城市交通系統(tǒng)抗震防災優(yōu)化研究

李 開 兵

(湖北省長江產(chǎn)業(yè)投資集團有限公司，湖北 武漢 430060)

城市交通系統(tǒng)抗震防災優(yōu)化研究

李 開 兵

(湖北省長江產(chǎn)業(yè)投資集團有限公司，湖北 武漢 430060)

從城市道路網(wǎng)絡特征入手，研究了基于抗震性能的路網(wǎng)連通可靠度，從網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)層面研究了城市路網(wǎng)的抗震性能優(yōu)化，為道路規(guī)劃、改擴建及交通管理優(yōu)化提供決策依據(jù)。

交通，防災，優(yōu)化

1 研究背景

GB 50220—95城市道路交通規(guī)劃設計規(guī)劃將城市道路分為快速路、主干路、次干路和支路四類，不同的道路等級對應不同的設計車速和道路紅線，并通過對比規(guī)范與規(guī)劃路網(wǎng)的道路網(wǎng)密度、車速等指標評判規(guī)劃路網(wǎng)的優(yōu)劣。在常規(guī)路網(wǎng)規(guī)劃中，并沒有考慮從防災視角來提高道路網(wǎng)絡的抗災性能。針對我國地震災害頻發(fā)的現(xiàn)狀，研究城市交通抗震易損性，提升道路網(wǎng)絡的抗震性能，顯得必要和迫切。

GB 50413—2007城市抗震防災規(guī)劃標準規(guī)定：對連通城市固定避震疏散場所的主干道進行抗震連通性影響評價；根據(jù)需避震疏散人口數(shù)量及其分布，合理安排避震疏散場所和避震疏散道路；與城市出入口、中心避震疏散場所相連的救災主干道不宜低于15 m。應能保障疏散通道的安全暢通。由此可見，在城市抗震防災規(guī)劃中，規(guī)劃避震疏散主通道，保證疏散通道的有效寬度和安全暢通，是確保災后應急救援的重要環(huán)節(jié)。

2 城市交通易損性

地震發(fā)生后，受災城市的內(nèi)部交通系統(tǒng)受到嚴重破壞，橋梁坍塌、街道被瓦礫阻塞等造成交通癱瘓。研究表明，基于地震的交通易損性主要表現(xiàn)為路面破壞、橋梁破壞和沿街建筑物倒塌。

2.1 基于路面破壞的連通概率

姜淑珍等[1]根據(jù)震害經(jīng)驗，采用震害指數(shù)(indj)表示路段的破壞程度：

(1)

其中，Xjk為第j路段第k個震害因子對應的量化值。

由路段震害指數(shù)，得到對應不同震害指數(shù)的路段連通概率Pf，見表1。

表1 基于地震的路面通行概率Pf

2.2 基于橋梁破壞的連通概率

橋梁的震害預測方法包括經(jīng)驗統(tǒng)計法、規(guī)范效核法、Pushover法等。一般將橋梁震害分為五級，根據(jù)橋梁各個等級的震害描述，規(guī)定橋梁單元的通行概率Pb如表2所示。

表 2 橋梁單元的通行概率Pb

2.3 基于沿街建筑物倒塌的連通概率

研究表明，沿街建筑倒塌引起的路段阻塞主要與該路段上瓦礫堆的總土石方量、道路寬度等因素有關。

文獻[2]給出了路段單元因建筑物倒塌阻塞后的通行概率計算公式：

(2)

其中，Ω為瓦礫阻塞量，Ω=Ψ1A1+Ψ2A2+Ψ3A3；L為計算路段單元長度；Lc=800 m；Ωc為路段瓦礫阻塞界限值，當路長400 m～1 200 m時，取5 000 m2。

綜上所述，地震發(fā)生后，路段單元的通行概率為：

(3)

其中，Ptr為路段的連通概率；Pr為路段阻塞的通行概率；Pf為路面破壞的通行概率；Pb為橋梁通行概率。

路段震害等級及其通行概率見表3。

表3 路段震害等級及其通行概率

3 道路網(wǎng)絡抗震性能評價

交通系統(tǒng)是地震發(fā)生后城市重要的生命線，為保證震后應急救援的效率，要求交通網(wǎng)絡能夠保證重要路段或源匯點的車輛行駛順暢?？煽慷仁墙煌ㄏ到y(tǒng)在一定的服務水平下，能夠完成預定功能的概率度量，是衡量路網(wǎng)抗震服務性能的重要指標。國內(nèi)外地震災害救援經(jīng)驗表明：震后路網(wǎng)的連通可靠度，對于震后應急救援具有十分重要的意義。因此，本文主要基于連通可靠度進行道路網(wǎng)絡的抗震性能評價及其優(yōu)化。

路網(wǎng)連通可靠度反映了網(wǎng)絡中各節(jié)點的連通狀況，從道路網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)來描述道路網(wǎng)絡的可靠性。目前網(wǎng)絡連通可靠性的分析方法可分為兩類：概率解析方法和隨機模擬方法[3]。對于諸如城市交通這樣的大型復雜網(wǎng)絡，網(wǎng)絡分析的精確算法往往無能為力，一般采用隨機模擬方法(如Monte Carlo法)。通過計算機仿真，算出路網(wǎng)在不同烈度地震作用下的連通概率,找出震后道路連通的薄弱環(huán)節(jié)和敏感路段，為城市防災提供基本依據(jù)。

