基于SPA-VFRM的城市要害系统综合应急能力研究*

刘朝峰，张嘉鑫，杜金泽，郭 增，王 威

(1.河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401; 2.张家口职业技术学院 土木工程系，河北 张家口 075051;3.北京工业大学 抗震减灾研究所，北京 100124)

0 引言

城市要害系统是指维持城市生存功能系统和对国计民生有重大影响的工程和区域，涉及交通系统、能源系统、通讯系统、给排水系统、环境保护系统、防灾系统等各类设施[1-2]。若某一系统发生灾害事故，其影响不仅局限于事件本身的直接损失，更重要的是引起恶劣的连锁反应，如2003年在北美大停电事故中，交通、供水、通讯、医疗等系统接近瘫痪，造成巨大的经济损失和极大的社会影响[3]。可见，如何提高城市要害系统的综合应急能力，增强城市的防灾韧性，已成为迫切解决的课题。

为应对日趋严重的自然灾害及人为灾害，提升城市要害系统的防灾减灾能力，国内外对城市要害系统进行了大量研究，主要集中在城市基础设施防护需求分析[4]、动力学模型[5-7]、易损性[8-9]、后果[10-11]、防灾减灾能力[12-13]、风险评估[14-16]等，这些方面成果的核心思想是提升城市要害系统的防御性，提高要害系统的可靠性，减轻灾害扰动下的后果，但是由于灾害的复杂性和不确定性，不可能不计代价的提升设施本身的抗御能力，以消除要害系统的易损性和灾害损失。单纯考虑防护以减缓灾害损失是一种脆性战略[4]，提升城市要害系统的灾后迅速恢复和保持既定功能的能力更为重要[17]。目前，学界多研究城市单项要害系统或者要害系统单项应急能力的定性分析或半定量分析，但研究单个灾害或单个要害系统的应急能力不具有普适性，不足以提高城市综合应急能力。因此，本文分析城市要害系统组成与应急能力分解维度，建立城市要害系统综合应急能力的评估体系，将集对分析方法[18](Set Pair Analysis, SPA)与可变模糊识别模型[19](Variable Fuzzy Recognition Model, VFRM)相结合，构建城市要害系统综合应急能力的SPA-VFRM模型，以期为城市防灾管理与规划提供理论支持。

1 城市要害系统构成与应急能力分析

城市要害系统包括交通、供电、通讯、供水、能源、医疗以及其他关系城市安危的基础设施网络体系，各系统相互关联、依赖并日趋复杂；是确保城市正常运转、安全防灾的保障体系，也是抗灾与救灾的支撑系统[12-13]。然而，某些要害系统也是致灾因子，如燃气、输油管道一旦破裂，会对城市造成不同程度的影响。因此，灾时城市要害系统可分为应急保障设施、应急服务设施和重点防御设施。其中，应急保障设施是灾时可立即启用或尽快恢复功能，为应急救援、抢险救灾和避难疏散提供保障的工程设施，包括交通、供水、供电、通讯设施；应急服务设施是灾时可保持功能，为满足应急救援、抢险避难和灾后生活提供应急服务所必需的应急指挥、医疗救护和卫生防疫、消防救援、物资储备分发、避难安置等功能的公共服务场所和设施，包括医疗、避难、消防、环保等设施。重点防御设施指可能诱发灾害或次生灾害的基础设施，包括燃气、输油等设施。城市要害系统网络体系，如图1所示。

图1 城市要害系统网络体系及应急分析思路Fig.1 Network architecture of urban high-consequence systems and analytical thinking

