城市防災空間單元風險分區(qū)防控算法仿真

焦 紅，鄒天宇，李彥雪

(東北林業(yè)大學園林學院，黑龍江哈爾濱150040)

1 引言

城市是一個以空間利用為特點，以人為主體，以聚集經(jīng)濟效益為目的的集約經(jīng)濟、人口、科學文化的地域空間系統(tǒng)。隨著我國城鎮(zhèn)化進程的推進，城市規(guī)模高速擴張[1]。雖然城鎮(zhèn)化發(fā)展為城市帶來了新的活力與經(jīng)濟增長點，但同時也帶來了許多“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因素種類，導致城市發(fā)生災害的概率極速上漲[2]。

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

2 城市防災空間單元風險分區(qū)防控算法研究

2.1 城市防災空間單元布局

城市防災空間要素是防災空間構成，并發(fā)揮防災機能的前提與依據(jù)[3]。若是城市發(fā)生某種災害，每一種防災功能單元均會影響城市救災的效率，甚至還會產(chǎn)生連鎖反應，導致城市災害的擴大。要想對城市防災空間單元進行精確的分區(qū)防控，首要的任務就是詳細分析防災空間要素，合理布局城市防災空間[4]。

經(jīng)過現(xiàn)有文獻研究可知，防災空間要素主要包含防救災路線、避難場所、消防系統(tǒng)、醫(yī)療救護系統(tǒng)與其它基礎設施系統(tǒng)[5]。

其中，依據(jù)道路層級將防救災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，分別承擔著不同的防災機能。緊急救援通道是第一層級的緊急通道，對救援工作順利進行具備至關重要的作用；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送車輛行駛的路徑，避免救援車輛與自身救災之間發(fā)生沖突；輔助通道指的是其它等級道路的輔助路徑，在上述通道無法順利使用情況下，保障防救災的順利實施[6]。

為了保障城市防災空間機能順利發(fā)揮，設置防救災路線標準如表1所示。

表1 防救災路線標準設置表

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

表2 避難場所建設要求表

消防系統(tǒng)指的是消防站與必須消防設施，是城市防災空間的關鍵構成部分之一[7]。依據(jù)國家制定的“城市消防站建設標準”，設置消防站建設標準如下所示：

1)所有城市必須建設標準型普通消防站；

2)人口超過50萬的城市應該建設特勤消防站；

3)以接收報警信息后，5min內(nèi)消防隊能夠達到責任區(qū)邊緣為準則建設消防站；

4)消防站責任區(qū)面積設置原則如下：

對于標準型普通消防站來說，責任區(qū)面積應該小于7平方千米，而小型普通消防站責任區(qū)面積應該小于4平方千米；

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

5)消防站應該設置在臨街地段，方便消防隊迅速出動。

醫(yī)療救護系統(tǒng)應該在城市發(fā)生災害后，最大限度的救治傷者，故設置醫(yī)療救護系統(tǒng)救護行動應該在黃金急救時間段內(nèi)(4-6min)對傷者進行最適當?shù)奶幚怼?/p>

其它基礎設施系統(tǒng)包含防火隔離帶、堤壩、城市生命線系統(tǒng)等?；A設置系統(tǒng)的完善有助于提升城市的防災性能[8]。

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

表3 各級防災空間單元布局表

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

2.2 單元風險防控性能計算

以上述布局的各級防災空間單元為基礎，采用模糊綜合評價法計算單元風險防控性能，具體計算步驟如下所示。

步驟一：確定評價因素集

設置第一層次評價指標采用U={U1，U2，…，Um}表示，第二層次評價指標采用Uij表示[9]。依據(jù)現(xiàn)有文獻分析得到單元風險防控性能第一層次評價指標體系為

U={U1，U2，U3}

(1)

式中，U表示的是防災空間單元風險防控能力；U1表示的是防災空間單元防災宏觀層面；U2表示的是防災空間單元防災中觀層面；U3表示的是防災空間單元防災微觀層面。

第二層次評價指標為

(2)

