基于ISM二維云模型的應(yīng)急管理協(xié)同度研究*

王景春，林佳秀，張 法

(石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

0 引言

2018年3月，第十三屆全國人民代表大會提出將國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、國務(wù)院辦公廳、公安部、民政部、國土資源部等13個部門的相關(guān)職責(zé)進(jìn)行整合，成立中華人民共和國應(yīng)急管理部，推動形成統(tǒng)一指揮、專常兼?zhèn)洹⒎磻?yīng)靈敏、上下聯(lián)動、平戰(zhàn)結(jié)合的中國特色應(yīng)急管理體制，提高防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)能力，確保人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和社會穩(wěn)定[1]。2014年2月，習(xí)近平總書記提出推進(jìn)京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略要求，形成京津冀目標(biāo)同向、措施一體、優(yōu)勢互補(bǔ)、互利共贏的協(xié)同發(fā)展新格局[2]。可以說，應(yīng)急管理協(xié)同研究是符合新時代社會主義建設(shè)現(xiàn)實(shí)需求，促進(jìn)應(yīng)急管理與經(jīng)濟(jì)建設(shè)同步發(fā)展的重要課題。

目前，國內(nèi)學(xué)者對應(yīng)急管理協(xié)同度的研究多集中于應(yīng)急決策的科學(xué)性與應(yīng)急救援物資的系統(tǒng)性問題。高揚(yáng)[3]通過拓展多agent系統(tǒng)理論，研究了應(yīng)急管理決策過程中的推理方式，提高系統(tǒng)決策的適應(yīng)性和有效性；趙林度[4]提出了“應(yīng)激-應(yīng)急-應(yīng)變”和“學(xué)習(xí)-應(yīng)急-協(xié)同”的決策模式，從能量的角度梳理城市群應(yīng)急決策過程；王興鵬等[5]通過知識協(xié)同理論將應(yīng)急管理各主體之間進(jìn)行有效聯(lián)系，研究跨區(qū)域突發(fā)事件的響應(yīng)問題。綜合上述成果可以發(fā)現(xiàn)，總體上均是基于響應(yīng)階段鏈?zhǔn)綉?yīng)急決策流程進(jìn)行的相關(guān)研究，但實(shí)際上影響應(yīng)急管理協(xié)同效果的因素是錯綜復(fù)雜的，故梳理應(yīng)急管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型和各要素之間的遞階關(guān)系將是協(xié)同度研究的重要方向之一。本文提出應(yīng)用ISM二維云模型進(jìn)行應(yīng)急管理協(xié)同度研究，而協(xié)同度指標(biāo)體系的建設(shè)和權(quán)重分析充分考慮了應(yīng)急管理各因素之間的層間遞進(jìn)關(guān)系，力求最大限度符合應(yīng)急管理系統(tǒng)的實(shí)際特征；在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用二維云模型進(jìn)行協(xié)同度評價，處理預(yù)防階段和響應(yīng)階段協(xié)同度指標(biāo)模糊性與不確定性的問題，兼顧應(yīng)急管理復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)值特征與結(jié)構(gòu)特征。

1 協(xié)同指標(biāo)體系建立和權(quán)重分析

1.1 解釋結(jié)構(gòu)模型

解釋結(jié)構(gòu)模型(ISM)是一種應(yīng)用面十分廣泛的結(jié)構(gòu)模型化方法，用于把一些模糊不清的思想、見解轉(zhuǎn)化為通透直觀的具有良好結(jié)構(gòu)關(guān)系的模型[6]。通過數(shù)學(xué)方法計(jì)算復(fù)雜系統(tǒng)中各要素之間的邏輯關(guān)系，創(chuàng)建由節(jié)點(diǎn)和有向邊組成的結(jié)構(gòu)模型，描述系統(tǒng)內(nèi)部的遞階層次和因果關(guān)系[7]。鄰接矩陣A用于表示系統(tǒng)元素兩兩之間的影響關(guān)系，表示為

