基于FAHP與云模型的城市防災(zāi)應(yīng)急能力評(píng)價(jià)

蔡林陽(yáng)，田杰芳

(華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

引言

進(jìn)入21世紀(jì)后，我國(guó)城市化進(jìn)程加快，同時(shí)也孕育了各種不同的災(zāi)害類(lèi)型，城市成為巨大的承災(zāi)體[1]。若應(yīng)急能力不足，城市一旦遭遇災(zāi)害帶來(lái)的沖擊，不僅會(huì)發(fā)展停滯，也會(huì)造成人民生命安全受到威脅的嚴(yán)重后果。如在2020年面對(duì)新型冠狀病毒帶來(lái)的城市突發(fā)性災(zāi)害時(shí)，由于人口流動(dòng)性過(guò)大、城市規(guī)模過(guò)大、重大突發(fā)事件缺乏預(yù)判經(jīng)驗(yàn)等因素，暴露出了我國(guó)城市防災(zāi)應(yīng)急能力的脆弱性和缺失性[2]。因此，研究并建立城市防災(zāi)應(yīng)急能力評(píng)價(jià)模型，保障城市快速應(yīng)對(duì)突發(fā)安全事故，增強(qiáng)面對(duì)重大災(zāi)害時(shí)人民應(yīng)急過(guò)程的從容性和針對(duì)性，降低城市災(zāi)害帶來(lái)的生命財(cái)產(chǎn)損失具有重要的意義。

目前國(guó)外針對(duì)應(yīng)急能力評(píng)價(jià)已經(jīng)取得了較為成熟的成果。2000年，美國(guó)對(duì)城市13項(xiàng)管理職能建立指標(biāo)并完善應(yīng)急能力評(píng)價(jià)系統(tǒng)[3]；2002年，日本組織“區(qū)域防災(zāi)和危機(jī)管理應(yīng)對(duì)能力評(píng)估研討會(huì)”，并針對(duì)地方自治體及契合國(guó)情建立應(yīng)急能力評(píng)價(jià)指標(biāo)準(zhǔn)則[4]；2010年，Henstra D基于PPRR理論制定了城市防災(zāi)應(yīng)急計(jì)劃和績(jī)效評(píng)估的最佳框架[5]；2016年，Tilo Mender利用案例提出應(yīng)急能力評(píng)估方法的優(yōu)缺點(diǎn)及重要性[6]。我國(guó)開(kāi)展城市防災(zāi)應(yīng)急能力評(píng)價(jià)和建設(shè)方面的工作還處于起步階段。王紹玉于2002年在國(guó)內(nèi)首次提出了城市災(zāi)害應(yīng)急能力評(píng)價(jià)體系的架構(gòu)[7]；汪志紅等基于Logisitic曲線分析了城市應(yīng)急能力發(fā)展過(guò)程并建立評(píng)價(jià)模型[8]；楊洋等從事件管理全流程總結(jié)形成3個(gè)層級(jí)的城市應(yīng)急能力評(píng)估指標(biāo)體系[9]。

綜合分析，城市防災(zāi)應(yīng)急能力研究多集中于指標(biāo)體系的構(gòu)建，缺乏以城市防災(zāi)角度對(duì)應(yīng)急能力評(píng)價(jià)模型進(jìn)行深入探討，且評(píng)價(jià)方法多以主觀因素為主，難以建立相對(duì)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。因此，該項(xiàng)研究將結(jié)合城市災(zāi)害的類(lèi)型和防災(zāi)特點(diǎn)，基于模糊層次分析法(FAHP)構(gòu)建城市防災(zāi)應(yīng)急能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；利用云模型對(duì)城市防災(zāi)經(jīng)濟(jì)能力做出評(píng)價(jià)并進(jìn)行實(shí)證分析，以期提高決策的客觀合理性，增強(qiáng)城市面對(duì)災(zāi)害時(shí)的社會(huì)穩(wěn)定性，為城市防災(zāi)管理和規(guī)劃提供建設(shè)依據(jù)。

1構(gòu)建城市防災(zāi)應(yīng)急能力指標(biāo)體系

構(gòu)建城市防災(zāi)應(yīng)急能力指標(biāo)體系首先是確定指標(biāo)體系的原則，應(yīng)遵循全面性與代表性的原則，綜合考慮城市防災(zāi)應(yīng)急能力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，選取具有代表性的指標(biāo)減少工作量；遵循科學(xué)性的原則，根據(jù)城市災(zāi)害的自身特點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)選取，準(zhǔn)確反映面對(duì)災(zāi)害時(shí)城市應(yīng)急能力的程度；遵循規(guī)范性的原則，要根據(jù)與應(yīng)急能力有關(guān)的相關(guān)文件、法律法規(guī)等適當(dāng)選取與城市防災(zāi)結(jié)合的指標(biāo)，例如應(yīng)急隊(duì)伍的保障能力、分配協(xié)調(diào)能力等；遵循動(dòng)靜結(jié)合的原則，指標(biāo)體系的選取既需要?jiǎng)討B(tài)指標(biāo)，如風(fēng)險(xiǎn)隱患的排查能力，也需要靜態(tài)指標(biāo)的配合，如政府救助系統(tǒng)。

