基于SPA-VFRM的城市要害系統綜合應急能力研究*

劉朝峰，張嘉鑫，杜金澤，郭 增，王 威

(1.河北工業大學 土木與交通學院，天津 300401; 2.張家口職業技術學院 土木工程系，河北 張家口 075051;3.北京工業大學 抗震減災研究所，北京 100124)

0 引言

城市要害系統是指維持城市生存功能系統和對國計民生有重大影響的工程和區域，涉及交通系統、能源系統、通訊系統、給排水系統、環境保護系統、防災系統等各類設施[1-2]。若某一系統發生災害事故，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，如2003年在北美大停電事故中，交通、供水、通訊、醫療等系統接近癱瘓，造成巨大的經濟損失和極大的社會影響[3]。可見，如何提高城市要害系統的綜合應急能力，增強城市的防災韌性，已成為迫切解決的課題。

為應對日趨嚴重的自然災害及人為災害，提升城市要害系統的防災減災能力，國內外對城市要害系統進行了大量研究，主要集中在城市基礎設施防護需求分析[4]、動力學模型[5-7]、易損性[8-9]、后果[10-11]、防災減災能力[12-13]、風險評估[14-16]等，這些方面成果的核心思想是提升城市要害系統的防御性，提高要害系統的可靠性，減輕災害擾動下的后果，但是由于災害的復雜性和不確定性，不可能不計代價的提升設施本身的抗御能力，以消除要害系統的易損性和災害損失。單純考慮防護以減緩災害損失是一種脆性戰略[4]，提升城市要害系統的災后迅速恢復和保持既定功能的能力更為重要[17]。目前，學界多研究城市單項要害系統或者要害系統單項應急能力的定性分析或半定量分析，但研究單個災害或單個要害系統的應急能力不具有普適性，不足以提高城市綜合應急能力。因此，本文分析城市要害系統組成與應急能力分解維度，建立城市要害系統綜合應急能力的評估體系，將集對分析方法[18](Set Pair Analysis, SPA)與可變模糊識別模型[19](Variable Fuzzy Recognition Model, VFRM)相結合，構建城市要害系統綜合應急能力的SPA-VFRM模型，以期為城市防災管理與規劃提供理論支持。

1 城市要害系統構成與應急能力分析

城市要害系統包括交通、供電、通訊、供水、能源、醫療以及其他關系城市安危的基礎設施網絡體系，各系統相互關聯、依賴并日趨復雜；是確保城市正常運轉、安全防災的保障體系，也是抗災與救災的支撐系統[12-13]。然而，某些要害系統也是致災因子，如燃氣、輸油管道一旦破裂，會對城市造成不同程度的影響。因此，災時城市要害系統可分為應急保障設施、應急服務設施和重點防御設施。其中，應急保障設施是災時可立即啟用或盡快恢復功能，為應急救援、搶險救災和避難疏散提供保障的工程設施，包括交通、供水、供電、通訊設施；應急服務設施是災時可保持功能，為滿足應急救援、搶險避難和災后生活提供應急服務所必需的應急指揮、醫療救護和衛生防疫、消防救援、物資儲備分發、避難安置等功能的公共服務場所和設施，包括醫療、避難、消防、環保等設施。重點防御設施指可能誘發災害或次生災害的基礎設施，包括燃氣、輸油等設施。城市要害系統網絡體系，如圖1所示。

圖1 城市要害系統網絡體系及應急分析思路Fig.1 Network architecture of urban high-consequence systems and analytical thinking

