基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型的城市防災(zāi)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(xué)院建筑學(xué)院，河南 南陽 473004)

近年來頻發(fā)的城市災(zāi)害使居民生命安全受到嚴重威脅，災(zāi)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(zāi)后應(yīng)急救援及災(zāi)民救助帶來較大困難。公園、綠地等在防災(zāi)、臨時避難、應(yīng)急救援、災(zāi)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(zāi)公園使用，我國直到2003年才建成了全國第一個防災(zāi)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(shè)防災(zāi)避難場所，在災(zāi)害時為居民提供避難、疏散及臨時生活的安全場所[2]，防災(zāi)公園建設(shè)的重要性和必要性得到廣泛認可。國內(nèi)外專家和學(xué)者從空間結(jié)構(gòu)角度，結(jié)合人口布局，采用GIS空間分析和數(shù)學(xué)模型等對防災(zāi)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(quán)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(zāi)害時不同等級防災(zāi)公園人員轉(zhuǎn)移等需求，規(guī)劃防災(zāi)公園不成體系，布局總體效能不高。為提高其整體服務(wù)能力，對防災(zāi)公園進行合理等級劃分，利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型對不同等級場地的網(wǎng)絡(luò)性、同一等級場地的關(guān)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(fù)雜性和網(wǎng)絡(luò)性，實現(xiàn)防災(zāi)公園自組織系統(tǒng)建設(shè)。

1 防災(zāi)公園規(guī)劃體系

由于我國在相關(guān)規(guī)范和標準體系上的不完善，城市防災(zāi)公園標準劃分通常參考城市避難場所建設(shè)、公園設(shè)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(zāi)公園體系構(gòu)建，結(jié)合國際經(jīng)驗及國內(nèi)相關(guān)規(guī)范進行深入梳理分析，進行合理等級劃分。

1)日本防災(zāi)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(zāi)公園”的概念[17]。在1998年日本建設(shè)省制定的《防災(zāi)公園計劃和設(shè)計指導(dǎo)方針》中將防災(zāi)公園分為6類，包括廣域防災(zāi)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(wù)半徑等進行了詳細規(guī)定[18]。

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

表1 防災(zāi)避難場所設(shè)計控制標準

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

表2 防災(zāi)公園規(guī)劃體系劃分標準

2 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)是各種大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)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(guān)系，不同節(jié)點相互連接的線為邊[19]。防災(zāi)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(fù)雜網(wǎng)絡(luò)進行布局，保證利用最少空間滿足最大需求[20]。

2.1 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成要素

1)度與度分布。度(ki)是網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建條件

由于不同級別防災(zāi)公園服務(wù)范圍具有差別，在防災(zāi)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(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)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(yīng)一個備選用地，每個類型防災(zāi)公園備選場地的地位和服務(wù)半徑都是平等且相同的，如果兩點之間直線距離小于服務(wù)半徑之和，說明這兩個點服務(wù)區(qū)域存在重疊，能夠形成邊，否則不能[22]。

在防災(zāi)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(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)造算法

1)度分布。由于網(wǎng)絡(luò)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(luò)度的分布為:

(3)

滿足以下遞推方程：

(4)

無標度網(wǎng)絡(luò)的度函數(shù)為:

(5)

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

(6)

3 基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型的天津市南開區(qū)防災(zāi)公園布局優(yōu)化

3.1 天津市南開區(qū)防災(zāi)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(zāi)避難場所，距離相對較遠，尚未形成完整的防災(zāi)公園體系，對災(zāi)害不同時段居民的避難疏散造成較大影響。

1)防災(zāi)公園缺乏完整體系。南開區(qū)規(guī)劃2處防災(zāi)公園，根據(jù)防災(zāi)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(zāi)公園，水上公園為75.6 hm2，可作為中心防災(zāi)公園。南開區(qū)各區(qū)域人口數(shù)量較多，建筑綜合抗災(zāi)能力相對較差，在災(zāi)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(zāi)公園和固定防災(zāi)公園無法滿足居民的避難需求，需要進行合理的防災(zāi)公園布局，建設(shè)臨時、固定和中心相結(jié)合的三級防災(zāi)公園系統(tǒng)，滿足災(zāi)害不同時段居民的避難疏散需求。

2)防災(zāi)公園布局與人口聯(lián)系性不強。目前，規(guī)劃防災(zāi)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(zāi)公園分布，因此必須對防災(zāi)公園進行布局優(yōu)化，提高防災(zāi)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(zāi)公園之間聯(lián)系缺乏。目前規(guī)劃防災(zāi)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(zāi)害時人員轉(zhuǎn)移較為困難。由于防災(zāi)公園數(shù)量較少，尚未建立完整的防災(zāi)公園體系，因此無法進行同一等級防災(zāi)公園之間的聯(lián)系，相互之間無法形成網(wǎng)絡(luò)，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(zāi)公園布局，形成完整的防災(zāi)公園體系，保證同一等級防災(zāi)公園的關(guān)聯(lián)性和不同等級防災(zāi)公園的網(wǎng)絡(luò)性，使所有場地之間形成完整聯(lián)系，保證防災(zāi)公園形成自組織系統(tǒng)。

