基于灰色關聯度的社區抗震韌性評價研究

郭松篧 GUO Song-yao；林德珩 LIN De-heng；謝卓玉 XIE Zhuo-yu

（北方工業大學土木工程學院，北京 100144）

0 引言

社會學家滕尼斯（德）在《社區與社會》中首次提出“社區”概念，現在學術界將具有一定共同經濟利益和居民心理因素的城市社會群體和社會組織定義為城市社區[1-2]。本文研究的社區設定范圍為以傳統意義的小區為界，像居委會社區、街道、區等范圍在都是本文研究的社區范疇。例如北京市內“街道”級別的行政范圍就符合本文所使用的“社區”概念。在國外關于社區抗震韌性的研究中，美國的舊金山灣區都市規劃研究協會（SPUR）提出了建設具有抗震韌性的范圍區的建設性意見。在我國內關于社區抗震韌性指標體系的研究中，已對社區韌性指標進行篩選。如孟令君等[3]在韌性、適應性和轉變評價框架的基礎上，得出了適應我國的社區韌性指標體系；郭小東等[4]在對北京城內老舊社區深入調研分析的基礎上，以老舊社區作為研究對象進行了社區韌性指標體系的建立。但在震災來臨時的社區疏散能力國內研究較少，且對于抗震韌性體系的研究方法也過于主觀。本文重點針對如何評估社區疏散能力這一課題進行了研究，將分析的主要影響因素分為三個方面——建筑物疏散能力、逃生人群流量、平均建筑內人口密度，完善了社區抗震韌性指標體系。在各級指標的賦權方面，灰色關聯可以作為一種更為客觀的賦權方法，將和結果關聯性比較大的指標賦予更大的權重[5]；同時灰色關聯可以也可作為指標篩選的一種方法，對于關聯度很大的指標，其對于結果的影響往往是一致的，此時為了簡化評價模型，可以將關聯度高的兩個指標其中一個舍去[6-7]。灰色關聯度分析是一種動態的基于灰色系統的灰色過程，對序列因素進行分析，以便確定哪些因素起主導作用。

1 社區抗震韌性評價指標

1.1 依據

21世紀以來，已有諸多學者根據不同的研究對象建立了城市（區域）應急能力評價指標體系[2-4][8-14][16-20]；在嚴峻的地震災害風險面前，2009年，我國地震局與大連市[8]提出構建“地震安全社區”理念，在這一理念下，首先就要從社區規劃設計入手[2]，然后把該理念貫徹于工程施工及其后期維護的整個過程中，進而盡可能地降低地震損失；在社區地震安全韌性評估系統及應用示范[2]一文中以一個典型社區為研究對象，開展了地震安全韌性評估工作，研發了社區韌性評估體系；開發了韌性評估系統應用示范軟件平臺，為本文研究社區抗震韌性提供參考。

1.2 指標體系的確定

在指標的選取上，因為考慮到現有的社區抗震韌性體系對于疏散能力指標的具體考量因素和方式還存在較少的關注，所以選取疏散能力作為重要評判和研究因素。一方面現有的研究建構基本都依賴于專家及相關文獻，另一方面過于注重靜態的評估指標。為了改善這些弊端，本文通過對特定對象的相關指標進行查找規范和相關年鑒，獲取當地物業信息進行災情疏散模擬，從而對其疏散能力進行估算，完善了社區抗震韌性指標體系。除此之外，為了準確反映社區面臨地震災害風險的韌性，不得不將疏散、人口、經濟、應急管理，建筑物本身等多個方面綜合起來。因此，本文從建筑物抗損害性（A），疏散能力（B），社區環境承載能力（A）三個方面，包含建筑結構（A1），建筑已使用時長（A2），地震烈度區劃范圍（A3）地震維護與安全檢測（A4），建筑物疏散能力（B1），人群流量（B2），建筑內人口密度（B3），社區居民經濟能力（C1），社區應急文化建設（C2），社區居民年齡組成（C3）。構建地震災害風險評估指標體系（表1）。

