馬程偉, 王培茗, 張 堃

(云南大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院, 云南 昆明 650504)

0 引言

云南省位于地質(zhì)運動活躍的印度板塊和歐亞大陸板塊的交界處,境內(nèi)地震帶縱橫交錯、數(shù)量眾多,地震災(zāi)害頻發(fā)[1]。全省125個縣區(qū)市中7度以上抗震設(shè)防的城市高達(dá)117個,8度以上抗震設(shè)防的城市為56個[2]。為有效抵御地震災(zāi)害,建立城市防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)是有效的防護(hù)手段。城市避震疏散通道是城市防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)的組成部分,其安全通暢是降低人員傷亡和有效疏散的重要保障。然而,由于避震疏散通道自身的易損性以及兩側(cè)建筑物的易損性,不少疏散通道在災(zāi)時不能正常發(fā)揮作用。2008年汶川特大地震造成大量疏散通道被堵塞,嚴(yán)重影響救援及時性,導(dǎo)致巨大人員傷亡。山地小城市東川受小江斷裂帶影響而地震災(zāi)害頻發(fā)，地震設(shè)防烈度高達(dá)9度，由于城區(qū)建筑老舊、抗震設(shè)防等級低,極易導(dǎo)致疏散通道通行能力下降,因此對于東川城區(qū)疏散通道通行能力和路徑選擇的研究具有十分重要的意義。

目前,針對城市避難疏散通道研究,國外學(xué)者以防災(zāi)規(guī)劃、應(yīng)急管理和模型構(gòu)建為主,國內(nèi)學(xué)者以疏散評價、流量預(yù)測和管理組織為主。美國將城市街道分為6個不同區(qū)域進(jìn)行差異化安全設(shè)計[3],采取提高花臺和靠椅的高度、嚴(yán)格把控植物間距、禁止路邊停車等措施來維護(hù)道路安全與應(yīng)急疏散;江偉[4]通過速度、時間負(fù)裕度、空間負(fù)裕度、連通可靠度、通行時間可靠度等5個指標(biāo)建立城市道路疏散能力評價體系;賀政綱等[5]綜合考慮距離事故點距離、事故發(fā)生時間及氣體濃度區(qū)間三個因素,建立恐怖襲擊情況下行人疏散模型,進(jìn)行快速疏散路徑選擇;Al-Kaisy等[6]通過統(tǒng)計調(diào)查施工道路的交通數(shù)據(jù),并結(jié)合相關(guān)修正系數(shù),運用軟件建立通行能力計算模型;段滿珍等[7]對道路自身、道路橋梁對高地震烈度下的道路破壞進(jìn)行研究,提出車輛道路通行能力評估的折損系數(shù);梁春巖等[8]通過分析長春市工農(nóng)大路,從交通流量、人流密度以及行走速度三個因素出發(fā)描述行人通行能力,建立行人交通流模型。針對交通路徑選擇研究,宋英華等[9]以配送時間總成本和駕駛員心理成本最小化為目標(biāo),結(jié)合加權(quán)遺傳算法建立雙目標(biāo)應(yīng)急物資車輛配送路徑選擇模型;李孟良等[10]以總運輸費用最小為目標(biāo),建立多分配P-中心選址模型,運用禁忌搜索法求解交通運輸網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)路徑;張眾[11]以物流運輸總距離最小為目標(biāo),以車輛容量、輸送距離限制為約束,結(jié)合遺傳算法和模擬退火算法,建立城市餐飲物流輸送路徑選擇模型;郭鵬輝等[12]以救援時效性、滿意度和物資供給公平性為目標(biāo),建立災(zāi)后救援的選址—路徑優(yōu)化—配送模型,優(yōu)化車輛配送路徑和工廠節(jié)點物資分配。

