【《基于供需关系的应急避难场所布局优化模型构建分析案例》8700字】

基于供需关系的应急避难场所布局优化模型构建分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u3576基于供需关系的应急避难场所布局优化模型构建分析案例 122991.1应急避难场所的供需分析 1134481.1.1避难场所供需平衡的必要性 186571.1.2避难场所的供需特征 2310021.2影响避难设施布局的因素 323081.2.1人口因素 3323541.2.2服务半径 4152701.2.3避难设施的自身属性 5178411.3应急避难场所供给需求分析方法 7215641.1.1避难场所供给分析方法 730781.1.2避难场所需求预测方法 8158891.1.3避难场所供需对比方法 11206471.4应急避难场所布局优化模型构建 13163691.4.1模型构建目标 13228791.4.2模型构建 144841.4.3模型运用 151.1应急避难场所的供需分析1.1.1避难场所供需平衡的必要性现行的避难设施规划主要是按照避难场所的等级、服务人口规模和服务半径等来设定应急避难设施的配置指标。但同样的配置指标，由于每个避难设施的投入成本和供给服务能力不同，导致避难设施的供给量不同；即便是相同的供给量，由于设施周边的人口分布不同以及城市道路疏密程度的不同，避难需求量也不同。因此，城市避难设施达到供需平衡的根本目的是以最低成本的供给方式提供给城市居民避难需求相匹配的避难服务。避难场所的供需要想达到平衡状态，就需要满足供给量大致等于需求量。如图3-1所示为供需关系的曲线图，当供给曲线与需求曲线相交于E点时，E点称为均衡点，此时供给和需求达到了平衡的状态，即供需平衡。图3-SEQ图3-\*ARABIC1供需关系曲线图Fig.3-1.Supplyanddemandcurve（资料来源：作者自绘）因此，想要检验城市应急避难场所的布局是否合理，就要对城市的需求量和供给量进行分析，当城市供给量大于需求量时，就是产生资源浪费，当城市需求量大于供给量时，就会导致城市居民无地避难。充分研究供给量与需求量之间的关系，会使城市应急避难场所的规划更加有依据可循。1.1.2避难场所的供需特征公共服务设施的供给与需求是两个相互独立又紧密关联的子系统，两者之间能否达到和谐统一是判断公共服务设施配置均等化、公共设施使用效率高低的重要标准。新公共服务理论认为，公共行政人员的作用不是体现在对社会的控制或管理上，更重要的作用是帮助居民清楚地表达自己对公共服务设施的需求，政府的职能由掌舵人变为服务人员，要求政府为居民提供表达公共需求的舞台，由此可见，通过城乡规划配置设施是平衡供需的重要手段。对于不同的公共基础设施，其供需平衡的体现也是不一样。对于道路交通设施而言，停车设施、路网容量的供需关系会间接影响到城市的发展，紊乱社会各项活动；对于养老设施而言，养老机构数量、医疗服务水平的供需关系会影响社区养老机构服务能力及老年人的生活水平；对于教育设施而言，学校的教学质量、学校分布的供需关系关乎青少年的未来和民生；对于市政基础设施而言，雨水、污水等设施的供需关系影响着城市公共服务能力。应急避难场所属于公共服务设施的一种，由于受土地利用、城市规划、经济发展等因素的影响，会导致城市应急避难场所空间分布不均衡，需要城市规划部门通过资源的合理配置来实现避难设施供需平衡的目标。本文从避难设施的供给和需求入手，达到供需平衡。尝试运用能够衡量供需程度的指标，对获取数据进行供给和需求水平的分析，在此基础上引入对比评价指标，得出城市应急避难设施的评价结果和避难场所建设的问题，基于其评价结果，提出城市应急避难设施的资源配置优化的模型和具体策略，具体的避难设施供需平衡的分析框架如表3-2所示。图3-SEQ图3-\*ARABIC2供需平衡的分析框架Fig.3-2.Analyticalframeworkforsupplyanddemandbalances（资料来源：作者自绘）1.2影响避难设施布局的因素城市是一个复杂的系统，影响城市避难设施空间布局的机制也同样是复杂的，影响因素也是复杂的，顾鸣东将城市公共设施布局的影响要素主要归纳为：人口及其属性要素、公共设施自身属性、交通要素、距离要素等[[]顾鸣东，陈白磊．城市公共设施的空间可达性与公平性研究述评[]顾鸣东，陈白磊．