基于居民視角的應(yīng)急避難所優(yōu)化配置研究*

陳 鵬，張 碩，劉曉靜，趙洪陽，鮑建華

(吉林師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院，吉林 四平 136000)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市建設(shè)進(jìn)程的加快，城市規(guī)模與人口數(shù)量不斷擴(kuò)大，加之各類災(zāi)害、事故等不安全事件頻發(fā)，給居民生命、財(cái)產(chǎn)等造成極大威脅。為了減少損失，需在城市范圍內(nèi)建設(shè)一定數(shù)量的應(yīng)急避難所，在災(zāi)害發(fā)生時(shí)為居民提供安全保障。應(yīng)急避難所規(guī)劃是否合理，是降低城市風(fēng)險(xiǎn)的有效方法。應(yīng)急避難所優(yōu)化配置屬于空間優(yōu)化選址問題，目前針對(duì)此類問題研究分為3個(gè)大類：1)傳統(tǒng)的空間優(yōu)化選址問題，如覆蓋問題[1]、中心問題(P-Center)[2]、中位問題(P-Median)[3]、競(jìng)爭(zhēng)問題[4]和多目標(biāo)選址問題[5]等。2)在傳統(tǒng)的空間優(yōu)化選址研究基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)方法，如基于中位問題演化的分層選址問題[6]、層次分析[7-8]、加權(quán)線性回歸[9]、TOPSIS及灰色評(píng)價(jià)法[10]等。3)新技術(shù)的出現(xiàn)為空間優(yōu)化選址提供了更為高效的方法，如結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)[11-13]、GIS技術(shù)[14-15]、人工智能方法等空間優(yōu)化選址新技術(shù)[16-17]，新技術(shù)的引入使得應(yīng)急避難所的空間優(yōu)化選址不僅加強(qiáng)了結(jié)果的可視化，還提高了模型的效率與精度。上述研究中雖然取得了一定成果，但僅是針對(duì)應(yīng)急設(shè)施本身的規(guī)模、數(shù)量、位置等進(jìn)行優(yōu)化，鮮有從居民角度出發(fā)，考慮居民的避難效率及函數(shù)。

綜上，本研究提出從居民視角出發(fā)，以獲取居民意愿及行動(dòng)策略，構(gòu)建居民避難行動(dòng)效率函數(shù)及應(yīng)急避難所服務(wù)范圍函數(shù)，將二者進(jìn)行耦合，并構(gòu)建應(yīng)急避難所優(yōu)化配置模型，先以虛擬地區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，探究耦合模型的適用性及可行性；再以哈爾濱市道里區(qū)經(jīng)緯街為研究區(qū)，以耦合后的模型對(duì)研究區(qū)現(xiàn)狀應(yīng)急避難所配置的合理性進(jìn)行分析，探究其建設(shè)的不足，并提出優(yōu)化配置方案。研究結(jié)果不僅可為當(dāng)?shù)貞?yīng)急避難所優(yōu)化配置提供參考依據(jù)，還可為我國應(yīng)急避難所優(yōu)化配置領(lǐng)域中相似研究提供借鑒與參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)急避難所優(yōu)化配置研究，需要的數(shù)據(jù)主要包括研究區(qū)矢量數(shù)據(jù)，是以快鳥影像(分辨率0.61 m)為基礎(chǔ)，利用ArcGIS軟件進(jìn)行解譯獲得，包括居民地、應(yīng)急避難所、道路等；實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)主要包括研究區(qū)居民數(shù)量核實(shí)、各家庭位置及老人家庭分布等信息；問卷調(diào)查數(shù)據(jù)主要包括居民行動(dòng)意愿數(shù)據(jù)，以了解居民對(duì)應(yīng)急避難所的選擇；哈爾濱市道里區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，主要包括人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，作為應(yīng)急避難所優(yōu)化配置的依據(jù)。

1.2 研究方法

1.2.1 居民避難效率模型構(gòu)建

居民在選擇應(yīng)急避難所時(shí)，需考慮的是各自家庭的行動(dòng)問題，為此，設(shè)計(jì)了居民應(yīng)急避難行動(dòng)模型。因本模型中考慮到每個(gè)家庭屬性，可厘清居民以家庭為單位進(jìn)行避難時(shí)，其避難效率存在明顯差異的問題?；谶@一差異性，考慮包含老年人的家庭和未包含老年人的家庭2種避難模式，其中未包含老年人的家庭可自主選擇應(yīng)急避難所進(jìn)行避難，而有老人的家庭則需要到距離家最近的應(yīng)急避難所避難。具體模型構(gòu)建如下：

maxuij=u(tij,aj,sj)

(1)

s.ttij=lij/vi

(2)

aj=Aj/Nj

(3)

sj=Sj/Nj

(4)

?Aj=const.