其中，αij為因素ai對aj的影響程度，可分為(無、弱、一般、較強(qiáng)、強(qiáng))5個等級，對應(yīng)取值為(0、1、2、3、4)，當(dāng)i=j時，aij=0[8]。按照式(1)和式(2)對鄰接矩陣A進(jìn)行運(yùn)算，分別構(gòu)建直接影響矩陣B和綜合影響矩陣C。

(1)

C=B+B2++Bn≈B(I-B)-1

(2)

根據(jù)綜合影響矩陣C計(jì)算表征ai結(jié)構(gòu)特征的4個概念：影響度fi、被影響度ei、中心度Mi、原因度Ni，如圖1所示。fi表示ai對U=(a1，a2，，an)的綜合影響程度，如式(3)所示；ei表示U對ai的綜合影響程度，如式(4)所示；Mi表示ai對U的影響程度與受U影響程度的綜合結(jié)果，能夠代表ai的重要程度，Mi越大，ai越重要，如式(5)所示；Ni表示ai對U的凈影響程度，當(dāng)Ni≥0時，表示ai對U的影響程度大，為原因因素，而當(dāng)Ni<0時，表示U對ai的影響程度大，為結(jié)果因素，如式(6)所示。

(3)

(4)

Mi=fi+eii=1,2,,n

(5)

Ni=fi-eii=1,2,,n

(6)

圖1 fi,ei,Mi,Ni示意Fig.1 Diagram of fi,ei,Mi,Ni

根據(jù)式(7)計(jì)算整體影響矩陣D，I為單位矩陣。選取適當(dāng)?shù)拈撝郸耍瑧?yīng)用式(8)計(jì)算可達(dá)矩陣E。對可達(dá)矩陣進(jìn)行層級劃分，比較可達(dá)矩陣E中第i行和第i列中元素為1的集合。當(dāng)?shù)趇行中元素1按主對角線做對稱，落在第i列對應(yīng)位置的元素都為1時，定義ai是位于高層級的致因因素，劃除ai。如此循環(huán)，直至沒有符合條件的因素可做進(jìn)一步劃除，得到由高層次到低層次的影響因素遞階層次圖。

D=I+C

(7)

(8)

1.2 遞階中心度權(quán)重法

目前求取權(quán)重的方法主要有層次分析法、熵權(quán)法等，這些方法往往獨(dú)立于主計(jì)算模型且主觀性較強(qiáng)。本文提出1種遞階中心度權(quán)重法，在ISM方法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步挖掘，同時考慮影響因素的重要度和結(jié)構(gòu)度，運(yùn)算量小且主觀程度較低。將因素的遞階層級作為影響系數(shù)納入權(quán)重計(jì)算公式，如式(9)～(10)所示。

(9)

式中：Li為因素ai所在結(jié)構(gòu)模型層級系數(shù)。

(10)

式中：Wi為因素ai的權(quán)重。

1.3 應(yīng)急管理協(xié)同指標(biāo)體系及權(quán)重分析

應(yīng)急管理的主要任務(wù)是處理復(fù)雜社會系統(tǒng)中發(fā)生的一系列突發(fā)事故，使事件的發(fā)展趨勢向預(yù)期可控的方向發(fā)展，達(dá)到消除危機(jī)、減小損失的目的[9]。進(jìn)行預(yù)防準(zhǔn)備、預(yù)警預(yù)測、響應(yīng)控制、資源協(xié)調(diào)、搶險(xiǎn)救援、信息管理、善后恢復(fù)等工作。優(yōu)質(zhì)的應(yīng)急管理過程應(yīng)為各應(yīng)急主體相互協(xié)同，連接成1種專業(yè)化、信息化、智能化的處置網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)急管理系統(tǒng)的協(xié)同度除要考慮政府縱向部門之間的聯(lián)系以外，政府與公眾、媒體等其他組織的聯(lián)系，以及區(qū)域之間的橫向聯(lián)系同樣至關(guān)重要。從應(yīng)急組織、應(yīng)急信息、應(yīng)急物資和應(yīng)急機(jī)制4方面討論應(yīng)急管理系統(tǒng)協(xié)同度的影響因素，并根據(jù)應(yīng)急管理流程和相關(guān)文獻(xiàn)[10-11]進(jìn)一步細(xì)分為政府協(xié)同決策、救援隊(duì)伍、志愿者服務(wù)等17項(xiàng)2級評價指標(biāo)，如表1所示。