表1 指標體系

1.3 指標數據來源和計算

本文指標的基礎數據來源政府網站公開的統計公報和年鑒、全國地震地質數據中國地震烈度區劃圖，以及社區地震安全韌性評估系統及應用示范[2]，陳新平對于社區應急能力評價指標體系研究[11]的借鑒。同時也有一部分是主觀因素評價。以“建筑物疏散能力B1”為例，當每層人數不等時，疏散樓梯總寬度可進行分層計算，對于地上建筑而言，中下層樓梯總寬度應按其上層人數最多一層的人數計算；對于地下建筑而言，中上層樓梯的總寬度應按其下層人數最多一層的人數計算，得出結果后按照分級進行打分。

2 社區韌性評估模型

基于社區抗震韌性評價指標體系，構建熵權法－灰色關聯分析法綜合評估模型。地震造成的直接損失不但與地震的強弱有關更與當時當地的社會、經濟狀況密切相關。目前學界已經部分研究者將灰色關聯分析應用于應急能力評價、應急決策以及地震活動影響因子分析等研究中[5］[7][15][21]，從地震基本參數、財富積累程度、設施抗震能力、人口分布及災區范圍情況等方面進行地震直接損失的影響因素分析[6]。在應急能力方面很大程度上取決于該地區在人力、科技、組織、機構和資源等方面的防災減災能力[15]。從內涵上來看，熵權法主要可反映系統無序程度，熵值越小意味著信息量越大，相應的權重也就越高。灰色關聯分析則必須有客觀數據為前提，然后才能根據各因素間發展趨勢的相似程度計算相關評價對象與最優理想水平的接近度，通常來說，該方法在分析小樣本無規律的指標評價問題決策時，具有較高的準確性[15]。利用熵權法，可以客觀賦權，進而通過分析得到充分客觀性的關聯度。在社區抗震韌性的評價中，計算所選社區指標與最優水平的關聯度，值越大即該城市某社區的抗震韌性越高。

2.1 指標客觀權重的確定

在具體評價前，首先要對數據進行無量綱化[22]，在此基礎之上才能對指標賦權。為了能得到較為客觀的權重，本文所選取指標的客觀權重采用熵值法計算，原理如下：

Step1：由于各指標量綱和單位存在差異，所以無法對其進行直接比較和計算，基于此，在計算前指標權重之前，還必須對其進行標準化處理，具體過程為：

Step2：完成標準化處理之后，一些指標有可能會表現出數值較小甚至負值，面對這種情況，為了后續計算的便捷性，可以把標準化的數值進行平移，進而解決了上述問題。

其中，H為指標平移幅度，通常可取值為1。

Step5：得出第j指標差異系數：gj=1-ej

其中，j=1，2，…p

其中，j=1，2，…p

2.2 灰色關聯分析

2.2.1 原始數據的初始化

在研究過程中，考慮到各指標的含義、內容、取值標準均不一致，這就可能會讓數據量綱不同，難以進行統一比較。基于此，為提高數據的可比性，在進行灰色關聯法分析之前，還要對相關數據進行無量綱化處理，從而達到消除數據各自有效因素的目的，最終讓相關數據化為統一衡量尺度下的標準化數量級無量綱數據。具體操作流程如下：

2.2.2 計算比較數列和參考數列絕對差值

所謂比較數列，就是那些可以影響系統行為的因素所構成的數據序列，該數列是基于被評價對象的評價指標取值從而構建得到。所謂參考數列，就是從評價指標的歸一化數據各個取值中選取最優值構建得到的。如果被評價指標為正向，那么其值越大越好，相應的最優指標值是各指標的最大值；相仿，若被評價指標為逆向，那么其值越小越好，相應的最優指標值為各指標最小值。

2.2.3 指標體系灰色系數

一般的，可將灰色關聯系數視作灰色理論中關聯性的具體表現，所謂關聯性，其內涵是曲線之間幾何形狀的差別程度，所以在研究過程中可用曲線差值來衡量關聯程度。在操作中，關聯系數可理解為參考數列與比較序列在各個時點間的幾何距離，其值越大，意味著兩個指標數列在對應的指標上相互關聯程度越大。計算公式為：

