基于AHP-熵物元的地震安全社區(qū)應(yīng)急管理評價*

王海飆，徐文靜

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

我國地處世界兩大地震帶之間，地殼活躍，有一半以上的城市位于地震基本烈度7度或7度以上，城市社區(qū)人口、財富高度密集，是受地震災(zāi)害嚴(yán)重威脅的承災(zāi)體之一，近十年地震給我國造成巨大損失。面對嚴(yán)峻的地震災(zāi)害，2009年中國地震局聯(lián)合大連市提出建立“地震安全社區(qū)”理念，從社區(qū)規(guī)劃設(shè)計階段開始，將地震安全社區(qū)理念貫徹于工程施工和后期社區(qū)運(yùn)維管理的全過程，最大限度地減輕地震災(zāi)害損失[1]。但是目前地震安全社區(qū)的建設(shè)還未形成建設(shè)規(guī)范和管理評價標(biāo)準(zhǔn)，對完善地震安全社區(qū)理念和全國范圍的建設(shè)推廣十分不利[2]。要徹底解決“減輕和預(yù)防地震災(zāi)害”的問題,必須依靠土木工程的方法并輔之以其他災(zāi)前和災(zāi)后的防震減災(zāi)措施[3]。應(yīng)急管理作為典型的災(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)后三階段管理模式，是減輕地震損失、保障社區(qū)居民安全的有效防災(zāi)措施。在提高地震安全社區(qū)減災(zāi)綜合效益的前提下，對地震安全社區(qū)應(yīng)急管理做出科學(xué)合理的評價尤為重要。

在災(zāi)害管理評價方面，眾多學(xué)者已有所研究，謝禮立[4]為提升城市防震減災(zāi)決策水平，首次從人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失和震后恢復(fù)時間3個方面建立城市防震減災(zāi)能力評價體系；陳文濤[5]在充分分析總結(jié)我國應(yīng)急體系建設(shè)和社區(qū)應(yīng)急實(shí)際情況的基礎(chǔ)上建立社區(qū)災(zāi)害應(yīng)急能力評價體系；張勤[6]為找出社區(qū)地震應(yīng)急工作中的不足，運(yùn)用層次分析法建立社區(qū)地震應(yīng)急能力評價指標(biāo)體系；吳曉濤[7]重視災(zāi)害發(fā)生前的應(yīng)急準(zhǔn)備工作，針對社區(qū)應(yīng)急準(zhǔn)備工作構(gòu)建了社區(qū)應(yīng)急準(zhǔn)備能力評估體系；任國友[8]通過對比研究汶川等幾次大地震中災(zāi)害情況，找出地震應(yīng)急準(zhǔn)備能力關(guān)鍵因素并提出改進(jìn)對策；鄒清明[9]對城市社區(qū)應(yīng)急管理脆弱性進(jìn)行研究，建立城市社區(qū)脆弱性評價指標(biāo)體系。通過文獻(xiàn)搜集發(fā)現(xiàn)，目前我國學(xué)術(shù)界在地震安全社區(qū)應(yīng)急管理評價方面的研究尚較少，且評價方法較為單一，主要以層次分析和模糊評價為主。物元模型能夠定性和定量地對事物、特征、量值三者之間的關(guān)系及其變化進(jìn)行分析，是研究受復(fù)雜因素影響問題的形式化工具，通過待評物元各特征指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性得到研究對象的薄弱環(huán)節(jié)和綜合評價結(jié)果，其在多領(lǐng)域的評價研究取得了較好的評價效果，本文將物元模型運(yùn)用到應(yīng)急管理評價中，擬為日后社區(qū)應(yīng)急管理評價提供方法參考和借鑒。