表1 協(xié)同度影響因素Table 1 Influence Factors of coordination degree

計(jì)算直接影響矩陣A、影響度fi、被影響度ei、中心度Mi和原因度Ni。劃分原因因素和結(jié)果因素。觀察整體影響矩陣D，以0.05為步長選取閾值λ=[0.05，0.1,0.15,0.2，0.25]進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)λ=0.15時，得到影響因素遞階層次圖，如圖2所示。

圖2 影響因素遞階層次Fig.2 Hierarchical map of influencing factors

結(jié)果因素為{a2,a3,a5,a8,a9,a10,a11,a15}，原因因素為{a1,a4,a6,a7,a12,a13,a14,a16,a17}，與前文所述原因度Ni確定的原因因素吻合率達(dá)到100%。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)λ=[0.05,0.1,0.15,0.2,0.25]時，吻合率分別為(56.25%,69.2%,100%,55.6%,44.4%)，如圖3所示。觀察圖3，選取閾值λ=0.15，應(yīng)用遞階中心度法計(jì)算原因因素的權(quán)重，如下所示：{0.049，0.084，0.05，0.178，0.169，0.116，0.096，0.092，0.166}

圖3 閾值吻合度Fig.3 Anastomosis degree of threshold

2 基于二維云模型的協(xié)同度評價

2.1 云模型

定義1個定量論域U，C是U上元素的定性表達(dá)，若x∈U，且x是C的1次隨機(jī)實(shí)現(xiàn)，隸屬度μ(x)∈[0,1]是x對C具有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)，則稱x在U上的分布形式為云，x是組成云分布中的任意1個云滴[12-13]。期望Ex、熵En和超熵He可以表征云分布的模糊性與隨機(jī)性，期望Ex最能代表云的定性特征；熵En是定性特征不確定性的度量；超熵He是熵En的熵，由熵的隨機(jī)性和模糊性共同決定。

2.2 二維云

二維云模型由2個一維云合成得到，用來綜合描述2個因素共同作用下的隨機(jī)性與模糊性問題。設(shè)F為服從正態(tài)分布的二維隨機(jī)函數(shù)，Ex和Ey為期望值，Enx和Eny為標(biāo)準(zhǔn)差，滿足式(11)。則云滴drop(xi,yi,μi)構(gòu)成的云模型為二維正態(tài)云模型[14]。

(11)

式中：xi和yi為云滴坐標(biāo)；Pxi和Pyi為條件云滴坐標(biāo)；He為超熵；μi為隸屬度。

2.3 協(xié)同云

分析應(yīng)急管理預(yù)防和響應(yīng)2個階段，選取每個評價指標(biāo)的雙階段特征值作為協(xié)同云的2組基礎(chǔ)變量。邀請相關(guān)專家進(jìn)行打分，采取十分制，規(guī)定分值精度為0.1。每個評價指標(biāo)的預(yù)防階段和響應(yīng)階段分值分別形成1個云滴，組成該指標(biāo)的預(yù)防云和響應(yīng)云，統(tǒng)稱為2級云。應(yīng)用逆向云發(fā)生器生成預(yù)防云和響應(yīng)云特征數(shù)字(Ex,En,He)。如式(12)所示[15]。

(12)

式中：Ex為樣本期望；q為樣本數(shù)量；xk為第k位專家打分值；En為熵；He為超熵；S2為樣本方差。

將2級預(yù)防云矩陣、2級響應(yīng)云矩陣分別與2級權(quán)重矩陣進(jìn)行合成運(yùn)算，得到1級預(yù)防云數(shù)字特征和1級響應(yīng)云數(shù)字特征。合成運(yùn)算如式(13)所示。

