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地震是对人类生存安全危害最大的自然灾害之一。近年来,国内外强烈地震(2008年5月12日汶川8.0级地震、2010年1月12日海地7.3级地震、2010年2月27日智利8.8级地震、2010年4月14日玉树7.1级地震)不断发生,不仅造成了大量的人员伤亡和经济损失,而且也造成了城市的破坏,严重影响了城市可持续发展。21世纪初,随着我国城市化进程进入关键阶段,考虑到我国严重的历史地震灾害背景,城市所面临的地震安全形势也日益严峻,通过抗震防灾规划保障城市的抗震安全,科学、和谐、可持续发展已经极为迫切。随着《城市抗震防灾规划标准》,《城镇综合防灾规划标准》和《城镇防灾避难场所设计规范》等新一批国家技术规范标准的逐步颁布实施,我国进入了新一轮的城市抗震防灾规划的研究和编制时期。因此,开展城市抗震防灾规划相关支撑技术研究具有重要的理论意义和工程应用价值。
城市抗震防灾规划作为一个复杂的系统,基础研究包含了城市用地抗震与土地利用防灾适宜性评价、建筑物抗震性能评价、基础设施抗震性能评价、防止地震次生灾害评价、避震疏散规划以及城市抗震防灾能力综合评价等多个专题。由于研究内容涉及面较广且具有多学科交叉的特点,因此构建和完善城市抗震防灾规划这一复杂系统的评价理论与方法体系,极具挑战性。
基于此,本文以复杂性理论为基础,立足于建立完整的支撑城市抗震防灾规划相关评价的新方法体系,选取当前城市抗震防灾规划相关评价研究中若干关键问题,主要做了以下几个方面研究:
(1)用地抗震与防灾适宜性评价:考虑场地土模糊性和随机性特征,建立了基于二维多规则云模型定性推理的场地连续化分类方法,克服了场地分类与特征周期或反应谱的粗糙、跳跃与不连续性等问题;为解决主要影响因素限定性问题,提出了基于GD—FNN的土地利用防灾适宜性评价模型和分析技术路线,并编制了可视化操作界面计算程序。
(2)建筑物抗震性能评价:考虑基于性能设计的位移和能量等多种因素,建立了基于集对分析理论的重要建筑物结构地震损伤综合评估方法;考虑建筑物震害范例库动态变化的特点,建立了基于范例推理的群体建筑物震害预测方法。
(3)生命线系统抗震性能评价:研究了多因素共同作用下基于人工神经网络模型和正交试验组合的地下管道抗震性能影响因素敏感性分析方法;通过足尺试验,研究了承插式埋地给水管道接口抗震性能相关参数,并探讨了基于规范的地下管道抗震可靠性指标的优化算法,为地下管道抗震设计提供了基础。
为解决基础资料信息残缺或数据繁杂,存在大量冗余信息和噪声数据干扰等问题,分别建立了不完备信息条件下基于粗糙集的生命线工程震害预测方法和冗余信息条件下基于粗集-神经网络耦合的生命线工程震害预测方法;同时,利用属性层次模型和数理统计方法建立生命线工程地震风险指数实用算法。
针对大型生命线网络可靠度求解存在的NP—Hard问题,利用直接不交化和信息交互式发送的思想,基于宽度优先和最短距优先的网络拓展原则,提出了一种生命线工程网络抗震性能评价的直接不交最小路算法,并编制了可视化界面计算程序。
(4)地震次生灾害危险性评价:考虑城市规划影响因素,从地震次生火灾危险性、易损性和防灾减灾能力三个层面建立了地震次生火灾风险综合评价技术;同时,构建了基于GA、K-CV和PSO三种优化支持向量分类机(SVC)参数的地震次生地质灾害危险性评价方法和基于模糊积分信息融合的地震次生地质灾害危险性区划多分类器模型,提高了地震次生地质灾害危险性区划的准确性。
(5)城市避震疏散规划:系统地建立了综合多准则决策的避震疏散场所选址的时间满意覆盖模型、模糊多目标避震疏散优化分派模型和震时不确定环境下交通最优路径选择随机模型,为城市避震疏散规划提供了理论支撑。
(6)城市抗震防灾能力评价:从城市局部和整体角度为出发点,建立了基于NACA的城市地震灾害风险定量评价普适模型和基于SA-PPE耦合模型的城市灾害综合承载能力评价方法。