1 地震安全社區(qū)應(yīng)急管理評價指標(biāo)選取

由于各省份經(jīng)濟(jì)水平、地理位置、人口結(jié)構(gòu)不同，要建立適合全國地震安全社區(qū)應(yīng)急管理的評價指標(biāo)體系不僅要從應(yīng)急管理時間維度上考量，還要結(jié)合社區(qū)應(yīng)急設(shè)防和當(dāng)?shù)厣鐣h(huán)境，同時依據(jù)《國務(wù)院辦公室關(guān)于加強(qiáng)基層應(yīng)急管理工作的意見》和《地震安全示范社區(qū)管理暫行辦法》等文件資料，從系統(tǒng)工程角度出發(fā)，分析應(yīng)急管理各階段互相影響、互相制約的因素，本文選取地震安全社區(qū)前期規(guī)劃到后期管理運(yùn)行的具有代表性、獨(dú)立性的4個一級指標(biāo)和17個二級指標(biāo)構(gòu)成評價體系，見表1。

表1 評價指標(biāo)體系與指標(biāo)權(quán)重及評分Table 1 Evaluation index system, index weight and score

1)社區(qū)應(yīng)急準(zhǔn)備。地震安全社區(qū)前期的規(guī)劃建設(shè)屬于可控的應(yīng)急預(yù)防準(zhǔn)備階段，動態(tài)性影響因素較少，主要選取社區(qū)居民建筑抗震等級、避難場所及應(yīng)急基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)急組織設(shè)立及培訓(xùn)、應(yīng)急教育及預(yù)案演練、應(yīng)急資金投入為二級指標(biāo)。預(yù)防準(zhǔn)備階段也是災(zāi)害減緩的過程，傳統(tǒng)的“小震不壞，中震可修，大震不倒”是最基本的設(shè)防目標(biāo)，地震安全社區(qū)理念中的建筑抗震設(shè)防達(dá)8度，采用的耗能減震新技術(shù)以及居戶“安全島”避難空間等應(yīng)急空間設(shè)計直接影響地震傷亡率。城市受土地因素制約，超高層小區(qū)已成為城市主流，應(yīng)急避難空間及應(yīng)急基礎(chǔ)設(shè)施是評估應(yīng)急準(zhǔn)備階段關(guān)鍵影響因素。

2)社區(qū)應(yīng)急響應(yīng)。應(yīng)急響應(yīng)過程與應(yīng)急準(zhǔn)備相比復(fù)雜多變，遇到破壞性地震，應(yīng)急響應(yīng)過程可控性較弱，社區(qū)內(nèi)部首先要自救互救，然后與外界協(xié)同應(yīng)對。在GIS和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下，社區(qū)應(yīng)急組織在社區(qū)應(yīng)急響應(yīng)中的預(yù)警、指揮、救援等任務(wù)更加智能化[10-12]。應(yīng)急響應(yīng)能力大小直接影響災(zāi)時應(yīng)急效率，地震一旦發(fā)生，必定會擾亂居民正常判斷能力，該情況下社區(qū)應(yīng)急組織必須根據(jù)地震震級大小啟動不同級別的應(yīng)急預(yù)案，在地震逃生黃金時間內(nèi)及時做出地震預(yù)警和應(yīng)急指揮，疏散居民到應(yīng)急避難場所。

3)社區(qū)災(zāi)后恢復(fù)。地震引發(fā)的直接災(zāi)害、衍生災(zāi)害是阻礙災(zāi)后恢復(fù)的主要難題，社區(qū)內(nèi)的生命線工程癱瘓導(dǎo)致社區(qū)停滯運(yùn)轉(zhuǎn)，社區(qū)恢復(fù)過程可在BIM建筑信息技術(shù)監(jiān)測功能下聯(lián)動政府部門，在災(zāi)后及時對生命線工程檢查維修以及建筑安全測評[13]。根據(jù)震情不同對災(zāi)民進(jìn)行有序安置，受災(zāi)嚴(yán)重時要在政府指導(dǎo)下開展長期的恢復(fù)重建工作。

