基于SPA-VFRM的城市要害系統(tǒng)綜合應(yīng)急能力研究*

劉朝峰，張嘉鑫，杜金澤，郭 增，王 威

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401; 2.張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程系，河北 張家口 075051;3.北京工業(yè)大學(xué) 抗震減災(zāi)研究所，北京 100124)

0 引言

城市要害系統(tǒng)是指維持城市生存功能系統(tǒng)和對國計(jì)民生有重大影響的工程和區(qū)域，涉及交通系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)、防災(zāi)系統(tǒng)等各類設(shè)施[1-2]。若某一系統(tǒng)發(fā)生災(zāi)害事故，其影響不僅局限于事件本身的直接損失，更重要的是引起惡劣的連鎖反應(yīng)，如2003年在北美大停電事故中，交通、供水、通訊、醫(yī)療等系統(tǒng)接近癱瘓，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和極大的社會影響[3]。可見，如何提高城市要害系統(tǒng)的綜合應(yīng)急能力，增強(qiáng)城市的防災(zāi)韌性，已成為迫切解決的課題。

為應(yīng)對日趨嚴(yán)重的自然災(zāi)害及人為災(zāi)害，提升城市要害系統(tǒng)的防災(zāi)減災(zāi)能力，國內(nèi)外對城市要害系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，主要集中在城市基礎(chǔ)設(shè)施防護(hù)需求分析[4]、動力學(xué)模型[5-7]、易損性[8-9]、后果[10-11]、防災(zāi)減災(zāi)能力[12-13]、風(fēng)險(xiǎn)評估[14-16]等，這些方面成果的核心思想是提升城市要害系統(tǒng)的防御性，提高要害系統(tǒng)的可靠性，減輕災(zāi)害擾動下的后果，但是由于災(zāi)害的復(fù)雜性和不確定性，不可能不計(jì)代價的提升設(shè)施本身的抗御能力，以消除要害系統(tǒng)的易損性和災(zāi)害損失。單純考慮防護(hù)以減緩災(zāi)害損失是一種脆性戰(zhàn)略[4]，提升城市要害系統(tǒng)的災(zāi)后迅速恢復(fù)和保持既定功能的能力更為重要[17]。目前，學(xué)界多研究城市單項(xiàng)要害系統(tǒng)或者要害系統(tǒng)單項(xiàng)應(yīng)急能力的定性分析或半定量分析，但研究單個災(zāi)害或單個要害系統(tǒng)的應(yīng)急能力不具有普適性，不足以提高城市綜合應(yīng)急能力。因此，本文分析城市要害系統(tǒng)組成與應(yīng)急能力分解維度，建立城市要害系統(tǒng)綜合應(yīng)急能力的評估體系，將集對分析方法[18](Set Pair Analysis, SPA)與可變模糊識別模型[19](Variable Fuzzy Recognition Model, VFRM)相結(jié)合，構(gòu)建城市要害系統(tǒng)綜合應(yīng)急能力的SPA-VFRM模型，以期為城市防災(zāi)管理與規(guī)劃提供理論支持。

1 城市要害系統(tǒng)構(gòu)成與應(yīng)急能力分析

城市要害系統(tǒng)包括交通、供電、通訊、供水、能源、醫(yī)療以及其他關(guān)系城市安危的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)體系，各系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)、依賴并日趨復(fù)雜；是確保城市正常運(yùn)轉(zhuǎn)、安全防災(zāi)的保障體系，也是抗災(zāi)與救災(zāi)的支撐系統(tǒng)[12-13]。然而，某些要害系統(tǒng)也是致災(zāi)因子，如燃?xì)狻⑤斢凸艿酪坏┢屏眩瑫Τ鞘性斐刹煌潭鹊挠绊憽Ｒ虼耍瑸?zāi)時城市要害系統(tǒng)可分為應(yīng)急保障設(shè)施、應(yīng)急服務(wù)設(shè)施和重點(diǎn)防御設(shè)施。其中，應(yīng)急保障設(shè)施是災(zāi)時可立即啟用或盡快恢復(fù)功能，為應(yīng)急救援、搶險(xiǎn)救災(zāi)和避難疏散提供保障的工程設(shè)施，包括交通、供水、供電、通訊設(shè)施；應(yīng)急服務(wù)設(shè)施是災(zāi)時可保持功能，為滿足應(yīng)急救援、搶險(xiǎn)避難和災(zāi)后生活提供應(yīng)急服務(wù)所必需的應(yīng)急指揮、醫(yī)療救護(hù)和衛(wèi)生防疫、消防救援、物資儲備分發(fā)、避難安置等功能的公共服務(wù)場所和設(shè)施，包括醫(yī)療、避難、消防、環(huán)保等設(shè)施。重點(diǎn)防御設(shè)施指可能誘發(fā)災(zāi)害或次生災(zāi)害的基礎(chǔ)設(shè)施，包括燃?xì)狻⑤斢偷仍O(shè)施。城市要害系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系，如圖1所示。

