气象灾害频发条件下公路网抗灾能力评价方法与应用＊

吴 兵 王忠宇 李林波

（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 201804）

气象灾害频发条件下公路网抗灾能力评价是一项系统工程，需要分层次、分步骤展开.对于公路网评价，大多本着指标与评价目标相一致的原则，从种类繁多的评价指标中选取部分指标，主要用来对公路网常态条件进行评价［1－2］.各种气象灾害对公路网造成的损失、危险性尚缺乏统一的评价指标体系，而针对单条公路的分析评价又往往欠缺整体可操作性［3－4］.目前路网可靠度的研究主要针对地震灾害［5］，但大量事实表明恶劣的天气也严重影响公路网的可靠度.本文在已有研究的基础上，提出气象灾害频发条件下公路网抗灾能力评价方法.

1 基础资料收集和调研

基础资料的来源主要是各级公路管理部门以及气象、水文、国土、规划等相关部门，内容包含但不限于以下项目：（1）公路网及所在区域的基础数据（公路网里程、等级、布局等，所在区域行政区划、面积、人口、经济情况等）；（2）公路网的设施情况（桥梁、隧道、涵洞及其他设施的数量、分布、运营状态等）；（3）公路网发展规划情况；（4）区域及公路网沿线的气象、水文、地质条件及主要气象灾害类型；（5）公路网历史气象灾害发生及造成损失情况；（6）公路网通行情况及气象灾害条件下通行情况；（7）公路网运行管理情况（管理体制、机制，公路管养现状等）；（8）公路网抗灾管理情况（组织体系和机构、工作流程、预警及预案情况、应急响应情况、保障情况、各方协调联动情况等）；（9）公路网抗灾的经验教训和目前存在的主要问题.

2 公路网抗灾能力分析评价

2.1 评价指标体系的构建

为描述各指标内在联系和相互关系采用层次分析法建立两级指标层的评价体系树状关系结构，见图1.

2.2 评价方法和步骤

公路网抗灾能力评价过程实际上就是评价指标体系的应用过程.本文运用模糊数学理论［6］对公路网抗灾能力进行评价.

步骤1确定评判对象 一般为区域整体公路网或区域包含的分区整体公路网.

图1 气象灾害频发条件下公路网抗灾能力综合评价指标体系示意图

步骤1建立评判因素集 根据综合评价指标体系确定如下评判因素集：一级评价指标U＝｛U1，U2，U3｝；二级评价指标U1＝｛U11，U12，U13，U14，U15｝，U2＝｛U21，U22｝，U3＝｛U31，U32，U33，U34，U35｝.

步骤3建立备择集（模糊评判集） 根据公路网抗灾能力的强弱，应用三角模糊数原理并结合相关评价方法确定公路网抗灾能力评价标准门槛值，见表1.

表1 公路网抗灾能力评价标准门槛值

评价标准门槛值确定后，再根据三角模糊数得出隶属度为1的判断分值，用以定义5个级别的评价集V，其值分别为：V＝｛v1，v2，v3，v4，v5｝＝｛100，90，80，70，50｝＝｛抗灾能力强，抗灾能力较强，抗灾能力一般，抗灾能力较弱，抗灾能力弱｝.

步骤4确定权重集 权重的确定，可采用头脑风暴法、Delphi法等，应按照不同区域特点结合对本领域相关专家、基层公路管理部门工作人员的走访调查结果及国内外相关研究成果来确定.权重集包括二级指标的权重集：A1＝（a11，a12，a13，a14，a15）；A2＝（a21，a22）；A3＝（a31，a32，a33，a34，a35）和一级指标的权重集：A＝（a1，a2，a3）.

步骤5二级指标模糊综合评判

1）单因素模糊评判 建立一个从U到F（V）的模糊映射，：U→F（V）

式中：rij为ui属于vj的隶属度（i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n）.

由（ui）可以得到单因素评判集Ri＝（γi1，γi2，…，γin），以单因素评判集为行组成矩阵称为单因素评判矩阵，该矩阵为模糊矩阵：

在各子因素对评判元素的隶属度计算上，按照不同程度抗灾能力的概率采用定量或定性与定量相结合的方法获得.进行二级指标评价计算时，应按照表1的评价标准门槛值，将定量评价和定性评价统一起来.评价时参考已有研究成果，保持公路评价一般思路、方法的连贯性；同时密切联系区域实际，按照公路网抗灾能力评价的要求，对现有的标准、方法做补充、调整，注重实用性和创新性.通过计算整理，得到单因素评判矩阵R1，R2，R3.