式(2)中，U11表示的是防災空間單元區(qū)位條件；U12表示的是防災空間單元用地安全；U13表示的是防災空間單元空間結構；U21表示的是避難場所系統(tǒng)；U22表示的是避險綠地系統(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表示的是防災標識系統(tǒng)；U33表示的是防災通信系統(tǒng)。

步驟二：確定評語集

此研究利用四個級別反映防災空間單元風險防控性能，其表達式為

V={v1，v2，v3，v4}

(3)

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

第一層次與第二層次評價指標分級情況如表4所示。

表4 指標分級評價標準表

步驟三：確定評價指標權重

防災空間單元風險防控性能評價指標權重如表5所示。

表5 單元風險防控性能評價指標權重表

步驟四：將調(diào)查到的評價指標數(shù)值與權重進行相乘并加和，再依照表4規(guī)則，即可獲得防災空間單元風險防控性能等級[10]。

2.3 防災空間單元分區(qū)算法推出

依據(jù)上述獲得的防災空間單元風險防控性能等級數(shù)據(jù)，推出防災空間單元分區(qū)算法，對防災空間單元進行分區(qū)操作，以此來提升城市防災空間的性能，保障城市及其居民的安全[11]。

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

城市防災空間單元分區(qū)框架如圖1所示。

圖1 城市防災空間單元分區(qū)框架圖

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

通過上述過程實現(xiàn)了城市防災空間單元風險的分區(qū)防控，在提升城市防救災性能的同時，也為城市防災空間研究提供一定的理論參考與研究價值。

3 仿真與結果分析

上述過程提出了一種新的城市防災空間單元風險分區(qū)防控算法，為了驗證提出算法與現(xiàn)有算法之間的性能差異，采用MATLAB軟件設計仿真，具體實驗過程如下所示：

3.1 實驗對象選取

實驗選取某社區(qū)作為對象，其區(qū)位衛(wèi)星圖如圖2所示。

圖2 實驗對象區(qū)位衛(wèi)星圖

實驗對象基礎信息如表6所示。

表6 實驗對象基礎信息表

3.2 防災能力評價體系構建

為了客觀評價實驗對象的防災能力，依據(jù)實驗需求，構建防災能力評價體系，具體如表7所示。

表7 防災能力評價體系表

3.3 實驗結果分析

依據(jù)上述選取的實驗對象與構建的防災能力評價體系為基礎，采用提出算法與現(xiàn)有三種算法(基于社區(qū)的城市防災空間規(guī)劃算法、基于救災因素的城市防災空間規(guī)劃算法與基于防災機能的城市防災空間規(guī)劃算法)進行仿真對比實驗，為了方便實驗結果的描述，將現(xiàn)有三種算法稱為現(xiàn)有算法1、2與3，具體實驗結果分析過程如下所示。

通過實驗得到實驗對象防災能力評分數(shù)據(jù)如表8所示。

表8 實驗對象防災能力評分數(shù)據(jù)表

如表8數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)有算法1實驗對象防災能力評分范圍為0.25-0.51；現(xiàn)有算法2實驗對象防災能力評分范圍為0.35-0.72；現(xiàn)有算法3實驗對象防災能力評分范圍為0.58-0.75；提出算法實驗對象防災能力評分范圍為0.75-0.90。通過對比研究發(fā)展，應用提出算法后，實驗對象防災能力評分更高，充分證實了提出算法的有效性與可行性。

4 結束語

城市災害指的是由于人為或者自然因素對城市中的社會物質(zhì)與生命造成危害的自然社會事件，集社會性與自然性為整體的混合災害。城市災害主要包含洪水、火災、地震、環(huán)境公害、交通事故等多種災害。城市災害具備種類繁多、損失巨大、連鎖性強、影響面廣等特征。城市是否具備防災能力是城市質(zhì)量、文化與能力的代表之一。只有提升城市防災性能，才能創(chuàng)造城市安全“時空”。城市防災空間能夠有效提高城市空間對災害的適應性，使城市在面臨災害時具備一定的張力與彈性，以此來提升城市多種災害的承載能力。此研究提出了一種新的城市防災空間單元風險分區(qū)防控算法，極大提升防災能力評分值，能夠為城市及其居民提供更加安全的保障，也為城市防災空間研究提供參考。