圖1 城市要害系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系及應(yīng)急分析思路Fig.1 Network architecture of urban high-consequence systems and analytical thinking

要害系統(tǒng)綜合應(yīng)急能力是指城市的各要害系統(tǒng)在應(yīng)對自然災(zāi)害或人為災(zāi)害時，其所擁有的科技、組織、人力、資源等要素表現(xiàn)出來的敏感性和調(diào)動這些要素以應(yīng)對災(zāi)害打擊的能力。而當(dāng)今城市面臨的主要災(zāi)害有洪災(zāi)、火災(zāi)、地震、交通事故4類[12]。因此，城市要害系統(tǒng)綜合應(yīng)急能力不僅要體現(xiàn)應(yīng)對多災(zāi)種的綜合性，還要體現(xiàn)各要害系統(tǒng)構(gòu)成要素的協(xié)調(diào)性。可見，城市要害系統(tǒng)綜合應(yīng)急能力具有多面性、多層次性、復(fù)雜性等特點(diǎn)，需要各個層面協(xié)同聯(lián)動工作，尋求城市的最佳應(yīng)急策略。綜合應(yīng)急能力的強(qiáng)弱，取決于空間、設(shè)施、管理等層面要素的優(yōu)化組合形式，可以從防災(zāi)準(zhǔn)備的充分性、監(jiān)測預(yù)警的準(zhǔn)確性、災(zāi)害抵御的適度性、應(yīng)急救援的及時性4個維度進(jìn)行現(xiàn)狀綜合應(yīng)急能力分析與評估，如圖1所示。這4個方面相互交錯、重疊，不斷循環(huán)、改進(jìn)控制著城市綜合應(yīng)急能力的動態(tài)發(fā)展過程。

2 基于SPA-VFRM的綜合評估模型

城市要害系統(tǒng)是一個多要素、多層次、關(guān)聯(lián)機(jī)制復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，單一系統(tǒng)的災(zāi)害事件容易演變?yōu)槎嘞到y(tǒng)耦合的關(guān)聯(lián)事件。城市要害系統(tǒng)應(yīng)急能力的影響因素眾多，這些因素表現(xiàn)出隨機(jī)性、模糊性和動態(tài)性特征。本文從空間、設(shè)施、管理3個層面，防災(zāi)準(zhǔn)備的充分性、監(jiān)測預(yù)警的準(zhǔn)確性、災(zāi)害抵御的適度性、應(yīng)急救援的及時性4個維度，借鑒已有成果，建立要害系統(tǒng)綜合應(yīng)急能力的指標(biāo)體系[1-13]，如表1所示。

城市要害系統(tǒng)綜合應(yīng)急能力的影響因素之間存在復(fù)雜性和不相容性，且包含眾多隨機(jī)、模糊及未確知信息。可變模糊識別模型[19]能夠綜合考慮確定性與不確定性，較好解決非線性、高維數(shù)及模糊、隨機(jī)等常見不確定性問題。但是由于可變模糊識別模型的相對差異度函數(shù)構(gòu)造困難、計(jì)算量較大，引入集對分析方法構(gòu)建評價指標(biāo)的相對差異度函數(shù)[20]，建立基于集對分析的綜合應(yīng)急能力評估可變模糊識別模型：

1)建立綜合應(yīng)急能力評價指標(biāo)體系的樣本集，記為{Xij|i=1,2,…,n;j=1,2,…,m}。其中，i和j分別為樣本編號和指標(biāo)編號；n和m分別為樣本總數(shù)和指標(biāo)總數(shù)。對數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化，記為{xij|i=1,2,…,n;j=1,2,…,m}，無量綱計(jì)算公式如下：

表1 評價指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)Table 1 Raw data of evaluation indexes