要害系統綜合應急能力是指城市的各要害系統在應對自然災害或人為災害時，其所擁有的科技、組織、人力、資源等要素表現出來的敏感性和調動這些要素以應對災害打擊的能力。而當今城市面臨的主要災害有洪災、火災、地震、交通事故4類[12]。因此，城市要害系統綜合應急能力不僅要體現應對多災種的綜合性，還要體現各要害系統構成要素的協調性。可見，城市要害系統綜合應急能力具有多面性、多層次性、復雜性等特點，需要各個層面協同聯動工作，尋求城市的最佳應急策略。綜合應急能力的強弱，取決于空間、設施、管理等層面要素的優化組合形式，可以從防災準備的充分性、監測預警的準確性、災害抵御的適度性、應急救援的及時性4個維度進行現狀綜合應急能力分析與評估，如圖1所示。這4個方面相互交錯、重疊，不斷循環、改進控制著城市綜合應急能力的動態發展過程。

2 基于SPA-VFRM的綜合評估模型

城市要害系統是一個多要素、多層次、關聯機制復雜的動態系統，單一系統的災害事件容易演變為多系統耦合的關聯事件。城市要害系統應急能力的影響因素眾多，這些因素表現出隨機性、模糊性和動態性特征。本文從空間、設施、管理3個層面，防災準備的充分性、監測預警的準確性、災害抵御的適度性、應急救援的及時性4個維度，借鑒已有成果，建立要害系統綜合應急能力的指標體系[1-13]，如表1所示。

城市要害系統綜合應急能力的影響因素之間存在復雜性和不相容性，且包含眾多隨機、模糊及未確知信息。可變模糊識別模型[19]能夠綜合考慮確定性與不確定性，較好解決非線性、高維數及模糊、隨機等常見不確定性問題。但是由于可變模糊識別模型的相對差異度函數構造困難、計算量較大，引入集對分析方法構建評價指標的相對差異度函數[20]，建立基于集對分析的綜合應急能力評估可變模糊識別模型：

1)建立綜合應急能力評價指標體系的樣本集，記為{Xij|i=1,2,…,n;j=1,2,…,m}。其中，i和j分別為樣本編號和指標編號；n和m分別為樣本總數和指標總數。對數據進行無量綱化，記為{xij|i=1,2,…,n;j=1,2,…,m}，無量綱計算公式如下：

表1 評價指標的原始數據Table 1 Raw data of evaluation indexes

效益型指標，采用

(1)

成本型指標，采用

(2)

2)根據評價系統不同指標的作用方向，對其進行優劣排序，得到樣本集的理想“最優”和“最劣”樣本，即理想點和反理想點[20]，分別記為{sj|j=1,2,…,m}，{tj|j=1,2,…,m}。將第i樣本的第j指標值xij與(反)理想點對應指標值看成1個集對，從同、異、反方面定量分析它們的接近程度，與理想點之間的單指標差異度uij，具體計算公式為：

(3)

3)樣本i與理想點、反理想點之間相對差異程度，分別記為dg和db，計算式如下[19]：

(4)

(5)

式中：p為距離參數，p=1為海明距離，p=2為歐式距離；wj為評價指標的權重，可通過層次分析主觀賦權法[16]、變異系數客觀賦權法得到綜合權重[12]。

4)計算樣本隸屬于模糊集“理想點”的綜合隸屬度vi，根據“綜合隸屬度越大，綜合應急能力越高”的原則，對不同城市要害系統綜合應急能力高低進行排序。具體計算公式如下：

(6)

式中：α為優化準則參數，取值為1或2時分別對應最小一乘準則或最小二乘準則。

3 案例應用與分析

城市要害系統的綜合應急能力的高低決定著城市防災韌性的大小，影響著城市的正常運轉和健康發展。因此，以某市要害系統為例，剖析城市要害系統綜合應急能力現狀及趨勢，找出提升應急能力的關鍵環節。

3.1 樣本數據處理

根據某市統計年鑒、中國城市建設年鑒查找指標數據，并經過指標解釋進行計算得到2009—2016年的原始數據，詳細信息如表1所示。其中：常住人口密度、消防火災發生率、道路交通死亡率為成本型指標，其他指標為效益型指標。

