Date Log

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Analysis of Road Network Structure Using Scale-Free Network Theory in Context of Potential Fire Department Interventions in Urbanized Area
Corresponding Author(s) : Anna Maria Kowalczyk
Geomatics and Environmental Engineering,
Vol. 19 No. 3 (2025): Geomatics and Environmental Engineering
Abstract
Roads are essential to fire departments for saving lives and protecting health. The development of urban structures and the increasing complexity of transport systems necessitate the search for novel solutions and tools for spatial analyses in safety terms. This study aims to determine whether the city’s transport system network exhibits scale-free network characteristics and whether crucial center nodes can be identified for the efficient functioning of the entire system. The study developed two transport system network models: one based on the Topographic Objects Database, and the other on data from devices that record vehicle traffic at selected nodes. Both were found to follow the bell-shaped curve characteristic of random networks; however, the second network model differed significantly from the first model due to the identification of nodes that could potentially act as hubs in an emerging scale-free network. A simulation was conducted to model the impact of cutting off these crucial nodes (centers), with a visualization of the network structure’s behavior. In conclusion, using scale-free network theory to optimize FD operations is reasonable and useful. In this scenario, the transport system network displays scale-free characteristics, thus allowing for the identification of the most crucial functional points of the entire structure.
Keywords
Download Citation
Endnote/Zotero/Mendeley (RIS)BibTeX
- Kowalczyk A., Ołdak M., Markowski T., Żurawski M.: Klasyfikacja, oznaczenie i podział pojazdów pożarniczych. Standardy CNBOP-PIB: Ochrona Przeciwpożarowa, CNBOP-PIB-0026, Wydawnictwo Centrum Naukowo-Badawczego Ochrony Przeciwpożarowej im. Józefa Tuliszkowskiego – Państwowego Instytutu Badawczego, Józefów 2015. https://cnbop.pl/app/uploads/2024/12/cnbop-pib-0026-1.pdf [access: 20.10.2024].
- Ustawa z dnia 26 kwietnia 2007 r. o zarządzaniu kryzysowym. Dz.U. 2007 nr 89, poz. 590, t.j.: Dz.U. 2023 poz. 122 [Act of 26 April 2007 on crisis management. Journal of Laws of 2007 no. 89, item 590, consolidated text: Journal of Laws of 2023 item 122]. https://isap.sejm.gov.pl/isap.nsf/DocDetails.xsp?id=wdu20070890590 [access: 20.10.2024].
- Das D., Ojha A.K., Kramsapi H., Baruah P.P., Dutta M.K.: Road network analysis of Guwahati city using GIS. SN Applied Sciences, vol. 1(8), 2019, 906. https://doi.org/10.1007/s42452-019-0907-4.
- Parsakhoo A., Mostafa M.: Road network analysis for timber transportation from a harvesting site to mills (case study: Gorgan county – Iran). Journal of Forest Science, vol. 61(12), 2015, pp. 520–525. https://doi.org/10.17221/67/2015-JFS.
- GIS Państwowej Straży Pożarnej (Geoportal of the State Fire Service): Jednostki Ratowniczo Gasnicze PSP [map of location of firefighting and rescue units]. https://strazpozarna.maps.arcgis.com/apps/mapviewer/index.html?layers=2a200524224f424282d93e1066f7fc6e [access: 29.06.2024].
- Borowska-Stefańska M.: Dostępność transportowa od jednostek straży pożarnych do budynków zlokalizowanych na terenach zalewowych w powiecie zduńskowolskim. Biuletyn Szadkowski, t. 16, 2016, pp. 321–335. https://doi.org/10.18778/1643-0700.16.16.
- Barabási A.-L.: Linked: The New Science of Networks: How Everything is Connected to Everything Else and What It Means for Science, Business and Everyday Life. Perseus Publishing, Cambridge, MA, 2002.
- Bonacich P., Lu P.: Scale-Free Networks, [in:] Bonacich P., Lu P., Introduction to Mathematical Sociology, Princeton University Press, Princeton 2012, pp. 117–136. https://doi.org/10.1515/9781400842452-015.
