城市交通系统抗震防灾优化研究

李 开 兵

(湖北省长江产业投资集团有限公司，湖北 武汉 430060)

城市交通系统抗震防灾优化研究

李 开 兵

(湖北省长江产业投资集团有限公司，湖北 武汉 430060)

从城市道路网络特征入手，研究了基于抗震性能的路网连通可靠度，从网络拓扑结构层面研究了城市路网的抗震性能优化，为道路规划、改扩建及交通管理优化提供决策依据。

交通，防灾，优化

1 研究背景

GB 50220—95城市道路交通规划设计规划将城市道路分为快速路、主干路、次干路和支路四类，不同的道路等级对应不同的设计车速和道路红线，并通过对比规范与规划路网的道路网密度、车速等指标评判规划路网的优劣。在常规路网规划中，并没有考虑从防灾视角来提高道路网络的抗灾性能。针对我国地震灾害频发的现状，研究城市交通抗震易损性，提升道路网络的抗震性能，显得必要和迫切。

GB 50413—2007城市抗震防灾规划标准规定：对连通城市固定避震疏散场所的主干道进行抗震连通性影响评价；根据需避震疏散人口数量及其分布，合理安排避震疏散场所和避震疏散道路；与城市出入口、中心避震疏散场所相连的救灾主干道不宜低于15 m。应能保障疏散通道的安全畅通。由此可见，在城市抗震防灾规划中，规划避震疏散主通道，保证疏散通道的有效宽度和安全畅通，是确保灾后应急救援的重要环节。

2 城市交通易损性

地震发生后，受灾城市的内部交通系统受到严重破坏，桥梁坍塌、街道被瓦砾阻塞等造成交通瘫痪。研究表明，基于地震的交通易损性主要表现为路面破坏、桥梁破坏和沿街建筑物倒塌。

2.1 基于路面破坏的连通概率

姜淑珍等[1]根据震害经验，采用震害指数(indj)表示路段的破坏程度：

(1)

其中，Xjk为第j路段第k个震害因子对应的量化值。

由路段震害指数，得到对应不同震害指数的路段连通概率Pf，见表1。

表1 基于地震的路面通行概率Pf

2.2 基于桥梁破坏的连通概率

桥梁的震害预测方法包括经验统计法、规范效核法、Pushover法等。一般将桥梁震害分为五级，根据桥梁各个等级的震害描述，规定桥梁单元的通行概率Pb如表2所示。

表 2 桥梁单元的通行概率Pb

2.3 基于沿街建筑物倒塌的连通概率

研究表明，沿街建筑倒塌引起的路段阻塞主要与该路段上瓦砾堆的总土石方量、道路宽度等因素有关。

文献[2]给出了路段单元因建筑物倒塌阻塞后的通行概率计算公式：

(2)

其中，Ω为瓦砾阻塞量，Ω=Ψ1A1+Ψ2A2+Ψ3A3；L为计算路段单元长度；Lc=800 m；Ωc为路段瓦砾阻塞界限值，当路长400 m～1 200 m时，取5 000 m2。

综上所述，地震发生后，路段单元的通行概率为：

(3)

其中，Ptr为路段的连通概率；Pr为路段阻塞的通行概率；Pf为路面破坏的通行概率；Pb为桥梁通行概率。

路段震害等级及其通行概率见表3。

表3 路段震害等级及其通行概率

3 道路网络抗震性能评价

交通系统是地震发生后城市重要的生命线，为保证震后应急救援的效率，要求交通网络能够保证重要路段或源汇点的车辆行驶顺畅。可靠度是交通系统在一定的服务水平下，能够完成预定功能的概率度量，是衡量路网抗震服务性能的重要指标。国内外地震灾害救援经验表明：震后路网的连通可靠度，对于震后应急救援具有十分重要的意义。因此，本文主要基于连通可靠度进行道路网络的抗震性能评价及其优化。

路网连通可靠度反映了网络中各节点的连通状况，从道路网络的拓扑结构来描述道路网络的可靠性。目前网络连通可靠性的分析方法可分为两类：概率解析方法和随机模拟方法[3]。对于诸如城市交通这样的大型复杂网络，网络分析的精确算法往往无能为力，一般采用随机模拟方法(如Monte Carlo法)。通过计算机仿真，算出路网在不同烈度地震作用下的连通概率,找出震后道路连通的薄弱环节和敏感路段，为城市防灾提供基本依据。