(5)

?Sj=const.

(6)

N=∑jNj

(7)

式中：uij為居民從居住地i至避難所j的避難效用函數(shù)；lij為居住地i至避難所j的距離，m；vi為第i個(gè)居民移動(dòng)速度，其移動(dòng)速度大小取決于家庭屬性(有無老年人)；aj為第j個(gè)居民在應(yīng)急避難所的使用面積，m2；sj為第j個(gè)居民在應(yīng)急避難所使用的儲(chǔ)備物品量；Aj為第j個(gè)應(yīng)急避難所的面積，m2；Sj為第j個(gè)應(yīng)急避難所儲(chǔ)備的物品數(shù)量；Nj為第j個(gè)應(yīng)急避難所可收容居民數(shù)量；tij為第i個(gè)居民從家至第j個(gè)避難所步行所需時(shí)間，min。

1.2.2 應(yīng)急避難所最優(yōu)配置

1)技術(shù)流程

應(yīng)急避難所最優(yōu)配置是指在一定地域范圍內(nèi)數(shù)量布局合理，包括合理的規(guī)模、服務(wù)范圍與物品儲(chǔ)備量，使一定地域范圍內(nèi)應(yīng)急避難所配置數(shù)量達(dá)到最優(yōu)化。以往關(guān)于應(yīng)急避難所最優(yōu)配置研究，多從應(yīng)急避難所單方面談最優(yōu)選址[18]，忽略了從居民角度出發(fā)考慮其規(guī)模，尤其是較少見到結(jié)合應(yīng)急物品儲(chǔ)備量相關(guān)研究。為此，本研究提出了將居民視角與應(yīng)急避難所選址相耦合的最優(yōu)配置方法。具體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線Fig.1 Technical Route

2)應(yīng)急避難所最優(yōu)配置條件分析

①條件假設(shè)

為進(jìn)一步解釋該模型的適用性及其實(shí)現(xiàn)原理，現(xiàn)以假想?yún)^(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象(見圖2)，設(shè)置A，B 2個(gè)應(yīng)急避難所初始位置，每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)居住1個(gè)家庭，每個(gè)家庭由4人組成，左側(cè)區(qū)域與右側(cè)區(qū)域分別為假想應(yīng)急避難所備選區(qū)域。依據(jù)問卷調(diào)查結(jié)果，可了解居民對(duì)應(yīng)急避難所的選擇意愿，以此為依據(jù)搜索應(yīng)急避難所最佳建設(shè)位置。另外，從應(yīng)急避難所角度來看，結(jié)合我國應(yīng)急避難所物品配備標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定每2 m2配給1份應(yīng)急備用品(食宿用品1套)，分別設(shè)定2 000≤Aj≤4 000，4 000≤Sj≤8 000。設(shè)定2種家庭模式，即有老人家庭與無老人家庭。其中，設(shè)定有老人家庭移動(dòng)速度為1 m/s、無老人家庭2 m/s。以上述設(shè)定的參數(shù)為基準(zhǔn)，利用應(yīng)急避難所最佳服務(wù)范圍計(jì)算模型，按照式(8)求得每個(gè)應(yīng)急避難所最佳服務(wù)范圍，被服務(wù)范圍覆蓋區(qū)域的家庭可前往此應(yīng)急避難所進(jìn)行避難。

(8)

圖2 假定區(qū)域(棋盤模式)Fig.2 Assumption area (chessboard mode)

②方案及參數(shù)設(shè)定

在設(shè)定的2種家庭避難模式中，考慮到有老人家庭的居民避難效率非常低，因此該種家庭模式避難應(yīng)以時(shí)間優(yōu)先為準(zhǔn)則。除此之外，一旦發(fā)生災(zāi)害，居民在選擇應(yīng)急避難所時(shí)還需要考慮應(yīng)急避難所的面積、物品儲(chǔ)備量等因素，為此，設(shè)計(jì)以下4種效用函數(shù)，以確定公式(1)中的居民避難效率函數(shù)。

uij=α1tij+β1aj+γ1sj+δ

(9)

uij=α2lntij+β2lnaj+γ2lnsj+δ

(10)

uij=α3tij+β3lnaj+γ3lnsj+δ

(11)

uij=α4exptij+β4aj+γ4sj+δ

(12)

