一种城市人员掩蔽工程布局合理性评估方法及系统

本发明涉及城市防灾规划与应急掩蔽设施评估，特别是一种城市人员掩蔽工程布局合理性评估方法及系统。

背景技术：

1、人员掩蔽工程是指为应对自然灾害、事故灾难等突发公共事件，供公众就近紧急掩蔽、保护人员生命安全的工程设施，通常包括结合民用建筑修建的地下掩蔽空间、地下应急避难所以及独立建设的公共掩蔽设施等。作为城市防灾掩蔽体系的核心组成部分，其空间布局是否科学合理、服务范围是否与实际可达范围吻合、工程容量供给是否与掩蔽人口需求相匹配，直接关系到突发事件下人员就近疏散掩蔽的可实现性与城市安全韧性水平。

2、在我国城市化进程持续加快的背景下，城市空间高强度开发、人口高度集聚已成为长期发展趋势。城市公共安全风险的多源性与复杂性，对人员掩蔽工程的空间布局提出了更高标准。当前，既有人员掩蔽工程的布局评价实践中，仍较大程度上依赖固定服务半径、静态人口数据与经验性判断。其中，以固定欧氏距离划定服务范围的方法虽然操作简便，却难以真实反映城市路网结构、天然或人工物理阻隔、人员掩蔽工程出入口实际分布等因素对步行可达性的约束，容易造成几何覆盖范围与实际可达空间之间的错位偏差。同时，基于静态常住人口的容量核算方式，无法刻画昼夜人口波动、跨区域通勤流动以及土地功能差异所导致的人口时空分布动态变化，往往引发部分区域掩蔽容量闲置与局部区域掩蔽容量缺口并存的供需错配问题，严重影响掩蔽设施配置的精准性与服务效能。

3、国内外学界围绕防灾掩蔽设施及应急避难设施的布局评价已开展了一系列研究。国内研究方面，学者们从工程配置形式、防护效率与等级配比等方面探讨了人员掩蔽工程的规划布局逻辑，总结了人员掩蔽工程需结合人口分布、交通条件与可达距离进行统筹布置的选址原则，并基于地理信息系统空间分析与层次分析法等构建了人员掩蔽工程选址适宜性评价模型，从选址优化、功能配置与平灾综合利用等角度提出了空间布局优化策略。国外相关研究则多依托应急避难设施布局评估范式，重点围绕服务面积覆盖率、服务人口匹配度、设施容量供给与空间重叠率等指标开展量化分析，为防护与掩蔽类设施的布局评价提供了方法参考。

4、尽管已有研究奠定了重要基础，但面向城市人员掩蔽工程的布局合理性评估，仍存在以下三方面明显技术短板：

5、一是可达性测度精度不足。现有方法多采用固定服务半径的几何覆盖法，未充分考虑城市真实步行路网、过街设施、封闭街区、地形高差等通行条件对可达范围的约束作用，使得所判定的服务范围与人员实际可到达的掩蔽区域存在显著偏差，无法支撑精细化的步行可达性评价。

6、二是供需匹配维度单一。传统人员掩蔽需求预测大多基于静态的常住人口统计数据，难以反映因昼夜人口移动、就学就医出行、商业活动集聚等导致的掩蔽需求时空动态变化，容易在通勤潮汐区域或功能复合地块出现容量供需错配，导致评估结果与实际掩蔽需求脱节。

7、三是系统性评价视角缺失。现有布局评价多聚焦于单体掩蔽工程的服务效能，而对相邻掩蔽工程之间的空间衔接关系、局部布局断裂带以及整体掩蔽网络的拓扑支撑结构关注不足，缺乏将工程归属、实际可达范围、动态供需匹配和工程间空间协作关系纳入统一框架的系统性综合判定手段。