研究表明，震后路网系统中路段单元最容易发生阻断。本文假定路网节点完好，考虑基于路段破坏的网络连通可靠性。根据图论知识，将城市路网系统简化为平面网络，则基于路段破坏的网络系统是边权网络。本文选用某城市实际路网，包含54个节点91条边，如图1所示。表4给出了路网的拓扑结构及其路段连通可靠度。

表4 某市路网拓扑结构及其路段可靠度

由Monte Carlo算法得出路网中各个节点之间的连通可靠度。令可靠度小于0.3为毁坏，0.3～0.5之间为严重不可靠，0.5～0.7之间为中等不可靠，0.7～0.9为轻微不可靠，大于0.9为可靠。由路段的可靠度，可以得到路网节点之间的连通可靠度。表5列出了节点1到网络其他节点的连通可靠度。

表5 边权网络节点间的连通可靠度

路网连通可靠度是评价道路网络抗震性能的重要指标。通过Monte Carlo模拟算法，可以确定城市道路网络重要设施点与救灾空间(如消防站、医院、物资供应点等)在不同烈度下的连通概率，找出震后道路连通的薄弱环节；同时，运用敏感性分析方法，求出基于系统连通可靠度的路段单元敏感度，从而为城市的防灾规划和路网优化提供基本依据。

4 基于网络的路网抗震性能优化

在城市的建设管理中，城市的管理者常面临的问题是：在有限的道路网络建设资金约束下，如何逐步提高道路网络的抗震性能，保证城市中某些节点间的抗震服务水平。基于路网拓扑结构的抗震优化，有两类不同优化目标：一类是给定资金约束下，路网抗震性能最大化；另一类是给定路网基本抗震性能要求，建设资金最小化。本文认为第二类方法更符合我国城市建设实际，通过合理界定路网年度抗震性能基本要求，逐步提高路网抗震性能。

已知某城市有一些重要的节点，要求通过道路相互连接，图2为该市道路网络初步规划示意图。由地震易损性分析，可以得到路段在不同地震烈度下的可靠度。当不考虑交通量约束情况下，假定路段单元抗震可靠度皆取0.85，在道路网络节点之间的连通可靠度不低于0.7的前提下，优化路网布局，使得路网的建设和维护资金最少。此处假定修建路段的投资额是路段长度的函数(100元/m)，路段长度见表6。

表6 某市道路网络路段长度 m

路网拓扑结构优化是0—1规划问题，采用遗传算法。编码时，基因值为0表示路段不修建，基因值为1表示路段修建。路网中所有路段的基因按照指定的次序排列起来，构成一条染色体。路网拓扑优化模型中一个染色体对应路网的一种拓扑结构方案。多条染色体构成遗传算法的一个种群。采用随机发生器生成初始种群时，剔除非连通路网。然后进行个体评价、选择操作、交叉操作、变异操作等，进行收敛判断，得到最优解。图3为路网拓扑优化的遗传算法流程图。

整个计算过程见图4。

在满足OD对之间的抗震可靠度大于0.7的前提下，得到路网规划最优方案的造价为315.6万元。

最优方案路网拓扑结构规划示意图见图5。

5 结语

本文分析了城市交通系统的抗震易损性，提出基于连通可靠度的路网抗震性能评价指标，并给出了基于路段破坏的网络连通可靠度的计算方法。最后，运用路网抗震可靠度评价指标，提出基于网络拓扑结构的路网抗震性能优化方法，为路网防灾规划和抗震性能优化提供了决策依据。

[1] 姜淑珍,柳春光.三亚市交通系统易损性分析[J].世界地震工程,2005,21(3):23-27.

[2] 赵国兴,陈 淮,李 杰.震后城市交通系统评估与改建[J].世界地震工程,1996(8):6-10.

[3] 包元锋，李 杰.生命线工程网络抗震可靠性分析方法的比较研究[J].防灾减灾工程学报，2004，24(2)：139-148.

Research on optimization for anti-seismic disaster prevention of urban traffic system

Li Kaibing

(HubeiProvinceChangjiangIndustryInvestmentGroupCo.,Ltd,Wuhan430060,China)

From the network features of urban roads, the paper researches the reliability of the road network connection based on the anti-seismic performance, and researches the anti-seismic performance optimization of the urban road network from the network topology structure, so as to provide the reference for the decision-making for the road planning, reorganization and expansion and traffic management optimization.

traffic, disaster prevention, optimization

2015-06-24

李开兵(1978- )，男，高级工程师

1009-6825(2015)25-0009-03

U491

A