式中：αi，βi，γi，δ分別為4種函數(shù)的參數(shù)，其值采用實(shí)地調(diào)查方式進(jìn)行確定(關(guān)心程度打分：1～10分)(見表1)。按照上述式(8)～(11)中參數(shù)所表達(dá)的內(nèi)容可知，應(yīng)急避難所建設(shè)完成后，其容量與物品儲(chǔ)備量是固定值(β，γ)，其值依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定；αi是居民避難過程中避難時(shí)間的敏感系數(shù)，其設(shè)定依據(jù)家庭屬性進(jìn)行設(shè)置，其值越小表示居民對(duì)避難時(shí)間的選擇相對(duì)較弱；δ是函數(shù)的參數(shù)基準(zhǔn)值，其值按照關(guān)心程度打分值取最大值，即δ=10。另外，上述4種函數(shù)α的值如果縮小到極端值(α=-0.1),此時(shí)4種函數(shù)最終的結(jié)果值相似，選擇2個(gè)避難所的家庭數(shù)量一致。反之，4種函數(shù)α的值極端大時(shí)(α=-0.1E-06)，選擇避難所A與B的比例結(jié)果亦會(huì)一致。

表1 方案設(shè)定Table 1 Schemes setting

因參數(shù)βi,γi表示應(yīng)急避難所的面積、物品儲(chǔ)備量，其值的變化受應(yīng)急避難所本身屬性限制，所以設(shè)置時(shí)考慮到居民對(duì)應(yīng)急避難所的關(guān)心程度，且還需結(jié)合數(shù)據(jù)的離散性進(jìn)行設(shè)置。αi值為打分值，其值受家庭屬性差異所影響，可依據(jù)家庭成員屬性進(jìn)行打分，具體各參數(shù)值的設(shè)定見表2。

表2 函數(shù)參數(shù)值設(shè)定Table 2 Setting of function parameters values

3)居民選擇應(yīng)急避難所原因分析

本研究中應(yīng)急避難所的設(shè)置是從居民視角出發(fā)，按照居民的需求進(jìn)行優(yōu)化布局。因此，厘清居民選擇應(yīng)急避難所的原因，能更好的為應(yīng)急避難所選擇提供依據(jù)。災(zāi)害發(fā)生時(shí)，居民是以家庭為單位進(jìn)行避難，其移動(dòng)的速度、應(yīng)急避難所容量、物品儲(chǔ)備量則成為制約居民選擇應(yīng)急避難所的因素，因此，應(yīng)急避難所的設(shè)置也影響著居民的選擇。居民在應(yīng)急避難所選擇時(shí)關(guān)心的問題為：從家距應(yīng)急避難所距離、容量、物品儲(chǔ)備量3方面。以此為基礎(chǔ)，在研究區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行問卷調(diào)查200余人，以此確定居民關(guān)注程度。從調(diào)查結(jié)果得知：其中50%以上的居民比較關(guān)注家距應(yīng)急避難所的距離，得分主要集中在7～10分；32%的居民較為關(guān)注應(yīng)急避難所的物品儲(chǔ)備量，得分主要集中在4～6分；18%左右的居民較為關(guān)注應(yīng)急避難所的容量，得分主要集中在1～3分。從調(diào)查結(jié)果可以看出(見圖3)，當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，居民首先考慮的是前往應(yīng)急避難所過程是否安全、快捷，其次是在應(yīng)急避難所中的溫飽問題，最后考慮的是應(yīng)急避難所的容量問題。

圖3 各家庭選擇應(yīng)急避難所對(duì)比Fig.3 Comparison of choosing emergency shelters for each family

4)應(yīng)急避難所最優(yōu)服務(wù)范圍分析

在圖2的假定地圖中，設(shè)每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)有1個(gè)家庭，家庭屬性依據(jù)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行設(shè)定。依據(jù)居民避難效率函數(shù)及uij可計(jì)算出每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)家庭避難效率，效率值高的家庭可選擇相對(duì)較遠(yuǎn)的應(yīng)急避難所，而效率低的家庭可就近選擇應(yīng)急避難所。同時(shí)，結(jié)合應(yīng)急避難所最佳服務(wù)范圍計(jì)算模型可確定應(yīng)急避難所的覆蓋范圍，將二者進(jìn)行疊加，便可確定最終應(yīng)急避難所的最佳服務(wù)范圍(見圖4)。

