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(chǎng)所規(guī)劃的LA聯(lián)合選址模型。試驗(yàn)首次將小區(qū)作為需求點(diǎn)，將居民區(qū)周邊可用作居民區(qū)緊急避難場(chǎng)所的地點(diǎn)作為服務(wù)點(diǎn)，運(yùn)用3σ人口估算模型對(duì)需求點(diǎn)進(jìn)行需求量估算，再運(yùn)用LA聯(lián)合選址模型對(duì)需求點(diǎn)與服務(wù)點(diǎn)之間的歸屬關(guān)系進(jìn)行分析，基于ArcGIS軟件進(jìn)行路徑展示。

關(guān)鍵詞：避難場(chǎng)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(lèi)號(hào)：TU984.116 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? 文章編號(hào)：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(guó)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(zāi)害的特點(diǎn)為人員傷亡多、財(cái)產(chǎn)損失重、災(zāi)區(qū)范圍廣、恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)。投資建設(shè)更具韌性的基礎(chǔ)設(shè)施并規(guī)劃建設(shè)避難場(chǎng)所，可節(jié)省災(zāi)后恢復(fù)重建成本。

本研究以小區(qū)或社區(qū)作為需求點(diǎn)，以其附近可用場(chǎng)地或場(chǎng)所作為居民區(qū)緊急避難場(chǎng)所服務(wù)點(diǎn)，提出LA距離優(yōu)化模型進(jìn)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(jìn)行避難場(chǎng)所選址分析，LA選址模型按照改進(jìn)順序分為L(zhǎng)SCP模型、MCLP模型、P-C模型、P-M模型四種，其中P-M模型應(yīng)用最為廣泛，具體見(jiàn)表1。以居民區(qū)緊急避難場(chǎng)所劃分為例對(duì)四種模型對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該類(lèi)型規(guī)劃應(yīng)使用多種模型聯(lián)合分析。

筆者運(yùn)用新提出的LA聯(lián)合選址模型，將研究最小單元細(xì)化至小區(qū)乃至單體建筑物，將總研究范圍擴(kuò)展至區(qū)縣級(jí)，給出基于實(shí)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(guó)家高度重視避難場(chǎng)所的規(guī)劃建設(shè)工作，《國(guó)務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)防震減災(zāi)工作的意見(jiàn)》要求到2020年我國(guó)要建立完善的抗震救災(zāi)體系。因地制宜地將廣場(chǎng)、綠化、公園、學(xué)校、體育場(chǎng)館等公共設(shè)施納入避難場(chǎng)所，避難場(chǎng)所的規(guī)劃堅(jiān)持“平災(zāi)結(jié)合”的原則，將生活生產(chǎn)用地與應(yīng)急避難場(chǎng)地有機(jī)結(jié)合。本研究嚴(yán)格依據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及地方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范界定內(nèi)容，詳見(jiàn)表2。

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

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

2.2 模型建立

依據(jù)居民區(qū)緊急避難場(chǎng)所規(guī)劃及模型建立原則，基于ArcGIS軟件建立道路拓?fù)浼熬W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，使用本研究提出的公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代計(jì)算，直到得到符合條件最優(yōu)解為止。最終得到需求點(diǎn)及服務(wù)點(diǎn)之間的歸屬關(guān)系，具體公式建立如式（1），其中對(duì)部分公式進(jìn)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(diǎn)i集合，I={i|i=1，2，...，m};J表示服務(wù)點(diǎn)j的集合，J={j|j=1，2，...，n};Pj為小區(qū)i需要點(diǎn)的需求量;Cj為服務(wù)點(diǎn)j的服務(wù)量;Sj為服務(wù)點(diǎn)j的服務(wù)范圍;dij為需求點(diǎn)i至服務(wù)點(diǎn)步行路徑的長(zhǎng)度距離;SALL為研究區(qū)域總面積;δ為服務(wù)點(diǎn)對(duì)研究區(qū)域的覆蓋率;η為服務(wù)點(diǎn)的服務(wù)面積重復(fù)率;kj系數(shù)代表服務(wù)點(diǎn)歸屬關(guān)系，服務(wù)點(diǎn)j符合避難規(guī)劃原則可用于疏散時(shí)為1，不可用于疏散時(shí)為0;eij系數(shù)代表需求點(diǎn)與服務(wù)點(diǎn)的所屬關(guān)系，需求點(diǎn)被服務(wù)點(diǎn)服務(wù)時(shí)為1，不被服務(wù)時(shí)為0。

