基于ARCGIS的城市灾后疏避路径优化分析开题报告

1. 研究目的与意义

1.1研究背景

近几年地震、火灾以及恶劣天气等灾害越来越多的出现在城市中，同时城市中的各种安全隐患、危险建筑都会危害我们的生命财产安全。再加上城市具有人口高聚集度的特点，当灾害发生时，极易产生拥挤践踏等事故，极易给城市居民带来非常严重的损失。

2013年11月22日凌晨3点，位于青岛市黄岛区秦皇岛路与斋堂岛路交汇处，中石化输油储运公司潍坊分公司输油管线破裂，当日上午10点30分许，黄岛区沿海河路和斋堂岛路交汇处发生爆燃，同时在入海口被油污染海面上发生爆燃。事故共造成62人遇难，136人受伤，直接经济损失7.5亿元。

2. 研究内容和预期目标

2.1研究内容

本课题主要的研究内容是城市灾后，灾民疏散和避灾路径的优化分析。根据源（灾害场所）、汇（避灾场所）、流（避灾路径）的思想，先分析源空间分布、汇空间分布，再考虑涉及到的主体包括致灾人群、通道可达性、源特征、汇特征等多方面因素，规划避灾优化路径。

我们要根据源（灾难多发地点）和汇（避灾场所）的空间分布特征，合理的找到最佳的流（避灾路径）。在这里，最短最快不是唯一的指标，我们要全方位考虑每个细节，包括致灾人群、通道可达性、源特征、汇特征等多方面因素。其中源和汇的辐射半径是研究的基础。再考虑到受灾人群的机动能力，人群构成主要是幼儿园的小孩、敬老院的老人，还是年轻的上班族；源和汇之间的通道情况，通道宽阔或是狭窄，通畅或者拥堵，受灾人群是否能有序的通过通道；避灾场所的承受能力和受灾人群的及时分流，都是我们要考虑的地方。同时避灾方式也可分为分为步行和车行，因此我们要针对不同的避灾方式分别设计出最优路径。

3. 研究的方法与步骤

3.1研究方法

本文主要的研究方法是基于源汇理论、灾害理论、GIS空间分析和路径分析等理论，设计避灾路径优化算法，并进行模型构建，针对所构建的模型，用ArcPy进行部分模块程序编写，最后形成完整的分析模型。

首先考虑源的特点，灾害分析模型可分为局部灾害、群体灾害和大规模灾害，三种不同规模分别进行构建。局部灾害就是单一点源灾害，如建筑物失火，踩踏事件等。群体灾害为多源灾害，灾害源同时有两个或者多个。大规模灾害则是如地震、战争等对全体市民都会造成影响的灾害。将灾害按照规模分为三种情况，有利于我们更有针对性的进行分析。

再考虑避灾时汇的选择。城市中作为避灾的汇主要是城市绿地。参考国内外应急避险功能研究成果，并考虑城市公共绿地系统规划实践，城市绿地有以下的评价指标：

(1)绿地规模，借鉴相关防灾公园的经验，视其规模可细分为：①规模在1-10万平方米之间，可作为紧急疏散场所的临时应急避险场地，考虑能至少容纳500人，②规模在10-50万平方米以上，作为固定避难疏散场所，③规模在50万平方米以上，作为中心避震疏散场所的防灾公园。

(2)人均有效避险面积，根据国内外的地震避难实践，考虑以人站立时所需的面积，人均有效避难面积应至少达到lm2，若考虑固定避难者睡眠及一定的生活活动空间需要，其面积应在2m2以上。

(3)服务半径，指不同规模的公共绿地需具有的不同服务半径。公园的规模决定公园的服务半径大小，临时应急避险公共绿地的服务半径宜为500米；固定应急避险公共绿地的服务半径宜为1000米，中心应急避险公共绿地的适宜服务半径宜为1500米。半径越大，避难者到达场所的时间越长，避难途中的危险性越大。

