城市防灾空间单元风险分区防控算法仿真

焦 红，邹天宇，李彦雪

(东北林业大学园林学院，黑龙江哈尔滨150040)

1 引言

城市是一个以空间利用为特点，以人为主体，以聚集经济效益为目的的集约经济、人口、科学文化的地域空间系统。随着我国城镇化进程的推进，城市规模高速扩张[1]。虽然城镇化发展为城市带来了新的活力与经济增长点，但同时也带来了许多“城市综合症”，例如环境恶化、交通拥挤等，极大地丰富了城市致灾因素种类，导致城市发生灾害的概率极速上涨[2]。

根据统计数据可知，在城镇化高速发展的中国，城市灾害损失占据了灾害损失的70%，城市灾害逐渐受到社会大众与学者的关注。就现有研究成果来看，使用较为广泛的城市防灾空间规划算法主要有三种，分别为基于社区的城市防灾空间规划算法、基于救灾因素的城市防灾空间规划算法与基于防灾机能的城市防灾空间规划算法。其中，基于社区的城市防灾空间规划算法以社会为单位划分城市防灾空间，以此来提升城市整体防灾能力；救灾因素的城市防灾空间规划算法以救灾因素为主体，将城市空间划分为防灾空间与救灾空间，极大地提升了城市的安全性；基于防灾机能的城市防灾空间规划算法以每个单元防灾机能为基础划分城市防灾空间，加大城市防灾性能。上述三种现有算法均存在着城市防灾能力评分低的缺陷，故提出城市防灾空间单元风险分区防控算法仿真研究。

2 城市防灾空间单元风险分区防控算法研究

2.1 城市防灾空间单元布局

城市防灾空间要素是防灾空间构成，并发挥防灾机能的前提与依据[3]。若是城市发生某种灾害，每一种防灾功能单元均会影响城市救灾的效率，甚至还会产生连锁反应，导致城市灾害的扩大。要想对城市防灾空间单元进行精确的分区防控，首要的任务就是详细分析防灾空间要素，合理布局城市防灾空间[4]。

经过现有文献研究可知，防灾空间要素主要包含防救灾路线、避难场所、消防系统、医疗救护系统与其它基础设施系统[5]。

其中，依据道路层级将防救灾路线划分为紧急救援通道、消防通道、避难/输送通道与辅助通道，分别承担着不同的防灾机能。紧急救援通道是第一层级的紧急通道，对救援工作顺利进行具备至关重要的作用；消防通道指的是消防车辆行驶的路径，需要满足消防车辆的操作空间；避难/输送通道指的是避难人员以及物资运送车辆行驶的路径，避免救援车辆与自身救灾之间发生冲突；辅助通道指的是其它等级道路的辅助路径，在上述通道无法顺利使用情况下，保障防救灾的顺利实施[6]。

为了保障城市防灾空间机能顺利发挥，设置防救灾路线标准如表1所示。

表1 防救灾路线标准设置表

避难场所指的是城市居民紧急避难与灾后重建时期居住的场所。按照城市灾难发生时序将避难场所划分为三种类型，分别为临时避难场所、临时收容所与中长期收容所。每种类型的避难场所均具有不同的建设要求，具体如表2所示。

表2 避难场所建设要求表

消防系统指的是消防站与必须消防设施，是城市防灾空间的关键构成部分之一[7]。依据国家制定的“城市消防站建设标准”，设置消防站建设标准如下所示：

1)所有城市必须建设标准型普通消防站；

2)人口超过50万的城市应该建设特勤消防站；

3)以接收报警信息后，5min内消防队能够达到责任区边缘为准则建设消防站；

4)消防站责任区面积设置原则如下：

对于标准型普通消防站来说，责任区面积应该小于7平方千米，而小型普通消防站责任区面积应该小于4平方千米；

对于特勤消防站来说，其责任区面确定规则与普通消防站保持一致；

5)消防站应该设置在临街地段，方便消防队迅速出动。

医疗救护系统应该在城市发生灾害后，最大限度的救治伤者，故设置医疗救护系统救护行动应该在黄金急救时间段内(4-6min)对伤者进行最适当的处理。

其它基础设施系统包含防火隔离带、堤坝、城市生命线系统等。基础设置系统的完善有助于提升城市的防灾性能[8]。

依据上述城市防灾空间要素的分析，合理布局城市防灾空间，其各级防灾空间单元布局情况如表3所示。

表3 各级防灾空间单元布局表

上述过程完成了城市防灾空间单元的布局，为后续防灾空间单元风险防控性能计算提供一定的支撑作用。

2.2 单元风险防控性能计算

以上述布局的各级防灾空间单元为基础，采用模糊综合评价法计算单元风险防控性能，具体计算步骤如下所示。

步骤一：确定评价因素集

设置第一层次评价指标采用U={U1，U2，…，Um}表示，第二层次评价指标采用Uij表示[9]。依据现有文献分析得到单元风险防控性能第一层次评价指标体系为

U={U1，U2，U3}

(1)

