基于ISM二維云模型的應急管理協同度研究*

王景春，林佳秀，張 法

(石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊 050043)

0 引言

2018年3月，第十三屆全國人民代表大會提出將國家安全生產監督管理總局、國務院辦公廳、公安部、民政部、國土資源部等13個部門的相關職責進行整合，成立中華人民共和國應急管理部，推動形成統一指揮、專常兼備、反應靈敏、上下聯動、平戰結合的中國特色應急管理體制，提高防災減災救災能力，確保人民群眾生命財產安全和社會穩定[1]。2014年2月，習近平總書記提出推進京津冀協同發展戰略要求，形成京津冀目標同向、措施一體、優勢互補、互利共贏的協同發展新格局[2]。可以說，應急管理協同研究是符合新時代社會主義建設現實需求，促進應急管理與經濟建設同步發展的重要課題。

目前，國內學者對應急管理協同度的研究多集中于應急決策的科學性與應急救援物資的系統性問題。高揚[3]通過拓展多agent系統理論，研究了應急管理決策過程中的推理方式，提高系統決策的適應性和有效性；趙林度[4]提出了“應激-應急-應變”和“學習-應急-協同”的決策模式，從能量的角度梳理城市群應急決策過程；王興鵬等[5]通過知識協同理論將應急管理各主體之間進行有效聯系，研究跨區域突發事件的響應問題。綜合上述成果可以發現，總體上均是基于響應階段鏈式應急決策流程進行的相關研究，但實際上影響應急管理協同效果的因素是錯綜復雜的，故梳理應急管理系統的結構模型和各要素之間的遞階關系將是協同度研究的重要方向之一。本文提出應用ISM二維云模型進行應急管理協同度研究，而協同度指標體系的建設和權重分析充分考慮了應急管理各因素之間的層間遞進關系，力求最大限度符合應急管理系統的實際特征；在此基礎上，應用二維云模型進行協同度評價，處理預防階段和響應階段協同度指標模糊性與不確定性的問題，兼顧應急管理復雜系統的數值特征與結構特征。

1 協同指標體系建立和權重分析

1.1 解釋結構模型

解釋結構模型(ISM)是一種應用面十分廣泛的結構模型化方法，用于把一些模糊不清的思想、見解轉化為通透直觀的具有良好結構關系的模型[6]。通過數學方法計算復雜系統中各要素之間的邏輯關系，創建由節點和有向邊組成的結構模型，描述系統內部的遞階層次和因果關系[7]。鄰接矩陣A用于表示系統元素兩兩之間的影響關系，表示為

其中，αij為因素ai對aj的影響程度，可分為(無、弱、一般、較強、強)5個等級，對應取值為(0、1、2、3、4)，當i=j時，aij=0[8]。按照式(1)和式(2)對鄰接矩陣A進行運算，分別構建直接影響矩陣B和綜合影響矩陣C。

(1)

C=B+B2++Bn≈B(I-B)-1

(2)

根據綜合影響矩陣C計算表征ai結構特征的4個概念：影響度fi、被影響度ei、中心度Mi、原因度Ni，如圖1所示。fi表示ai對U=(a1，a2，，an)的綜合影響程度，如式(3)所示；ei表示U對ai的綜合影響程度，如式(4)所示；Mi表示ai對U的影響程度與受U影響程度的綜合結果，能夠代表ai的重要程度，Mi越大，ai越重要，如式(5)所示；Ni表示ai對U的凈影響程度，當Ni≥0時，表示ai對U的影響程度大，為原因因素，而當Ni<0時，表示U對ai的影響程度大，為結果因素，如式(6)所示。

(3)

(4)

Mi=fi+eii=1,2,,n

(5)

Ni=fi-eii=1,2,,n

(6)

圖1 fi,ei,Mi,Ni示意Fig.1 Diagram of fi,ei,Mi,Ni

根據式(7)計算整體影響矩陣D，I為單位矩陣。選取適當的閾值λ，應用式(8)計算可達矩陣E。對可達矩陣進行層級劃分，比較可達矩陣E中第i行和第i列中元素為1的集合。當第i行中元素1按主對角線做對稱，落在第i列對應位置的元素都為1時，定義ai是位于高層級的致因因素，劃除ai。如此循環，直至沒有符合條件的因素可做進一步劃除，得到由高層次到低層次的影響因素遞階層次圖。

D=I+C

(7)

(8)

1.2 遞階中心度權重法

目前求取權重的方法主要有層次分析法、熵權法等，這些方法往往獨立于主計算模型且主觀性較強。本文提出1種遞階中心度權重法，在ISM方法的基礎上進一步挖掘，同時考慮影響因素的重要度和結構度，運算量小且主觀程度較低。將因素的遞階層級作為影響系數納入權重計算公式，如式(9)～(10)所示。