4)社會環(huán)境因素。在分析影響社區(qū)應(yīng)急管理因素時，社會環(huán)境作為潛在因素容易被忽視，城市整體應(yīng)急能力水平高低與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展、城市以往地震經(jīng)歷、城市應(yīng)急文化建設(shè)、居民文化素養(yǎng)以及社區(qū)老齡化人口比例等社會環(huán)境影響因素有關(guān)，邢娟娟提出抗震減災(zāi)不僅要發(fā)展經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)，也要加強(qiáng)應(yīng)急文化建設(shè)才能更好推動以人為本的社會管理科學(xué)的發(fā)展[14]。我國各省份地震應(yīng)急系數(shù)不同，大致呈東部高、西部低趨勢[15]。根據(jù)不同地區(qū)的地震應(yīng)急系數(shù)，政府應(yīng)急部門加強(qiáng)應(yīng)急文化建設(shè)，進(jìn)而提高我國基層地震應(yīng)急管理水平。

2 確定指標(biāo)權(quán)重系數(shù)

指標(biāo)權(quán)重的確定與模型綜合評價結(jié)果密切相關(guān)，為使評價結(jié)果更能反應(yīng)研究對象的實(shí)際狀況，在充分利用專家經(jīng)驗和避免主觀賦權(quán)片面性的基礎(chǔ)上，采用AHP—熵權(quán)組合法優(yōu)化指標(biāo)權(quán)重。

2.1 AHP法確定指標(biāo)權(quán)重

層次分析法(AHP)在目標(biāo)準(zhǔn)則下將權(quán)重計算過程分解為遞階層次結(jié)構(gòu)，按照T. L. Satty氏 1—9標(biāo)度法(見表2)對元素進(jìn)行兩兩比較構(gòu)造判斷矩陣，根據(jù)判斷矩陣得到各指標(biāo)權(quán)重。在計算出各矩陣特征值λmax基礎(chǔ)上得到判斷矩陣的一致性指標(biāo)(CI)、一致性比率(CR)，并對CR進(jìn)行一致性檢驗，若一致性比率CR小于0.1則通過一致性檢驗。

表2 層次分析法標(biāo)度及其含義Table 2 Analytic hierarchy process scale and its meaning

注：i與j比較得到數(shù)值aij，則j與i比較得到比較值1/aij

2.2 熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重

該模型中熵權(quán)是專家根據(jù)指標(biāo)在系統(tǒng)中重要程度直接量化打分的結(jié)果，利用指標(biāo)打分無序程度反應(yīng)各指標(biāo)攜帶的信息量。熵值Hi與指標(biāo)權(quán)重Wi呈負(fù)相關(guān)，即熵值越大指標(biāo)對決策結(jié)果可靠性影響越小，假設(shè)有m個評價指標(biāo)，n位評價專家，構(gòu)造實(shí)際評價指標(biāo)值矩陣B=(bij)m×n，bij為第i個評價者對第j個評價指標(biāo)的評價量值，則第j個評價指標(biāo)的熵為：

(1)

(2)

第j個評價對象的熵權(quán)為：

(3)

通過式(1)～(3)計算全部評價指標(biāo)的熵及熵權(quán)。

評價指標(biāo)的權(quán)重列向量：

W=(W1,W2,W3,…,Wj)T

(4)

2.3 計算指標(biāo)組合權(quán)重

為了使組合權(quán)重更具科學(xué)性，本文運(yùn)用加法合成法計算組合權(quán)重，建立組合權(quán)重兩者偏差平方和最小的函數(shù)[16]:

(5)

式中：Gi為權(quán)重組合值；Wi′和Wi分別為AHP法和熵權(quán)法得到的權(quán)重值。

Gi=αWi+(1-α)Wi′

(6)

由式(5)～(6)可得：α=0.5；則組合權(quán)重為：

Gi=0.5Wi+0.5Wi′

(7)

組合權(quán)向量為：

Gi=(G1,G2,…,Gj)T

(8)

