基于AHP-熵物元的地震安全社區應急管理評價*

王海飆，徐文靜

(東北林業大學 土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

我國地處世界兩大地震帶之間，地殼活躍，有一半以上的城市位于地震基本烈度7度或7度以上，城市社區人口、財富高度密集，是受地震災害嚴重威脅的承災體之一，近十年地震給我國造成巨大損失。面對嚴峻的地震災害，2009年中國地震局聯合大連市提出建立“地震安全社區”理念，從社區規劃設計階段開始，將地震安全社區理念貫徹于工程施工和后期社區運維管理的全過程，最大限度地減輕地震災害損失[1]。但是目前地震安全社區的建設還未形成建設規范和管理評價標準，對完善地震安全社區理念和全國范圍的建設推廣十分不利[2]。要徹底解決“減輕和預防地震災害”的問題,必須依靠土木工程的方法并輔之以其他災前和災后的防震減災措施[3]。應急管理作為典型的災前、災中、災后三階段管理模式，是減輕地震損失、保障社區居民安全的有效防災措施。在提高地震安全社區減災綜合效益的前提下，對地震安全社區應急管理做出科學合理的評價尤為重要。

在災害管理評價方面，眾多學者已有所研究，謝禮立[4]為提升城市防震減災決策水平，首次從人員傷亡、經濟損失和震后恢復時間3個方面建立城市防震減災能力評價體系；陳文濤[5]在充分分析總結我國應急體系建設和社區應急實際情況的基礎上建立社區災害應急能力評價體系；張勤[6]為找出社區地震應急工作中的不足，運用層次分析法建立社區地震應急能力評價指標體系；吳曉濤[7]重視災害發生前的應急準備工作，針對社區應急準備工作構建了社區應急準備能力評估體系；任國友[8]通過對比研究汶川等幾次大地震中災害情況，找出地震應急準備能力關鍵因素并提出改進對策；鄒清明[9]對城市社區應急管理脆弱性進行研究，建立城市社區脆弱性評價指標體系。通過文獻搜集發現，目前我國學術界在地震安全社區應急管理評價方面的研究尚較少，且評價方法較為單一，主要以層次分析和模糊評價為主。物元模型能夠定性和定量地對事物、特征、量值三者之間的關系及其變化進行分析，是研究受復雜因素影響問題的形式化工具，通過待評物元各特征指標的關聯性得到研究對象的薄弱環節和綜合評價結果，其在多領域的評價研究取得了較好的評價效果，本文將物元模型運用到應急管理評價中，擬為日后社區應急管理評價提供方法參考和借鑒。

1 地震安全社區應急管理評價指標選取

由于各省份經濟水平、地理位置、人口結構不同，要建立適合全國地震安全社區應急管理的評價指標體系不僅要從應急管理時間維度上考量，還要結合社區應急設防和當地社會環境，同時依據《國務院辦公室關于加強基層應急管理工作的意見》和《地震安全示范社區管理暫行辦法》等文件資料，從系統工程角度出發，分析應急管理各階段互相影響、互相制約的因素，本文選取地震安全社區前期規劃到后期管理運行的具有代表性、獨立性的4個一級指標和17個二級指標構成評價體系，見表1。

表1 評價指標體系與指標權重及評分Table 1 Evaluation index system, index weight and score

1)社區應急準備。地震安全社區前期的規劃建設屬于可控的應急預防準備階段，動態性影響因素較少，主要選取社區居民建筑抗震等級、避難場所及應急基礎設施、應急組織設立及培訓、應急教育及預案演練、應急資金投入為二級指標。預防準備階段也是災害減緩的過程，傳統的“小震不壞，中震可修，大震不倒”是最基本的設防目標，地震安全社區理念中的建筑抗震設防達8度，采用的耗能減震新技術以及居戶“安全島”避難空間等應急空間設計直接影響地震傷亡率。城市受土地因素制約，超高層小區已成為城市主流，應急避難空間及應急基礎設施是評估應急準備階段關鍵影響因素。

2)社區應急響應。應急響應過程與應急準備相比復雜多變，遇到破壞性地震，應急響應過程可控性較弱，社區內部首先要自救互救，然后與外界協同應對。在GIS和互聯網技術支持下，社區應急組織在社區應急響應中的預警、指揮、救援等任務更加智能化[10-12]。應急響應能力大小直接影響災時應急效率，地震一旦發生，必定會擾亂居民正常判斷能力，該情況下社區應急組織必須根據地震震級大小啟動不同級別的應急預案，在地震逃生黃金時間內及時做出地震預警和應急指揮，疏散居民到應急避難場所。