城市公共设施的空间可达性与公平性研究述评[J]．现代城市，2010，005(001):30-341.2.1人口因素城市应急避难设施体系的核心是人，应急避难场所的使用主体及服务人群是城市居民。城市人口的分布直接影响到避难设施的空间结构布局，所以在避难设施的布局规划中要充分考虑人口规模、人口密度和分布情况。人口规模城市人口规模指的是一个行政区划内城市人口的数量，一般指生活在城市中的实际人口。城市人口规模的大小决定了应急避难设施的需求总量，人口规模越大，避难设施的需求量越也就大。按照当前的标准，应急避难设施的配置规模主要是根据人口数量来制定，不同等级的应急避难场所可容纳的人口数也是不同的，其中固定避难场所容纳人数大于1000人，小于2万人；中心避难场所容纳人数大于5000人，小于9万人。人口密度人口密度指的是单位土地面积上的人口数量，是衡量地区人口空间结构的重要指标。城市应急避难设施的选址和布局往往受到城市人口密度的影响，一般来说，城市的人口密度越大，周围居住区越多，避难需求量就越大，对应急避难场所就要进行更高密度的布置，确保能够满足城市居民的避难需求。根据就近原则和以人为本原则，应急避难场所的区位选择、规模设计和服务区范围均需根据不同街道的人口密度进行布局优化，使得优化后的城市应急避难场所空间布局与人口密度空间分布一致。图3-SEQ图3-\*ARABIC3避难设施供需关系影响机制Fig.3-1.Influencemechanismofsupplyanddemandofshelterfacilities（资料来源：作者自绘）1.2.2服务半径服务半径是指城市中各种公共服务设施到最远服务范围之间的直线距离。不同等级的避难场所其服务半径也不同，根据相关建设指标，城市中心避难场所的服务半径为5000米，固定避难场所的服务半径为2000米，紧急避难场所的服务半径为500米。但实际上，应急避难场所的服务半径受到城市疏散道路及距离的影响。疏散路径城市道路网是城市的基本骨架，也是城市规划建设的重要基础。一方面城市道路不仅影响了城市要素点之间的可达性，另一方面也决定了设施点的区位选择。疏散道路是应急避难场所与外界联系的通道，也是灾时受灾人员抵达应急避难场所的通道，因此在选择应急避难场所场址时，要充分考虑疏散道路与人员疏散路径。当城市面临重大灾害时，城市道路两侧建筑物会发生倒塌，道路有效宽度受到一定的影响，并且短时间内会产生大量的避难疏散人员，如果这些人员不能够及时进行有效疏散，就会引起民众的恐慌，造成严重危害。此时避难疏散人员到达应急避难场所所需的时间越短，他们受伤害的可能性就越小。因此，首先需估算疏散人员的数量以及疏散移动速度，结合应急避难场所的位置，设计高效、便捷的疏散路径，确保撤离人员在最短的时间内到达最近的避难场所。疏散距离疏散人员到达避难场所的最大步行疏散距离即服务半径，疏散服务半径过大会增加疏散时间，从而加大人员伤亡。对于避难设施而言，当灾难发生后，城市居民的疏散途径主要是步行，且紧急避难场所的抵达时间要求在5-15分钟以内，固定避难场所的抵达时间要求在半小时以内。对于城市规划部门而言，紧急避难场所的疏散距离较小，对用地条件的要求也不高，设置相对灵活；固定避难场所相较于紧急避难场所疏散距离扩大，其设置需要满足需求点的全覆盖；中心避难场所主要用作城市中防灾抗灾的指挥中心、救援中心，其疏散距离相对较大，设置时需要注意分散。1.2.3避难设施的自身属性避难设施自身的属性决定了其服务能力，其避难设施的有效避难面积对避难场所的供给情况产生影响，其内部的配备基础设施是否完善对避难场所的服务能力及效率产生影响，所以说避难设施的自身属性会影响设施的服务能力，进而影响避难设施的供给能力和公平性。有效避难面积有效避难面积是指可利用的避难场所面积，用总场所面积中减去不适合作为应急避难场所的面积。由于每个避难场所的内部地形不同，水域、山坡以及植被等内部情况不同，其有效避难面积也不同。有效避难面积越大，可容纳的避难人数越多，避难场所的供给量就越大；相反有效避难面积越小，可容纳避难人口数越少，避难场所的供给量就越小。避难场所内部避难设施的配备也需要根据内部地形进行合理的布局，由于避难场所基础设施比较特殊，其中应急篷宿区一般设置在面积较大的广场和开阔的草坪等便于搭建帐篷的地方，应急供水设施一般采用地下储水槽，结合地形用暗沟收集可用水。