(13)

式中：Ex′、En′和He′分別為1級云的期望、熵和超熵。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)云

(14)

表2 協(xié)同等級數(shù)字特征Table 2 Digital feature of synergetic level

2.5 協(xié)同云圖

利用正向云發(fā)生器生成協(xié)同云圖，對1級協(xié)同云與標(biāo)準(zhǔn)云進(jìn)行分析比較，初步得出應(yīng)急管理系統(tǒng)的整體協(xié)同度等級；同時對各級指標(biāo)協(xié)同云與標(biāo)準(zhǔn)云進(jìn)行比較，得出各協(xié)同指標(biāo)等級。

2.6 相近度

考慮各指標(biāo)的評價結(jié)果存在相似性，僅從云圖上無法直接辨別協(xié)同等級，應(yīng)用式(15)計(jì)算協(xié)同云與標(biāo)準(zhǔn)云的相近度，確定協(xié)同等級。

(15)

3 京津冀應(yīng)急管理協(xié)同度評價

北京、天津、河北獨(dú)具特色的嵌套型地理位置和協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，使得京津冀應(yīng)急管理協(xié)同合作成為必然選擇。石羊溝山洪災(zāi)害應(yīng)急救援便是京津冀協(xié)同應(yīng)急救援的1個典型案例。2017年6月18日，北京市門頭溝齋堂地區(qū)發(fā)生強(qiáng)降雨，而與此同時，其上游的河北省懷來縣孫莊子鄉(xiāng)麻黃峪村一帶突降特大暴雨，上游來水導(dǎo)致石羊溝爆發(fā)山洪泥石流，12人被困。北京市政府、河北省政府組織現(xiàn)場救援，國家級應(yīng)急救援專業(yè)力量和百靈、藍(lán)天等社會救援組織參與救援救災(zāi)，北京林業(yè)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)入現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警研究。石羊溝山洪災(zāi)害反映出突發(fā)事件的流動性、跨區(qū)域性和邊界滲透性等特點(diǎn)。目前京津冀應(yīng)急管理協(xié)同聯(lián)動機(jī)制正處于不斷完善階段，3地的協(xié)同合作多為政府高層互訪和集體協(xié)商，各項(xiàng)政策協(xié)議、應(yīng)急預(yù)案、法律法規(guī)等的協(xié)同效果仍有待實(shí)踐檢驗(yàn)，具體如表3所示[16]。

表3 京津冀協(xié)同應(yīng)急管理現(xiàn)狀Table 3 Situation of Beijing Tianjin Hebei coordinated emergency management

根據(jù)京津冀協(xié)同應(yīng)急管理現(xiàn)狀對京津冀應(yīng)急管理各項(xiàng)指標(biāo)的預(yù)防等級和響應(yīng)等級進(jìn)行打分，結(jié)果如表4所示。運(yùn)用式(12)計(jì)算每個2級指標(biāo)的協(xié)同云數(shù)字特征，結(jié)果如表5所示。根據(jù)式(13)分別對2級協(xié)同云數(shù)字特征與2級權(quán)重矩陣進(jìn)行合成計(jì)算，得到1級協(xié)同云數(shù)字特征：預(yù)防階段(6.51,0.52,0.17)；響應(yīng)階段(5.78,0.46,0.16)。

表4 預(yù)防等級和響應(yīng)等級分值Table 4 Scores of prevention grade and response grade

注：xi為預(yù)防階段分值，yi為響應(yīng)階段分值

表5 協(xié)同云數(shù)字特征Table 5 Digital features of collaborative cloud

應(yīng)用正向云發(fā)生器生成1級協(xié)同云與標(biāo)準(zhǔn)云，如圖4所示；為明確各級指標(biāo)的協(xié)同程度，示例性選取U7，U13，U17生成2級協(xié)同云與標(biāo)準(zhǔn)云對比云圖，如圖5所示。應(yīng)用式(15)計(jì)算各級協(xié)同云的相近度，得到各級協(xié)同云等級。經(jīng)本文模型計(jì)算，京津冀應(yīng)急管理綜合協(xié)同度等級為良，基本滿足京津冀區(qū)域突發(fā)事件應(yīng)急管理協(xié)同聯(lián)動要求，但仍有持續(xù)改進(jìn)空間。可通過觀察各2級指標(biāo)對比云圖，進(jìn)一步分析京津冀應(yīng)急管理系統(tǒng)存在的短板問題，據(jù)此提出針對性的對策建議。

