一種避難場所選址模型建立及應用案例研究

張欣然 李雨佳 孫藝 孔祥雪 張文靜 李林侗

摘 要：筆者提出一種用于避難場所規(guī)劃的LA聯(lián)合選址模型。試驗首次將小區(qū)作為需求點，將居民區(qū)周邊可用作居民區(qū)緊急避難場所的地點作為服務點，運用3σ人口估算模型對需求點進行需求量估算，再運用LA聯(lián)合選址模型對需求點與服務點之間的歸屬關系進行分析，基于ArcGIS軟件進行路徑展示。

關鍵詞：避難場所規(guī)劃;LA聯(lián)合選址模型;3σ人口估算模型;ArcGIS路徑解算

中圖分類號：TU984.116 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：1003-5168（2022）2-0077-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.02.018

Research on Refuge Site Planning Method

ZHANG Xinran ? ?LI Yujia ? ?SUN Yi ? ?KONG Xiangxue ? ?ZHANG Wenjing ? ?LI Lintong

（ Earthquake Administration of Liaoning Province，Shenyang 110034，China）

Abstract：A LA joint site selection model for shelter planning is proposed. The experimental plot as demand for the first time， will lead to a residential area can be used as a residential area surrounding the site as a service point of emergency shelters， using 3σ population estimation model to estimate demand of demand point， again LA joint location model is used to analyze the demand point and the ownership of the relationship between the service point， based on ArcGIS software path.

Keywords：planning refuge sites;LA joint location model;3σ population estimation model;ArcGIS network datasets

0 引言

我國陸地地震數(shù)量約占全球陸地地震總數(shù)的3/10，破壞性地震災害的特點為人員傷亡多、財產(chǎn)損失重、災區(qū)范圍廣、恢復時間長。投資建設更具韌性的基礎設施并規(guī)劃建設避難場所，可節(jié)省災后恢復重建成本。

本研究以小區(qū)或社區(qū)作為需求點，以其附近可用場地或場所作為居民區(qū)緊急避難場所服務點，提出LA距離優(yōu)化模型進行規(guī)劃研究。

1 避難規(guī)劃方法現(xiàn)狀

本研究選取最常用的選址模型LA模型進行避難場所選址分析，LA選址模型按照改進順序分為LSCP模型、MCLP模型、P-C模型、P-M模型四種，其中P-M模型應用最為廣泛，具體見表1。以居民區(qū)緊急避難場所劃分為例對四種模型對比發(fā)現(xiàn)，該類型規(guī)劃應使用多種模型聯(lián)合分析。

筆者運用新提出的LA聯(lián)合選址模型，將研究最小單元細化至小區(qū)乃至單體建筑物，將總研究范圍擴展至區(qū)縣級，給出基于實際路徑距離解算的步行疏散方案。

2 規(guī)劃模型建立

2.1 建立原則

近年國家高度重視避難場所的規(guī)劃建設工作，《國務院關于進一步加強防震減災工作的意見》要求到2020年我國要建立完善的抗震救災體系。因地制宜地將廣場、綠化、公園、學校、體育場館等公共設施納入避難場所，避難場所的規(guī)劃堅持“平災結合”的原則，將生活生產(chǎn)用地與應急避難場地有機結合。本研究嚴格依據(jù)相關國家標準及地方標準規(guī)范界定內(nèi)容，詳見表2。

本研究以居民區(qū)、小區(qū)或單體建筑物為需求點，以該區(qū)域內(nèi)的需安置人口數(shù)量為需求量，以上述標準界定的可用場地或場所作為服務點，以該場地或場所的可安置容納人數(shù)為服務能力（服務量），后文不再贅述。

本案例依照相關法律法規(guī)，將占地面積大于2 000 m2的公園、體育場及占地面積大于1 000 m2的空地、體育場、綠地作為服務點，且避難優(yōu)先級別依次降低。選取人均疏散面積為1 m2，服務點最大服務路徑距離為500 m，保障10 min之內(nèi)可以到達服務點。同時，避難場所選取距離易燃易爆、有毒有害危險品超過50 m，距離河流水系超過20 m，并避開軍事用地及其他涉密場地[1]。