要害系统综合应急能力是指城市的各要害系统在应对自然灾害或人为灾害时，其所拥有的科技、组织、人力、资源等要素表现出来的敏感性和调动这些要素以应对灾害打击的能力。而当今城市面临的主要灾害有洪灾、火灾、地震、交通事故4类[12]。因此，城市要害系统综合应急能力不仅要体现应对多灾种的综合性，还要体现各要害系统构成要素的协调性。可见，城市要害系统综合应急能力具有多面性、多层次性、复杂性等特点，需要各个层面协同联动工作，寻求城市的最佳应急策略。综合应急能力的强弱，取决于空间、设施、管理等层面要素的优化组合形式，可以从防灾准备的充分性、监测预警的准确性、灾害抵御的适度性、应急救援的及时性4个维度进行现状综合应急能力分析与评估，如图1所示。这4个方面相互交错、重叠，不断循环、改进控制着城市综合应急能力的动态发展过程。

2 基于SPA-VFRM的综合评估模型

城市要害系统是一个多要素、多层次、关联机制复杂的动态系统，单一系统的灾害事件容易演变为多系统耦合的关联事件。城市要害系统应急能力的影响因素众多，这些因素表现出随机性、模糊性和动态性特征。本文从空间、设施、管理3个层面，防灾准备的充分性、监测预警的准确性、灾害抵御的适度性、应急救援的及时性4个维度，借鉴已有成果，建立要害系统综合应急能力的指标体系[1-13]，如表1所示。

城市要害系统综合应急能力的影响因素之间存在复杂性和不相容性，且包含众多随机、模糊及未确知信息。可变模糊识别模型[19]能够综合考虑确定性与不确定性，较好解决非线性、高维数及模糊、随机等常见不确定性问题。但是由于可变模糊识别模型的相对差异度函数构造困难、计算量较大，引入集对分析方法构建评价指标的相对差异度函数[20]，建立基于集对分析的综合应急能力评估可变模糊识别模型：

1)建立综合应急能力评价指标体系的样本集，记为{Xij|i=1,2,…,n;j=1,2,…,m}。其中，i和j分别为样本编号和指标编号；n和m分别为样本总数和指标总数。对数据进行无量纲化，记为{xij|i=1,2,…,n;j=1,2,…,m}，无量纲计算公式如下：

表1 评价指标的原始数据Table 1 Raw data of evaluation indexes

效益型指标，采用

(1)

成本型指标，采用

(2)

2)根据评价系统不同指标的作用方向，对其进行优劣排序，得到样本集的理想“最优”和“最劣”样本，即理想点和反理想点[20]，分别记为{sj|j=1,2,…,m}，{tj|j=1,2,…,m}。将第i样本的第j指标值xij与(反)理想点对应指标值看成1个集对，从同、异、反方面定量分析它们的接近程度，与理想点之间的单指标差异度uij，具体计算公式为：

(3)

3)样本i与理想点、反理想点之间相对差异程度，分别记为dg和db，计算式如下[19]：

(4)

(5)

式中：p为距离参数，p=1为海明距离，p=2为欧式距离；wj为评价指标的权重，可通过层次分析主观赋权法[16]、变异系数客观赋权法得到综合权重[12]。

4)计算样本隶属于模糊集“理想点”的综合隶属度vi，根据“综合隶属度越大，综合应急能力越高”的原则，对不同城市要害系统综合应急能力高低进行排序。具体计算公式如下：

(6)

式中：α为优化准则参数，取值为1或2时分别对应最小一乘准则或最小二乘准则。

3 案例应用与分析

城市要害系统的综合应急能力的高低决定着城市防灾韧性的大小，影响着城市的正常运转和健康发展。因此，以某市要害系统为例，剖析城市要害系统综合应急能力现状及趋势，找出提升应急能力的关键环节。

3.1 样本数据处理

根据某市统计年鉴、中国城市建设年鉴查找指标数据，并经过指标解释进行计算得到2009—2016年的原始数据，详细信息如表1所示。其中：常住人口密度、消防火灾发生率、道路交通死亡率为成本型指标，其他指标为效益型指标。