2）模糊综合评判 在单因素评判矩阵和权重确定后，模糊综合评判可表示为

B为模糊综合评判集；bj（j＝1，2，…，n）为模糊综合评判指标，其含义是综合考虑所有因素的影响时，评判对象对备择集中第j个元素的隶属度.通过计算得到B1，B2，B3.

步骤6一级指标模糊综合评判 得到二级指标模糊综合评判结果后，将网络常态特征、网络稳定性、养护管理情况作为单一因素，其各自二级指标评判结果视为单因素评判集，组成一级指标模糊综合评判的单因素评判矩阵：R＝［B1，B2，B3］T.

由单因素评判矩阵和权重得到一级指标模糊综合评判为B＝AR.根据前面的评判集V，以隶属度bj为权数，对评判对象进行综合评分.

3 案例研究

本文以杭州市国省干线公路网为例，对气象灾害频发条件下公路网抗灾能力评价方法进行实际应用的研究.杭州市国省干线公路网见图2.

根据评价方法，对杭州市国省干线公路网抗灾能力进行了评价.其中权重集的确定采用Delphi法，得到二级指标的权重集：A1＝（a11，a12，a13，a14，a15）＝ （0.3，0.2，0.2，0.2，0.1）；A2＝（a21，a22）＝（0.6，0.4）；A3＝（a31，a32，a33，a34，a35）＝（0.2，0.3，0.2，0.1，0.2）.一级指标的权重集：A＝（a1，a2，a3）＝（0.4，0.3，0.3）.

对于二级指标的评价，根据区别对待、因地制宜的原则，密切结合杭州实际，参考了杭州市交通局、公路管理局的相关研究报告［7－12］，制定评价标准见表2.

图2 杭州市国省干线公路网络示意图

表2 杭州市公路网抗灾能力二级指标评价计算标准

二级指标评价结束后再结合权重集和模糊数学理论，对杭州市公路网抗灾能力一级指标进行评价，然后结合一级指标权重集和模糊数学理论，得到杭州市公路网抗灾能力评价综合评分为84分，抗灾能力属于“一般”等级，接近“较强”等级，从隶属度来看对于“一般”等级的隶属度为0.6，对于“较强”为0.4，意味着抗灾能力尚有很大提升空间.

表3 杭州市公路网基础设施优先建设建议

4 结束语

频发的气象灾害使得公路网抗灾能力评价的必要性日益突显，本文提出的评价方法在公路网整体抗灾能力评价方面做了一次探索.通过建立的评价指标体系对杭州市公路网的抗灾能力进行评价，得到了比较可信的结论，并根据回溯分析找出其薄弱环节并对改善策略加以探讨，为提升杭州市公路网抗灾能力提供了可靠依据.同时，公路网抗灾能力评价方法及应用的研究也为灾害应对机制的建立奠定了基础.公路网抗灾能力评价是一个庞大复杂的系统工程，需要经过长期的理论与实践过程才能最终趋于完善.如果能在公路网整体评价的基础上开展分区域、分灾种的抗灾能力评价将有利于深入认识区域公路网不同分区抗击不同气象灾害能力的差异，从而提出更具针对性的改善建议和应对机制.

［1］周 伟，张生瑞，高行山.基于模糊理论和神经网络技术的公路网综合评价方法研究［J］.中国公路学报，1997，10（4）：76－83.

［2］杨 涛.公路网规划［M］.北京：人民交通出版社，1998.

［3］周石硚，成田英器，小林俊一.黑龙江省公路雪冰基本特征与灾害防治对策［J］.自然灾害学报，2005，14（3）：114－118.

［4］李淑庆，唐伯明，郑志明，等.重庆市国省干线公路抗灾能力模糊综合评价研究［J］.重庆交通学院学报，2006，25（5）：88－93.

［5］柳春光，张敬伟.交通系统地震服务性能分析［J］.地震工程与工程振动，2006，26（4）：182－186.

［6］Mine H，Kawai H.Mathematics for reliability analysis［M］.Tokyo：Asakura－shoten，1982.

［7］彭祖赠，孙韫玉.模糊数学及其应用［M］.武汉：武汉大学出版社，2007.

［8］杭州市交通局，杭州市交通规划设计研究院.杭州市公路建设现代化指标体系研究报告［R］.杭州：杭州市交通局，杭州市交通规划设计院，2007.

［9］杭州市公路管理局.2008年杭州市公路发展状况报告［R］.杭州：杭州市公路管理局，2009.

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