綜上所述,對避難疏散通道研究主要以規(guī)劃設(shè)計、可靠度評價及路徑選擇為主,缺乏對災(zāi)時避難疏散通道的通行能力評估;對道路通行能力研究主要以模型構(gòu)建、系數(shù)折算以及正常車輛通行能力研究,較少涉及地震情況下行人緊急避難疏散過程;對交通路徑選擇研究主要以物資配送、災(zāi)時車輛最優(yōu)疏散路徑選擇為主,而災(zāi)時多條避難疏散通道的備選更能有效引導(dǎo)城市居民快速疏散?，F(xiàn)有避震疏散通道的研究主要集中在車輛及單一路徑選擇。對交通路徑的研究方法主要為模擬退火法、蟻群算法、禁忌搜索法和遺傳方法,通過全面分析以上方法,得到遺傳算法具有搜索范圍廣、計算精確、適用性強且易于操作等特點。因此,本文將對震后疏散通道行人通行能力進(jìn)行評估,結(jié)合OD點避震疏散需求基于遺傳算法進(jìn)行多條疏散通道的選擇研究,以期為東川城區(qū)居民緊急避震疏散提供科學(xué)參考。

1 避震疏散通道通行能力評估模型

地震發(fā)生時人們主要采取步行方式進(jìn)行疏散,基于人體工程學(xué)角度,本研究中城市避震疏散通道包括有效寬度在1.2 m以上的城市道路、街道以及災(zāi)時能夠滿足人員通行的小巷、開闊廊道等,是保證地震發(fā)生時受災(zāi)人員快速、有效疏散至臨近避震疏散場所的重要路徑,由于東川城區(qū)避震疏散通道未涉及橋梁通道,故本研究只針對路段通道的通行能力進(jìn)行評估。

1.1 路段單元通行能力評估

地震時,影響路段單元通行能力的因素主要有:道路受損影響路面通行,沿街建筑物倒塌造成道路有效寬度變窄或中斷,疏散行人擁擠造成道路短時阻斷。由于城市內(nèi)部道路等級較高,震時受災(zāi)影響較小,暫可忽略道路本身受損對通行能力造成的影響。

1.1.1 沿街建筑物倒塌對道路影響因素

地震發(fā)生時,沿街建筑物倒塌造成的瓦礫會減小道路的有效寬度,導(dǎo)致避震疏散通道的通行能力下降,甚至阻斷交通,疏散通道的通行能力由其通行方向上的最小寬度決定[13]。

(1) 建筑物倒塌影響距離計算

本研究采用馬東輝等[14]提出的豎向連續(xù)倒塌模型計算最大破壞情況下沿街建筑物倒塌后的道路影響距離。

W=H·K

(1)

式中:W為建筑倒塌影響距離;H為建筑超出評價地面高度;K為倒塌影響寬度系數(shù)(K值見表1)。

表1 建筑物豎向連續(xù)倒塌破壞影響范圍簡化計算表

(2) 道路最小寬度計算

Wj=Wi-max(Wm+Wn)

(2)

式中:Wj為震后道路最小寬度;Wi為道路有效寬度;Wm為左側(cè)某建筑物倒塌影響距離;Wn為右側(cè)某建筑物倒塌影響距離。

1.1.2 疏散行人流量因素

本研究主要研究有組織疏散過程,不考慮個體行為,即從群體行人角度分析疏散人群流量。

(1) 疏散人流密度

人流密度指某瞬間在單位面積內(nèi)通過的行人數(shù)量,本研究以最大人流密度3.8人/m2計(最擁擠狀態(tài)下保證災(zāi)時疏散通行的臨界值),分析地震時道路能夠疏散的行人流量。結(jié)合方正模型[15]:

(3)

式中:vm為步行疏散最大速度(取1.38 m/s[16]);v為疏散人員步行速度;k為疏散時人流密度;α、β、γ分別表示前后阻力、左右阻力和個體自主驅(qū)動力的影響權(quán)重,按經(jīng)驗值,取α=0.2,β=0.01,γ=0.1。