- Broido A.D., Clauset A.: Scale-free networks are rare. Nature Communications, vol. 10, 2019, 1017. https://doi.org/10.1038/s41467-019-08746-5.
- Dorogovtsev S.N., Mendes J.F.F.: Evolution of Networks: From Biological Nets to the Internet and WWW. Oxford University Press, Oxford 2013. https://doi.org/10.1093/acprof:oso/9780198515906.001.0001.
- Saviotti P.P.: Knowledge Networks: Structure and Dynamics, [in:] Pyka A., Scharnhorst A. (eds.), Innovation Networks: New Approaches in Modelling and Analyzing, Springer, Berlin, Heidelberg 2009, pp. 19–41. https://doi.org/10.1007/978-3-540-92267-4_2.
- Kowalczyk K., Kowalczyk A.M., Rapiński J.: Identification of common points in hybrid geodetic networks to determine vertical movements of the Earth’s crust. Journal of Applied Geodesy, vol. 15(2), 2021, pp. 153–167. https://doi.org/10.1515/jag-2021-0002.
- Kocur-Bera K.: Scale-free network theory in studying the structure of the road network in Poland. Promet – Traffic & Transportation, vol. 26(3), 2014, pp. 235–242. https://doi.org/10.7307/ptt.v26i3.1316.
- Główny Urząd Statystyczny, Bank Danych Lokalnych (Statistics Poland, Local Data Bank). https://bdl.stat.gov.pl/bdl/dane/podgrup/temat [access: 29.06.2024].
- Czyża S., Kowalczyk A.M.: Applying GIS in blue-green infrastructure design in urban areas for better life quality and climate resilience. Sustainability, vol. 16(12), 2024, 5187. https://doi.org/10.3390/su16125187.
- Ustawa z dnia 17 grudnia 2021 r. o ochotniczych strażach pożarnych. Dz.U. 2021 poz. 2490 [Act of 17 December 2021 on voluntary fire services. Journal of Laws of 2021 item 2490. https://isap.sejm.gov.pl/isap.nsf/DocDetails.xsp?id=WDU20210002490 [access: 30.09.2024].
- Ustawa z dnia 24 sierpnia 1991 r. o ochronie przeciwpożarowej. Dz.U. 1991 nr 81, poz. 351 [Act of 24 August 1991 on fire protection. Journal of Laws of 1991 no. 81, item 351]. https://isap.sejm.gov.pl/isap.nsf/DocDetails.xsp?d=WDU19910810351 [access: 30.09.2024].
- Ustawa z dnia 24 sierpnia 1991 r. o Państwowej Straży Pożarnej. Dz.U. 1991 nr 88, poz. 400 [Act of 24 August 1991 on the State Fire Service. Journal of Laws of 1991 no. 88, item 400]. https://isap.sejm.gov.pl/isap.nsf/DocDetails.xsp?id=WDU19910880400 [access: 30.09.2024].
- Zarządzenie Nr 10 Komendanta Głównego Państwowej Straży Pożarnej z dnia 28 grudnia 2017 r. w sprawie sposobu przeprowadzania inspekcji gotowości operacyjnej podmiotów krajowego systemu ratowniczo-gaśniczego [Order No. 10 of the Master Commandant of the State Fire Service of 28 December 2017 on the manner of carrying out operational readiness inspections of entities of the national rescue and fire-fighting system]. https://edziennik.straz.gov.pl/legalact/2017/21/ [access: 30.10.2024].
- Urząd Miasta Olsztyna (City Council of Olsztyn): Osiedla, ulice i place w Olsztynie. May 18, 2023. https://umolsztyn.bip.gov.pl/otwarte-dane/375873_osiedla-ulice-i-place-w-olsztynie.html [access: 30.09.2024].
- Główny Urząd Geodezji i Kartografii (Head Office of Geodesy and Cartography): Ewidencja zbiorów i usług danych przestrzennych. https://integracja.gugik.gov.pl/eziudp [access: 30.09.2024].
