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(duì)國(guó)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(huì)影響[3]?？梢?jiàn)，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(duì)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(guó)內(nèi)外對(duì)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(dòng)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(píng)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(dòng)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(jià)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(gè)災(zāi)害或單個(gè)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(píng)估體系，將集對(duì)分析方法[18](Set Pair Analysis, SPA)與可變模糊識(shí)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?，?huì)對(duì)城市造成不同程度的影響。因此，災(zāi)時(shí)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(shí)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(shí)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(chǔ)備分發(fā)、避難安置等功能的公共服務(wù)場(chǎng)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)?、輸油等設(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(duì)自然災(zāi)害或人為災(zāi)害時(shí)，其所擁有的科技、組織、人力、資源等要素表現(xiàn)出來(lái)的敏感性和調(diào)動(dòng)這些要素以應(yīng)對(duì)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(duì)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(jiàn)，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(gè)層面協(xié)同聯(lián)動(dòng)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(cè)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(shí)性4個(gè)維度進(jìn)行現(xiàn)狀綜合應(yīng)急能力分析與評(píng)估，如圖1所示。這4個(gè)方面相互交錯(cuò)、重疊，不斷循環(huán)、改進(jìn)控制著城市綜合應(yīng)急能力的動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程。

2 基于SPA-VFRM的綜合評(píng)估模型

城市要害系統(tǒng)是一個(gè)多要素、多層次、關(guān)聯(lián)機(jī)制復(fù)雜的動(dòng)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(dòng)態(tài)性特征。本文從空間、設(shè)施、管理3個(gè)層面，防災(zāi)準(zhǔn)備的充分性、監(jiān)測(cè)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(shí)性4個(gè)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(shí)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(jiàn)不確定性問(wèn)題。但是由于可變模糊識(shí)別模型的相對(duì)差異度函數(shù)構(gòu)造困難、計(jì)算量較大，引入集對(duì)分析方法構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)差異度函數(shù)[20]，建立基于集對(duì)分析的綜合應(yīng)急能力評(píng)估可變模糊識(shí)別模型：

1)建立綜合應(yīng)急能力評(píng)價(jià)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(hào)和指標(biāo)編號(hào)；n和m分別為樣本總數(shù)和指標(biāo)總數(shù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化，記為{xij|i=1,2,…,n;j=1,2,…,m}，無(wú)量綱計(jì)算公式如下：

表1 評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)系統(tǒng)不同指標(biāo)的作用方向，對(duì)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(duì)應(yīng)指標(biāo)值看成1個(gè)集對(duì)，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(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，可通過(guò)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(duì)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(shí)分別對(duì)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(shì)，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(guó)城市建設(shè)年鑒查找指標(biāo)數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)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(guò)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(gè)樣本單項(xiàng)指標(biāo)的相對(duì)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(píng)價(jià)樣本與理想點(diǎn)、反理想點(diǎn)之間的相對(duì)差異度dg和db；最后，考慮評(píng)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(píng)價(jià)的隸屬度vi，取4種評(píng)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(píng)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(píng)價(jià)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(píng)估隸屬度都發(fā)生了一定的變化，由于難以確定該評(píng)估過(guò)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(píng)估。對(duì)比分析每種組合形式下綜合應(yīng)急能力評(píng)價(jià)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(shì)較為一致，這也反映了在評(píng)價(jià)過(guò)程中考慮不同非線性程度對(duì)評(píng)價(jià)排序基本沒(méi)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(duì)比分析。由圖4可知，3種方法的評(píng)估結(jié)果排序一致，近8年的變化趨勢(shì)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(lái)該市對(duì)要害系統(tǒng)的建設(shè)或運(yùn)營(yíng)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(píng)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(cè)預(yù)警能力、災(zāi)害抵御能力、應(yīng)急救援能力4個(gè)維度分別進(jìn)行綜合隸屬度計(jì)算，即利用各自評(píng)價(jià)指標(biāo)及其權(quán)重，計(jì)算應(yīng)急能力4個(gè)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(gè)維度變化趨勢(shì)Fig.5 Change trend of four dimensions of emergency capability

1)除災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警能力外，其他3個(gè)方面整體上都呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)，災(zāi)害抵御能力的增長(zhǎng)趨勢(shì)更為明顯，這也說(shuō)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(gè)系統(tǒng)工程設(shè)施的災(zāi)害設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)各個(gè)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(cè)預(yù)警能力，考慮經(jīng)濟(jì)投入與社會(huì)發(fā)展等因素優(yōu)化配置災(zāi)害監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，研發(fā)推廣災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警新技術(shù)，提高災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，為災(zāi)時(shí)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(gè)方面的發(fā)展過(guò)程都呈現(xiàn)一定的波動(dòng)性，也符合城市要害系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中的隨機(jī)性、復(fù)雜性、動(dòng)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(cè)預(yù)警能力、災(zāi)害抵御能力和應(yīng)急救援能力4個(gè)維度，空間、設(shè)施和管理3個(gè)層面，針對(duì)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指標(biāo)的隨機(jī)性、模糊性及動(dòng)態(tài)性等未確知信息，利用集對(duì)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(píng)價(jià)模型。

2)實(shí)例應(yīng)用和與其他方法對(duì)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(dòng)態(tài)發(fā)展趨勢(shì)，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(píng)價(jià)結(jié)果排序基本上一致，表明本文方法的評(píng)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。