(2) 疏散行人流量計算

Q=kv

(4)

式中:Q為疏散行人流量;k為疏散人流密度;v為疏散步行速度。

1.2 避震疏散通道通行能力計算

本研究中通行能力指城市道路受地震影響狀況下,受災(zāi)居民在單位時間內(nèi)采取步行方式通過某一避震疏散通道有效橫斷面的最大人員數(shù)量。結(jié)合《城市道路工程設(shè)計規(guī)范(CJJ37—2012)》《美國道路通行能力手冊(HCM2010)》以及相關(guān)規(guī)范定義,估算如下:

C=60×Q·Wj

(5)

式中:C為避震疏散通道通行能力;Q為行人流量;Wj為震后道路最小寬度。

2 避震疏散網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的建立

本研究以Geodatabase數(shù)據(jù)模型建立空間數(shù)據(jù)庫,按照對象類型不同分為對象類、屬性類和屬性數(shù)據(jù)集。對象類包括節(jié)點和路徑,屬性類包括對象屬性,屬性數(shù)據(jù)集為一一對應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)?；贏rcGIS中的Geodatabase構(gòu)建避震疏散空間網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫,進(jìn)行空間拓?fù)潢P(guān)系、幾何網(wǎng)絡(luò)關(guān)系等分析。

2.1 空間網(wǎng)絡(luò)表達(dá)方式

圖論是空間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重要表達(dá)方式。根據(jù)圖論定義,圖G由不同集合構(gòu)成,即G=(V,E,K),G為圖,V為表示節(jié)點集合,E為邊(路徑)集合,K為節(jié)點和路徑的屬性集合,圖又分為有向圖和無向圖。本研究主要考慮城市居民從受災(zāi)點步行疏散至避震疏散場所,因此避震疏散道路均為有方向邊,組成有向圖。

2.2 建立避震疏散空間網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫

2.2.1 建立路徑數(shù)據(jù)庫

結(jié)合震后通道最小寬度計算,篩選震后最小寬度在1.2 m以上的城市避震疏散通道,對路徑進(jìn)行長度、通行能力等賦值,基于ArcGIS構(gòu)建城市避震疏散通道數(shù)據(jù)庫。

2.2.2 建立節(jié)點數(shù)據(jù)庫

根據(jù)《城市抗震防災(zāi)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)(GB 50413—2007)》《地震應(yīng)急避難場所場址及配套設(shè)施(GB 21734—2008)》,為在短時間內(nèi)保障受災(zāi)人員快速有效地步行疏散至臨近的避震疏散場所,本研究選取人口集聚點為路徑起點,緊急避震疏散場所和固定避震疏散場所為路徑終點,道路交叉點為路徑節(jié)點,分別確定不同點位的空間分布和出入口位置。在避震疏散通道網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建時主要以居住小區(qū)、城中村的主次出入口作為源點(O點);以緊急避震疏散場所和固定避震疏散場所的出入口作為匯點(D點)。

2.2.3 構(gòu)建避震疏散空間網(wǎng)絡(luò)

結(jié)合節(jié)點數(shù)據(jù)庫和路徑數(shù)據(jù)庫,根據(jù)有向圖定義,在路徑數(shù)據(jù)庫和節(jié)點數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上,運用GIS建立完整的城市避震疏散空間網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。

2.3 避震疏散場所服務(wù)范圍劃分

GIS空間—網(wǎng)絡(luò)分析法常用來研究物體在不同節(jié)點之間的移動問題。本文采用GIS空間—網(wǎng)絡(luò)分析法,以避震疏散場所出入口為中心,以實際道路500 m為交通阻抗劃分服務(wù)區(qū),得到服務(wù)區(qū)內(nèi)對應(yīng)的人口集聚點,建立人口集聚點—避震疏散場所(OD)之間的避震歸屬關(guān)系,以便后期進(jìn)行避震疏散通道選擇。