(9)

式中：Li為因素ai所在結構模型層級系數。

(10)

式中：Wi為因素ai的權重。

1.3 應急管理協同指標體系及權重分析

應急管理的主要任務是處理復雜社會系統中發生的一系列突發事故，使事件的發展趨勢向預期可控的方向發展，達到消除危機、減小損失的目的[9]。進行預防準備、預警預測、響應控制、資源協調、搶險救援、信息管理、善后恢復等工作。優質的應急管理過程應為各應急主體相互協同，連接成1種專業化、信息化、智能化的處置網絡。應急管理系統的協同度除要考慮政府縱向部門之間的聯系以外，政府與公眾、媒體等其他組織的聯系，以及區域之間的橫向聯系同樣至關重要。從應急組織、應急信息、應急物資和應急機制4方面討論應急管理系統協同度的影響因素，并根據應急管理流程和相關文獻[10-11]進一步細分為政府協同決策、救援隊伍、志愿者服務等17項2級評價指標，如表1所示。

表1 協同度影響因素Table 1 Influence Factors of coordination degree

計算直接影響矩陣A、影響度fi、被影響度ei、中心度Mi和原因度Ni。劃分原因因素和結果因素。觀察整體影響矩陣D，以0.05為步長選取閾值λ=[0.05，0.1,0.15,0.2，0.25]進行計算。當λ=0.15時，得到影響因素遞階層次圖，如圖2所示。

圖2 影響因素遞階層次Fig.2 Hierarchical map of influencing factors

結果因素為{a2,a3,a5,a8,a9,a10,a11,a15}，原因因素為{a1,a4,a6,a7,a12,a13,a14,a16,a17}，與前文所述原因度Ni確定的原因因素吻合率達到100%。經計算，當λ=[0.05,0.1,0.15,0.2,0.25]時，吻合率分別為(56.25%,69.2%,100%,55.6%,44.4%)，如圖3所示。觀察圖3，選取閾值λ=0.15，應用遞階中心度法計算原因因素的權重，如下所示：{0.049，0.084，0.05，0.178，0.169，0.116，0.096，0.092，0.166}

圖3 閾值吻合度Fig.3 Anastomosis degree of threshold

2 基于二維云模型的協同度評價

2.1 云模型

定義1個定量論域U，C是U上元素的定性表達，若x∈U，且x是C的1次隨機實現，隸屬度μ(x)∈[0,1]是x對C具有穩定傾向的隨機數，則稱x在U上的分布形式為云，x是組成云分布中的任意1個云滴[12-13]。期望Ex、熵En和超熵He可以表征云分布的模糊性與隨機性，期望Ex最能代表云的定性特征；熵En是定性特征不確定性的度量；超熵He是熵En的熵，由熵的隨機性和模糊性共同決定。

2.2 二維云

二維云模型由2個一維云合成得到，用來綜合描述2個因素共同作用下的隨機性與模糊性問題。設F為服從正態分布的二維隨機函數，Ex和Ey為期望值，Enx和Eny為標準差，滿足式(11)。則云滴drop(xi,yi,μi)構成的云模型為二維正態云模型[14]。

(11)

式中：xi和yi為云滴坐標；Pxi和Pyi為條件云滴坐標；He為超熵；μi為隸屬度。

2.3 協同云

分析應急管理預防和響應2個階段，選取每個評價指標的雙階段特征值作為協同云的2組基礎變量。邀請相關專家進行打分，采取十分制，規定分值精度為0.1。每個評價指標的預防階段和響應階段分值分別形成1個云滴，組成該指標的預防云和響應云，統稱為2級云。應用逆向云發生器生成預防云和響應云特征數字(Ex,En,He)。如式(12)所示[15]。

(12)

式中：Ex為樣本期望；q為樣本數量；xk為第k位專家打分值；En為熵；He為超熵；S2為樣本方差。

將2級預防云矩陣、2級響應云矩陣分別與2級權重矩陣進行合成運算，得到1級預防云數字特征和1級響應云數字特征。合成運算如式(13)所示。

(13)

式中：Ex′、En′和He′分別為1級云的期望、熵和超熵。

2.4 標準云

(14)

表2 協同等級數字特征Table 2 Digital feature of synergetic level

2.5 協同云圖

利用正向云發生器生成協同云圖，對1級協同云與標準云進行分析比較，初步得出應急管理系統的整體協同度等級；同時對各級指標協同云與標準云進行比較，得出各協同指標等級。

2.6 相近度

考慮各指標的評價結果存在相似性，僅從云圖上無法直接辨別協同等級，應用式(15)計算協同云與標準云的相近度，確定協同等級。

(15)

