基于層次分析法的城市交通系統抗災風險分析

潘曉東,隋永芹,2

(1.同濟大學 交通運輸工程學院,上海 201804;2.蘇州科技學院 土木工程系,江蘇 蘇州 215011)

Pan Xiaodong1,Sui Yongqin1,2

(1.School of Transportation Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China;2.Department of Civil Engineering,Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215011,China)

城市經濟迅速發展和城市化進程加快的同時,很多城市面臨的災害形勢卻日益嚴重,因自然因素、人為因素等造成的突發性重大災害事件的發生不僅造成生命財產的巨大損失,而且還會影響社會穩定,甚至危及國家安全,對經濟社會發展全局產生重大影響[1],同時也對城市交通系統造成不同程度的破壞。而城市交通系統貫穿于整個城市,是向災區運送緊急救援人員與物資的重要設施,是災區救援和急需修復的交通生命線,交通阻斷造成的救援延誤會引起更為慘重的引發損失。因此,城市交通系統的抗災變水平直接關系到能否對各種突發性事件進行有效控制,使損失最小化,避免災難擴大,加強城市交通系統抗災變風險分析是形勢發展變化的迫切需要,也是我國目前城市交通系統建設所面臨的重要課題。

AHP層次分析法通過一定模式使決策思維過程規范化,具有分析思路清晰,能將復雜的思維過程系統化、數學化和模型化的優點[2]。采用層次分析法對城市交通系統抗災變風險進行研究,對影響城市交通系統抗災變因素進行定量分析,為城市交通系統降低災變風險提供決策依據。

1 城市交通系統抗災變風險因素分析

城市交通抗災變系統是包含各種交通土建工程、交通運載工具、救援避難設施以及與之相應的組織管理等多學科、多專業、多風險因素于一體的復雜體系。其災害風險形成的原因是多方面的,文章從硬件設施和軟件環境兩大方面對風險因素進行分析研究,主要從人員、災害救援設施設備、道路交通網絡和組織管理體系等方面建立風險評價分析指標。

1.1 影響因素分析

1.1.1 硬件設施

重大突發性災害對城市交通系統中道路、橋梁、救援避難設施等工程硬件設施破壞嚴重。如,2008年罕見的特大低溫雪凝災害襲擊了我國中南部十多個省、市,波及21個省、市、區,持續低溫雨雪冰凍極端天氣造成了道路結冰、道路堵塞等現象;在2008年的汶川地震中,災區隨處可見的滑坡和崩塌、大規模的斷層錯動以及強地面運動,對交通系統造成了毀滅性的打擊,嚴重阻礙了震后救援[3]。

1.1.2 軟件環境

相對硬件設施因素而言,軟件環境包含的內容更為豐富[4]。其中與城市交通系統抗災相關的災害管理體制、技術立法、道路交通組織管理等構成了城市交通系統的抗災變軟件體系。有效的軟件體系能夠加強公眾的安全文化、法制教育,提高公眾的防災減災意識;并通過普及防災減災的基本知識,使公眾掌握各種應急自救方法,消除對災害的恐懼感,提高個人的災害應急能力,實現從災后的反應文化向災前預防文化的轉變。

1.2 風險分析指標

1.2.1 人員因素

城市交通抗災變系統中涉及的人員有救援決策人員、救援執行人員[5]和受災群眾。救援決策人員和救援執行人員通過有機組織和管理,形成了救援組織管理的主體,起到救援主導的作用,而受災群眾則是災害事件中的直接關系人,其災害時的心理、生理行為直接影響抗災救災效果,對抗災救災工作的開展有很大地影響。

1.2.2 抗災設施設備

城市交通系統中抗災救災設施主要由救援設施設備和避難場所兩部分組成。救援設施包括救援車輛及裝備、救援物資的接受與分配、消防和醫療救護等方面。另外,當城市發生重大突發事件時,應該能及時將受災居民疏散到用于民眾躲避危險地區的應急避難所,這是城市應對重大突發事件、減小人員傷亡和財產損失的重要措施之一[6]。

1.2.3 道路交通網絡系統

城市道路交通系統是城市生命線系統的主動脈,是保障城市其他生命線的緊急修復和城市各項基本功能正常運轉的交通生命線,在生命線工程中處于“生命線中的生命線”地位。城市道路網絡是由道路橋梁等交通基礎設施組成,是應急救援的載體。城市一旦發生突發事件,道路交通網絡是人員疏散、救援人員施救及物資運送的通道,是生死攸關的生命線之一。而城市道路橋梁等基礎設施的好壞直接影響到救援路網的通達性,反映道路交通供需情況的交通網絡直接關系到救災的效率。諸多實例表明,很多大地震中救援工作遲緩的一個主要原因就是交通系統的癱瘓。因此,道路交通網絡的抗災性能好壞,對于保證救災救護和物資運輸的高效性非常重要。

1.2.4 組織管理

城市是一個社會、經濟、科技、文化等方面高度集中的綜合性開放系統,管理是一個龐大的社會系統工程,需要多部門多機構以及多資源參與協作。城市交通抗災組織管理系統包括組織機構和模式,法規、預警機制、應急預案等環節,是影響城市交通系統抗災變的重要軟件環境因素。災害發生時,僅僅依靠其中某一個或幾個環節來提高救援工作是不可行的,必須形成比較科學的組織機構和管理體制,使整個城市交通抗災管理系統有機地運行起來。