3 基于遺傳算法的避震疏散路徑選擇

地震發(fā)生時,在緊急避震疏散路徑的選擇時要確保人員安全疏散和避震疏散網(wǎng)絡(luò)高效運轉(zhuǎn),因此需選出路徑最優(yōu)解。而遺傳算法(Genetic Algorithm,簡稱GA)是借鑒遺傳規(guī)律,求解出滿足目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解的隨機(jī)搜索算法,適用于解決非確定多項式路徑選擇問題。該方法在局部區(qū)域內(nèi)具有較好的搜索能力和較快的收斂速度,可以保證搜索操作快速、高效地運行。

本研究主要考慮地震時人口集聚點—避震疏散場所的疏散路徑選擇。對所有染色體進(jìn)行復(fù)制、變異、交叉等遺傳操作提高種群適應(yīng)度以滿足目標(biāo)函數(shù),多次迭代計算后,按照適應(yīng)度大小排序,依次輸出染色體作為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)先解。

3.1 染色體編碼及初始種群產(chǎn)生

3.1.1 染色體編碼

在遺傳算法計算過程中,將一個節(jié)點表示一個基因,將一條路徑表示一條染色體。首先對染色體進(jìn)行編碼,建立染色體與基因之間的對應(yīng)關(guān)系。本研究采取節(jié)點序號作為基因,采用自然數(shù)進(jìn)行染色體編碼,構(gòu)建避震疏散空間網(wǎng)絡(luò)。本研究主要考慮從人口集聚點疏散至避震疏散場所,為有向疏散,記為G=(V,E,K)。δij表示節(jié)點i到j(luò)之間的路徑,且路徑長度|δij|=|δji|,若δji未選擇此避震疏散通道,則δji=inf。

3.1.2 初始種群的產(chǎn)生

在進(jìn)行染色體遺傳操作前,需要對初始種群進(jìn)行生成,初始種群的產(chǎn)生方式和規(guī)模大小直接關(guān)乎后續(xù)操作的準(zhǔn)確性和時效性。本研究選用隨機(jī)生成方式進(jìn)行初始種群的生成,其種群在空間分布中具有均勻性較強,收斂速度快,避免產(chǎn)生局部最優(yōu)等特點。

初始種群的規(guī)模大小由染色體長度所決定,而染色體由基因構(gòu)成,染色體表示如下。節(jié)點i-j之間路徑為一條染色體:i→1→2→……→M→j,M為節(jié)點序號即一個基因,節(jié)點i-j之間的長度為染色體變長,本研究采取變長染色體確定種群,極大節(jié)省計算空間,初始種群規(guī)模大小確定為N(取N=150)。

3.2 避震疏散通道選擇模型構(gòu)建

3.2.1 確定目標(biāo)函數(shù)

出于時效性和安全性原則,本研究以疏散時間最少和通行能力可靠度最大為目標(biāo),構(gòu)建綜合疏散成本最小的目標(biāo)函數(shù),對人口集聚點—避震疏散場所(OD)之間的路徑進(jìn)行選擇。

(1) 路段阻抗函數(shù)

為保證疏散時效性,應(yīng)選擇考慮抗阻因素下OD之間疏散時間較少的路徑,結(jié)合美國公路局路阻函數(shù)[17],進(jìn)行地震影響修正:

(6)

(2) 確定路徑選擇目標(biāo)函數(shù)

以疏散時間最少和通行能力可靠度最大,建立綜合疏散成本最小的目標(biāo)函數(shù)(本文以時效性和安全性同等重要),如下:

minF=[0.5F1,0.5F2]T

(7)

式中:F1為疏散時間函數(shù);F2為通行能力函數(shù)。

(8)

(9)