利用居民避難效率模型，對(duì)各網(wǎng)格內(nèi)居民避難效率進(jìn)行分析，以說明4種函數(shù)類型的適用性，具體如圖5所示。圖5中x，y軸分別為對(duì)應(yīng)的假定地圖各網(wǎng)格編號(hào)，z軸表示居民避難效率，其值越大表示居民避難越迅速，反之越慢。另外，z值還體現(xiàn)了各網(wǎng)格內(nèi)居民對(duì)應(yīng)急避難所選擇。其中，函數(shù)型1的居民避難效率相差較小，說明2個(gè)區(qū)域家庭屬性相似，對(duì)2個(gè)應(yīng)急避難所的選擇基本相同；函數(shù)型2中左側(cè)區(qū)域中居民避難效率較高，說明應(yīng)急避難所A選擇的人會(huì)有所增加，而右側(cè)區(qū)域居民應(yīng)急避難效率較低，說明該區(qū)域有老人家庭較多；函數(shù)型3中部分居民避難效率比前2種有較明顯的提高，說明2個(gè)區(qū)域有老年人的家庭相對(duì)減少，但左側(cè)區(qū)域中有老人家庭仍然比右側(cè)區(qū)域的多；函數(shù)型4中部分居民避難效率已經(jīng)達(dá)到最大值，說明無老年人的家庭占的比例較高，尤其是左側(cè)區(qū)域居民對(duì)應(yīng)急避難所的選擇傾向性更為明顯。

2 應(yīng)急避難所優(yōu)化結(jié)果與分析

2.1 現(xiàn)狀服務(wù)范圍分析

以哈爾濱市道里區(qū)經(jīng)緯街為研究區(qū)，將研究區(qū)矢量數(shù)據(jù)上疊加棋盤網(wǎng)格，網(wǎng)格為正方形，邊長為50 m。1～5號(hào)應(yīng)急避難所為指定的應(yīng)急避難所，屬性值見表3。經(jīng)緯街部分區(qū)域戶數(shù)5 178戶，人口19 460人，老年人口數(shù)6 960人(數(shù)據(jù)來源哈爾濱市道里區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒)。其中，每個(gè)家庭的移動(dòng)速度受家庭中老年人影響，即老年人越多，移動(dòng)速度越慢，反之越快。

圖4 應(yīng)急避難所服務(wù)范圍(4種函數(shù)形式)Fig.4 Service range of emergency shelter (four functional forms)

表3 應(yīng)急避難所屬性Table 3 Properties of emergency shelters

傳統(tǒng)的應(yīng)急避難所服務(wù)范圍是在建設(shè)之初，按照能夠提供居民避難服務(wù)能力大小設(shè)定的服務(wù)范圍，其服務(wù)范圍一般呈現(xiàn)圓形。但由于居民地分布并不是規(guī)則的圖形，因此該服務(wù)范圍可能存在服務(wù)范圍過大或過小的弊端，無法滿足居民避難需求。從居民視角進(jìn)行判定，依據(jù)其分布位置及家庭屬性等因素，能夠較為精準(zhǔn)的設(shè)置應(yīng)急避難所服務(wù)范圍。以上述研究為基礎(chǔ)，居民可以依據(jù)家庭屬性、應(yīng)急避難所容量與物品儲(chǔ)備量及距離自行選擇：當(dāng)家庭成員有老人時(shí)，可選擇以時(shí)間優(yōu)先方案進(jìn)行避難所；當(dāng)家庭成員無老人時(shí)，可選擇應(yīng)急避難所條件較好的進(jìn)行避難。為了使研究結(jié)果增加精確，實(shí)地調(diào)查了研究范圍內(nèi)的老人家庭分布情況，如圖6所示。配合棋盤網(wǎng)格將數(shù)據(jù)落到空間上，為后續(xù)的應(yīng)急避難所現(xiàn)狀服務(wù)范圍分析提供依據(jù)。利用式(1)～(7)，首先確定各家庭避難效率；其次，利用式(8)確定現(xiàn)狀應(yīng)急避難所服務(wù)范圍，并結(jié)合式(9)～(12)確定不同家庭類型如何選擇應(yīng)急避難所；最后，將實(shí)際數(shù)據(jù)代入各模型進(jìn)行計(jì)算，確定研究區(qū)現(xiàn)狀應(yīng)急避難所的服務(wù)范圍，如圖7所示。