研究表明，震后路網(wǎng)系統(tǒng)中路段單元最容易發(fā)生阻斷。本文假定路網(wǎng)節(jié)點完好，考慮基于路段破壞的網(wǎng)絡連通可靠性。根據(jù)圖論知識，將城市路網(wǎng)系統(tǒng)簡化為平面網(wǎng)絡，則基于路段破壞的網(wǎng)絡系統(tǒng)是邊權網(wǎng)絡。本文選用某城市實際路網(wǎng)，包含54個節(jié)點91條邊，如圖1所示。表4給出了路網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)及其路段連通可靠度。

表4 某市路網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)及其路段可靠度

由Monte Carlo算法得出路網(wǎng)中各個節(jié)點之間的連通可靠度。令可靠度小于0.3為毀壞，0.3～0.5之間為嚴重不可靠，0.5～0.7之間為中等不可靠，0.7～0.9為輕微不可靠，大于0.9為可靠。由路段的可靠度，可以得到路網(wǎng)節(jié)點之間的連通可靠度。表5列出了節(jié)點1到網(wǎng)絡其他節(jié)點的連通可靠度。

表5 邊權網(wǎng)絡節(jié)點間的連通可靠度

路網(wǎng)連通可靠度是評價道路網(wǎng)絡抗震性能的重要指標。通過Monte Carlo模擬算法，可以確定城市道路網(wǎng)絡重要設施點與救災空間(如消防站、醫(yī)院、物資供應點等)在不同烈度下的連通概率，找出震后道路連通的薄弱環(huán)節(jié)；同時，運用敏感性分析方法，求出基于系統(tǒng)連通可靠度的路段單元敏感度，從而為城市的防災規(guī)劃和路網(wǎng)優(yōu)化提供基本依據(jù)。

4 基于網(wǎng)絡的路網(wǎng)抗震性能優(yōu)化

在城市的建設管理中，城市的管理者常面臨的問題是：在有限的道路網(wǎng)絡建設資金約束下，如何逐步提高道路網(wǎng)絡的抗震性能，保證城市中某些節(jié)點間的抗震服務水平?；诼肪W(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的抗震優(yōu)化，有兩類不同優(yōu)化目標：一類是給定資金約束下，路網(wǎng)抗震性能最大化；另一類是給定路網(wǎng)基本抗震性能要求，建設資金最小化。本文認為第二類方法更符合我國城市建設實際，通過合理界定路網(wǎng)年度抗震性能基本要求，逐步提高路網(wǎng)抗震性能。

已知某城市有一些重要的節(jié)點，要求通過道路相互連接，圖2為該市道路網(wǎng)絡初步規(guī)劃示意圖。由地震易損性分析，可以得到路段在不同地震烈度下的可靠度。當不考慮交通量約束情況下，假定路段單元抗震可靠度皆取0.85，在道路網(wǎng)絡節(jié)點之間的連通可靠度不低于0.7的前提下，優(yōu)化路網(wǎng)布局，使得路網(wǎng)的建設和維護資金最少。此處假定修建路段的投資額是路段長度的函數(shù)(100元/m)，路段長度見表6。

表6 某市道路網(wǎng)絡路段長度 m

路網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化是0—1規(guī)劃問題，采用遺傳算法。編碼時，基因值為0表示路段不修建，基因值為1表示路段修建。路網(wǎng)中所有路段的基因按照指定的次序排列起來，構(gòu)成一條染色體。路網(wǎng)拓撲優(yōu)化模型中一個染色體對應路網(wǎng)的一種拓撲結(jié)構(gòu)方案。多條染色體構(gòu)成遺傳算法的一個種群。采用隨機發(fā)生器生成初始種群時，剔除非連通路網(wǎng)。然后進行個體評價、選擇操作、交叉操作、變異操作等，進行收斂判斷，得到最優(yōu)解。圖3為路網(wǎng)拓撲優(yōu)化的遺傳算法流程圖。

整個計算過程見圖4。

在滿足OD對之間的抗震可靠度大于0.7的前提下，得到路網(wǎng)規(guī)劃最優(yōu)方案的造價為315.6萬元。

最優(yōu)方案路網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)規(guī)劃示意圖見圖5。

5 結(jié)語

本文分析了城市交通系統(tǒng)的抗震易損性，提出基于連通可靠度的路網(wǎng)抗震性能評價指標，并給出了基于路段破壞的網(wǎng)絡連通可靠度的計算方法。最后，運用路網(wǎng)抗震可靠度評價指標，提出基于網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的路網(wǎng)抗震性能優(yōu)化方法，為路網(wǎng)防災規(guī)劃和抗震性能優(yōu)化提供了決策依據(jù)。

[1] 姜淑珍,柳春光.三亞市交通系統(tǒng)易損性分析[J].世界地震工程,2005,21(3):23-27.

[2] 趙國興,陳 淮,李 杰.震后城市交通系統(tǒng)評估與改建[J].世界地震工程,1996(8):6-10.

[3] 包元鋒，李 杰.生命線工程網(wǎng)絡抗震可靠性分析方法的比較研究[J].防災減災工程學報，2004，24(2)：139-148.

Research on optimization for anti-seismic disaster prevention of urban traffic system

Li Kaibing

(HubeiProvinceChangjiangIndustryInvestmentGroupCo.,Ltd,Wuhan430060,China)

From the network features of urban roads, the paper researches the reliability of the road network connection based on the anti-seismic performance, and researches the anti-seismic performance optimization of the urban road network from the network topology structure, so as to provide the reference for the decision-making for the road planning, reorganization and expansion and traffic management optimization.

traffic, disaster prevention, optimization

2015-06-24

李開兵(1978- )，男，高級工程師

1009-6825(2015)25-0009-03

U491

A