2 城市交通系統抗災變風險分析

2.1 層次分析法基本原理與步驟

層次分析法(AHP)是由美國運籌學教授T.L.Saaty提出的一種系統分析方法[7]。它把一個復雜問題中的各種因素通過劃分互相聯系的有序層次使之條理化,根據對一定客觀現實的判斷,就每一層次的相對重要性給予定量表示,利用數學方法確定表示每一層次的全部元素的相對重要性次序的數值,并通過排序結果分析和解決問題[8]。

層次分析法解決問題的基本思路[9]:

(1)把系統各因素之間的隸屬關系由高到低排成若干層次,分析系統中各因素的關系,建立系統的遞階層次結構;

(2)根據判斷,就每一層次的因素的相對重要度給予定量表示;

(3)利用數學方法確定每一層次全部因素的相對重要程度值;

(4)通過排序問題進行分析和決策。

2.2 明確問題,建立層次結構模型

根據城市交通系統抗災變影響因素分析,提出將人員、抗災救援設施設備、道路交通系統和組織管理系統4個因素作為準則層,將救災決策人員、救災執行人員、受災群眾、救災車輛、救援物資、消防醫護設施、避難設施、道路橋梁基礎設施、道路網絡結構、交通網絡運營結構、政府組織機構、抗災救災相關法律法規、預警機制和應急預案等14個因素作為因素層,按3層建立遞階層次結構模型圖,如圖1所示。

2.3 構造判斷矩陣

從層次結構的方案開始,將隸屬于同一指標的各指標之間的相對重要性進行比較,形成判斷矩陣。一般地,隸屬于指標A的指標Bj(j=1,2,…,n)的判斷矩陣為

圖1 城市交通系統抗災風險評價層次結構圖

Bij表示在隸屬于A的諸指標中,指標 i與指標j相比的重要程度,采用Saaty提出的1～9比率標度法(見表1)[9]。文章采用專家評價方法確定了各指標的重要程度,目標層 A到準則層Bj及Bj～Ci層的判斷矩陣分別見表2～6。

表1 判斷矩陣標度及含義

表2 A～Bj層判斷矩陣及指標權重計算

表3 B1～Ci層判斷矩陣及指標權重計算

表4 B2～Ci層判斷矩陣及指標權重計算

表5 B3～Ci層判斷矩陣及指標權重計算

表6 B4～Ci層判斷矩陣及指標權重計算

2.4 權重計算及一致性(相容性)檢驗

針對上述判斷矩陣,按需要將本層所有元素排出優劣順序。采用科學實用的“方根法”計算被比較元素對于選定準則的相對權重,依據權重值進行單排序。

以A～Bj為例,對給定的判斷矩陣 B,令

并以

作為權重向量。

為進行判斷矩陣的一致性檢驗,計算一致性比率CR

當CR＜0.10時,認為具有滿意的一致性。其中一致性指標:

式中:λmax為判斷矩陣的最大特征根;n為成對比較因子的個數;RI為平均隨機一致性指標(見表7)。

表7 隨機一致性指標RI的取值

A～Bj層的一致性檢驗結果見表2。

同理,計算 Bj～Ci層次因素矩陣權重一致性檢驗指標,結果見表3～6,其 CR皆小于 0.1,每個判斷矩陣的一致性都滿足要求。

從表2計算結果看,在城市交通系統抗災變風險分析的各因素中,道路交通系統(0.541)是首要因素,其次是設施設備(0.270)和組織管理(0.137),人員因素(0.053)排在最后,應該注重道路交通系統的建設。

2.5 合成權重計算及一致性檢驗

對同一層次中所有層次單排序的基礎上,可以計算出 Ci層次對A層次重要性的合成權重值,進行總層次總排序。該過程是從最高層次到最低層次逐層進行,即利用層次單排序的結果,綜合對更上一層的優劣順序。

設Bj層次對A層次的單排序值的權重向量為WB,Ci層次中的因素對Bj層次中各元素的單排序權重向量為

則Ci層次中各元素對A層次的各因素合成權重排序為,

其中

總排序隨機一致性比率檢驗

當CR=0.003＜0.1時,總排序結果具有滿意一致性。

城市交通抗災害系統影響因素合成權重及層次總排序計算結果如表8所示。

表8 指標合成權重

從表8可以看出,14個主要影響因素由大到小排序為:道路橋梁設施C8、道路網絡C9、交通網絡C10、救災車輛 C4、救援物資C5、預警機制 C13、應急預案 C14、消防醫護設施 C6、救災決策人員 C1、避難設施C7、執行人員C2、組織結構C11、相關法規C12、受災群眾C3。該排序基本上反映出城市交通系統抗災害風險各因素的重要程度。

上述分析說明,若要增加城市交通系統抗災,要想減少事故發生的概率,首先要注重道路交通網絡的建設,特別是保證道路橋梁基礎設施建設,保障通達的交通要道,注重救災設施的建設。

3 結語

重大突發性災害事件對城市破壞性較大,災害下城市交通系統是城市抗災救援的重要載體。文章利用層次分析方法對城市交通系統抗災變風險進行了分析,具有一定的實用價值。然而層次分析方法的關鍵是因素分析以及專家判斷的可靠性,并且AHP方法本身也具有一定的局限性,評價指標體系以及判斷矩陣也還有待進一步完善。其評價結論的可信度受到一定影響。在實際運用中,城市交通系統是一項復雜的系統工程,要想更好地評價影響因素,不應局限于某種特定的方法,應該采用加速遺傳算法、神經網絡算法等與AHP模型結合的多種方法,提高計算精度,以得到更加合理準確的評價。

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