氣象災害頻發條件下公路網抗災能力評價方法與應用＊

吳 兵 王忠宇 李林波

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804）

氣象災害頻發條件下公路網抗災能力評價是一項系統工程，需要分層次、分步驟展開.對于公路網評價，大多本著指標與評價目標相一致的原則，從種類繁多的評價指標中選取部分指標，主要用來對公路網常態條件進行評價［1－2］.各種氣象災害對公路網造成的損失、危險性尚缺乏統一的評價指標體系，而針對單條公路的分析評價又往往欠缺整體可操作性［3－4］.目前路網可靠度的研究主要針對地震災害［5］，但大量事實表明惡劣的天氣也嚴重影響公路網的可靠度.本文在已有研究的基礎上，提出氣象災害頻發條件下公路網抗災能力評價方法.

1 基礎資料收集和調研

基礎資料的來源主要是各級公路管理部門以及氣象、水文、國土、規劃等相關部門，內容包含但不限于以下項目：（1）公路網及所在區域的基礎數據（公路網里程、等級、布局等，所在區域行政區劃、面積、人口、經濟情況等）；（2）公路網的設施情況（橋梁、隧道、涵洞及其他設施的數量、分布、運營狀態等）；（3）公路網發展規劃情況；（4）區域及公路網沿線的氣象、水文、地質條件及主要氣象災害類型；（5）公路網歷史氣象災害發生及造成損失情況；（6）公路網通行情況及氣象災害條件下通行情況；（7）公路網運行管理情況（管理體制、機制，公路管養現狀等）；（8）公路網抗災管理情況（組織體系和機構、工作流程、預警及預案情況、應急響應情況、保障情況、各方協調聯動情況等）；（9）公路網抗災的經驗教訓和目前存在的主要問題.

2 公路網抗災能力分析評價

2.1 評價指標體系的構建

為描述各指標內在聯系和相互關系采用層次分析法建立兩級指標層的評價體系樹狀關系結構，見圖1.

2.2 評價方法和步驟

公路網抗災能力評價過程實際上就是評價指標體系的應用過程.本文運用模糊數學理論［6］對公路網抗災能力進行評價.

步驟1確定評判對象 一般為區域整體公路網或區域包含的分區整體公路網.

圖1 氣象災害頻發條件下公路網抗災能力綜合評價指標體系示意圖

步驟1建立評判因素集 根據綜合評價指標體系確定如下評判因素集：一級評價指標U＝｛U1，U2，U3｝；二級評價指標U1＝｛U11，U12，U13，U14，U15｝，U2＝｛U21，U22｝，U3＝｛U31，U32，U33，U34，U35｝.

步驟3建立備擇集（模糊評判集） 根據公路網抗災能力的強弱，應用三角模糊數原理并結合相關評價方法確定公路網抗災能力評價標準門檻值，見表1.

表1 公路網抗災能力評價標準門檻值

評價標準門檻值確定后，再根據三角模糊數得出隸屬度為1的判斷分值，用以定義5個級別的評價集V，其值分別為：V＝｛v1，v2，v3，v4，v5｝＝｛100，90，80，70，50｝＝｛抗災能力強，抗災能力較強，抗災能力一般，抗災能力較弱，抗災能力弱｝.

步驟4確定權重集 權重的確定，可采用頭腦風暴法、Delphi法等，應按照不同區域特點結合對本領域相關專家、基層公路管理部門工作人員的走訪調查結果及國內外相關研究成果來確定.權重集包括二級指標的權重集：A1＝（a11，a12，a13，a14，a15）；A2＝（a21，a22）；A3＝（a31，a32，a33，a34，a35）和一級指標的權重集：A＝（a1，a2，a3）.

步驟5二級指標模糊綜合評判

1）單因素模糊評判 建立一個從U到F（V）的模糊映射，：U→F（V）

式中：rij為ui屬于vj的隸屬度（i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n）.

由（ui）可以得到單因素評判集Ri＝（γi1，γi2，…，γin），以單因素評判集為行組成矩陣稱為單因素評判矩陣，該矩陣為模糊矩陣：

在各子因素對評判元素的隸屬度計算上，按照不同程度抗災能力的概率采用定量或定性與定量相結合的方法獲得.進行二級指標評價計算時，應按照表1的評價標準門檻值，將定量評價和定性評價統一起來.評價時參考已有研究成果，保持公路評價一般思路、方法的連貫性；同時密切聯系區域實際，按照公路網抗災能力評價的要求，對現有的標準、方法做補充、調整，注重實用性和創新性.通過計算整理，得到單因素評判矩陣R1，R2，R3.

2）模糊綜合評判 在單因素評判矩陣和權重確定后，模糊綜合評判可表示為

B為模糊綜合評判集；bj（j＝1，2，…，n）為模糊綜合評判指標，其含義是綜合考慮所有因素的影響時，評判對象對備擇集中第j個元素的隸屬度.通過計算得到B1，B2，B3.