效益型指標(biāo)，采用

(1)

成本型指標(biāo)，采用

(2)

2)根據(jù)評價系統(tǒng)不同指標(biāo)的作用方向，對其進(jìn)行優(yōu)劣排序，得到樣本集的理想“最優(yōu)”和“最劣”樣本，即理想點(diǎn)和反理想點(diǎn)[20]，分別記為{sj|j=1,2,…,m}，{tj|j=1,2,…,m}。將第i樣本的第j指標(biāo)值xij與(反)理想點(diǎn)對應(yīng)指標(biāo)值看成1個集對，從同、異、反方面定量分析它們的接近程度，與理想點(diǎn)之間的單指標(biāo)差異度uij，具體計(jì)算公式為：

(3)

3)樣本i與理想點(diǎn)、反理想點(diǎn)之間相對差異程度，分別記為dg和db，計(jì)算式如下[19]：

(4)

(5)

式中：p為距離參數(shù)，p=1為海明距離，p=2為歐式距離；wj為評價指標(biāo)的權(quán)重，可通過層次分析主觀賦權(quán)法[16]、變異系數(shù)客觀賦權(quán)法得到綜合權(quán)重[12]。

4)計(jì)算樣本隸屬于模糊集“理想點(diǎn)”的綜合隸屬度vi，根據(jù)“綜合隸屬度越大，綜合應(yīng)急能力越高”的原則，對不同城市要害系統(tǒng)綜合應(yīng)急能力高低進(jìn)行排序。具體計(jì)算公式如下：

(6)

式中：α為優(yōu)化準(zhǔn)則參數(shù)，取值為1或2時分別對應(yīng)最小一乘準(zhǔn)則或最小二乘準(zhǔn)則。

3 案例應(yīng)用與分析

城市要害系統(tǒng)的綜合應(yīng)急能力的高低決定著城市防災(zāi)韌性的大小，影響著城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和健康發(fā)展。因此，以某市要害系統(tǒng)為例，剖析城市要害系統(tǒng)綜合應(yīng)急能力現(xiàn)狀及趨勢，找出提升應(yīng)急能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.1 樣本數(shù)據(jù)處理

根據(jù)某市統(tǒng)計(jì)年鑒、中國城市建設(shè)年鑒查找指標(biāo)數(shù)據(jù)，并經(jīng)過指標(biāo)解釋進(jìn)行計(jì)算得到2009—2016年的原始數(shù)據(jù)，詳細(xì)信息如表1所示。其中：常住人口密度、消防火災(zāi)發(fā)生率、道路交通死亡率為成本型指標(biāo)，其他指標(biāo)為效益型指標(biāo)。

圖2 權(quán)重計(jì)算結(jié)果Fig.2 Calculation results of weights

3.2 模型計(jì)算過程

首先，利用標(biāo)準(zhǔn)化處理的數(shù)據(jù)，按照式(3)計(jì)算每個樣本單項(xiàng)指標(biāo)的相對差異度uij；其次，結(jié)合指標(biāo)綜合權(quán)重值wj，按照式(4)和(5)計(jì)算評價樣本與理想點(diǎn)、反理想點(diǎn)之間的相對差異度dg和db；最后，考慮評估指標(biāo)間的非線性、不確定性關(guān)系，依據(jù)式(6)，取優(yōu)化參數(shù)α=1,p=1；α=1,p=2；α=2,p=1；α=2,p=2共4種組合模型，計(jì)算得到該市要害系統(tǒng)綜合應(yīng)急能力評價的隸屬度vi，取4種評估結(jié)果的平均值作為綜合隸屬度，結(jié)果如表2所示。

3.3 評估結(jié)果分析

由表2和圖3可以看出，城市要害系統(tǒng)綜合應(yīng)急能力評價的隸屬度均值從大到小排序，年份依次為2015，2016，2014，2012，2013，2011，2010，2009。4種優(yōu)化準(zhǔn)則參數(shù)組合形式下，同一年份的評估隸屬度都發(fā)生了一定的變化，由于難以確定該評估過程的非線性、不確定性程度，因此采用4種組合形式的均值進(jìn)行綜合應(yīng)急能力的評估。對比分析每種組合形式下綜合應(yīng)急能力評價的綜合隸屬度變化，可以看出該市要害系統(tǒng)綜合應(yīng)急能力變化趨勢較為一致，這也反映了在評價過程中考慮不同非線性程度對評價排序基本沒有影響，也表明了采用隸屬度均值反映應(yīng)急能力是較為科學(xué)的。