目標(biāo)函數(shù)式為p-中值模型需求點(diǎn)到服務(wù)點(diǎn)的步行路徑總距離最小，被服務(wù)的人數(shù)最多，總服務(wù)覆蓋范圍最大，p-中心模型需求點(diǎn)到服務(wù)點(diǎn)的最大距離最小;約束條件式為代表服務(wù)點(diǎn)提供的服務(wù)人數(shù)不能超過(guò)其最大服務(wù)人數(shù)限制，每個(gè)服務(wù)點(diǎn)都有被服務(wù)的需求點(diǎn)，需求點(diǎn)要去往的服務(wù)點(diǎn)必須為可用服務(wù)點(diǎn)，每個(gè)需求點(diǎn)都有服務(wù)點(diǎn)可去，需求點(diǎn)到服務(wù)點(diǎn)的步行路徑距離不能超過(guò)最大距離閾值，總服務(wù)覆蓋范圍需達(dá)到最低覆蓋比例標(biāo)準(zhǔn)，總服務(wù)覆蓋重復(fù)范圍需低于最高覆蓋重復(fù)比例，eij為代表所屬關(guān)系系數(shù)，文中對(duì)部分公式進(jìn)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(yáng)市中心北部區(qū)域，總面積約23 km2，總?cè)丝诩s46萬(wàn)人，總建筑面積約30 000 km2，南起昆山路，北至白山路，東起陵?yáng)|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(yàn)區(qū)內(nèi)最大人口密度超過(guò)5萬(wàn)人/km2，區(qū)域內(nèi)備案的應(yīng)急避難場(chǎng)所無(wú)法滿足需求。

3.2 需求量評(píng)估

需求點(diǎn)的需求量為研究區(qū)域常住人口與流動(dòng)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(jì)年鑒》所列歷年人口增長(zhǎng)率，可計(jì)算從2010年至2018年的自然增長(zhǎng)率為99.289%，得到2020年預(yù)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(wàn)m2，其中住宅建筑面積約為2 211萬(wàn)m2，商用建筑面積約為764萬(wàn)m2。結(jié)合該區(qū)域內(nèi)小區(qū)抽樣調(diào)查結(jié)果，得出該區(qū)域住宅類(lèi)建筑人均建筑面積約為55 m2，商用類(lèi)及商住兩用類(lèi)人均建筑面積約為160 m2，使用小區(qū)內(nèi)建筑面積可結(jié)算各個(gè)需求點(diǎn)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(yáng)市第三大商業(yè)街區(qū)，為皇姑區(qū)的商業(yè)中心，基本營(yíng)業(yè)時(shí)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(shí)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(wàn)人，對(duì)其流動(dòng)人口數(shù)量進(jìn)行估算，假設(shè)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(biāo)準(zhǔn)差，σ2為方差。

運(yùn)用3σ法則進(jìn)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(wàn)人。假設(shè)商業(yè)區(qū)流動(dòng)人口分布均勻，將商圈所需疏散的流動(dòng)人口數(shù)量賦值為商圈內(nèi)各需求點(diǎn)的需求量。

3.3 模型求解

提取研究區(qū)域內(nèi)的587個(gè)需求點(diǎn)及205個(gè)服務(wù)點(diǎn)，基于ArcGIS軟件列舉所有步行路徑，運(yùn)用本研究提出的模型進(jìn)行迭代優(yōu)選，給出服務(wù)點(diǎn)與需求點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并對(duì)路徑進(jìn)行優(yōu)選，對(duì)服務(wù)點(diǎn)周?chē)母黝?lèi)社會(huì)物資儲(chǔ)備力量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3.4 研究成果優(yōu)勢(shì)分析

