城市防灾设施系统失效级联机理与规划优化方法研究

In our country the Urban Planning paid much attention on Urban Disaster Mitigation Facilities (abb. UDMF) Planning in order to enhance the urban disaster prevention and mitigation capacity. However, based on the standard guidelines of UDMF and design divided separately, the problems existed here. In those days the urban complex network and their disaster cascading effect mechanism aroused scholars’ interests both at home and abroad. They argued the UDMF and their coupling mechanism should be recognized in complex network. The literature review revealed the municipal infrastructure and the road systems’ risk assessments were studied in static state. So the questions, that network topology dependency and functional relevance of UDMF aroused disaster cascading effect, had not been solved yet. This research mainly focused on UDMF’s coupling mechanism. Through the Complex Network Theory and Markov Theory, the study will reveal the explicit mapping relationship between UDMF with each other, establish the UDMF failure mode layout, and fabricate the UDMF’s risk probability evolutionary model, which quantitatively describes the risk and its dynamic law of UDMF’s coupling mechanism. At last, in terms of robustness we put forward the Urban Disaster Mitigation Facilities planning optimized methods. In summary, the research will do much favor on urban disaster prevention and mitigation construction and the comprehensive hazards mitigation planning in theory and in method.

城市高强度开发建设使得防灾设施系统空间交错、功能关联形成复杂网络，各防灾设施间物理依赖性极易引起灾害传递、引发灾损扩散级联导致系统成灾失效。城市规划中限于规范方法的单系统规划设计无法达到整体最优而不能应对上述问题。本项目围绕城市防灾设施系统网络拓扑结构和服役功能的耦合作用机制，旨在解释城市防灾设施系统之间的物理作用依赖和成灾失效级联效应形成机理。针对突发事件物理环境—防灾设施结构—防灾设施功能三者的耦合关系研究，首先，基于地理空间、物质传输和信息传递三种物理过程利用复杂网络理论和网络实时递推分解算法、广度优先搜索算法揭示防灾设施系统关键要素依赖性物理作用和映射关系；其次，基于灾害数据库利用空间统计学和数理统计学方法挖掘城市防灾设施系统特征失效及损失规律；最后，利用马尔科夫链理论构建时空不确定的城市防灾设施系统耦合概率演化模型，并据此提出规划优化方法，为我国城市综合防灾规划编制提供科学依据。

韧性城市成为关注的热点，城市安全与综合防灾是重点。城市固有的复杂性认知不足，是现阶段城市韧性研究不能很好地指导规划实践这一困境的根源。本项目研究灾害与建成环境之间的相互作用，分析多因素建成环境相互作用致灾的机理，并通过防灾规划与风险防控等措施调控建成环境的要素及其状态，实现城市安全防灾的目标。围绕城市防灾设施系统，具体限定于市政基础设施、应急避难场所和地下空间，构建市政基础设施事故数据库和建成环境数据集，统计分析市政基础设施管网的事故规律，发掘管段物理特性、管网赋存环境要素和城市建成环境特征三者耦合致灾的机理，发展管网风险评估模型与方法，发布了全球首部供水管网风险评估技术标准，指导管网风险防控和应急处置；研究多灾害场景与建成环境的作用规律，面向动态化、精细化防灾空间规划的需求和运行管理的需要，开展多灾害耦合作用下避难需求的分析，构建避难场所需求预测的时空演化动态规划的理论与方法和多目标约束下的避难场所选址优化模型，有力地提升了我国城市避难场所规划的科学性和管理的精细化水平；研究地下空间的易灾性和防灾特性，研究地下空间致灾的机理及相关影响因素与作用，发展地下空间防灾规划方法与安全风险防控的技术，发布了国内首部从城市防灾角度系统梳理地下空间防灾的专著和系统指导地下空间安全防控的技术标准，对预防地下空间灾害、提高地下空间安全管控水平具有重要借鉴意义。受疫情影响，研究关注城市综合防灾规划中的突发公共卫生事件，开展新冠疫情的社区传播动力学与医疗设施的失效级联研究。以上研究内容，将构成防灾韧性城市规划的重要要素、内容与方法，推动城市防灾的量化研究。研究成果从“灾害特性——建成环境致灾机理——防灾对策措施”三个方面囊括了数据统计、规律挖掘、机理研究、技术推广应用等多个层面，涉及论文、专著、软件和发明专利、技术标准与应用案例等，从理论到方法上促进我国综合防灾规划编制和韧性城市建设。