2.2 模型建立

依據(jù)居民區(qū)緊急避難場所規(guī)劃及模型建立原則，基于ArcGIS軟件建立道路拓撲及網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集，使用本研究提出的公式對數(shù)據(jù)進行迭代計算，直到得到符合條件最優(yōu)解為止。最終得到需求點及服務點之間的歸屬關系，具體公式建立如式（1），其中對部分公式進行了隱藏。

[minj∈Ji∈IdijeijPimaxj∈JSjminRMAXs.t.i∈IeijPi≤Cj，?j∈Jdij≤RMAX，?i∈I，?j∈J] ? ?（1）

式（1）中：I表示需求點i集合，I={i|i=1，2，...，m};J表示服務點j的集合，J={j|j=1，2，...，n};Pj為小區(qū)i需要點的需求量;Cj為服務點j的服務量;Sj為服務點j的服務范圍;dij為需求點i至服務點步行路徑的長度距離;SALL為研究區(qū)域總面積;δ為服務點對研究區(qū)域的覆蓋率;η為服務點的服務面積重復率;kj系數(shù)代表服務點歸屬關系，服務點j符合避難規(guī)劃原則可用于疏散時為1，不可用于疏散時為0;eij系數(shù)代表需求點與服務點的所屬關系，需求點被服務點服務時為1，不被服務時為0。

目標函數(shù)式為p-中值模型需求點到服務點的步行路徑總距離最小，被服務的人數(shù)最多，總服務覆蓋范圍最大，p-中心模型需求點到服務點的最大距離最小;約束條件式為代表服務點提供的服務人數(shù)不能超過其最大服務人數(shù)限制，每個服務點都有被服務的需求點，需求點要去往的服務點必須為可用服務點，每個需求點都有服務點可去，需求點到服務點的步行路徑距離不能超過最大距離閾值，總服務覆蓋范圍需達到最低覆蓋比例標準，總服務覆蓋重復范圍需低于最高覆蓋重復比例，eij為代表所屬關系系數(shù)，文中對部分公式進行了隱藏。

3 案例研究

3.1 研究地區(qū)

研究區(qū)域位于沈陽市中心北部區(qū)域，總面積約23 km2，總人口約46萬人，總建筑面積約30 000 km2，南起昆山路，北至白山路，東起陵東街，西至西江街。研究區(qū)域包含“北行”商業(yè)街區(qū)、密集居民住宅區(qū)、高層建筑辦公區(qū)等。選定試驗區(qū)內(nèi)最大人口密度超過5萬人/km2，區(qū)域內(nèi)備案的應急避難場所無法滿足需求。

3.2 需求量評估

需求點的需求量為研究區(qū)域常住人口與流動人口數(shù)量和。本案研究區(qū)域內(nèi)第六次人口普查數(shù)據(jù)顯示常住人口數(shù)量為458 356人，按照《2019年統(tǒng)計年鑒》所列歷年人口增長率，可計算從2010年至2018年的自然增長率為99.289%，得到2020年預估人數(shù)為455 052人。研究區(qū)域內(nèi)總建筑面積約為2 975萬m2，其中住宅建筑面積約為2 211萬m2，商用建筑面積約為764萬m2。結合該區(qū)域內(nèi)小區(qū)抽樣調(diào)查結果，得出該區(qū)域住宅類建筑人均建筑面積約為55 m2，商用類及商住兩用類人均建筑面積約為160 m2，使用小區(qū)內(nèi)建筑面積可結算各個需求點的常住人口數(shù)量。

研究區(qū)域內(nèi)包含“北行”商業(yè)街區(qū)，該街區(qū)為沈陽市第三大商業(yè)街區(qū)，為皇姑區(qū)的商業(yè)中心，基本營業(yè)時間為10：00—22：00，根據(jù)調(diào)查顯示客流量最高峰在16：00左右，人員逗留時間平均約為4 h。“北行”商業(yè)街區(qū)內(nèi)節(jié)假日的日均客流量為30萬人，對其流動人口數(shù)量進行估算，假設商業(yè)街內(nèi)全天逗留人數(shù)服從N（μ，σ2）正態(tài)分布[2]為式（2）。

[fx=1σ2πe-12x-μσ2] ? ? ? ? ? ? ? （2）

式（2）中：μ為具平均數(shù)，σ為標準差，σ2為方差。

運用3σ法則進行模擬，全天的逗留人數(shù)服從N（0，2）的正態(tài)分布[3]，則概率密度分布函數(shù)為式（3）。

[fx=122πe-x82] ? ? （3）

那么估算該商圈一日中客流量最高峰概率為式（4）。

[px-μ<σ] ? ? （4）

解算式（5）。

[p-2<x<2=-22222πe-x28=0.682 6]