3.2.2 適應(yīng)度函數(shù)構(gòu)造

適應(yīng)度值常用來評價避震疏散通道的優(yōu)劣程度,適應(yīng)度值越大越接近目標(biāo)函數(shù)。本研究以綜合疏散成本最小化為目標(biāo)函數(shù),且適應(yīng)度函數(shù)fx與綜合疏散目標(biāo)函數(shù)f呈負(fù)相關(guān),即:

(10)

3.3 遺傳操作設(shè)計

3.3.1 選擇操作

指從種群個體中按照概率(適應(yīng)度越高,概率越大)選擇優(yōu)良個體作為下一代種群個體。本研究采用TOP-N選擇法在種群中挑選前N個(N=30)適應(yīng)度值最大的個體,將適應(yīng)度最大的個體復(fù)制到下一代,完成所有種群個體選擇。

3.3.2 交叉操作

兩個染色體之間通過交叉操作,發(fā)生基因配對、重組和信息互換等過程,使下一代染色體遺傳了上一代的基本特征。交叉操作關(guān)鍵在交叉位置的確定以及交叉基因的選擇。根據(jù)適應(yīng)度大小選出兩條優(yōu)良染色體進(jìn)行交叉操作,交叉概率取0.25。

3.3.3 變異操作

變異操作是指對種群除了起點和終點之外的基因組進(jìn)行變異,產(chǎn)生新的種群個體滿足目標(biāo)函數(shù)。根據(jù)變異率大小(通常取值0.001～0.1)隨機(jī)選出染色體進(jìn)行基因變異,變異率越大(適應(yīng)度值越小),被選中的概率越大,對選中的染色體進(jìn)行隨機(jī)基因增加、減少、交換等變異操作,重復(fù)操作L2次(約為總節(jié)點數(shù)1/3),若變異后適應(yīng)度值大于變異前,則將適應(yīng)度值最大的染色體作為父代染色體;反之,仍保留變異前的染色體作為父代,進(jìn)行下一次循環(huán)變異操作。

3.3.4 終止條件

只有滿足預(yù)先設(shè)置的終止條件,直到滿足指定的迭代次數(shù)L3(一般取值300)時,才能結(jié)束遺傳算法循環(huán)操作,此時按照適應(yīng)度值大小進(jìn)行染色體排序,依次輸出路徑作為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)先解。

4 東川城區(qū)避震疏散通道的通行能力及路徑選擇

4.1 東川城區(qū)避震疏散通道通行能力評估

分析地震后城市避震疏散通道的通行能力時,需要根據(jù)單元最小通行能力決定該避震疏散通道的通行能力。由于東川城區(qū)避震疏散通道未涉及橋梁,因此本研究只針對通道的路段單元震后通行能力進(jìn)行評估。

4.1.1 東川城區(qū)避震疏散通道選取

根據(jù)前文避震疏散通道定義,結(jié)合實地調(diào)研,選取東川城區(qū)避震疏散通道(圖1)。

圖1 東川城區(qū)避震疏散通道分布圖Fig.1 Distribution of earthquake evacuation routes in Dongchuan urban area

4.1.2 通道震后最小寬度計算

東川城區(qū)現(xiàn)有建筑分為土木、磚木、磚混和框架四類結(jié)構(gòu)形式,對沿街建筑以土木、磚木結(jié)構(gòu)建筑按每層3 m計算、框架、磚混結(jié)構(gòu)建筑按每層3.5 m計算,統(tǒng)計出沿街兩側(cè)建筑總高度最大對應(yīng)的兩側(cè)建筑結(jié)構(gòu)和層數(shù)。

根據(jù)公式(1),計算得到每條避震疏散通道兩側(cè)建筑倒塌最大影響距離。結(jié)合公式(2),得到東川城區(qū)避震疏散通道震后最小寬度和東川城區(qū)滿足疏散需求的避震疏散通道(圖2)。

圖2 東川城區(qū)避震疏散通道震后對比分析圖Fig.2 Post-earthquake analysis of earthquake evacuation routes in Dongchuan urban area