天气情况也会影响汇的辐射范围的比例，在异常条件下应缩小汇的覆盖范围

根据绿地的各项指标，我们可以抽象出汇的数学模型，其中包括服务半径，灾民承载量，通行能力等参数。我们要根据灾害发生时的天气状况等因素进行参数设置。

流，则是从源到汇的路径。如何选择最优的避灾路径是本文研究的重点。寻找最短路径的经典算法是Dijkstra算法，其基本思想是按照路径长度的增加顺序来寻找最短路径，通过对路长度的迭代来得到从源点到终点的最短路径。但是Dijkstra算法是基于单一指标（路径长度）选择路径的，它不能直接用于多约束最优路径查询，所以需要对算法进行扩展才能应用到多约束最优路径查找。我们要对网络图中的边权w的取值进行综合考虑，包括路径的长度、通行速度、运输的时效性、安全性、经济性等因素。通过对这些影响因素进行分析，找到各个影响因素的权值。

权值可由层次分析法求解：

目标层Z；权重值A

第一步：构造判断矩阵

本文依据相关文献资料，构造如下表的判断矩阵。

判断矩阵A

ZA1A2A3A4A5

A116377

A21/53145

A31/611/245

A41/52133

A51/71/51/321

第二步：解算权值

选择特征根法:

AW=λmaxW(1)

（1）式中，λmax是A的最大特征根，W是对应的特征向量，所得到的向量W经归一化后就可作为权重向量。

层次分析法标度含义

第三步：一致性判断

在判断矩阵的构造中，要求判断矩阵是否满足大体上的一致性。方法如下:

CR=CI/RI（2）

（2）式中，CR为一致性比例。一致性指标CI=(λmax-n)/(n-1)RI为平均一致性指标，取值如下表所示。

平均随机一致性指标RI

矩阵阶数12345678

R.L000.520.891.121.261.361.41

当CR0.1时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的;

当CR或=0.1时，应该对判断矩阵作适当修正。

第四步：路径权重表达式

W=s/v s/v/w1(w2/q w6/W w7/m w8/c)（3）

q为路面质量，依据道路面类型由高到低分别赋值为(0.25、0.5、0.75、1);

w为气象条件，依据该气象条件下，人的适宜度由高到低赋(0-1)区间内实数;

m为实时路况信息，依据该条路段获得电台，网络等媒体的实时信息由低到高赋值(0-1)区间内的实数;

c为费用成本,为了保障避灾人员的生命财产安全我们在避灾过程中，应当尽量减少避灾行为造成的经济损失，我们就以(0-1)区间内的实数表示。

通过以上方法我们得到了路径的综合权值，而非单一的以路径长度所确定的权。这样我们即可基于这些路段的综合权值利用Dijkstra算法实现最优路径搜索。

最后利用ArcGIS的模型构建器，将编写好的路径优化分析模块和toolbox中的网络分析工具组成流程化处理的工具模型，从而得到避灾的最优化路径。

3.2研究步骤

（1）资料收集与分析：收集分析相关资料，包括防灾减灾和避灾路径相关理论和概念、课题研究的目的意义，国内外相关研究进展状况，论文实施的技术路线以及研究的内容方法。

（2）模型构建：基于灾害理论、GIS空间分析和路径分析等理论，设计避灾路径优化算法。

（3）程序编写和调试：针对所构建的模型进行部分模块程序编写。

（4）结束与展望：总结论文主要研究成果，分析指出不足之处，探讨进一步研究方向。

4. 参考文献

[1]徐波，郭竹梅.城市绿地的避灾功能及其规划设计研究[j].中国园林，2008，(12):56-59

[2]孙强，沈建华.顾君忠，等.求图中顶点之间所有最短路径的一种实用算法[j].计算机工程，2002，28(2):134~136.

[3]谢旭阳，任爱珠，周心权.高层建筑火灾最佳疏散路线的确定[j].自然灾害学报，2003，8(3):75~80.

5. 计划与进度安排

(1)接受任务，内容理解，指导教师讲解、讨论、阅读指导教师规定的文献，撰写开题报告（2022.3.17-2022.3.23）。

(2)收集相关参数，通过网络、期刊、报纸、书籍进行相关资料搜集（2022.3.24-2022.4.1）

(3)模型构建：基于gis空间分析方法和路径优化方法构建城市灾后疏避路径优化模型，（2022.4.2-2022.4.12）。