圖2 權重計算結果Fig.2 Calculation results of weights

3.2 模型計算過程

首先，利用標準化處理的數據，按照式(3)計算每個樣本單項指標的相對差異度uij；其次，結合指標綜合權重值wj，按照式(4)和(5)計算評價樣本與理想點、反理想點之間的相對差異度dg和db；最后，考慮評估指標間的非線性、不確定性關系，依據式(6)，取優化參數α=1,p=1；α=1,p=2；α=2,p=1；α=2,p=2共4種組合模型，計算得到該市要害系統綜合應急能力評價的隸屬度vi，取4種評估結果的平均值作為綜合隸屬度，結果如表2所示。

3.3 評估結果分析

由表2和圖3可以看出，城市要害系統綜合應急能力評價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種優化準則參數組合形式下，同一年份的評估隸屬度都發生了一定的變化，由于難以確定該評估過程的非線性、不確定性程度，因此采用4種組合形式的均值進行綜合應急能力的評估。對比分析每種組合形式下綜合應急能力評價的綜合隸屬度變化，可以看出該市要害系統綜合應急能力變化趨勢較為一致，這也反映了在評價過程中考慮不同非線性程度對評價排序基本沒有影響，也表明了采用隸屬度均值反映應急能力是較為科學的。

表2 綜合隸屬度及排序Table 2 Comprehensive membership and ranking

圖3 5種情況的計算結果Fig.3 Calculation results of five conditions

為了進一步驗證該方法的可行性與有效性，與灰色關聯法、TOPSIS法進行對比分析。由圖4可知，3種方法的評估結果排序一致，近8年的變化趨勢反映出該市要害系統綜合應急能力呈現“波浪式”提升，究其原因主要是近年來該市對要害系統的建設或運營維護方面投入逐年增加，重視城市基礎設施的防災能力，編制了各類應急預案。

圖4 3種方法的評估結果Fig.4 Assessment results for the three methods

為了找出要害系統綜合應急能力的薄弱項，從災害預防能力、災害監測預警能力、災害抵御能力、應急救援能力4個維度分別進行綜合隸屬度計算，即利用各自評價指標及其權重，計算應急能力4個維度的隸屬度，如圖5所示，從中可以看出：

圖5 應急能力的四個維度變化趨勢Fig.5 Change trend of four dimensions of emergency capability

1)除災害監測預警能力外，其他3個方面整體上都呈現出增長趨勢，災害抵御能力的增長趨勢更為明顯，這也說明災害抵抗能力是城市要害系統綜合應急能力的主要構成方面。因此，要提升要害系統綜合應急能力，最主要的就是提高各個系統工程設施的災害設防標準，加強各個系統自身的抗災韌性，特別是要提高地震、洪水、火災、交通事故等城市災害的防御能力。

2)在城鄉建設防災減災中，需要重點提升災害監測預警能力，考慮經濟投入與社會發展等因素優化配置災害監測站點，研發推廣災害監測預警新技術，提高災害監測預警的準確性和及時性，為災時應急救援與處置提供決策依據。

3)綜合應急能力4個方面的發展過程都呈現一定的波動性，也符合城市要害系統發展過程中的隨機性、復雜性、動態性等特征。

4 結論

1)從災害預防能力、災害監測預警能力、災害抵御能力和應急救援能力4個維度，空間、設施和管理3個層面，針對地震、洪災、火災、交通事故等典型城市災害，采用系統結構方法構建城市要害系統綜合應急能力評價指標體系，并采用主客觀綜合賦權法計算指標權重；考慮評價指標的隨機性、模糊性及動態性等未確知信息，利用集對分析原理構造城市要害系統綜合應急能力的單指標可變模糊集差異度函數，建立基于SPA-VFRM的城市要害系統綜合應急能力的評價模型。

2)實例應用和與其他方法對比結果表明，該市要害系統綜合應急能力呈現“波浪式升高”的動態發展趨勢，災害抵御能力是構成綜合應急能力的主要方面；3種方法的評價結果排序基本上一致，表明本文方法的評估結果穩健、可靠，能夠準確地反映城市要害系統綜合應急能力的客觀實際狀況。