根據(jù)對東川城區(qū)避震疏散通道震后最小寬度分析可知,不滿足疏散要求的避震疏散通道主要集中在城市四周,以鄉(xiāng)村道路居多,包含少部分老城區(qū)道路。其中,鄉(xiāng)村道路主要集中在北部洗尾嘎村、東部的尼拉姑村和臘利村,主要原因是村內(nèi)道路兩側(cè)建筑后退距離小,造成建筑緊貼道路,導(dǎo)致災(zāi)時村內(nèi)道路的有效寬度較窄;城市道路不滿足的主要是老城區(qū)的文苑巷、焱山路和駝峰路等,主要是因為隨著城市建設(shè)的加大,老城區(qū)道路寬度較窄且未進(jìn)行改造提升,以框架結(jié)構(gòu)為主的高層建筑突起,造成沿街建筑的高度與道路有效寬度的比值過大。

4.1.3 疏散行人流量計算

結(jié)合公式(3)計算得到人流最擁擠(人群密度取k=3.8人/m2)時步行疏散速度v=0.223 m/s。根據(jù)公式(4)得到行人流量Q=0.85人/s·m。

4.1.4 避震疏散通道通行能力評估

根據(jù)道路震后最小寬度和疏散行人流量,結(jié)合式(5)得到東川城區(qū)疏散通道的震后通行能力(表2)。

表2 東川城區(qū)避震疏散通道震后通行能力表

分析圖3可知,東川城區(qū)避震疏散通道以Ⅰ級和Ⅱ級為主,分布較為廣泛。其中,Ⅰ級避震疏散通道分布在老城區(qū)中部、北部新街社區(qū)和東南部臘利村,Ⅱ級避震疏散通道主要分布在老城區(qū)南部的石羊村和北部新區(qū)的嘉和社區(qū);Ⅲ類避震疏散通道主要集中在金沙路、市府街和凱通北路等;Ⅳ類避震疏散通道分布較少,以龍東格二級公路為主,部分集中在中心城區(qū)的東起路北部和凱通路南部。

圖3 東川城區(qū)避震疏散通道通行能力等級圖Fig.3 Traffic capacity level of earthquake evacuation routes in Dongchuan urban area

4.2 東川城區(qū)避震疏散場所服務(wù)范圍劃分

4.2.1 建立路徑數(shù)據(jù)庫

篩選震后最小寬度在1.2 m以上的城市避震疏散通道,構(gòu)建東川城區(qū)避震疏散通道路徑數(shù)據(jù)庫(圖4)。

圖4 東川城區(qū)震后避震疏散通道分布圖Fig.4 Distribution of post-earthquake evacuation routes in Dongchuan urban area

表3 東川城區(qū)避震疏散通道通行能力劃分表

4.2.2 建立節(jié)點數(shù)據(jù)庫

以東川城區(qū)現(xiàn)有的居住小區(qū)、城中村作為源點,以緊急避震疏散場所和固定避震疏散場所作為匯點,建立節(jié)點數(shù)據(jù)庫。結(jié)合實地調(diào)研數(shù)據(jù)和資料,對東川城區(qū)居住小區(qū)和城中村、緊急避震疏散場所和固定避震疏散場所的位置及出入口進(jìn)行統(tǒng)計和編號(圖5～圖7)。

圖5 東川城區(qū)居住小區(qū)、城中村出入口分布圖Fig.5 Distribution of entrances and exits of residential quar- ters and urban villages in Dongchuan urban area

圖6 東川城區(qū)緊急避震疏散場所出入口分布圖Fig.6 Distribution of entrances and exits of emergency shelters in Dongchuan urban area

圖7 東川城區(qū)固定避震疏散場出入口分布圖Fig.7 Distribution of entrances and exits of fixed shelters in Dongchuan urban area

4.2.3 構(gòu)建東川城區(qū)避震疏散空間網(wǎng)絡(luò)