配备基础设施通常情况下，应急避难场所需要提供临时用水、排污、消防、供电照明设施以及临时厕所等应急设备，部分场所还需要设置避难人员的栖身场地、生活必需品与药品储备库、应急通信设施与广播设施等。不同等级的避难场所其配备的设施标准是不同，紧急避难场所用于紧急疏散居民，可以选择性的配备设施，也可不进行配置；固定避难场所提供应急医疗救护、物资、供水、消防等基础设施，可提供受灾人员的临时生活保障；中心避难场所应提供物资集散、救援指挥、重要医疗救护等重要设施，为周边地区长期避难提供多项综合疏散功能。基础设施配备较完善的应急避难场所，其服务能力较强，提供的避难供给量也会较大。相反，基础设施配备不是很完善的应急避难场所，其服务能力较弱，提供的避难供给量也就越小。因此，要不断完善应急保障基础配套设施，形成布局完备防灾避难场所体系，进一步提升城市综合防灾能力。总结以上影响避难设施供需关系的因素，主要包括不平衡的使用需求（城市人口因素）和不均衡的空间供给（避难设施自身属性和服务半径）。现将其作用机制和因素梳理出来，如图3-4所示：图3-SEQ图3-\*ARABIC4避难设施供需关系影响因素Fig.3-4.Factorsinfluencingthesupplyanddemandofshelterfacilities（资料来源：作者自绘）1.3应急避难场所供给需求分析方法1.1.1避难场所供给分析方法本文对城市应急避难场所供给方面的研究，主要是对已建应急避难场所能实现的空间和人口覆盖率进行分析。利用GIS软件中的网络分析法，得到已建避难场所的服务面积。GIS网络分析法是指依据道路网、水系网等网络拓扑关系，结合现状情况，通过考察网络元素的空间及属性数据，以数学理论模型为基础，对网络性能特征进行多方面研究的一种分析计算。网络是一系列用于实现资源传输和信息交换的线性特征组合，是由点和线组成的系统。本次研究的线要素主要是道路网，点要素是避难设施。在城市道路网络中，利用网络分析法可以进行最优路径分析（找出两地之间的最佳路径）、最近的服务设施分析（如引导最近救护车到达事发现场）和服务区分析（确定公共设施的服务区域）。本次研究主要使用的是网络分析法中的服务区分析，以此来对城市避难场所的覆盖范围以及服务能力进行分析，并通过服务区面积和城市人口密度的叠加计算，最终得到避难设施覆盖范围内服务的总人口数。1.1.2避难场所需求预测方法在目前的现有研究中，大多数学者将城市的实际人口数量作为城市避难的需求人数。实际上，地震等自然灾害发生后，需要避难的人口远远小于城市的现有居住人口，如果单单将城市人口作为避难人口的话，会导致城市避难资源的浪费。当前学者引用较多的是尹之潜的无家可归人口公式[[]尹之潜.地震损失分析与设防标准[M].地震出版社,2004.]，即地震造成的无家可归人数与建筑物破坏的程度有直接联系，但此公式的难点在于需要获取灾害发生时的不同等级建筑物损坏的面积。所以陈志芬学者对无家可归人口预测公式进行了改良，运用[]尹之潜.地震损失分析与设防标准[M].地震出版社,2004.P(I)=QA*E'A+QB*E'B+QC*E'C+QD*E'D（1.1）其中，A、B、C、D参考的是尹之潜无家可归模型划分的四种建筑易损结构类别，Q(A)、Q(B)、Q(C)、Q(D)分别表示研究区内A、B、C、D四类易损性结构的建筑占总建筑物面积的比例。E'A、E'B、E'C、E'D表示研究区内A、B、C、D四类建筑性构筑物在不同震害情况下避难人口比例，P(I)指的是研究区块内总的避难人口的预测比例。对某一研究区而言，A、B、C、D四类建筑避难人口比例值为常数，即E'A、E'B、E'C、E'D为定值。“比例模型”主要是预测每个区块内部的避难人口比例，再用避难人口的比例乘以每个区块的实际人口数，就可以得到该区块的城市应急避难场所的预测避难人口数量。本文借鉴了陈志芬学者的观点，提出了城市避难人口数预测乘积模型，简称“乘积模型”[[]陈志芬,周健,王家卓,等.应急避难场所规划中避难人口预测的简便方法——以地震灾害为例[J].城市规划[]陈志芬,周健,王家卓,等.应急避难场所规划中避难人口预测的简便方法——以地震灾害为例[J].城市规划,2016(9):105-112.P(T)=PT*P(I)=PT*E'T（1.2）P(T)表示研究地块内避难需求预测总人口数；PT表示研究地块的实际总人口数；E'T表示研究地块内建筑易损性分类对应的建筑避难率，为固定常数。