基于DEMATEL方法的震后山地城市交通系统结构分析

宋永朝， 闫功喜， 熊周年

(重庆交通大学 交通运输学院， 重庆 400074)

我国是一个山地面积占70%的多山国家，山地区域集中了我国近半数的城镇.山区地质条件复杂，是地震灾害的重灾区.震害发生后，城市交通系统在应急救援和抗震救灾物资运输中起着至关重要的作用，是城市生命线工程的重要组成部分[1].为了更好地辨识地震给山地城市交通系统带来的影响，提高山地城市的抗震水平，分析地震条件下山地城市交通系统结构显得十分重要.

国内外学者对震后城市交通系统结构分析方面进行了大量的研究.日本黑田胜彦[2]统计了神户地区震后各种交通设施的受灾状况，系统研究了地震对交通运输设施产生的影响，为建立抗震能力更强的交通体系提供了理论依据；Chang[3]利用对震后城市交通的系统分析结果，建立了震后交通系统整体功能评估方法.Pitilakis等[4]运用风险终端分析法(RISK-UE)对地震中公共基础设施和交通基础设施在内的生命线工程的承灾能力进行了评价.国内研究相对较晚，在该领域也取得了一定的成果.徐玖平等[5]在调查汶川特大地震灾区情况的基础上，考虑了对口援建开放复杂巨系统的框架、时空、运行等结构及其整体特性，提出了地震灾后对口援建系统工程的综合集成模式；黄玉奇[6]等对城市交通系统等各种生命线震害进行了系统研究，建立了震害下道路交通系统结构模型；王洪明等[7]分析了汶川地震后影响道路交通安全的因素，并进行了系统总结；刘勇等[8]进行了震后路网的系统分析，为城市路网可靠度的分析提供了理论支持.从已有研究成果来看，研究对象多集中于平原城市，而应用于震害重灾区的山地城市交通系统方面的研究相对不足.

本文通过查阅文献资料并结合实地调查，综合分析山地城市路网特点及其震害环境现状，运用DEMATEL分析方法对地震灾害下的山地城市交通系统影响因素进行初步辨识，通过对系统结构建模和系统中各要素间关联关系的解析，为山地城市抗震救灾的管理者提供理论支持，并提出加强山地城市交通系统抗震能力的措施.

1 山地城市交通系统及震害特点

1.1 山地城市交通系统特点

山地城市地形条件复杂，高差较大，与平原城市相比，山地城市道路非直线系数较大，无一定的几何形状，路网形式多呈并列形、树杈形或条形，城市形态因此也大多呈现为多中心组团式或带状结构[9].为了缩短各组团之间的空间距离，加强组团之间的联系，山地城市路网组成中多桥梁、隧道等结构性单元，路旁多挡墙等支挡防护结构.

1.2 山地城市交通系统震害特点分析

地震对山地城市交通系统造成的损害主要表现在震后的地质灾害.山区自然环境一般较为敏感脆弱，地震会造成山区地表覆盖层松动，加上山区的地形陡峭，极易发生崩塌、滑坡等地质灾害.若遇震后大雨，松散的地表覆盖层会随着地表径流形成不同程度的泥石流，对避难人群造成二次伤害.山地城市路网中边坡、半填半挖路基、挡土墙等结构也远多于平原城市，这些结构性单元在地震作用下也容易坍塌，掩埋道路，阻断交通.桥梁隧道等的坍塌会隔断城市组团之间的联系，阻碍应急救援的进行.

综上所述，地震对山地城市交通系统的影响比平原城市更为复杂，在分析的时候应充分考虑山地城市交通系统的山地特性.

2 震害下山地城市交通系统结构DEMATEL分析

DEMATEL方法(Decision Making Trial and Evaluation Laboratory)也被称为决策实验室法，是系统工程中常用的一种解析模型结构的方法.该方法在图论的理论基础上，利用矩阵作为工具，对系统各要素进行分析，判断要素之间有无关系及其相互影响的强弱，计算各要素之间的相互影响程度，从而进一步地揭示系统中各要素的结构关系[10].

2.1 构建系统结构模型

地震发生后影响道路交通的因素众多，对交通系统中各参与方都有很大的影响.在人的方面，地震会造成重大的人员伤亡和财产损失，严重影响道路交通参与者的身心状态.在路的方面，地震会造成道路两侧的建筑物倒塌，掩埋道路，或者直接损毁道路.在环境方面，地震会破坏当地的自然和社会环境，给道路交通带来不利影响.在进行分析时，必须综合考虑各种影响因素.

本文综合了地震灾害下影响山地城市交通系统的各种因素，将该系统的接口关系总结如下：

1)地震灾害的级别决定了道路两侧建筑物的倒塌程度和次生灾害的级别.山地城市用地较为紧张，和平原城市相比，街边建筑物与道路车道边缘线距离较小，震后建筑物坍塌的瓦砾极易阻塞道路.同时，道路本身的损坏程度以及人民生命财产的受损程度也受地震灾害级别的影响.另外，地震灾害的级别也决定了抗震救灾人员物资的运输量.

2)地震对山地城市交通系统的危害主要表现在震后的次生灾害，主要有滑坡、泥石流等，它的发生会对避难人群造成严重伤害，有时造成的损失甚至远大于地震本身.次生灾害的级别主要由地震的震级，地表烈度以及山区地质条件决定.

3)道路本身在地震中也会受损.这其中包括路基路面的塌陷，桥梁隧道的坍塌以及路旁支挡结构的损毁.这也是震后影响道路通过能力的主要因素之一.