- Geofabrik [shapefile data]. https://download.geofabrik.de/europe/poland.html [access: 30.09.2024].
- Państwowa Straż Pożarna w Olsztynie (State Fire Service in Olsztyn) [data on Fire Service interventions in Olsztyn, 2023, unpublished].
- Zarząd Dróg, Zieleni i Transportu w Olsztynie (Roads, Greenery, and Transport Authority in Olsztyn) [data on the number of passing vehicles, 2023, unpublished].
- Bajerowski T., Biłozor A.: Theory of Barabasi scale-free networks as a new tool in researching the structure and dynamics of regions. Studia Regionalia, vol. 15, 2005, pp. 45–56.
References
Kowalczyk A., Ołdak M., Markowski T., Żurawski M.: Klasyfikacja, oznaczenie i podział pojazdów pożarniczych. Standardy CNBOP-PIB: Ochrona Przeciwpożarowa, CNBOP-PIB-0026, Wydawnictwo Centrum Naukowo-Badawczego Ochrony Przeciwpożarowej im. Józefa Tuliszkowskiego – Państwowego Instytutu Badawczego, Józefów 2015. https://cnbop.pl/app/uploads/2024/12/cnbop-pib-0026-1.pdf [access: 20.10.2024].
Ustawa z dnia 26 kwietnia 2007 r. o zarządzaniu kryzysowym. Dz.U. 2007 nr 89, poz. 590, t.j.: Dz.U. 2023 poz. 122 [Act of 26 April 2007 on crisis management. Journal of Laws of 2007 no. 89, item 590, consolidated text: Journal of Laws of 2023 item 122]. https://isap.sejm.gov.pl/isap.nsf/DocDetails.xsp?id=wdu20070890590 [access: 20.10.2024].
Das D., Ojha A.K., Kramsapi H., Baruah P.P., Dutta M.K.: Road network analysis of Guwahati city using GIS. SN Applied Sciences, vol. 1(8), 2019, 906. https://doi.org/10.1007/s42452-019-0907-4.
Parsakhoo A., Mostafa M.: Road network analysis for timber transportation from a harvesting site to mills (case study: Gorgan county – Iran). Journal of Forest Science, vol. 61(12), 2015, pp. 520–525. https://doi.org/10.17221/67/2015-JFS.
GIS Państwowej Straży Pożarnej (Geoportal of the State Fire Service): Jednostki Ratowniczo Gasnicze PSP [map of location of firefighting and rescue units]. https://strazpozarna.maps.arcgis.com/apps/mapviewer/index.html?layers=2a200524224f424282d93e1066f7fc6e [access: 29.06.2024].
Borowska-Stefańska M.: Dostępność transportowa od jednostek straży pożarnych do budynków zlokalizowanych na terenach zalewowych w powiecie zduńskowolskim. Biuletyn Szadkowski, t. 16, 2016, pp. 321–335. https://doi.org/10.18778/1643-0700.16.16.
Barabási A.-L.: Linked: The New Science of Networks: How Everything is Connected to Everything Else and What It Means for Science, Business and Everyday Life. Perseus Publishing, Cambridge, MA, 2002.
Bonacich P., Lu P.: Scale-Free Networks, [in:] Bonacich P., Lu P., Introduction to Mathematical Sociology, Princeton University Press, Princeton 2012, pp. 117–136. https://doi.org/10.1515/9781400842452-015.
Broido A.D., Clauset A.: Scale-free networks are rare. Nature Communications, vol. 10, 2019, 1017. https://doi.org/10.1038/s41467-019-08746-5.
Dorogovtsev S.N., Mendes J.F.F.: Evolution of Networks: From Biological Nets to the Internet and WWW. Oxford University Press, Oxford 2013. https://doi.org/10.1093/acprof:oso/9780198515906.001.0001.
Saviotti P.P.: Knowledge Networks: Structure and Dynamics, [in:] Pyka A., Scharnhorst A. (eds.), Innovation Networks: New Approaches in Modelling and Analyzing, Springer, Berlin, Heidelberg 2009, pp. 19–41. https://doi.org/10.1007/978-3-540-92267-4_2.