表2 綜合隸屬度及排序Table 2 Comprehensive membership and ranking

圖3 5種情況的計(jì)算結(jié)果Fig.3 Calculation results of five conditions

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的可行性與有效性，與灰色關(guān)聯(lián)法、TOPSIS法進(jìn)行對比分析。由圖4可知，3種方法的評估結(jié)果排序一致，近8年的變化趨勢反映出該市要害系統(tǒng)綜合應(yīng)急能力呈現(xiàn)“波浪式”提升，究其原因主要是近年來該市對要害系統(tǒng)的建設(shè)或運(yùn)營維護(hù)方面投入逐年增加，重視城市基礎(chǔ)設(shè)施的防災(zāi)能力，編制了各類應(yīng)急預(yù)案。

圖4 3種方法的評估結(jié)果Fig.4 Assessment results for the three methods

為了找出要害系統(tǒng)綜合應(yīng)急能力的薄弱項(xiàng)，從災(zāi)害預(yù)防能力、災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警能力、災(zāi)害抵御能力、應(yīng)急救援能力4個維度分別進(jìn)行綜合隸屬度計(jì)算，即利用各自評價指標(biāo)及其權(quán)重，計(jì)算應(yīng)急能力4個維度的隸屬度，如圖5所示，從中可以看出：

圖5 應(yīng)急能力的四個維度變化趨勢Fig.5 Change trend of four dimensions of emergency capability

1)除災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警能力外，其他3個方面整體上都呈現(xiàn)出增長趨勢，災(zāi)害抵御能力的增長趨勢更為明顯，這也說明災(zāi)害抵抗能力是城市要害系統(tǒng)綜合應(yīng)急能力的主要構(gòu)成方面。因此，要提升要害系統(tǒng)綜合應(yīng)急能力，最主要的就是提高各個系統(tǒng)工程設(shè)施的災(zāi)害設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)各個系統(tǒng)自身的抗災(zāi)韌性，特別是要提高地震、洪水、火災(zāi)、交通事故等城市災(zāi)害的防御能力。

2)在城鄉(xiāng)建設(shè)防災(zāi)減災(zāi)中，需要重點(diǎn)提升災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警能力，考慮經(jīng)濟(jì)投入與社會發(fā)展等因素優(yōu)化配置災(zāi)害監(jiān)測站點(diǎn)，研發(fā)推廣災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警新技術(shù)，提高災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的準(zhǔn)確性和及時性，為災(zāi)時應(yīng)急救援與處置提供決策依據(jù)。

3)綜合應(yīng)急能力4個方面的發(fā)展過程都呈現(xiàn)一定的波動性，也符合城市要害系統(tǒng)發(fā)展過程中的隨機(jī)性、復(fù)雜性、動態(tài)性等特征。

4 結(jié)論

1)從災(zāi)害預(yù)防能力、災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警能力、災(zāi)害抵御能力和應(yīng)急救援能力4個維度，空間、設(shè)施和管理3個層面，針對地震、洪災(zāi)、火災(zāi)、交通事故等典型城市災(zāi)害，采用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方法構(gòu)建城市要害系統(tǒng)綜合應(yīng)急能力評價指標(biāo)體系，并采用主客觀綜合賦權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重；考慮評價指標(biāo)的隨機(jī)性、模糊性及動態(tài)性等未確知信息，利用集對分析原理構(gòu)造城市要害系統(tǒng)綜合應(yīng)急能力的單指標(biāo)可變模糊集差異度函數(shù)，建立基于SPA-VFRM的城市要害系統(tǒng)綜合應(yīng)急能力的評價模型。

2)實(shí)例應(yīng)用和與其他方法對比結(jié)果表明，該市要害系統(tǒng)綜合應(yīng)急能力呈現(xiàn)“波浪式升高”的動態(tài)發(fā)展趨勢，災(zāi)害抵御能力是構(gòu)成綜合應(yīng)急能力的主要方面；3種方法的評價結(jié)果排序基本上一致，表明本文方法的評估結(jié)果穩(wěn)健、可靠，能夠準(zhǔn)確地反映城市要害系統(tǒng)綜合應(yīng)急能力的客觀實(shí)際狀況。