尹之潜学者，通过研究将目前城市中的房屋的易损性结构划分为A、B、C、D共计4类，陈志芬学者在此基础上，计算出了不同震害情祝下全国各地区建筑避难率和建筑易损性分类表，分别见表3-1和表3-2。下文根据提出的乘积模型，需要根据每个研究区块的建筑高度以及用地类型，通过查找表格，得到每个地块的建筑易损性分类，再由地块的易损性分类，查找表格，得到该研究区块的建筑震害避难率。从而得到地块的预测避难人口比例，计算得到城市避难预测的总人口数。表3-SEQ表3-\*ARABIC1各种震害情景下4类建筑震害避难率常数Tab.3-1,Seismicrefugerateconstantsoffourtypesofbuildingsundervariousseismicdamagescenarios易损性结构震害情景（地震烈度）不同地区建筑震害避难率E'T（%）6度设防区7度设防区8度设防区9度设防区A类60.000.000.000.0071.501.400.700.00817.538.841.501.50931.6726.3511.986.961059.4849.8538.0026.07Ⅰ类地区B类65.461.802.471.03710.997.314.561.67821.5716.029.914.01942.4730.4719.639.271067.2655.2938.8922.86Ⅱ类地区B类66.294.372.811.16711.098.555.271.93827.0718.3011.254.58946.5031.9221.7310.391069.4258.2141.6024.94Ⅲ类地区B类67.615.271.441.38715.8310.526.592.34831.4021.7111.665.47951.1638.3925.3112.071071.6261.8645.8627.80C类618.51741.29858.57961.651068.11D类631.92752.67861.55968.131071.75资料来源：作者根据陈志芬学者人口预测模型绘制表3-SEQ表3-\*ARABIC2建筑易损分类Tab.3-2,Classificationofbuildingvulnerability序号用地类型建筑高度建筑结构类型以下基本烈度区的建筑易损性结构分类6度区7度区8度区9度区1商业建筑用地，商务建筑用地、二类居住用地﹥40m高层钢筋混凝土结构BBAA2商业用地，一类、二类居住用地20-40m高层钢筋混凝土结构BBAA3工业用地、供应设施用地﹤20m单层厂房BBBB4体育用地、娱乐康体用地﹤20m体育馆等BBBB5交通场站用地﹤20m候机楼、候车室BBBB6教育科研建筑用地20-40m多层砖结构教学楼设防BBBB7行政办公用地，文化设施，医疗卫生用地，一类、二类居住用地20-40m多层砖结构设防BBBB8三类居住用地20-40m多层砖结构未设防CCCC9一类居住、社会福利、公用设施营业网点用地﹤20m一层砖结构设防BBBB10文物古迹用地、历史街区、古建筑群-木结构、古建筑CCCC11特定区域、三类居住用地-石砌、生土结构DDDD资料来源：作者根据陈志芬学者人口预测模型绘制由此可以获得应急避难场所需求人口数量的预测，在此基础上根据避难需求的人口规模以及人均避难场所的用地指标，可以计算得出应急避难场所的需求面积，从而获得应急避难场所的需求规模。1.1.3避难场所供需对比方法前文介绍了避难场所的供给和需求的计算分析方法，要想将两者结合起来比较分析，还需要三个综合性的评价指标，即引入场所利用率、人口配置缺口和服务人口比。本文结合利用这三个评价指标对城市应急避难场所的供给和需求进行对比分析，指出当前城市应急避难场所建设的不足与弊端。（1）场所利用率本文中的城市应急避难场所的场所利用率主要指已建应急避难场所通过GIS的服务区分析，计算得出的实际服务覆盖的人口数量与规划设计避难场所时的可容灾人口数量之间的比值。可以反映出已建应急避难场所的利用率和实际服务情况。其具体计算公式为：T=SBSP（1.式1.3中，T为研究地区应急避难场所的场所利用率，SB为研究地区应急避难场所实际可覆盖的人口数，SP为研究地区内应急避难场所规划设计的可容灾人口数。