8、综上，现有技术难以实现对城市人员掩蔽工程布局合理性的精准、动态、系统化评估。如何构建能够综合反映空间归属关系、真实路网约束的可达范围、多情景人口动态供需匹配以及工程间拓扑衔接特征的布局合理性评估方法，成为当前城市人防工程规划领域亟待解决的关键技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种城市人员掩蔽工程布局合理性评估方法及系统，通过构建“空间归属-时间可达-容量匹配-拓扑衔接”的四维分析框架，融合voronoi初始服务域划分、步行等时圈边界修正、多情景动态人口供需校核与delaunay拓扑衔接分析，实现对城市人员掩蔽工程布局合理性的精准、动态、系统化评估，从而精准识别布局盲区和供需错配，为工程补建与布局优化提供决策依据。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种城市人员掩蔽工程布局合理性评估方法，包括以下步骤：

3、步骤s1，动态防护人口需求预测：获取研究区域在在不同场景、不同时段防护需求的动态人口测算基数，对城市人口数量、空间位置和分布密度进行动态刻画；

4、步骤s2，基于泰森多边形voronoi图的初始服务域划分：以人员掩蔽工程节点为基础构建voronoi图，对各分析格网的初始服务归属关系进行划分，明确各人员掩蔽工程的空间服务归属关系；

5、步骤s3，基于步行等时圈的服务边界修正：以人员掩蔽工程的人员出入口为起点，基于真实城市路网构建规定时间阈值内的步行等时圈，对初始几何服务范围进行现实可达性修正，获得各人员掩蔽工程的现实可达服务边界；

6、步骤s4，多情景动态人口供需匹配分析：结合多情景人口分布数据与人员掩蔽工程有效容量，开展供需匹配分析，计算各人员掩蔽工程节点的可达需求、容量负荷率和溢出人口，以及各规划单元的容量缺口；

7、步骤s5，基于三角剖分delaunay的人员掩蔽工程群拓扑衔接性评价：以人员掩蔽工程点集为节点建立delaunay邻接网络，结合相邻人员掩蔽工程的等时圈服务域交叠关系，量化分析相邻人员掩蔽工程之间的服务衔接状态，识别拓扑衔接水平和布局薄弱环节；

8、步骤s6，布局合理性综合判定与优化策略生成：基于拓扑衔接-容量短板二维判定模型，对规划单元的布局类型进行分类，并针对不同布局类型生成差异化优化策略。

9、进一步地，步骤s1中，设研究区域在时刻的人口密度函数为，任意空间区域在时刻的动态人口规模表示为：

10、

11、其中，表示空间位置点；

12、第个人员掩蔽工程在时刻下的可达需求表示为：

13、

14、其中，表示第个人员掩蔽工程对应的voronoi服务域，表示第个人员掩蔽工程在时间阈值下的等时圈可达服务域，可达需求表示在时刻能够于规定时间内到达第个人员掩蔽工程的潜在人口规模；