Kowalczyk K., Kowalczyk A.M., Rapiński J.: Identification of common points in hybrid geodetic networks to determine vertical movements of the Earth’s crust. Journal of Applied Geodesy, vol. 15(2), 2021, pp. 153–167. https://doi.org/10.1515/jag-2021-0002.
Kocur-Bera K.: Scale-free network theory in studying the structure of the road network in Poland. Promet – Traffic & Transportation, vol. 26(3), 2014, pp. 235–242. https://doi.org/10.7307/ptt.v26i3.1316.
Główny Urząd Statystyczny, Bank Danych Lokalnych (Statistics Poland, Local Data Bank). https://bdl.stat.gov.pl/bdl/dane/podgrup/temat [access: 29.06.2024].
Czyża S., Kowalczyk A.M.: Applying GIS in blue-green infrastructure design in urban areas for better life quality and climate resilience. Sustainability, vol. 16(12), 2024, 5187. https://doi.org/10.3390/su16125187.
Ustawa z dnia 17 grudnia 2021 r. o ochotniczych strażach pożarnych. Dz.U. 2021 poz. 2490 [Act of 17 December 2021 on voluntary fire services. Journal of Laws of 2021 item 2490. https://isap.sejm.gov.pl/isap.nsf/DocDetails.xsp?id=WDU20210002490 [access: 30.09.2024].
Ustawa z dnia 24 sierpnia 1991 r. o ochronie przeciwpożarowej. Dz.U. 1991 nr 81, poz. 351 [Act of 24 August 1991 on fire protection. Journal of Laws of 1991 no. 81, item 351]. https://isap.sejm.gov.pl/isap.nsf/DocDetails.xsp?d=WDU19910810351 [access: 30.09.2024].
Ustawa z dnia 24 sierpnia 1991 r. o Państwowej Straży Pożarnej. Dz.U. 1991 nr 88, poz. 400 [Act of 24 August 1991 on the State Fire Service. Journal of Laws of 1991 no. 88, item 400]. https://isap.sejm.gov.pl/isap.nsf/DocDetails.xsp?id=WDU19910880400 [access: 30.09.2024].
Zarządzenie Nr 10 Komendanta Głównego Państwowej Straży Pożarnej z dnia 28 grudnia 2017 r. w sprawie sposobu przeprowadzania inspekcji gotowości operacyjnej podmiotów krajowego systemu ratowniczo-gaśniczego [Order No. 10 of the Master Commandant of the State Fire Service of 28 December 2017 on the manner of carrying out operational readiness inspections of entities of the national rescue and fire-fighting system]. https://edziennik.straz.gov.pl/legalact/2017/21/ [access: 30.10.2024].
Urząd Miasta Olsztyna (City Council of Olsztyn): Osiedla, ulice i place w Olsztynie. May 18, 2023. https://umolsztyn.bip.gov.pl/otwarte-dane/375873_osiedla-ulice-i-place-w-olsztynie.html [access: 30.09.2024].
Główny Urząd Geodezji i Kartografii (Head Office of Geodesy and Cartography): Ewidencja zbiorów i usług danych przestrzennych. https://integracja.gugik.gov.pl/eziudp [access: 30.09.2024].
Geofabrik [shapefile data]. https://download.geofabrik.de/europe/poland.html [access: 30.09.2024].
Państwowa Straż Pożarna w Olsztynie (State Fire Service in Olsztyn) [data on Fire Service interventions in Olsztyn, 2023, unpublished].
Zarząd Dróg, Zieleni i Transportu w Olsztynie (Roads, Greenery, and Transport Authority in Olsztyn) [data on the number of passing vehicles, 2023, unpublished].
Bajerowski T., Biłozor A.: Theory of Barabasi scale-free networks as a new tool in researching the structure and dynamics of regions. Studia Regionalia, vol. 15, 2005, pp. 45–56.