其次確定目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層指標(biāo)，按照城市防災(zāi)應(yīng)急管理全過(guò)程的邏輯順序，以城市災(zāi)前準(zhǔn)備、臨災(zāi)監(jiān)測(cè)、災(zāi)中響應(yīng)、災(zāi)后恢復(fù)為主線，利用指標(biāo)頻次法挑選出4個(gè)一級(jí)指標(biāo)，并根據(jù)影響城市災(zāi)害應(yīng)急能力的類(lèi)型選取二級(jí)指標(biāo)。

城市災(zāi)前基礎(chǔ)保障能力的主要任務(wù)是提高對(duì)日常生活的憂患意識(shí)，對(duì)已有災(zāi)害規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，保證應(yīng)急專(zhuān)業(yè)設(shè)備、人員隊(duì)伍、人員物資的充分性，排查整治危險(xiǎn)隱患，加大對(duì)醫(yī)療的財(cái)政投入；臨災(zāi)監(jiān)測(cè)與預(yù)防能力的主要任務(wù)是城市災(zāi)害即將發(fā)生時(shí)對(duì)災(zāi)害類(lèi)型的預(yù)判，編制應(yīng)急預(yù)案并引導(dǎo)公眾及時(shí)避難；災(zāi)中響應(yīng)處置與救援能力的主要任務(wù)是城市災(zāi)害發(fā)生后采取措施進(jìn)行管控，以便將災(zāi)害帶來(lái)的損失降到最小，并對(duì)災(zāi)民進(jìn)行安置和疏散；災(zāi)后應(yīng)急恢復(fù)能力的主要任務(wù)是對(duì)受災(zāi)建筑進(jìn)行恢復(fù)和重建，并進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)以便提高城市災(zāi)害的應(yīng)對(duì)能力。

綜合分析以上因素建立城市防災(zāi)應(yīng)急能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 城市防災(zāi)應(yīng)急能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2城市防災(zāi)應(yīng)急能力評(píng)價(jià)模型建立

2.1 基于FAHP法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

在確定城市防災(zāi)應(yīng)急能力指標(biāo)體系后，還應(yīng)利用FAHP法對(duì)體系權(quán)重進(jìn)行確定。其優(yōu)點(diǎn)是引入了模糊理論，相較于層次分析法，彌補(bǔ)了其主觀性過(guò)強(qiáng)的缺點(diǎn)，提高了決策的合理性。FAHP步驟如下所示：

(1)通過(guò)層級(jí)劃分建立判斷矩陣，采用T.L.Saaty標(biāo)度法(見(jiàn)表1)進(jìn)行賦值。

表1 T.L.Saaty標(biāo)度法

(2)對(duì)模糊判斷矩陣進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

(1)

其中ωij=ωi-ωj+0.5，i和j取值均為1,2，…,n。

模糊判斷矩陣A的一致性檢驗(yàn)過(guò)程為：模糊判斷矩陣A的權(quán)重矩陣W，若CI(A,W)≤α，則模糊判斷矩陣A通過(guò)一致性檢驗(yàn)，α通常取值為0.1。

(2)

(3)采用特征根方法，對(duì)模糊判斷矩陣進(jìn)行層次排序。首先計(jì)算模糊判斷矩陣每列的和，其次將模糊判斷矩陣的元素除以相應(yīng)列的和，得到標(biāo)準(zhǔn)模糊判斷矩陣，最后計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)模糊判斷矩陣的每一行平均值，獲得每個(gè)元素的標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重，并計(jì)算層次總排序權(quán)重，如式(3)～式(6)所示。

(3)

(4)

(5)

(6)

云的定義為：把U看作是定量的論域，C是U上的定性表達(dá)，如果定量值x∈U，同時(shí)x是C的一次偶然出現(xiàn)，x對(duì)C的確定度μ(x)∈(0,1)是具有平穩(wěn)方向的不確定數(shù)：

μ:U(x)→[0,1]?x∈Ux→μ(x)

(7)

那么，x在論域U上的布局就叫做云，每個(gè)x都有相對(duì)應(yīng)的云滴。

正態(tài)云模型是指利用數(shù)字特征轉(zhuǎn)化為云滴，經(jīng)過(guò)一定的積累后反映定性概念和定量特性，數(shù)字特征通過(guò)期望值Ex、熵值En、超熵值He來(lái)表示。其中，Ex是定性語(yǔ)言概念論域空間分布的中心，最能代表這個(gè)定性概念的值；En是定性概念模糊度的度量，反映了云滴的離散程度；He是En的熵，是對(duì)期望值En的不確定性度量，反映了云滴的凝聚程度。

(2)應(yīng)急能力評(píng)價(jià)指標(biāo)云化

利用MATLAB進(jìn)行逆向云發(fā)生器計(jì)算，將專(zhuān)家打分情況轉(zhuǎn)化為應(yīng)急能力評(píng)價(jià)的云數(shù)字特征。其公式如下：

(8)

(9)

(10)

可求得:

(11)

其次利用正向云發(fā)生器，將定量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為定性概念，利用MATLAB形成云圖，具體算法如下：

生成以En為期望值，He為標(biāo)準(zhǔn)差的一個(gè)正態(tài)隨機(jī)數(shù)He’；

生成以Ex為期望值，En’為標(biāo)準(zhǔn)差的一個(gè)正態(tài)隨機(jī)數(shù)x；

重復(fù)上述步驟直到產(chǎn)生的云滴數(shù)目達(dá)到要求。

(12)

(13)

利用MATLAB軟件完成正向云發(fā)生器的計(jì)算過(guò)程，并將產(chǎn)生的云滴繪制在圖像上形成云圖，用于城市防災(zāi)應(yīng)急能力評(píng)價(jià)云圖像的實(shí)現(xiàn)。

3算例分析

3.1 評(píng)價(jià)權(quán)重確定

選取國(guó)內(nèi)Z市作為研究對(duì)象，通過(guò)FAHP確定Z市防災(zāi)應(yīng)急能力各個(gè)指標(biāo)的綜合權(quán)重，如表2所示。

表2 指標(biāo)權(quán)重分布

3.2 應(yīng)急能力綜合評(píng)價(jià)

參考文獻(xiàn)[11]建立防災(zāi)應(yīng)急能力評(píng)語(yǔ)等級(jí)J=(較差，中等，良好，優(yōu)秀)，將評(píng)價(jià)等級(jí)劃分為4個(gè)子區(qū)間，分別為[0，2.5]，[2.5,5]，[5,7.5]，[7.5,10]，并通過(guò)MATLAB得到標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)急能力評(píng)語(yǔ)集云圖，如圖2所示。

圖2 城市防災(zāi)應(yīng)急能力標(biāo)準(zhǔn)云圖

采取雙邊約束的方式進(jìn)行打分，邀請(qǐng)6位專(zhuān)家給出每個(gè)應(yīng)急能力評(píng)價(jià)因素評(píng)價(jià)的最大值和最小值，并通過(guò)逆向云發(fā)生器計(jì)算各個(gè)應(yīng)急能力評(píng)價(jià)指標(biāo)打分的最大值和最小值的最大云和最小云，利用公式(8)求得2級(jí)指標(biāo)云數(shù)字特征，如表3所示。將表2和表3中數(shù)據(jù)代入公式(9)中，通過(guò)MATLAB進(jìn)行正向云發(fā)生器計(jì)算，得到Z市防災(zāi)應(yīng)急能力1級(jí)指標(biāo)云數(shù)字特征，分別是：B1(1.64,1.52,0.37)、B2(1.89,1.74,0.28)、B3(1.78,1.23,0.21)、B4(2.04,1.58,0.28)，并將其與應(yīng)急能力標(biāo)準(zhǔn)云圖進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。

圖3 Z市防災(zāi)應(yīng)急能力云圖

表3 應(yīng)急能力評(píng)價(jià)及二級(jí)指標(biāo)云數(shù)字特征

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

由圖3可以看出，Z市災(zāi)前基礎(chǔ)保障能力和災(zāi)中響應(yīng)處置與救援能力處于較低的水平，說(shuō)明Z市在災(zāi)前保障和災(zāi)中救援方面不夠完善，存在很大的提升和改進(jìn)空間。Z市災(zāi)后應(yīng)急恢復(fù)能力相對(duì)其他3個(gè)指標(biāo)較高，說(shuō)明在該方面建設(shè)較為充分全面。且處在“中等”應(yīng)急能力等級(jí)區(qū)域的云滴數(shù)最多，說(shuō)明Z市防災(zāi)應(yīng)急能力處于“中等”水平，如此綜合評(píng)價(jià)可以為Z市防災(zāi)應(yīng)急能力工作的高效開(kāi)展提供良好的意見(jiàn)基礎(chǔ)。

4結(jié)論

(1)從城市防災(zāi)視角評(píng)價(jià)城市應(yīng)急能力水平，構(gòu)建城市防災(zāi)應(yīng)急能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，包括災(zāi)前基礎(chǔ)保障能力、臨災(zāi)監(jiān)測(cè)與預(yù)防能力、災(zāi)中響應(yīng)處置與救援能力、災(zāi)后應(yīng)急恢復(fù)能力4個(gè)1級(jí)指標(biāo)和19個(gè)2級(jí)指標(biāo)。

(2)構(gòu)建了FAHP-云模型城市防災(zāi)應(yīng)急能力評(píng)價(jià)體系，該模型有模糊性、可伸縮性等特點(diǎn)，能夠更好地反映城市防災(zāi)水平，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果找到城市防災(zāi)的薄弱環(huán)節(jié)，便于采取措施能夠更好提高應(yīng)急能力水平。

(3)城市防災(zāi)應(yīng)急能力體系指標(biāo)選取復(fù)雜，在建的指標(biāo)體系科學(xué)合理性有待完善，需要進(jìn)一步調(diào)整和改進(jìn)，為提高城市防災(zāi)應(yīng)急能力做出重要貢獻(xiàn)。