（5）

得出“北行”商業(yè)街區(qū)的人流量峰值約為20.48萬人。假設商業(yè)區(qū)流動人口分布均勻，將商圈所需疏散的流動人口數(shù)量賦值為商圈內(nèi)各需求點的需求量。

3.3 模型求解

提取研究區(qū)域內(nèi)的587個需求點及205個服務點，基于ArcGIS軟件列舉所有步行路徑，運用本研究提出的模型進行迭代優(yōu)選，給出服務點與需求點之間的對應關系，并對路徑進行優(yōu)選，對服務點周圍的各類社會物資儲備力量進行統(tǒng)計。

3.4 研究成果優(yōu)勢分析

3.4.1 提出并運用了聯(lián)合選址模型。該選址模型首次將p-中值模型、p-中心模型、MCLP模型進行聯(lián)合并改進，旨在擴大服務覆蓋范圍且降低服務成本，形成需求點與服務點之間一一對應的歸屬關系。

3.4.2 運用選址模型前，服務點被分配人數(shù)平均超出服務能力約69.21%，共計53 631人。運用該選址模型后，對52個需求點進行了重新劃分，占需求點總數(shù)的8.86%，對27個服務點的服務對象進行重新規(guī)劃，占服務點總數(shù)量的13.17%。

3.4.3 在未改變一一對應的歸屬關系的前提下，縮短了8個需求點與服務點的步行距離，較優(yōu)化前平均縮短路徑20.34%，詳見表3。

3.4.4 本研究以小區(qū)作為需求點，故對小區(qū)的邊界、內(nèi)部路線及出入口位置分布進行了精細標繪。

3.4.5 本研究使用國家公開基礎數(shù)據(jù)，對研究區(qū)域內(nèi)的常住人口及流動人口數(shù)量進行估算。

3.4.6 常用的OD成本距離解算原理如圖2（a）所示：先求出需求點與服務點之間的直線距離，再對路徑進行解算;本研究原理如圖2（b）所示：基于實際步行路線進行距離對比;兩種算法的結果存在差異，詳見圖2（c），可見本研究算法成果更節(jié)省距離成本。以圖3為例，需求點1及需求點2優(yōu)化前的規(guī)劃方案為圖3（a）：需求點2對應服務點B，距離約為469.57 m;需求點1對應服務點A，距離約為490.84 m;優(yōu)化后的規(guī)劃方案為圖3（b）：需求點2對應服務點不變，還是服務點B，但距離縮短后約為426.25 m，路線較優(yōu)化前縮短43.32 m;需求點1對應服務點改變?yōu)榉拯cB，距離約為440.78 m，路線較優(yōu)化前縮短50.06 m。

3.4.7 本次研究對服務點周圍的社會物資儲備力量進行了統(tǒng)計。同時，參照相關研究成果對建筑物倒塌范圍、河流及易燃易爆點的危險距離進行預估，使用ArcGIS軟件進行避難場所篩選。

3.4.8 研究開發(fā)了避難場所查詢系統(tǒng)軟件，該軟件基于ArcGIS ArcEngine進行二次開發(fā)，用CSharp語言進行程序編寫。用戶可訪問城市避難場所數(shù)據(jù)庫查詢所在區(qū)域對應的避難場所信息，管理員可對避難場所數(shù)據(jù)庫進行修改。軟件支持CAD數(shù)據(jù)、txt數(shù)據(jù)及SHP數(shù)據(jù)類型的地理數(shù)據(jù)導入，支持JPEG、BMP、PNG、GIF、TIF、PDF格式的地圖數(shù)據(jù)導出及屬性表信息導出等。

4 結語

本研究提出一種新的聯(lián)合選址模型，驗證了模型的可行性及優(yōu)化效果，使用研究成果，開發(fā)了避難場所查詢系統(tǒng)軟件，完成了一次微觀粒度下的規(guī)劃模式探索。

參考文獻：

[1] 張欣然，孔祥雪，王萬寧，等.地震應急避難場所規(guī)劃原則[J].黑龍江科學，2021，12（16）：132-133.

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