.95 hm2；規(guī)模在1 hm2以上場地有60處，面積為108.51 hm2(見圖2)。根據(jù)GB 51143—2015防災避難場所設計規(guī)范規(guī)定，公園、綠地的實際可利用面積率為總面積的60%。實際可利用面積20 hm2以上的場地僅水上公園1處，面積為45.36 hm2；實際可利用面積在5 hm2以上的場地有5處，面積為58.73 hm2；實際可利用面積在 1 hm2以上的場地有28處，面積為53.89 hm2。

3.3 天津市南開區(qū)防災公園可利用場地復雜網(wǎng)絡模型

1)各等級避難人口及需求規(guī)模測算。

在對不同時段防災避難人口計算時，根據(jù)相關規(guī)范規(guī)定，依據(jù)建筑綜合抗災能力測算。在短期疏散避難人員測算時，充分考慮常住人口和流動人口，在重大災害時，短期內(nèi)人口疏散較為困難，流動人口應成為考慮的重點。固定人口和中心避難人口測算時以常住人口為基準。其中臨時避難人口為24.14萬人，固定避難人口為8.42萬人，中心避難人口為3.23萬人。根據(jù)人均用地規(guī)模標準，臨時防災公園面積為24.14 hm2～48.27 hm2，固定防災公園規(guī)模16.84 hm2～33.68 hm2，中心防災公園規(guī)模為14.54 hm2。

2)防災公園可利用場地復雜網(wǎng)絡模型構建。

防災公園要形成完整系統(tǒng)，不僅要保證同一等級防災公園聯(lián)系性，也要保證不同等級防災公園之間的網(wǎng)絡性，因此根據(jù)其關聯(lián)性和網(wǎng)絡性進行防災避難場所可利用場地復雜網(wǎng)絡模型構建。

a.復雜網(wǎng)絡模型構建前提。在模型構建時，首先根據(jù)鐵路、河流、城市快速路、鐵路等進行防災分區(qū)劃分(見圖3)，在各防災分區(qū)內(nèi)進行復雜網(wǎng)絡模型構建。在模型構建時，充分考慮各場地之間最短路徑距離。同一等級場地最短路徑距離不大于其服務半徑范圍之和時，能夠形成邊；對于不同等級場地，當兩個場地之間最短路徑距離小于其服務半徑范圍之和，能夠形成邊。同時根據(jù)災害時居民從臨時到固定再到中心防災公園的轉(zhuǎn)移路徑，臨時防災公園僅與固定防災公園形成聯(lián)系，中心防災公園僅與固定防災公園形成聯(lián)系，固定防災公園既與中心防災公園又與臨時防災公園可利用場地構成聯(lián)系。

b.復雜網(wǎng)絡模型的建立。根據(jù)場地可利用規(guī)模，南開區(qū)可作為緊急防災公園的場地有28個，可作為固定防災公園的場地5個，可作為中心防災公園的場地僅有水上公園1個，根據(jù)不同場地關系，利用gephi軟件構建南開區(qū)防災公園可利用場地復雜網(wǎng)絡模型，其模型見圖4。

3.4 天津市南開區(qū)防災公園布局優(yōu)化

3.4.1 可利用場地選擇原則

利用gephi軟件對各可利用場地節(jié)點網(wǎng)絡度和聚類系數(shù)計算，通過對各節(jié)點網(wǎng)絡度和聚類系數(shù)分析對比，進行合理的場地選擇。

在場地選擇時，由于節(jié)點網(wǎng)絡度表示其節(jié)點與周邊的聯(lián)系性和其中心性，聚類系數(shù)表示其周邊各點分布的集中程度，為了選擇出與周邊聯(lián)系較為密切的場地，利用節(jié)點網(wǎng)絡度優(yōu)先的原則選擇場地[23]。當存在多個節(jié)點度相同場地時，根據(jù)聚類系數(shù)進行場地選擇。

2.3 并列關系一般概念的辨析 轉(zhuǎn)錄和翻譯屬于一組并列概念，選擇圖5進行教學。首先，指認圖中涉及的細胞結(jié)構和物質(zhì)；其次，詳細說明轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程；最后，列表比較轉(zhuǎn)錄和翻譯。轉(zhuǎn)錄和翻譯這兩個過程都是微觀和抽象的，圖5是關于轉(zhuǎn)錄和翻譯過程的一張整體圖解，對照圖解來詳細說明轉(zhuǎn)錄和翻譯的過

3.4.2 各等級防災公園可利用場地節(jié)點網(wǎng)絡度及聚類系數(shù)

由于臨時和固定防災公園可利用場地數(shù)量相對較多，而中心防災公園可利用場地僅1處，因此僅對臨時和固定防災公園節(jié)點網(wǎng)絡度和聚類系數(shù)分析。