（2）人口配置缺口本文中的人口配置缺口主要指在应急避难场所最大服务覆盖区域内，研究区域内所需避难的人口总数与现状已建应急避难场所服务半径内所覆盖的人口总数之间的差值：G=P-SP（1.4）式1.4中：G为人口配置缺口，P为所研究区域内发生重大灾难时需要进行避难的总人数，SP为所有应急避难场所服务范围内可以容纳的避难人数之和。（3）服务人口比本文避难场所的服务人口比主要指在研究区域内，已建应急避难场所服务范围内所覆盖的人口数占研究区域总人口数的比重，用来描述已建应急避难场所为城市避难人群提供避难服务的实际具体情况。P=SPPS（式1.5中，P为服务人口比，SP为所有已建应急避难场所服务范围内的避难总人口数，Ps为研究区域避难的总人口数。1.4应急避难场所布局优化模型构建1.4.1模型构建目标在对城市应急避难所进行规划时，通过合理布局，确保城市应急避难场所的供给基本满足城市居民的避难需求。在对应急避难所进行布局时要因地适宜，根据自身的服务群体和目标定位进行分析，规划还要注意其效率性、公平性以及经济性。因此在对城市应急避难所进行规划时，应以服务范围最广，避难设施数量最少，投资建设成本最少为目标。（1）设施数量最少对城市应急避难场所进行布局优化，从经济性的角度考虑，在确保灾难发生后能够基本满足避难需求的条件下，避难设施的数量越少越好，这样可以减少政府的财政支出。因此为了达到这样的目标，在城市应急避难场所布局优化的初期，可以使用集合覆盖模型，得到最少的设施数量。在满足覆盖率高的基础上，使得总建设成本最小。集合覆盖模型是以最少的设施点数量来满足绝大部分需求点对避难场所的需求，考虑的是公平性需求。集合覆盖模型已经在GIS中被优化成最小设施点模型，可以使得在大规模的集合覆盖选址中更加简便、准确地得到选址运算结果。（2）服务覆盖最广在规划建设应急避难场所时，应能满足大部分需求点被覆盖到，即在有限的辐射范围内，尽量实现对需求点的全覆盖，这样可以保证城市居民灾后可以有地方进行避难。该阶段可采用最大覆盖模型，在已知需求点和备选设施点的基础上，根据相关规定的服务半径，求取以最少的设施点服务最多需求点的方法。最大覆盖模型是指在确定了设施点数目的前提下，在备选场址中选取合适的设施点，使得所选设施点的服务范围最大。最大覆盖模型主要应用于在设施数目确定的时候，建立最优布局使覆盖率尽可能最优，覆盖的需求点最多。适用于避难场所布局优化的最后阶段，优先考虑成本目标，兼顾公平性。（3）投资建设成本最少在满足前两个条件的前提下，由于城市应急避难场所是由政府出资建设运营的，因此在规划建设时必须考虑成本问题。应急避难场所的建设成本较低，但要求数量较多，选址布局时应当在保证效率和公平的前提下，以最少的设施点数量满足绝大部分需求点的避难需求，从而选择经济效益最大化、充分利用可用资源、可操作性实施性最强的最优空间布局模型。1.4.2模型构建城市应急避难场所的选址及布局优化模型构建应该要从以下两方面进行考虑：一是要尽量满足避难设施对需求点的全覆盖，使得以最少的设施点数量，符合避难场所建设需要考虑经济性的要求；二是在已经确定避难设施点最小数目的情况下，使得设施点的覆盖面积最广，实现对人口的最大覆盖。第一阶段：最小设施点模型最小设施点模型的构建主要如下：参数设置：Q——研究区域内部的所有需求点（住宅区）P——可以用于避难场所建设的设施点集x——避难设施点y——需求点i——第i个需求点j——第j个设施点Qij——第i个需求点到第j个设施点的距离ti——第i个需求点的人口数量规模xj——当第j个设施点被选择为应急避难场所时，xj=1，orxj=0yi——当第i个需求点被第j个设施点覆盖时，yi=1，oryi=0修正最小设施点模型：Minj∈pxjs.tj∈pyij∈pxj≥Nxj,yi∈0≤Qij≤2000式（1.6）是使避难设施点的总体数量达到最小；式（1.7）是使每个需求点i有且只能有一个设施点能够覆盖，即实现应急避难场所覆盖重复率为0；式（1.8）表示公式所求得的总避难设施点的数量不能小于N，N为已建城市应急避难场所的数量，高淳区为9；式（1.9）限制xj、yi只能为0或者1；式（1.10）限制设施点j的服务范围，最大为2000m。第二阶段：最大化覆盖模型修正最大范围覆盖模型：Maxi∈Qtis.tj∈Pyij∈pxj≥Nxj,yi∈0≤Qij≤2500式（1.11）是使避难设施点