其中ρ為常數，通常情況下，ρ取0.5，本文中ρ等于0.5。

2.2.4 計算灰色關聯度并排列關聯序

考慮到關聯系數是參考數列與比較序列的關聯程度，而且還是不同時點上的關聯程度，所以關聯系數不可能只有一個，而且其分布并不集中，難以完成統一比較。而灰色關聯度便是為了解決這一問題，將關聯系數集中后再進行處理求值，在具體操作過程中，所得數值可整體反映評價指標數列的關聯程度的關聯程度，灰色關聯度值越大，意味著越好。

2.3 灰色關聯系數與熵值法的權重進行加權平均得到綜合灰色關聯度的計算公式為：

3 實例分析

選取16個曾經發生過地震災害城市的社區云南澄江某社區，山西大同陽高某社區，四川綿竹清平某社區，新疆庫車某社區，云南宣威某社區，新疆拜城某社區，重慶榮昌某社區，福建永安某社區，四川白山巴塘某社區，甘肅天祝古浪某社區，云南麗江某社區，新疆沙灣某社區，山東蒼山某社區，甘肅永登某社區，新疆烏蘇南某社區，云南金平某社區。該研究基于《國家統計年鑒》和當地方性統計年鑒，《消防規范》，《建筑抗震規范》等文件，revit及pathfinder疏散模擬計算數據，國家地震局官網，中國地震臺網（CSN）地震目錄實地測量，當地政府網站結合小區物業數據依據社區抗震韌性評價指標體系和社區抗震韌性評估模型，評價我國社區抗震韌性能力，各社區信息見表2。

表2 基本信息

3.1 熵權法權重計算結果

對數據進行無量綱化，然后再對指標經過計算得到如表3賦權結果。

3.2 灰色關聯度分析法計算結果

基于表3的標準化指標數據，利用式（3）計算得到灰色關聯系數（見表4）。

表3 計算結果

表4 計算結果

由結果可得出所選16個社區的社區抗震韌性評價值由高到低依次為甘肅永登某社區，甘肅天祝古浪某社區，云南麗江某社區，山西大同陽高某社區，山東蒼山某社區，新疆烏蘇南某社區，新疆拜城某社區，四川白山巴塘某社區，云南澄江某社區，四川綿竹清平某社區，福建永安某社區，云南金平某社區，新疆沙灣某社區，重慶榮昌某社區，新疆庫車某社區，云南宣威某社區。

3．3 結果分析和討論

以上分析表明：甘肅永登某社區，甘肅天祝古浪某社區，云南麗江某社區，山西大同陽高某社區具有較高的地震應急能力，排名第4-8的社區適中，而云南宣威某社區的社區抗震韌性評價值明顯偏低。經過調查發現社區抗震韌性評分高地的社區處，周邊距離200km內的區域級地震臺最站達最高的有25個，其中兩個社區抗震韌性最高的社區所屬省市——甘肅省，一直作為中國地震局近年來大力開展的地震烈度速報與預警工程項目中的重點省份，國家投入了大量的人力，財力。從城市的地震經歷，震級，發生地震所造成的直接經濟損失，傷亡人數這些負向指標來說，其他城市是遠遠比不上的。反觀這些不良因素從分析中其實可以看出，反而促進了最終所有社區抗震韌性的提升。它的地震經歷的豐富也促使全省震烈度速報和南北地震帶預警區地震預警功能的提升。除了政府的重視，社區基層的相應也同樣重要。排名15,16的福建永安某社區和云南金平某社區防災宣傳力度、醫療資源、通信和路網建設不足，且人均存款較少，居民防災意識、震后，救援、物資保障和震后恢復能力受限。

4 結論

從結果中可以看出社區的抗震韌性的指標互相關聯性差異不大，反映了社區在面臨地震災害這一方面的應急能力是該地區在人力、科技、組織、機構和資源等方面綜合防災減災能力的體現[4]。針對社區疏散能力考量和社區本身抗震韌性體系的復雜性，構建了社區抗震韌性的評價指標體系，通過熵權法和灰色關聯分析法，構建了地震應急能力評價模型。并在此基礎上，完成了我國不同區域范圍下的16個社區的地震應急能力評價，并進行排序，結合我國目前該領域的研究現狀以及地方性差異對評價結果進行符合我國國現狀和國情的分析和討論。不過由于所得結果難以驗證，還需要將繼續豐富評價指標，尤其要選擇更優的主客觀賦權方法，進一步提高地震應急能力評價指標體系和模型的完善程度。