3 構(gòu)建地震安全社區(qū)應(yīng)急管理物元評價模型

3.1 物元評價模型理論

物元理論將質(zhì)和量聯(lián)系在一起，能夠較好地描述實(shí)際問題中的不相容性，由關(guān)聯(lián)函數(shù)計算元素與集合的關(guān)聯(lián)度，對待評物元做出定量客觀的判斷或評價[17]。社區(qū)地震應(yīng)急管理定性評價指標(biāo)較多，物元分析可以根據(jù)評價對象實(shí)際狀況進(jìn)行指標(biāo)打分，通過定量分析方法較準(zhǔn)確地評價社區(qū)的應(yīng)急管理水平。

假設(shè)有事物N，其特征用C表示，對應(yīng)的評價量值為V，可以用有序三元組R=(N,C,V)來表示事物的基本物元，即N代表地震安全社區(qū)應(yīng)急管理，C和V分別表示應(yīng)急管理的評價指標(biāo)和量值。通過關(guān)聯(lián)度函數(shù)計算指標(biāo)與各等級集合的關(guān)聯(lián)度大小，關(guān)聯(lián)度大的表明與該等級擬合度大。

3.2 物元評價具體步驟

1)確定經(jīng)典域

令Rj為物元矩陣的經(jīng)典域，即

(9)

式中：Nj表示第j個評價等級；C表示相應(yīng)評價等級的特征；Vj表示各評價等級對應(yīng)特征的取值區(qū)間，a和b為區(qū)間限值。

2)確定節(jié)域

各指標(biāo)的取值范圍的集合即為所求評價指標(biāo)的節(jié)域，即

(10)

式中：N為應(yīng)急管理等級域；C為評價指標(biāo)集；Vp為指標(biāo)評價量值范圍，a和b為區(qū)間限值。

3)確定待評物元

令Ri為待評價物元，即

(11)

式中：Ni為第i個一級評價指標(biāo)；Ci為Ni的二級指標(biāo)集；Vi為二級指標(biāo)集的量值。

4)計算關(guān)聯(lián)度

關(guān)聯(lián)函數(shù)是用來描述待評物元與某評價等級的符合程度，反應(yīng)待評物元的可變過程，集合中各指標(biāo)間的層次關(guān)聯(lián)程度以關(guān)聯(lián)函數(shù)值的大小表示，社區(qū)應(yīng)急管理水平及其對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)度函數(shù)為：

(12)

(13)

式(12)中：分子表示待測物元指標(biāo)評價值到經(jīng)典域的距離；分母表示經(jīng)典域的模。式(13)中：分子表示實(shí)際評價值到節(jié)域的距離；分母表示節(jié)域的模。待評物元的綜合關(guān)聯(lián)度為：

(14)

5)確定待評物元等級

遵循最大隸屬度原則，地震安全社區(qū)應(yīng)急管理評價結(jié)果根據(jù)關(guān)聯(lián)度矩陣Kj(Ni) 中最大值對應(yīng)的評價等級確定。即Kj(N)=max{Kj(Ni)}，當(dāng)0

表3 社區(qū)應(yīng)急管理等級Table 3 Emergency management grade of community

4 實(shí)證分析

以地震安全社區(qū)大連永嘉尚品天城為例，應(yīng)用文中構(gòu)建的地震安全社區(qū)應(yīng)急管理評價指標(biāo)體系和AHP-熵物元評價模型對其進(jìn)行應(yīng)急管理評估。通過實(shí)際調(diào)研獲取社區(qū)前期建設(shè)過程中應(yīng)急設(shè)防規(guī)劃資料以及社區(qū)后期應(yīng)急管理運(yùn)營過程情況統(tǒng)計資料，邀請應(yīng)急管理、建筑工程防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域的7位專家對社區(qū)應(yīng)急管理評價模型中的各指標(biāo)按照十分制進(jìn)行打分，通過求平均值計算出各二級指標(biāo)的最終打分值，評價結(jié)果見表1。

