城市防災空間單元風險分區防控算法仿真

焦 紅，鄒天宇，李彥雪

(東北林業大學園林學院，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，以聚集經濟效益為目的的集約經濟、人口、科學文化的地域空間系統。隨著我國城鎮化進程的推進，城市規模高速擴張[1]。雖然城鎮化發展為城市帶來了新的活力與經濟增長點，但同時也帶來了許多“城市綜合癥”，例如環境惡化、交通擁擠等，極大地豐富了城市致災因素種類，導致城市發生災害的概率極速上漲[2]。

根據統計數據可知，在城鎮化高速發展的中國，城市災害損失占據了災害損失的70%，城市災害逐漸受到社會大眾與學者的關注。就現有研究成果來看，使用較為廣泛的城市防災空間規劃算法主要有三種，分別為基于社區的城市防災空間規劃算法、基于救災因素的城市防災空間規劃算法與基于防災機能的城市防災空間規劃算法。其中，基于社區的城市防災空間規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防控算法仿真研究。

2 城市防災空間單元風險分區防控算法研究

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，并發揮防災機能的前提與依據[3]。若是城市發生某種災害，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]。

經過現有文獻研究可知，防災空間要素主要包含防救災路線、避難場所、消防系統、醫療救護系統與其它基礎設施系統[5]。

其中，依據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。按照城市災難發生時序將避難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內消防隊能夠達到責任區邊緣為準則建設消防站；

4)消防站責任區面積設置原則如下：

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

對于特勤消防站來說，其責任區面確定規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。

醫療救護系統應該在城市發生災害后，最大限度的救治傷者，故設置醫療救護系統救護行動應該在黃金急救時間段內(4-6min)對傷者進行最適當的處理。

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

依據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]。依據現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；U22表示的是避險綠地系統；U23表示的是避難通道系統；U24表示的是以醫療衛生系統；U25表示的是消防救援系統；U26表示的是治安防衛系統；U27表示的是物資支持系統；U31表示的是建筑物；U32表示的是防災標識系統；U33表示的是防災通信系統。

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：將調查到的評價指標數值與權重進行相乘并加和，再依照表4規則，即可獲得防災空間單元風險防控性能等級[10]。

2.3 防災空間單元分區算法推出

依據上述獲得的防災空間單元風險防控性能等級數據，推出防災空間單元分區算法，對防災空間單元進行分區操作，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指的是對城市功能分區、行政分區與防災管理的整合分區，以社區為單元，依托現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框架如圖1所示。

圖1 城市防災空間單元分區框架圖

如圖1所示，通過防災空間單元分區，形成網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。

通過上述過程實現了城市防災空間單元風險的分區防控，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防控算法，為了驗證提出算法與現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

實驗選取某社區作為對象，其區位衛星圖如圖2所示。

圖2 實驗對象區位衛星圖

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，采用提出算法與現有三種算法(基于社區的城市防災空間規劃算法、基于救災因素的城市防災空間規劃算法與基于防災機能的城市防災空間規劃算法)進行仿真對比實驗，為了方便實驗結果的描述，將現有三種算法稱為現有算法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據如表8所示。

表8 實驗對象防災能力評分數據表

如表8數據顯示，現有算法1實驗對象防災能力評分范圍為0.25-0.51；現有算法2實驗對象防災能力評分范圍為0.35-0.72；現有算法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量、文化與能力的代表之一。只有提升城市防災性能，才能創造城市安全“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。