結(jié)合已經(jīng)建立的東川城區(qū)路徑數(shù)據(jù)庫和節(jié)點數(shù)據(jù)庫,通過GIS軟件構(gòu)建完整的東川城區(qū)避震疏散空間網(wǎng)絡(luò)(圖8)。

圖8 東川城區(qū)避震疏散空間網(wǎng)絡(luò)分布圖Fig.8 Spatial network distribution of of emergency shelters in Dongchuan urban area

4.2.4 東川城區(qū)避震疏散場所服務(wù)劃分

以避震疏散場所出入口為中心,運用GIS空間—網(wǎng)絡(luò)分析法以實際服務(wù)距離500 m為道路阻抗,得到東川城區(qū)避震疏散場所服務(wù)范圍(圖9)。

圖9 東川城區(qū)避震疏散場所500 m服務(wù)范圍圖Fig.9 500-meter service area of emergency shelters in Dongchuan urban area

對東川城區(qū)避震疏散場所服務(wù)范圍進(jìn)行分析可知,(47)九寰森林主入口、(14)書香門第次入口、(19)金郵百興花園主入口、(48)玉泰尚城2期次口、(57)小新街等五個小區(qū)節(jié)點并未在避震服務(wù)范圍之內(nèi)。

節(jié)點(47)(48)為城市新區(qū)的新建小區(qū),基礎(chǔ)設(shè)施配套建設(shè)滯后,周邊未配置相應(yīng)的避震疏散場所;節(jié)點(14)(19)集中在老城區(qū)中心,小區(qū)周邊建筑密集、建筑間距小,缺乏有效空地,導(dǎo)致避震疏散場所建設(shè)不足;節(jié)點(57)位于城市北部郊區(qū),其附近有避震疏散場所,但由于災(zāi)時連接避震疏散場所的通道失效,導(dǎo)致未能服務(wù)該節(jié)點。

4.3 基于遺傳算法的東川城區(qū)避震疏散路徑選擇

出于安全性和有效性原則,建立綜合疏散成本最小目標(biāo)函數(shù),結(jié)合遺傳算法建立東川城區(qū)避震疏散通道選擇模型,根據(jù)前文疏散場所服務(wù)劃分,對人口集聚點至避震疏散場所(OD)之間避震疏散通道進(jìn)行選擇。

根據(jù)人體動力學(xué)計算[14],本文取行人步行速度1.245 m/s進(jìn)行計算;根據(jù)《城市道路交通規(guī)劃設(shè)計規(guī)范(GB 50220—95)》規(guī)定,計算東川城區(qū)避震疏散通道的疏散時間和正常通行能力(表4)。

表4 東川城區(qū)避震疏散通道選擇模型參數(shù)表

采用遺傳算法進(jìn)行模型求解,結(jié)合python軟件進(jìn)行編程,計算參數(shù)設(shè)置如下,初始種群規(guī)模大小為N=150,交叉概率0.25,變異概率取0.01,連續(xù)進(jìn)行200次,終止迭代300次,根據(jù)適應(yīng)值由大到小依次輸出各OD點之間三條最佳路徑以備災(zāi)時選擇(表5)。

表5 東川城區(qū)避震疏散通道選擇輸出結(jié)果

根據(jù)路徑選擇結(jié)果分析可知,部分居住小區(qū)與避震疏散場所之間僅有一條避震疏散通道相連接,如節(jié)點4—91(新橋下大院-陶苑小區(qū)至零工市場)、節(jié)點4—92(新橋下大院-陶苑小區(qū)至中等成人農(nóng)機(jī)化學(xué)學(xué)校)、節(jié)點5—91(鋁廠小區(qū)至零工市場)、節(jié)點6—89(祥和家園至集義路貨車停車場)等。這些居住小區(qū)主要集中在城市邊緣區(qū)或距離避震疏散場所較近。