4.1 組合權(quán)重的確定

1)根據(jù)建立的應(yīng)急管理評價指標(biāo)體系以及專家評價結(jié)果，結(jié)合 Matlab 計算軟件運(yùn)用AHP法得出各層中建立的判斷矩陣，計算出每個判斷矩陣的λmax,CI,CR ，各判斷矩陣的CR介于0.032 7～0.094 3之間，一致性檢驗通過，即由AHP法得到的權(quán)重符合要求。

2)根據(jù)熵權(quán)法公式(1)～(3)，得到各評價對象的熵值Wi，由公式(7)計算評價對象組合權(quán)重，各指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果見表1 。組合權(quán)重計算過程在模型構(gòu)建中式(5)～(8)已列出，由于篇幅限制不再詳細(xì)列出。

4.2 物元綜合評價

4.2.1 經(jīng)典域、節(jié)域、待評物元的確定

以一級指標(biāo)社會環(huán)境B4為例，建立物元模型中的經(jīng)典域Rj、節(jié)域Rp和待評物元Ri。

1)由式(9)確定評價等級的經(jīng)典域為：

2)由式(10)確定節(jié)域Rp為：

3)確定待評價物元Ri

由式(11)確定待評指標(biāo)C4i的物元矩陣R4，即

4.2.2 關(guān)聯(lián)度計算與等級評定

1)為求出待評物元的關(guān)聯(lián)度，將經(jīng)典域R1,R2,R3,R4,節(jié)域Rp以及各評價指標(biāo)量值分別帶入式(12)～(13)，計算出各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)函數(shù)值，見表4。

2)將表1與表4得到的組合權(quán)重值與關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果帶入式(14)，得到待評物元的綜合關(guān)聯(lián)度矩陣：

(15)

表4 尚品天城應(yīng)急管理指標(biāo)關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果Table 4 Calculation results of correlation degree between emergency management indexes for Shangpintiancheng

3)確定社區(qū)應(yīng)急管理評價等級。由式(15)可知：Kj=max{Kj(N)}=0.009 5，因此可確定該社區(qū)應(yīng)急管理綜合等級為Ⅲ級。通過分析該社區(qū)應(yīng)急管理一級指標(biāo)中的關(guān)聯(lián)度值可知：應(yīng)急響應(yīng)階段最薄弱，需要對此進(jìn)行全面調(diào)整，提高應(yīng)急響應(yīng)處置能力，其他3項一級指標(biāo)評價結(jié)果在Ⅲ級以上，屬于可接受范圍，可根據(jù)二級指標(biāo)關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

5 結(jié)論

1)針對地震安全社區(qū)建設(shè)理念發(fā)展尚未成熟，其相應(yīng)的應(yīng)急管理各階段處于初步探索時期，尤其在應(yīng)急管理受多種動態(tài)因素影響的情況下，科學(xué)合理地對其應(yīng)急管理狀況進(jìn)行評估是完善地震安全社區(qū)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。結(jié)合地震安全的特點(diǎn)，建立了相應(yīng)的應(yīng)急管理評價指標(biāo)體系。

2)運(yùn)用AHP-熵權(quán)法從主觀、客觀2方面進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重值計算，降低了傳統(tǒng)AHP方法中主觀因素的影響，進(jìn)而得到更符合實(shí)際的指標(biāo)權(quán)重值，使得到的物元綜合評價結(jié)果更加準(zhǔn)確。

3)在構(gòu)建的綜合評價模型中利用物元理論對評價指標(biāo)進(jìn)行定性描述，并在可拓集合理論下求出各指標(biāo)關(guān)聯(lián)度值，定量表示待評價物元的關(guān)聯(lián)度，進(jìn)而得到待評價社區(qū)的應(yīng)急管理等級和應(yīng)急管理中的薄弱環(huán)節(jié)。通過實(shí)例分析得到的結(jié)果與實(shí)際情況相符，表明該指標(biāo)體系及評價模型具有一定的實(shí)用性，對地震安全社區(qū)應(yīng)急管理評估具有一定的參考和借鑒價值。