图2 权重计算结果Fig.2 Calculation results of weights

3.2 模型计算过程

首先，利用标准化处理的数据，按照式(3)计算每个样本单项指标的相对差异度uij；其次，结合指标综合权重值wj，按照式(4)和(5)计算评价样本与理想点、反理想点之间的相对差异度dg和db；最后，考虑评估指标间的非线性、不确定性关系，依据式(6)，取优化参数α=1,p=1；α=1,p=2；α=2,p=1；α=2,p=2共4种组合模型，计算得到该市要害系统综合应急能力评价的隶属度vi，取4种评估结果的平均值作为综合隶属度，结果如表2所示。

3.3 评估结果分析

由表2和图3可以看出，城市要害系统综合应急能力评价的隶属度均值从大到小排序，年份依次为2015，2016，2014，2012，2013，2011，2010，2009。4种优化准则参数组合形式下，同一年份的评估隶属度都发生了一定的变化，由于难以确定该评估过程的非线性、不确定性程度，因此采用4种组合形式的均值进行综合应急能力的评估。对比分析每种组合形式下综合应急能力评价的综合隶属度变化，可以看出该市要害系统综合应急能力变化趋势较为一致，这也反映了在评价过程中考虑不同非线性程度对评价排序基本没有影响，也表明了采用隶属度均值反映应急能力是较为科学的。

表2 综合隶属度及排序Table 2 Comprehensive membership and ranking

图3 5种情况的计算结果Fig.3 Calculation results of five conditions

为了进一步验证该方法的可行性与有效性，与灰色关联法、TOPSIS法进行对比分析。由图4可知，3种方法的评估结果排序一致，近8年的变化趋势反映出该市要害系统综合应急能力呈现“波浪式”提升，究其原因主要是近年来该市对要害系统的建设或运营维护方面投入逐年增加，重视城市基础设施的防灾能力，编制了各类应急预案。

图4 3种方法的评估结果Fig.4 Assessment results for the three methods

为了找出要害系统综合应急能力的薄弱项，从灾害预防能力、灾害监测预警能力、灾害抵御能力、应急救援能力4个维度分别进行综合隶属度计算，即利用各自评价指标及其权重，计算应急能力4个维度的隶属度，如图5所示，从中可以看出：

图5 应急能力的四个维度变化趋势Fig.5 Change trend of four dimensions of emergency capability

1)除灾害监测预警能力外，其他3个方面整体上都呈现出增长趋势，灾害抵御能力的增长趋势更为明显，这也说明灾害抵抗能力是城市要害系统综合应急能力的主要构成方面。因此，要提升要害系统综合应急能力，最主要的就是提高各个系统工程设施的灾害设防标准，加强各个系统自身的抗灾韧性，特别是要提高地震、洪水、火灾、交通事故等城市灾害的防御能力。

2)在城乡建设防灾减灾中，需要重点提升灾害监测预警能力，考虑经济投入与社会发展等因素优化配置灾害监测站点，研发推广灾害监测预警新技术，提高灾害监测预警的准确性和及时性，为灾时应急救援与处置提供决策依据。

3)综合应急能力4个方面的发展过程都呈现一定的波动性，也符合城市要害系统发展过程中的随机性、复杂性、动态性等特征。

4 结论

1)从灾害预防能力、灾害监测预警能力、灾害抵御能力和应急救援能力4个维度，空间、设施和管理3个层面，针对地震、洪灾、火灾、交通事故等典型城市灾害，采用系统结构方法构建城市要害系统综合应急能力评价指标体系，并采用主客观综合赋权法计算指标权重；考虑评价指标的随机性、模糊性及动态性等未确知信息，利用集对分析原理构造城市要害系统综合应急能力的单指标可变模糊集差异度函数，建立基于SPA-VFRM的城市要害系统综合应急能力的评价模型。

2)实例应用和与其他方法对比结果表明，该市要害系统综合应急能力呈现“波浪式升高”的动态发展趋势，灾害抵御能力是构成综合应急能力的主要方面；3种方法的评价结果排序基本上一致，表明本文方法的评估结果稳健、可靠，能够准确地反映城市要害系统综合应急能力的客观实际状况。