由圖10可知,由于居住小區(qū)和避震疏散場所在老城區(qū)較為密集,疏散通道的重復(fù)利用率較大,主要為團(tuán)結(jié)路、民安路和白云街等。其次,對最優(yōu)路徑、次優(yōu)路徑和較優(yōu)路徑三條避震疏散通道分析可知,有些路徑雖滿足災(zāi)時避震疏散要求,但花費時間相對較長,如節(jié)點(8)陶苑新區(qū)與(55)磚石年華廣場1號之間的路徑(凱通路-團(tuán)結(jié)路-桂苑街-集義路),災(zāi)時嚴(yán)重影響緊急疏散的效率發(fā)揮。

圖10 東川城區(qū)避震疏散通道選擇圖Fig.10 Selection of earthquake evacuation routes in Dongchuan urban area

5 結(jié)論與討論

災(zāi)前對山地城市避震疏散通道的震后通行能力進(jìn)行評估,對緊急避震疏散的路徑選擇進(jìn)行研究,以便制定有效的組織措施和應(yīng)急管理機(jī)制,是地震時受災(zāi)居民進(jìn)行有效疏散,節(jié)約疏散時間,減少城市生命財產(chǎn)損失的重要保障。

本次針對山地小城市東川城區(qū)的避震疏散通道研究,得到以下結(jié)論:(1)此類山地小城市存在避震疏散通道通行能力不滿足疏散要求的現(xiàn)象,不滿足疏散要求的道路主要集中在城市周圍的鄉(xiāng)村地區(qū)和道路較窄的老城區(qū);(2)城區(qū)避震疏散場所的服務(wù)范圍未達(dá)百分之百,未在服務(wù)范圍內(nèi)的居民區(qū)包括城市周邊新建小區(qū)和老城區(qū)內(nèi)老舊小區(qū);(3)避震通道選擇存在路徑單一、重復(fù)利用率高以及耗時長等問題。

通過對小城市城區(qū)避震疏散通道研究,針對其通行能力、服務(wù)范圍以及路徑選擇中存在的問題,提出以下建議:(1)提升山地小城市內(nèi)部鄉(xiāng)村道路的有效寬度,嚴(yán)格規(guī)范沿路建筑的高度、結(jié)構(gòu)和后退距離,并對老城區(qū)較窄道路進(jìn)行拓寬和管理,避免占用街道;(2)完善城市新建小區(qū)防災(zāi)基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃建設(shè),采取“平災(zāi)結(jié)合”等有效措施增加城區(qū)內(nèi)部避震疏散場所的數(shù)量和容災(zāi)規(guī)模,并加強管理;(3)增強城市邊緣與內(nèi)部交通聯(lián)系,增加對外聯(lián)系交通數(shù)量;(4)針對重復(fù)利用率高的路段,提高其通行能力可靠度,針對選擇單一的通道,提升兩側(cè)建筑抗震性能,加強最優(yōu)路徑安全性,避免繞遠(yuǎn)路徑,保證安全性和時效性;(5)提升老城區(qū)避震疏散場所的建設(shè),加強與周邊小區(qū)的交通聯(lián)系,加強老城區(qū)道路通行能力;(6)通過災(zāi)前演練、指示牌、安全教育設(shè)立等方式,提升社區(qū)居民防災(zāi)意識,在震時結(jié)合多路徑有效疏散人群。

圖11 東川城區(qū)避震疏散通道選擇及建筑質(zhì)量分布圖Fig.11 Selection of earthquake evacuation routes and building quality distribution in Dongchuan urban area

本文采用簡化模型分析沿街建筑倒塌對城市道路的影響,忽略了每棟建筑多震害因子的差異,僅適用于通道通行能力的快速估算。同時,對通道震后通行能力的評估基于規(guī)范設(shè)計,與實際情況略有出入。如何精準(zhǔn)評估每棟建筑震時對道路的影響及考慮不同行人的年齡、健康、性別等疏散特性將作為下一步研究的深化。