3.2 天津市南開區(qū)防災(zāi)公園可利用場地分布情況

為了對南開區(qū)防災(zāi)公園布局，根據(jù)防災(zāi)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(zāi)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(zāi)避難場所設(shè)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(zāi)公園可利用場地復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)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(zāi)避難人口計算時，根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，依據(jù)建筑綜合抗災(zāi)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(zāi)害時，短期內(nèi)人口疏散較為困難，流動人口應(yīng)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(zāi)公園面積為24.14 hm2～48.27 hm2，固定防災(zāi)公園規(guī)模16.84 hm2～33.68 hm2，中心防災(zāi)公園規(guī)模為14.54 hm2。

2)防災(zāi)公園可利用場地復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建。

防災(zāi)公園要形成完整系統(tǒng)，不僅要保證同一等級防災(zāi)公園聯(lián)系性，也要保證不同等級防災(zāi)公園之間的網(wǎng)絡(luò)性，因此根據(jù)其關(guān)聯(lián)性和網(wǎng)絡(luò)性進行防災(zāi)避難場所可利用場地復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建。

a.復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建前提。在模型構(gòu)建時，首先根據(jù)鐵路、河流、城市快速路、鐵路等進行防災(zāi)分區(qū)劃分(見圖3)，在各防災(zāi)分區(qū)內(nèi)進行復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建。在模型構(gòu)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(wù)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(wù)半徑范圍之和，能夠形成邊。同時根據(jù)災(zāi)害時居民從臨時到固定再到中心防災(zāi)公園的轉(zhuǎn)移路徑，臨時防災(zāi)公園僅與固定防災(zāi)公園形成聯(lián)系，中心防災(zāi)公園僅與固定防災(zāi)公園形成聯(lián)系，固定防災(zāi)公園既與中心防災(zāi)公園又與臨時防災(zāi)公園可利用場地構(gòu)成聯(lián)系。

b.復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)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(zāi)公園的場地有28個，可作為固定防災(zāi)公園的場地5個，可作為中心防災(zāi)公園的場地僅有水上公園1個，根據(jù)不同場地關(guān)系，利用gephi軟件構(gòu)建南開區(qū)防災(zāi)公園可利用場地復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，其模型見圖4。

3.4 天津市南開區(qū)防災(zāi)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(luò)度和聚類系數(shù)計算，通過對各節(jié)點網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)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(guān)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(xué)。首先，指認圖中涉及的細胞結(jié)構(gòu)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(guān)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(zāi)公園可利用場地節(jié)點網(wǎng)絡(luò)度及聚類系數(shù)

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

1)臨時防災(zāi)公園可利用場地節(jié)點網(wǎng)絡(luò)度及聚類系數(shù)。通過對各節(jié)點網(wǎng)絡(luò)度分析，其平均度為3.21，節(jié)點網(wǎng)絡(luò)度比例隨度增大而減少，呈現(xiàn)正相關(guān)分布，其復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)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(luò)度和聚類系數(shù)選擇場地(見表3)。

表3 緊急防災(zāi)公園各場地的節(jié)點度和聚類系數(shù)

2)固定防災(zāi)公園可利用場地節(jié)點網(wǎng)絡(luò)度及聚類系數(shù)。固定防災(zāi)公園可利用場地平均度為3，根據(jù)對各場地網(wǎng)絡(luò)節(jié)點度分析，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點度比例隨其度增大而增大，其復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)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(luò)度和聚類系數(shù)進行場地選擇(見表4)。

表4 固定防災(zāi)公園各場地網(wǎng)絡(luò)度和聚類系數(shù)

3.4.3 防災(zāi)公園場地選擇及布局優(yōu)化

1)臨時防災(zāi)公園場地選擇。根據(jù)各防災(zāi)分區(qū)內(nèi)防災(zāi)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(wù)范圍和場地規(guī)模為目標進行選擇。

由于防災(zāi)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(zāi)公園，各區(qū)臨時防災(zāi)公園規(guī)模及數(shù)量見表5。

表5 各防災(zāi)分區(qū)臨時防災(zāi)公園規(guī)模

2)固定防災(zāi)公園場地選擇。根據(jù)場地數(shù)量的最小化及服務(wù)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(zāi)公園，根據(jù)服務(wù)半徑服務(wù)范圍，盡可能提高防災(zāi)公園的服務(wù)覆蓋范圍，節(jié)點2位于單獨區(qū)域，將其選為防災(zāi)公園。

3)中心防災(zāi)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(zāi)公園。

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

4 結(jié)語

防災(zāi)公園作為保障重大災(zāi)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(zāi)公園的場地數(shù)量高于需求數(shù)量，因此通過對防災(zāi)公園備選場地進行復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)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(zāi)公園布局的均衡和公平，保證重大災(zāi)害時能夠快速為居民提供避難服務(wù)，也能夠快速的服務(wù)周邊居民。為了實現(xiàn)防災(zāi)公園合理布局，首先結(jié)合國內(nèi)外的防災(zāi)公園建設(shè)標準進行完整體系構(gòu)建，將其分為臨時防災(zāi)公園、固定防災(zāi)公園和中心防災(zāi)公園，為災(zāi)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(zāi)公園進行復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建，通過網(wǎng)絡(luò)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(fù)雜網(wǎng)絡(luò)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(guān)聯(lián)性和網(wǎng)絡(luò)性，使防災(zāi)公園形成完整的自組織系統(tǒng)，為其他地區(qū)在防災(zāi)公園布局規(guī)劃時提供參考。