1)據(jù)U7評價結(jié)果可知，京津冀橫向信息交互程度僅為合格，需加大3地政府間的橫向溝通合作。目前京津冀3地政府就應(yīng)急管理協(xié)同工作簽訂了一系列文件，逐步建立應(yīng)急協(xié)同聯(lián)動機(jī)制，但現(xiàn)有京津冀應(yīng)急管理橫向合作多為高層互訪和集體協(xié)商，更深層次、更高水平、更精細(xì)化、更規(guī)范化的應(yīng)急管理橫向合作亟待建立。

2)據(jù)U13評價結(jié)果可知，京津冀應(yīng)急預(yù)案協(xié)同等級為中，且在預(yù)防階段的應(yīng)用程度要優(yōu)于響應(yīng)階段。部分城市的應(yīng)急預(yù)案仍缺少操作性，進(jìn)而影響預(yù)案協(xié)同的整體效果，要想提高突發(fā)事件的應(yīng)急救援效率與標(biāo)準(zhǔn)化水平，需進(jìn)一步提高應(yīng)急預(yù)案的可行性、穩(wěn)定性與容錯率，可通過“雙盲”的預(yù)案演練提高應(yīng)急演練的真實(shí)性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)事故應(yīng)急救援的“有案可依、有案必依”。

3)據(jù)U17評價結(jié)果可知，京津冀應(yīng)急管理科技支撐能力為優(yōu)，但表現(xiàn)為響應(yīng)階段的科技支撐能力略優(yōu)于預(yù)防階段。隨著相關(guān)應(yīng)急科研攻關(guān)課題的推出，一大批科技成果得到轉(zhuǎn)化，許多先進(jìn)、實(shí)用的救援技術(shù)和救援裝備器材在事故應(yīng)急響應(yīng)過程中發(fā)揮了巨大的積極作用。2018年5月，中華人民共和國應(yīng)急管理部推進(jìn)了安全科技支撐平臺建設(shè)，提高新科技、新技術(shù)在災(zāi)害防控、監(jiān)管監(jiān)察等方面的應(yīng)用，支撐京津冀應(yīng)急管理預(yù)防階段協(xié)同工作系統(tǒng)的完善和發(fā)展。

圖4 1級協(xié)同云Fig.4 First level collaborative cloud

圖5 U7、U13、U17協(xié)同云Fig.5 Collaborative cloud of U7、U13、U17

4 結(jié)論

1)提出應(yīng)用ISM模型構(gòu)建應(yīng)急管理協(xié)同度評價指標(biāo)體系，通過梳理各因素之間的遞階層次關(guān)系，鎖定應(yīng)急管理復(fù)雜系統(tǒng)中的原因因素作為二維云模型的協(xié)同度指標(biāo)體系。

2)提出1種遞階中心度法，用于求取各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。該方法既考慮了指標(biāo)因素的中心度，又兼顧了該因素在結(jié)構(gòu)模型中的縱向因果地位，更加貼近應(yīng)急管理系統(tǒng)復(fù)雜的運(yùn)行機(jī)制。

3)提出應(yīng)用二維云模型進(jìn)行京津冀應(yīng)急管理協(xié)同度的探索性研究，從預(yù)防階段和響應(yīng)階段2個角度分析相關(guān)應(yīng)急管理現(xiàn)狀，借助二維云模型完成定性因素定量化和量化結(jié)果定性表達(dá)2個過程。最后，依托京津冀應(yīng)急管理協(xié)同度和2級指標(biāo)協(xié)同度評價云圖，提出相應(yīng)的對策和建議。