1)臨時防災公園可利用場地節(jié)點網(wǎng)絡度及聚類系數(shù)。通過對各節(jié)點網(wǎng)絡度分析，其平均度為3.21，節(jié)點網(wǎng)絡度比例隨度增大而減少，呈現(xiàn)正相關分布，其復雜網(wǎng)絡具有無標度特性。根據(jù)其聚類系數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，其平均值為0.604，聚類系數(shù)呈現(xiàn)出明顯的小世界特性，可以利用節(jié)點網(wǎng)絡度和聚類系數(shù)選擇場地(見表3)。

表3 緊急防災公園各場地的節(jié)點度和聚類系數(shù)

2)固定防災公園可利用場地節(jié)點網(wǎng)絡度及聚類系數(shù)。固定防災公園可利用場地平均度為3，根據(jù)對各場地網(wǎng)絡節(jié)點度分析，網(wǎng)絡節(jié)點度比例隨其度增大而增大，其復雜網(wǎng)絡具有無標度特性。根據(jù)其聚類系數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，聚類系數(shù)為0.53，聚類系數(shù)較高的值較少，呈現(xiàn)出明顯的小世界特性，可以利用節(jié)點網(wǎng)絡度和聚類系數(shù)進行場地選擇(見表4)。

表4 固定防災公園各場地網(wǎng)絡度和聚類系數(shù)

3.4.3 防災公園場地選擇及布局優(yōu)化

1)臨時防災公園場地選擇。根據(jù)各防災分區(qū)內(nèi)防災公園規(guī)模與可利用場地的規(guī)模，盡可能滿足場地覆蓋范圍的最大化，根據(jù)各場地的節(jié)點度和聚類系數(shù)進行選擇，以其服務范圍和場地規(guī)模為目標進行選擇。

由于防災分區(qū)1，2，3，5內(nèi)可利用場地數(shù)量較少，為了盡可能滿足避難人口數(shù)量需求，將所有備選場地均作為臨時防災公園，各區(qū)臨時防災公園規(guī)模及數(shù)量見表5。

表5 各防災分區(qū)臨時防災公園規(guī)模

2)固定防災公園場地選擇。根據(jù)場地數(shù)量的最小化及服務覆蓋范圍的最大化進行場地選擇，選取3個備選場地。由于場地13和場地24節(jié)點度最高，且相對分散，因此將該兩點選為防災公園，根據(jù)服務半徑服務范圍，盡可能提高防災公園的服務覆蓋范圍，節(jié)點2位于單獨區(qū)域，將其選為防災公園。

3)中心防災公園場地選擇。由于南開區(qū)內(nèi)實際可利用面積在20 hm2以上的場地僅有水上公園1處，因此直接將其作為中心防災公園。

4)防災公園總體布局優(yōu)化。根據(jù)臨時、固定和中心防災公園的場地選擇，對南開區(qū)內(nèi)防災公園進行布局優(yōu)化，共規(guī)劃防災公園12個，其中臨時防災公園12個，固定防災公園3個，中心防災公園1個，形成多等級協(xié)調(diào)的防災公園布局(見圖5)，使各區(qū)域均有臨時和固定防災公園分布，重大災害時居民的快速避難需求得到保證。防災公園整體布局形成了以中心防災公園為核心，固定防災公園為節(jié)點，臨時防災公園相互配合的層次性布局結(jié)構體系(見圖6)，在災害不同時段，也能實現(xiàn)人員從低等級向高等級防災公園轉(zhuǎn)移的避難疏散結(jié)構。

4 結(jié)語

防災公園作為保障重大災害時居民生命安全的場所，必須進行合理的布局及場地選擇，由于可作為防災公園的場地數(shù)量高于需求數(shù)量，因此通過對防災公園備選場地進行復雜網(wǎng)絡模型的構建，從中選擇出具有較強的中心性且能夠滿足需求的場地，實現(xiàn)防災公園布局的均衡和公平，保證重大災害時能夠快速為居民提供避難服務，也能夠快速的服務周邊居民。為了實現(xiàn)防災公園合理布局，首先結(jié)合國內(nèi)外的防災公園建設標準進行完整體系構建，將其分為臨時防災公園、固定防災公園和中心防災公園，為災害發(fā)生不同階段居民的避難需求提供不同的空間。對每類防災公園進行復雜網(wǎng)絡模型構建，通過網(wǎng)絡節(jié)點度和聚類系數(shù)對場地對比，選擇出合理的場地。通過復雜網(wǎng)絡模型對各類可利用場地的備選用地進行分析，使場地的布局更加均衡且能夠滿足各區(qū)域人口的避難需求，增加場地的關聯(lián)性和網(wǎng)絡性，使防災公園形成完整的自組織系統(tǒng)，為其他地區(qū)在防災公園布局規(guī)劃時提供參考。