步驟6一級指標模糊綜合評判 得到二級指標模糊綜合評判結果后，將網絡常態特征、網絡穩定性、養護管理情況作為單一因素，其各自二級指標評判結果視為單因素評判集，組成一級指標模糊綜合評判的單因素評判矩陣：R＝［B1，B2，B3］T.

由單因素評判矩陣和權重得到一級指標模糊綜合評判為B＝AR.根據前面的評判集V，以隸屬度bj為權數，對評判對象進行綜合評分.

3 案例研究

本文以杭州市國省干線公路網為例，對氣象災害頻發條件下公路網抗災能力評價方法進行實際應用的研究.杭州市國省干線公路網見圖2.

根據評價方法，對杭州市國省干線公路網抗災能力進行了評價.其中權重集的確定采用Delphi法，得到二級指標的權重集：A1＝（a11，a12，a13，a14，a15）＝ （0.3，0.2，0.2，0.2，0.1）；A2＝（a21，a22）＝（0.6，0.4）；A3＝（a31，a32，a33，a34，a35）＝（0.2，0.3，0.2，0.1，0.2）.一級指標的權重集：A＝（a1，a2，a3）＝（0.4，0.3，0.3）.

對于二級指標的評價，根據區別對待、因地制宜的原則，密切結合杭州實際，參考了杭州市交通局、公路管理局的相關研究報告［7－12］，制定評價標準見表2.

圖2 杭州市國省干線公路網絡示意圖

表2 杭州市公路網抗災能力二級指標評價計算標準

二級指標評價結束后再結合權重集和模糊數學理論，對杭州市公路網抗災能力一級指標進行評價，然后結合一級指標權重集和模糊數學理論，得到杭州市公路網抗災能力評價綜合評分為84分，抗災能力屬于“一般”等級，接近“較強”等級，從隸屬度來看對于“一般”等級的隸屬度為0.6，對于“較強”為0.4，意味著抗災能力尚有很大提升空間.

表3 杭州市公路網基礎設施優先建設建議

4 結束語

頻發的氣象災害使得公路網抗災能力評價的必要性日益突顯，本文提出的評價方法在公路網整體抗災能力評價方面做了一次探索.通過建立的評價指標體系對杭州市公路網的抗災能力進行評價，得到了比較可信的結論，并根據回溯分析找出其薄弱環節并對改善策略加以探討，為提升杭州市公路網抗災能力提供了可靠依據.同時，公路網抗災能力評價方法及應用的研究也為災害應對機制的建立奠定了基礎.公路網抗災能力評價是一個龐大復雜的系統工程，需要經過長期的理論與實踐過程才能最終趨于完善.如果能在公路網整體評價的基礎上開展分區域、分災種的抗災能力評價將有利于深入認識區域公路網不同分區抗擊不同氣象災害能力的差異，從而提出更具針對性的改善建議和應對機制.

［1］周 偉，張生瑞，高行山.基于模糊理論和神經網絡技術的公路網綜合評價方法研究［J］.中國公路學報，1997，10（4）：76－83.

［2］楊 濤.公路網規劃［M］.北京：人民交通出版社，1998.

［3］周石硚，成田英器，小林俊一.黑龍江省公路雪冰基本特征與災害防治對策［J］.自然災害學報，2005，14（3）：114－118.

［4］李淑慶，唐伯明，鄭志明，等.重慶市國省干線公路抗災能力模糊綜合評價研究［J］.重慶交通學院學報，2006，25（5）：88－93.

［5］柳春光，張敬偉.交通系統地震服務性能分析［J］.地震工程與工程振動，2006，26（4）：182－186.

［6］Mine H，Kawai H.Mathematics for reliability analysis［M］.Tokyo：Asakura－shoten，1982.

［7］彭祖贈，孫韞玉.模糊數學及其應用［M］.武漢：武漢大學出版社，2007.

［8］杭州市交通局，杭州市交通規劃設計研究院.杭州市公路建設現代化指標體系研究報告［R］.杭州：杭州市交通局，杭州市交通規劃設計院，2007.

［9］杭州市公路管理局.2008年杭州市公路發展狀況報告［R］.杭州：杭州市公路管理局，2009.

［10］周 勇，張謝東.公路工程質量評定系統的設計與應用［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2004，28（3）：444－446.

［11］李家春，董衛衛，崔 娥，等.山區公路水災害評價體系框架的研究［J］.重慶交通大學學報：自然科學版，2009（2）：55－58.

［12］李淑慶，唐伯明，蒙 華.重慶市國省干線公路災害調查與特征分析［J］.重慶交通學院學報，2006（4）：58－61.