3 京津冀應急管理協同度評價

北京、天津、河北獨具特色的嵌套型地理位置和協同發展戰略的不斷推進，使得京津冀應急管理協同合作成為必然選擇。石羊溝山洪災害應急救援便是京津冀協同應急救援的1個典型案例。2017年6月18日，北京市門頭溝齋堂地區發生強降雨，而與此同時，其上游的河北省懷來縣孫莊子鄉麻黃峪村一帶突降特大暴雨，上游來水導致石羊溝爆發山洪泥石流，12人被困。北京市政府、河北省政府組織現場救援，國家級應急救援專業力量和百靈、藍天等社會救援組織參與救援救災，北京林業大學科研團隊進入現場進行監測預警研究。石羊溝山洪災害反映出突發事件的流動性、跨區域性和邊界滲透性等特點。目前京津冀應急管理協同聯動機制正處于不斷完善階段，3地的協同合作多為政府高層互訪和集體協商，各項政策協議、應急預案、法律法規等的協同效果仍有待實踐檢驗，具體如表3所示[16]。

表3 京津冀協同應急管理現狀Table 3 Situation of Beijing Tianjin Hebei coordinated emergency management

根據京津冀協同應急管理現狀對京津冀應急管理各項指標的預防等級和響應等級進行打分，結果如表4所示。運用式(12)計算每個2級指標的協同云數字特征，結果如表5所示。根據式(13)分別對2級協同云數字特征與2級權重矩陣進行合成計算，得到1級協同云數字特征：預防階段(6.51,0.52,0.17)；響應階段(5.78,0.46,0.16)。

表4 預防等級和響應等級分值Table 4 Scores of prevention grade and response grade

注：xi為預防階段分值，yi為響應階段分值

表5 協同云數字特征Table 5 Digital features of collaborative cloud

應用正向云發生器生成1級協同云與標準云，如圖4所示；為明確各級指標的協同程度，示例性選取U7，U13，U17生成2級協同云與標準云對比云圖，如圖5所示。應用式(15)計算各級協同云的相近度，得到各級協同云等級。經本文模型計算，京津冀應急管理綜合協同度等級為良，基本滿足京津冀區域突發事件應急管理協同聯動要求，但仍有持續改進空間。可通過觀察各2級指標對比云圖，進一步分析京津冀應急管理系統存在的短板問題，據此提出針對性的對策建議。

1)據U7評價結果可知，京津冀橫向信息交互程度僅為合格，需加大3地政府間的橫向溝通合作。目前京津冀3地政府就應急管理協同工作簽訂了一系列文件，逐步建立應急協同聯動機制，但現有京津冀應急管理橫向合作多為高層互訪和集體協商，更深層次、更高水平、更精細化、更規范化的應急管理橫向合作亟待建立。

2)據U13評價結果可知，京津冀應急預案協同等級為中，且在預防階段的應用程度要優于響應階段。部分城市的應急預案仍缺少操作性，進而影響預案協同的整體效果，要想提高突發事件的應急救援效率與標準化水平，需進一步提高應急預案的可行性、穩定性與容錯率，可通過“雙盲”的預案演練提高應急演練的真實性，進而實現事故應急救援的“有案可依、有案必依”。

3)據U17評價結果可知，京津冀應急管理科技支撐能力為優，但表現為響應階段的科技支撐能力略優于預防階段。隨著相關應急科研攻關課題的推出，一大批科技成果得到轉化，許多先進、實用的救援技術和救援裝備器材在事故應急響應過程中發揮了巨大的積極作用。2018年5月，中華人民共和國應急管理部推進了安全科技支撐平臺建設，提高新科技、新技術在災害防控、監管監察等方面的應用，支撐京津冀應急管理預防階段協同工作系統的完善和發展。

圖4 1級協同云Fig.4 First level collaborative cloud

圖5 U7、U13、U17協同云Fig.5 Collaborative cloud of U7、U13、U17

4 結論

1)提出應用ISM模型構建應急管理協同度評價指標體系，通過梳理各因素之間的遞階層次關系，鎖定應急管理復雜系統中的原因因素作為二維云模型的協同度指標體系。

2)提出1種遞階中心度法，用于求取各指標的權重系數。該方法既考慮了指標因素的中心度，又兼顧了該因素在結構模型中的縱向因果地位，更加貼近應急管理系統復雜的運行機制。

3)提出應用二維云模型進行京津冀應急管理協同度的探索性研究，從預防階段和響應階段2個角度分析相關應急管理現狀，借助二維云模型完成定性因素定量化和量化結果定性表達2個過程。最后，依托京津冀應急管理協同度和2級指標協同度評價云圖，提出相應的對策和建議。