3)社區災后恢復。地震引發的直接災害、衍生災害是阻礙災后恢復的主要難題，社區內的生命線工程癱瘓導致社區停滯運轉，社區恢復過程可在BIM建筑信息技術監測功能下聯動政府部門，在災后及時對生命線工程檢查維修以及建筑安全測評[13]。根據震情不同對災民進行有序安置，受災嚴重時要在政府指導下開展長期的恢復重建工作。

4)社會環境因素。在分析影響社區應急管理因素時，社會環境作為潛在因素容易被忽視，城市整體應急能力水平高低與當地經濟發展、城市以往地震經歷、城市應急文化建設、居民文化素養以及社區老齡化人口比例等社會環境影響因素有關，邢娟娟提出抗震減災不僅要發展經濟和科學技術，也要加強應急文化建設才能更好推動以人為本的社會管理科學的發展[14]。我國各省份地震應急系數不同，大致呈東部高、西部低趨勢[15]。根據不同地區的地震應急系數，政府應急部門加強應急文化建設，進而提高我國基層地震應急管理水平。

2 確定指標權重系數

指標權重的確定與模型綜合評價結果密切相關，為使評價結果更能反應研究對象的實際狀況，在充分利用專家經驗和避免主觀賦權片面性的基礎上，采用AHP—熵權組合法優化指標權重。

2.1 AHP法確定指標權重

層次分析法(AHP)在目標準則下將權重計算過程分解為遞階層次結構，按照T. L. Satty氏 1—9標度法(見表2)對元素進行兩兩比較構造判斷矩陣，根據判斷矩陣得到各指標權重。在計算出各矩陣特征值λmax基礎上得到判斷矩陣的一致性指標(CI)、一致性比率(CR)，并對CR進行一致性檢驗，若一致性比率CR小于0.1則通過一致性檢驗。

表2 層次分析法標度及其含義Table 2 Analytic hierarchy process scale and its meaning

注：i與j比較得到數值aij，則j與i比較得到比較值1/aij

2.2 熵權法確定指標權重

該模型中熵權是專家根據指標在系統中重要程度直接量化打分的結果，利用指標打分無序程度反應各指標攜帶的信息量。熵值Hi與指標權重Wi呈負相關，即熵值越大指標對決策結果可靠性影響越小，假設有m個評價指標，n位評價專家，構造實際評價指標值矩陣B=(bij)m×n，bij為第i個評價者對第j個評價指標的評價量值，則第j個評價指標的熵為：

(1)

(2)

第j個評價對象的熵權為：

(3)

通過式(1)～(3)計算全部評價指標的熵及熵權。

評價指標的權重列向量：

W=(W1,W2,W3,…,Wj)T

(4)

2.3 計算指標組合權重

為了使組合權重更具科學性，本文運用加法合成法計算組合權重，建立組合權重兩者偏差平方和最小的函數[16]:

(5)

式中：Gi為權重組合值；Wi′和Wi分別為AHP法和熵權法得到的權重值。

Gi=αWi+(1-α)Wi′

(6)

由式(5)～(6)可得：α=0.5；則組合權重為：

Gi=0.5Wi+0.5Wi′

(7)

組合權向量為：

Gi=(G1,G2,…,Gj)T

(8)

3 構建地震安全社區應急管理物元評價模型

3.1 物元評價模型理論

物元理論將質和量聯系在一起，能夠較好地描述實際問題中的不相容性，由關聯函數計算元素與集合的關聯度，對待評物元做出定量客觀的判斷或評價[17]。社區地震應急管理定性評價指標較多，物元分析可以根據評價對象實際狀況進行指標打分，通過定量分析方法較準確地評價社區的應急管理水平。

假設有事物N，其特征用C表示，對應的評價量值為V，可以用有序三元組R=(N,C,V)來表示事物的基本物元，即N代表地震安全社區應急管理，C和V分別表示應急管理的評價指標和量值。通過關聯度函數計算指標與各等級集合的關聯度大小，關聯度大的表明與該等級擬合度大。

3.2 物元評價具體步驟

1)確定經典域

令Rj為物元矩陣的經典域，即

(9)

式中：Nj表示第j個評價等級；C表示相應評價等級的特征；Vj表示各評價等級對應特征的取值區間，a和b為區間限值。

2)確定節域

各指標的取值范圍的集合即為所求評價指標的節域，即

(10)