3.4.1 提出并運(yùn)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(jìn)行聯(lián)合并改進(jìn)，旨在擴(kuò)大服務(wù)覆蓋范圍且降低服務(wù)成本，形成需求點(diǎn)與服務(wù)點(diǎn)之間一一對(duì)應(yīng)的歸屬關(guān)系。

3.4.2 運(yùn)用選址模型前，服務(wù)點(diǎn)被分配人數(shù)平均超出服務(wù)能力約69.21%，共計(jì)53 631人。運(yùn)用該選址模型后，對(duì)52個(gè)需求點(diǎn)進(jìn)行了重新劃分，占需求點(diǎn)總數(shù)的8.86%，對(duì)27個(gè)服務(wù)點(diǎn)的服務(wù)對(duì)象進(jìn)行重新規(guī)劃，占服務(wù)點(diǎn)總數(shù)量的13.17%。

3.4.3 在未改變一一對(duì)應(yīng)的歸屬關(guān)系的前提下，縮短了8個(gè)需求點(diǎn)與服務(wù)點(diǎn)的步行距離，較優(yōu)化前平均縮短路徑20.34%，詳見(jiàn)表3。

3.4.4 本研究以小區(qū)作為需求點(diǎn)，故對(duì)小區(qū)的邊界、內(nèi)部路線及出入口位置分布進(jìn)行了精細(xì)標(biāo)繪。

3.4.5 本研究使用國(guó)家公開(kāi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的常住人口及流動(dòng)人口數(shù)量進(jìn)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(diǎn)與服務(wù)點(diǎn)之間的直線距離，再對(duì)路徑進(jìn)行解算;本研究原理如圖2（b）所示：基于實(shí)際步行路線進(jìn)行距離對(duì)比;兩種算法的結(jié)果存在差異，詳見(jiàn)圖2（c），可見(jiàn)本研究算法成果更節(jié)省距離成本。以圖3為例，需求點(diǎn)1及需求點(diǎn)2優(yōu)化前的規(guī)劃方案為圖3（a）：需求點(diǎn)2對(duì)應(yīng)服務(wù)點(diǎn)B，距離約為469.57 m;需求點(diǎn)1對(duì)應(yīng)服務(wù)點(diǎn)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(diǎn)2對(duì)應(yīng)服務(wù)點(diǎn)不變，還是服務(wù)點(diǎn)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(diǎn)1對(duì)應(yīng)服務(wù)點(diǎn)改變?yōu)榉?wù)點(diǎn)B，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(duì)服務(wù)點(diǎn)周?chē)纳鐣?huì)物資儲(chǔ)備力量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。同時(shí)，參照相關(guān)研究成果對(duì)建筑物倒塌范圍、河流及易燃易爆點(diǎn)的危險(xiǎn)距離進(jìn)行預(yù)估，使用ArcGIS軟件進(jìn)行避難場(chǎng)所篩選。

3.4.8 研究開(kāi)發(fā)了避難場(chǎng)所查詢系統(tǒng)軟件，該軟件基于ArcGIS ArcEngine進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，用CSharp語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫(xiě)。用戶可訪問(wèn)城市避難場(chǎng)所數(shù)據(jù)庫(kù)查詢所在區(qū)域?qū)?yīng)的避難場(chǎng)所信息，管理員可對(duì)避難場(chǎng)所數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行修改。軟件支持CAD數(shù)據(jù)、txt數(shù)據(jù)及SHP數(shù)據(jù)類(lèi)型的地理數(shù)據(jù)導(dǎo)入，支持JPEG、BMP、PNG、GIF、TIF、PDF格式的地圖數(shù)據(jù)導(dǎo)出及屬性表信息導(dǎo)出等。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究提出一種新的聯(lián)合選址模型，驗(yàn)證了模型的可行性及優(yōu)化效果，使用研究成果，開(kāi)發(fā)了避難場(chǎng)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(xiàn)：

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