圖5 各網(wǎng)格居民避難效率Fig.5 Residents sheltering efficiency of each grid

圖6 老年人分布Fig.6 Distribution of elderly persons

圖7 研究區(qū)現(xiàn)狀避難所服務(wù)范圍Fig.7 Service range of current shelters in research area

2.2 優(yōu)化配置

通過對(duì)研究區(qū)現(xiàn)狀應(yīng)急避難所服務(wù)范圍分析結(jié)果可以看出，其現(xiàn)狀服務(wù)范圍無法滿足全部居民避難需求，表現(xiàn)為在右下與左上2個(gè)區(qū)域沒有應(yīng)急避難所服務(wù)范圍覆蓋，因此，還需增加若干個(gè)應(yīng)急避難所才能滿足研究區(qū)居民避難需求。優(yōu)化配置過程與現(xiàn)狀應(yīng)急避難所服務(wù)范圍分析過程相同，需增加的應(yīng)急避難所數(shù)量取決于居民的避難需求，按照居民選擇避難所的方法，考慮到未被應(yīng)急避難所服務(wù)范圍覆蓋區(qū)域距離相對(duì)較遠(yuǎn)，新增加的應(yīng)急避難所數(shù)量至少為2個(gè)。利用上述現(xiàn)狀應(yīng)急避難所服務(wù)范圍分析方法，最終確定需要增加2個(gè)應(yīng)急避難所才能滿足研究區(qū)全部居民避難需求(見圖8)，具體新增應(yīng)急避難所屬性見表4。

圖8 應(yīng)急避難所優(yōu)化配置Fig.8 Optimized allocation of emergency shelters

名稱容量/m2物品量/套新增應(yīng)急避難所(右下)4 0002 000新增應(yīng)急避難所(左上)8 0004 000

因研究區(qū)應(yīng)急避難所現(xiàn)狀服務(wù)范圍無法滿足全部居民避難需求，所以，需在研究區(qū)未被覆蓋的區(qū)域新增2個(gè)應(yīng)急避難所。其中，應(yīng)急避難所的設(shè)置依據(jù)是按照人均避難面積為2 m2，每人1套食宿用品。右下新增應(yīng)急避難所屬性：未被覆蓋區(qū)域人口約為2 000人(占網(wǎng)格25個(gè))，可設(shè)置應(yīng)急避難所容量為4 000 m2，配套的物品量為2 000套；左上新增應(yīng)急避難所屬性：左上未被覆蓋區(qū)域人口約為4 000人(占網(wǎng)格52個(gè))，可設(shè)置應(yīng)急避難所容量8 000 m2，配套物品量為4 000套。

3 結(jié)論與討論

1)構(gòu)建了應(yīng)急避難所優(yōu)化配置模型，以虛擬地區(qū)和哈爾濱市道里區(qū)經(jīng)緯街區(qū)為研究對(duì)象，在限定的條件下確認(rèn)了模型的適用性和4種函數(shù)形式的可行性，體現(xiàn)出居民對(duì)應(yīng)急避難所的選擇差異對(duì)應(yīng)急避難所優(yōu)化配置的影響程度。

2)因本研究中應(yīng)急避難所配置是基于居民避難行動(dòng)的優(yōu)化配置，研究中考慮了居民的避難行動(dòng)過程及家庭有老年人的特殊情況。在實(shí)施應(yīng)急避難所優(yōu)化配置時(shí)，從居民的視角來考慮該問題是與實(shí)際相符的，特別是考慮老年人家庭是很重要的，其結(jié)果更加符合實(shí)際。

3)本文在實(shí)用上還有一些需要改進(jìn)的地方，如沒有加入災(zāi)害的影響范圍，而是假設(shè)整個(gè)街區(qū)都需要進(jìn)行避難，在未來研究中有必要分析災(zāi)時(shí)居民的避難行動(dòng)，并以實(shí)際災(zāi)害強(qiáng)度對(duì)避難效率函數(shù)進(jìn)行率定；另外，居民避難行動(dòng)效率研究過程中，未考慮到下墊面建筑物的高度，如不同樓房層數(shù)對(duì)居民避難時(shí)間影響等因素，在今后將就這些課題重點(diǎn)開展研究工作。