式中：N為應急管理等級域；C為評價指標集；Vp為指標評價量值范圍，a和b為區間限值。

3)確定待評物元

令Ri為待評價物元，即

(11)

式中：Ni為第i個一級評價指標；Ci為Ni的二級指標集；Vi為二級指標集的量值。

4)計算關聯度

關聯函數是用來描述待評物元與某評價等級的符合程度，反應待評物元的可變過程，集合中各指標間的層次關聯程度以關聯函數值的大小表示，社區應急管理水平及其對應標準的關聯度函數為：

(12)

(13)

式(12)中：分子表示待測物元指標評價值到經典域的距離；分母表示經典域的模。式(13)中：分子表示實際評價值到節域的距離；分母表示節域的模。待評物元的綜合關聯度為：

(14)

5)確定待評物元等級

遵循最大隸屬度原則，地震安全社區應急管理評價結果根據關聯度矩陣Kj(Ni) 中最大值對應的評價等級確定。即Kj(N)=max{Kj(Ni)}，當0

表3 社區應急管理等級Table 3 Emergency management grade of community

4 實證分析

以地震安全社區大連永嘉尚品天城為例，應用文中構建的地震安全社區應急管理評價指標體系和AHP-熵物元評價模型對其進行應急管理評估。通過實際調研獲取社區前期建設過程中應急設防規劃資料以及社區后期應急管理運營過程情況統計資料，邀請應急管理、建筑工程防災減災領域的7位專家對社區應急管理評價模型中的各指標按照十分制進行打分，通過求平均值計算出各二級指標的最終打分值，評價結果見表1。

4.1 組合權重的確定

1)根據建立的應急管理評價指標體系以及專家評價結果，結合 Matlab 計算軟件運用AHP法得出各層中建立的判斷矩陣，計算出每個判斷矩陣的λmax,CI,CR ，各判斷矩陣的CR介于0.032 7～0.094 3之間，一致性檢驗通過，即由AHP法得到的權重符合要求。

2)根據熵權法公式(1)～(3)，得到各評價對象的熵值Wi，由公式(7)計算評價對象組合權重，各指標權重計算結果見表1 。組合權重計算過程在模型構建中式(5)～(8)已列出，由于篇幅限制不再詳細列出。

4.2 物元綜合評價

4.2.1 經典域、節域、待評物元的確定

以一級指標社會環境B4為例，建立物元模型中的經典域Rj、節域Rp和待評物元Ri。

1)由式(9)確定評價等級的經典域為：

2)由式(10)確定節域Rp為：

3)確定待評價物元Ri

由式(11)確定待評指標C4i的物元矩陣R4，即

4.2.2 關聯度計算與等級評定

1)為求出待評物元的關聯度，將經典域R1,R2,R3,R4,節域Rp以及各評價指標量值分別帶入式(12)～(13)，計算出各指標的關聯函數值，見表4。

2)將表1與表4得到的組合權重值與關聯度計算結果帶入式(14)，得到待評物元的綜合關聯度矩陣：

(15)

表4 尚品天城應急管理指標關聯度計算結果Table 4 Calculation results of correlation degree between emergency management indexes for Shangpintiancheng

3)確定社區應急管理評價等級。由式(15)可知：Kj=max{Kj(N)}=0.009 5，因此可確定該社區應急管理綜合等級為Ⅲ級。通過分析該社區應急管理一級指標中的關聯度值可知：應急響應階段最薄弱，需要對此進行全面調整，提高應急響應處置能力，其他3項一級指標評價結果在Ⅲ級以上，屬于可接受范圍，可根據二級指標關聯度計算結果進行適當調整。

5 結論

1)針對地震安全社區建設理念發展尚未成熟，其相應的應急管理各階段處于初步探索時期，尤其在應急管理受多種動態因素影響的情況下，科學合理地對其應急管理狀況進行評估是完善地震安全社區建設的重要環節。結合地震安全的特點，建立了相應的應急管理評價指標體系。

2)運用AHP-熵權法從主觀、客觀2方面進行指標權重值計算，降低了傳統AHP方法中主觀因素的影響，進而得到更符合實際的指標權重值，使得到的物元綜合評價結果更加準確。

3)在構建的綜合評價模型中利用物元理論對評價指標進行定性描述，并在可拓集合理論下求出各指標關聯度值，定量表示待評價物元的關聯度，進而得到待評價社區的應急管理等級和應急管理中的薄弱環節。通過實例分析得到的結果與實際情況相符，表明該指標體系及評價模型具有一定的實用性，對地震安全社區應急管理評估具有一定的參考和借鑒價值。