式中，U表示的是防灾空间单元风险防控能力；U1表示的是防灾空间单元防灾宏观层面；U2表示的是防灾空间单元防灾中观层面；U3表示的是防灾空间单元防灾微观层面。

第二层次评价指标为

(2)

式(2)中，U11表示的是防灾空间单元区位条件；U12表示的是防灾空间单元用地安全；U13表示的是防灾空间单元空间结构；U21表示的是避难场所系统；U22表示的是避险绿地系统；U23表示的是避难通道系统；U24表示的是以医疗卫生系统；U25表示的是消防救援系统；U26表示的是治安防卫系统；U27表示的是物资支持系统；U31表示的是建筑物；U32表示的是防灾标识系统；U33表示的是防灾通信系统。

步骤二：确定评语集

此研究利用四个级别反映防灾空间单元风险防控性能，其表达式为

V={v1，v2，v3，v4}

(3)

式(3)中，v1表示的是风险防控性能好；v2表示的是风险防控性能较好；v3表示的是风险防控性能较差；v4表示的是风险防控性能差。

第一层次与第二层次评价指标分级情况如表4所示。

表4 指标分级评价标准表

步骤三：确定评价指标权重

防灾空间单元风险防控性能评价指标权重如表5所示。

表5 单元风险防控性能评价指标权重表

步骤四：将调查到的评价指标数值与权重进行相乘并加和，再依照表4规则，即可获得防灾空间单元风险防控性能等级[10]。

2.3 防灾空间单元分区算法推出

依据上述获得的防灾空间单元风险防控性能等级数据，推出防灾空间单元分区算法，对防灾空间单元进行分区操作，以此来提升城市防灾空间的性能，保障城市及其居民的安全[11]。

城市防灾空间单元分区指的是对城市功能分区、行政分区与防灾管理的整合分区，以社区为单元，依托现有的城市空间资源与设备资源，综合配置城市防灾空间，以此来达到城市防灾性能的最大化[12]。

城市防灾空间单元分区框架如图1所示。

图1 城市防灾空间单元分区框架图

如图1所示，通过防灾空间单元分区，形成网络状城市空间防灾体系，能够更大限度的为城市安全提供保障。

通过上述过程实现了城市防灾空间单元风险的分区防控，在提升城市防救灾性能的同时，也为城市防灾空间研究提供一定的理论参考与研究价值。

3 仿真与结果分析

上述过程提出了一种新的城市防灾空间单元风险分区防控算法，为了验证提出算法与现有算法之间的性能差异，采用MATLAB软件设计仿真，具体实验过程如下所示：

3.1 实验对象选取

实验选取某社区作为对象，其区位卫星图如图2所示。

图2 实验对象区位卫星图

实验对象基础信息如表6所示。

表6 实验对象基础信息表

3.2 防灾能力评价体系构建

为了客观评价实验对象的防灾能力，依据实验需求，构建防灾能力评价体系，具体如表7所示。

表7 防灾能力评价体系表

3.3 实验结果分析

依据上述选取的实验对象与构建的防灾能力评价体系为基础，采用提出算法与现有三种算法(基于社区的城市防灾空间规划算法、基于救灾因素的城市防灾空间规划算法与基于防灾机能的城市防灾空间规划算法)进行仿真对比实验，为了方便实验结果的描述，将现有三种算法称为现有算法1、2与3，具体实验结果分析过程如下所示。

通过实验得到实验对象防灾能力评分数据如表8所示。

表8 实验对象防灾能力评分数据表

如表8数据显示，现有算法1实验对象防灾能力评分范围为0.25-0.51；现有算法2实验对象防灾能力评分范围为0.35-0.72；现有算法3实验对象防灾能力评分范围为0.58-0.75；提出算法实验对象防灾能力评分范围为0.75-0.90。通过对比研究发展，应用提出算法后，实验对象防灾能力评分更高，充分证实了提出算法的有效性与可行性。

4 结束语

城市灾害指的是由于人为或者自然因素对城市中的社会物质与生命造成危害的自然社会事件，集社会性与自然性为整体的混合灾害。城市灾害主要包含洪水、火灾、地震、环境公害、交通事故等多种灾害。城市灾害具备种类繁多、损失巨大、连锁性强、影响面广等特征。城市是否具备防灾能力是城市质量、文化与能力的代表之一。只有提升城市防灾性能，才能创造城市安全“时空”。城市防灾空间能够有效提高城市空间对灾害的适应性，使城市在面临灾害时具备一定的张力与弹性，以此来提升城市多种灾害的承载能力。此研究提出了一种新的城市防灾空间单元风险分区防控算法，极大提升防灾能力评分值，能够为城市及其居民提供更加安全的保障，也为城市防灾空间研究提供参考。