15、第个人员掩蔽工程在时刻的瞬时溢出人口表示为：

16、

17、其中，表示第个人员掩蔽工程在时刻的有效服务能力。

18、进一步地，步骤s2中，设研究区域内既有人员掩蔽工程集合为：

19、

20、其中表示第个人员掩蔽工程，为人员掩蔽工程总数；

21、任一人员掩蔽工程对应的voronoi服务域表示为：

22、

23、其中，为研究区域，、分别表示空间位置点到第个人员掩蔽工程、第个人员掩蔽工程的距离。

24、进一步地，步骤s3中，设第个人员掩蔽工程的出入口集合为：

25、

26、其中表示第个人员掩蔽工程的第个出入口，为出入口总数；

27、第个人员掩蔽工程在时间阈值下的可达服务域定义为：

28、

29、其中，表示空间位置点沿真实城市路网到达人员掩蔽工程出入口的最短时间成本，τ为时间阈值参数。

30、进一步地，步骤s4中，定义节点容量负荷率为：

31、

32、其中，表示第个人员掩蔽工程在时刻下的容量负荷率，为用于避免分母为零的正数；

33、当时，表明第个人员掩蔽工程的有效服务能力能够满足可达需求；

34、当时，表明第个人员掩蔽工程存在容量压迫风险。

35、进一步地，步骤s4中，设第个规划单元在时刻下的动态掩蔽需求为：

36、

37、式中，表示规划单元在时刻下需要进行人员掩蔽的动态人口规模；

38、设规划单元内或主要服务于该规划单元的人员掩蔽工程集合为，第个人员掩蔽工程在时刻的有效服务能力为，则规划单元在时刻下的有效掩蔽容量表示为：

39、

40、规划单元在时刻下的容量缺口人口表示为：

41、。

42、进一步地，步骤s5中，基于人员掩蔽工程集合构建delaunay邻接网络，其中为满足delaunay空圆性质的邻接边集合；

43、设任意一对delaunay邻接人员掩蔽工程为、，分别为人员掩蔽工程、在时间阈值τ下的等时圈服务域，定义邻接人员掩蔽工程、的时间衔接状态为：

44、

45、其中表示邻接人员掩蔽工程、之间形成服务衔接，表示邻接人员掩蔽工程、之间存在服务衔接不足；

46、对任一delaunay三角单元，设边集合为，则该三角单元的拓扑衔接水平表示为：

47、

48、其中，用于表征第个delaunay三角单元内部相邻人员掩蔽工程之间的服务衔接程度，。

49、进一步地，步骤s6中，第个规划单元的拓扑衔接状态表示为：

50、

51、其中，为与规划单元相关的delaunay三角单元集合，表示集合中三角单元的数量，为第个delaunay三角单元的拓扑衔接水平，为拓扑衔接判定阈值；

52、表示总体形成服务衔接，表示存在拓扑衔接不足；

53、规划单元在时刻下的容量短板状态表示为：

54、

55、其中，表示规划单元的容量缺口人口，为规划单元内的人员掩蔽工程集合，表示第个人员掩蔽工程的瞬时溢出人口；表示存在容量短板，表示不存在容量短板；

56、规划单元在时刻下的布局类型表示为：

57、。

58、一种城市人员掩蔽工程布局合理性评估系统，该系统用于实现所述的城市人员掩蔽工程布局合理性评估方法，具体包括：

59、人口需求预测模块，用于获取研究区域在不同场景、不同时段防护需求的动态人口测算基数，对城市人口数量、空间位置和分布密度进行动态刻画；

60、初始服务域划分模块，用于以人员掩蔽工程节点为基础构建voronoi图，对各分析格网的初始服务归属关系进行划分；

61、服务边界修正模块，用于以人员掩蔽工程的人员出入口为起点，基于真实城市路网构建规定时间阈值内的步行等时圈，对初始几何服务范围进行现实可达性修正；

62、供需匹配分析模块，用于结合多情景人口分布数据与人员掩蔽工程有效容量开展供需匹配分析，计算各人员掩蔽工程节点的可达需求、容量负荷率和溢出人口，以及各规划单元的容量缺口；

63、拓扑衔接评价模块，用于以人员掩蔽工程点集为节点建立delaunay邻接网络，结合相邻人员掩蔽工程的等时圈服务域交叠关系，量化分析相邻人员掩蔽工程之间的服务衔接状态；

64、布局判定与优化模块，用于基于“拓扑衔接-容量短板”二维判定模型，对规划单元的布局类型进行分类并生成差异化优化策略。

65、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的城市人员掩蔽工程布局合理性评估方法的步骤。

66、本发明与现有技术相比，其显著优点为：

67、（1）本发明通过voronoi图实现工程初始服务域的客观划分，并以基于真实路网的步行等时圈替代传统固定服务半径，能够精准识别“几何邻近但时间不可达”的布局盲区，显著提升服务边界判定的现实贴合度；

68、（2）本发明采用动态人口数据替代静态常住人口开展容量校核，能够刻画人口时空波动带来的需求差异，有效规避“局部容量闲置与局部缺口并存”的供需错配问题；

69、（3）本发明基于三角剖分（delaunay）构建工程邻接拓扑关系，能够系统量化相邻工程的服务衔接状态、识别布局断裂带，实现从单体工程独立评价向工程群系统协同评价的方法拓展；

70、（4）本发明构建了“拓扑衔接-容量短板”二维判定模型，能够在规划单元尺度上区分不同短板来源（容量短板型、衔接短板型、综合短板型、布局合理型），为差异化优化策略制定提供定量化依据；

71、（5）本发明提出的“格网精细识别-规划单元汇总研判”的分级分析方式，可为新建、改扩建设人员掩蔽工程提供精准决策依据。