4)人民生命财产受损的程度会影响灾民的心理状况，从而影响交通执法力度和抗震救灾人员、物资的运输.

5)应急救援中心的部署、执法力度的强弱以及避难行人、车辆的干扰将直接影响道路通过能力水平.由于山区道路非直线系数大，交通组织困难，若应急救援中心布局不合理以及震后交通执法力度的减弱将会造成震后交通混乱，降低道路通行能力.

地震灾害下山地城市交通系统的具体影响因素及接口关系如表1所示.

表1 系统影响因素及接口关系统计

为了系统地分析该模型，利用系统工程的方法将该系统的要素集记为X，且

X={S1,S2，…，S12}

(1)

式中，S1～S12为各影响因素.

将接口关系集记为R，且

R=riji,j=1,2,3…

(2)

式中：rij表示si和sj具有方向性的关系，rij={Si,Sj}.

若Si不影响Sj,则rij=0；若Si影响Sj则rij=1.由式(1)和式(2)以及各影响因素的接口关系，可得该系统的邻接矩阵A(也称布尔矩阵)以及可达矩阵T[11]为

其中，可达矩阵T=An+1，n为邻接矩阵A的阶数.通过对可达矩阵的计算，可反映系统要素之间的间接关系.

将可达矩阵T分为两个集合：R(Si)和A(Si)，并计算R(Si)和A(Si)的交集，R(Si)*A(Si)=R(Si)中的要素就是系统的最高层次的要素.去掉最高层次要素，重复上述步骤，依次可分出系统的第2层、第3层……直至最下层要素[12-13].将上述可达矩阵进行层次分析，可得该系统的层次结构如图1所示.

2.2 构建系统综合影响矩阵

在确定系统的结构层次之后，还需要确定各因素之间关系的强弱程度.定义

(3)

其中，当因素i和j没有关系时，值为0;当i和j有关系时，参照专家打分法的结果，按照各因素之间相互影响关系的强弱，tij分别取1，2，3.根据邻接矩阵和式(3)可得该系统的直接影响矩阵Yd为

分别求出Yd中各行各列之和，取最大值M，令Y=Yd/M，将直接影响矩阵规范化，得到规范化矩阵Y，可得综合影响矩阵为

S=Y(I-Y)-1

(4)

通过计算，综合矩阵S如下：

图1 系统层次关系

2.3 综合影响分析

S中元素Sij表示要素Si对Sj相互之间的影响程度.

S中各列元素之和Sc=Sc(1)+Sc(2)+…+Sc，称为因素Sc的影响度，表示要素Sc对其他要素综合影响的值.

S中各行元素之和Sr=Sr(1)+Sr(2)+…+Sr(14)，称为要素Sr的被影响度，表示要素Sr受其他各要素综合影响的值.

要素Si的“中心度”是指该要素在整个评价指标中的地位和作用，定义为Mi=Sr(i) +Sc(i).

要素Si的“原因度”表示该要素和其他要素之间的影响强弱程度，定义为Ri=Sc(i)-Sr(i).如果Ri>0，表示该要素对其他要素的影响比受到的影响要大；如果Ri<0，表示该要素受其他要素的影响较大；如果Ri=0，表示该要素既不受其他要素影响也不会对其他要素产生影响.

利用数学计算软件对矩阵进行上述运算，各影响因素相互影响关系的分析结果如表2所示.

由表2可以看出，原因度最大的因素是地震灾害的级别.目前的科技水平还不能对地震的发生进行精确预测，只能加强检测以及做好震后工作，尽量将地震带来的损失降到最低.其次，次生灾害原因度较大，这是由于山地城市生态环境较为脆弱，地震易造成地表面覆盖层松动，如遇到震后大雨，极易引发滑坡、泥石流等次生灾害，对避难人群造成二次伤害.因此，应该加强山地城市地质灾害防治.另外，灾

表2各影响因素的相互影响关系统计汇总

民心理状态变化情况和应急救援中心部署的原因度也较大，这是因为如果应急救援中心布局不合理，避难人群对道路交通产生的影响会增大，从而挤占山地城市本就紧张的交通资源，降低道路通过能力.因而需要优化城市应急救援中心的选址，以便人群快速疏散，保证震后生命线的畅通.

3 结束语

山地城市地质条件复杂，自然环境条件比较脆弱，城市路网布局无一定的几何形状.相对平原城市而言，地震对山地城市交通系统的影响更为复杂，在分析时必须综合考虑山地城市交通系统的山地特性.本文运用系统工程分析方法建立了震后交通系统结构模型及震后影响山地城市交通系统各因素之间的层次关系.运用DEMATEL方法量化分析了系统中各要素之间的相互影响程度及影响震后山地城市交通系统的关键因素，并提出了相应的应对措施.

[1] 朱茵,张鑫,隋晓庆,等．地震灾害紧急救援可支配交通链路选择研究[J]. 中国安全科学学报，2012:22(3)：164-169.

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[3] Chang S E，Nojima N．Measuring post-disaster transportation system performance：the 1995 Kobe earthquake in comparative perspective[J]．Transportation Research,part A，2001,35(6):475-494．

[4] Pitilakis K, Alexoudi M, Argyroudis S,etal. Earthquake risk assessment of lifelines[J]. Bulletin of Earthquake Engineering,2006,4(4):365-390.

[5] 徐玖平,郝春杰.汶川特大地震灾后对口援建系统工程的综合集成模式[J].系统工程理论与实践,2008,28(7):1-12.

[6] 黄玉奇,李杰．开封市城市抗震防灾规划[M]. 北京:地震出版社,1998.

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