基于多属性分析的城市关键基础设施系统抗灾能力评估研究①

李伦彬，王诗莹

(黑河学院，黑龙江 黑河 164300)

0 引 言

城市作为一个社会、经济、科技、文化等方面高度集中的具有综合性的开放系统，逐渐成为国际社会防灾减灾的中心和重点。在工程技术和信息技术快速发展的背景下，城市关键基础设施系统变得复杂和强大，这些关键基础设施之间频繁相连。主要包括城市供水体系、电力供应体系、天然气供应体系、通信网络体系以及道路交通运输体系等。然而，城市关键基础设施系统本身的重要性、复杂性和脆弱性，其面临的人为攻击和自然灾害等各类毁伤威胁也越来越大。城市灾害的多样性、频繁发生与其造成的各种损失和破坏的严重化趋势，已经对城市发展造成一定的影响。城市关键基础设施系统抗灾能力评估能力，直接决定了城市可持续发展的基础和动力。

目前，许多学者已从不同的角度开展了研究，其中包括风险概念研究，基础设施可靠性研究，基础设施易损性方面等的研究。但是这些研究都存在一定的弊端，为解决这一问题，设计一种基于多属性分析的城市关键基础设施系统抗灾能力评估方法。此次研究重点是解决传统方法评估时常出现错误的问题，实验证明，此次设计方法能够减少评估错误数量，能够满足城市关键基础设施系统抗灾能力评估需求。

1 城市关键基础设施系统抗灾能力评估指标选择

为科学评估城市关键基础设施系统抗灾能力，根据全面性原则[1]、综合性原则、差异性原则、可比性原则、可操作性原则五个方面建立评估指标。综合分析选择，将城市关键基础设施系统抗灾能力评估指标分为一级指标、二级指标和三级指标，具体的评估指标如下表所示：

表1 评估指标

分析表1可知，一级指标为抗灾能力影响因素的基本层，其中每一特征都形成不同的分支，各个分支受其他分部因素影响；二级指标[2]是将一级指标按照不同性质和内容进行细分；同理，三级指标是将二级指标细分，是分层最细的指标层。其中一级指标为全局指标层，为直接反应城市关键基础设施系统抗灾能力的评估指标，为抗灾能力主要影响因素综合的结果。

由于微观指标存在系统性不足问题，采用多属性分析法，对微观指标洞察与改进，改进后的微观指标[3]如下图所示：

图1 改进后的微观指标

根据改进结果，使微观指标选择具有客观性与一致性，以判断评估指标选择是否需要改进。

2 城市关键基础设施系统抗灾能力评估指标权重分配

为使上述获得的城市关键基础设施系统抗灾能力评估指标便于量化，采用多属性分析法分配评估指标权重[4]，建立因素集[5]，因素集是影响评估指标的一个普通集合，将其表示为：M={m1,m2,…,mn}，各元素mi=(i=1,2,…,n)，代表评价指标的影响因素。这些影响因素具有不同的模糊性，并且重要程度不同，为反应各个评价指标的重要程度，对各个因素赋予相应的权数∂=(i=1,2,…,n)，由各权数组成的集合A=(a1,a2,…,am)称为因素权重集，称为权重集。采用归一化方法[6]使各权数∂=(i=1,2,…,n)满足归一性和非负条件：

(1)

在权重集建立的基础上，建立评价集[7]，评价集是对指标权重做出各种评判集合的总体，将其表示为：

(2)

根据上述计算，达到综合分配指标权重的目的，就是在综合考虑所有评价指标权重的基础上，从备选集中，得到最佳的指标权重分配结果。

3 城市关键基础设施系统抗灾能力评估模型构建

在上述城市关键基础设施系统抗灾能力评估指标选择和城市关键基础设施系统抗灾能力评估指标权重分配的基础上，构建城市关键基础设施系统抗灾能力评估模型[9]。将评价指标与相应的指标权重分配结果代入到模型中，以对城市关键基础设置系统抗灾能力评价。评价过程如下图：

假设该城市为一个多层次[10]、相互交叉的网络结构，将其用分层拓扑结构图对其描述。首先，建立城市基础设施系统模型，城市中各个关键基础设施系统中的部门抽象为网络中节点[11]，各个实体之间形成的关联关系抽象为网络中的边，则将关键基础设施子系统的拓扑结构描述为：

GI=|Vi*b|/e

(3)

公式(3)中，GI代表所有集合中节点的集合，V、b分别代表关键基础设施拓扑结构中所有边的集合，e代表节点数量。

图2 城市关键基础设施系统抗灾能力评估过程

由于城市关键基础设施系统存在一定的关联性[12]，关键基础设施通过关联关系进一步由网内向网间扩张，从而形成更加复杂的拓扑结构，假设某城市由n个基础设施组成，则该城市的拓扑结构[13]表示为：

Q=K/(Q1,Q2,Q3…Qn)

(4)

公式(4)中，K代表基础设施关联性计算参数，Q1、Q2、Q3、Qn分别代表关联节点。

根据上述定义，完成城市关键基础设施本体模型的建立，然后引入评估指标与相应的评估指标权重，对城市关键基础设施系统抗灾能力综合评估[14]。假设按照上述评估因素集中第i个因素评估，则得到基于多属性分析的评估集合：

(5)

由此，得到基于多属性分析的综合评价矩阵[15]，将其表示为：

(6)

矩阵(6)中，B代表模糊综合评判集，b1、b2、…、bmn中的各个因素分别代表综合评判指标，目的是综合考虑所有评估的影响因素。

根据上述城市关键基础设施系统抗灾能力评估指标选择、城市关键基础设施系统抗灾能力评估指标权重分配、城市关键基础设施系统抗灾能力评估模型构建三个步骤完成了城市关键基础设施系统抗灾能力评估。

4 实验分析

4.1 实验数据

以某城市为研究对象，该城市内部包含3个关键基础设施子系统，这些子系统内基础设施不同。同时，该市内关键基础设施子系统之间通过地理关联和物理关联形成复杂的关联关系，为便于实验，将该市关键基础设施中的所有变量标准化处理，计算公式为：

(7)

根据上述公式判别该市关键基础设施系统是否存在物理关联，进行迭代，直至所有的关键基础设施判断完成。

4.2 实验方案确定

在上述基础数据完成的基础上，从该市基础设施中随机抽取8种基础设施作为评估对象，并聘请10位专家对该城市关键基础设施的各个指标评分，根据非互补性原则，将该市的实验数据进行无量纲化处理，得到该城市部分基础设施的抗灾等级的基本信息：

分别采用传统的评估方法与此次设计的评估方法对该城市关键基础设施系统抗灾能力评估，将评估结果与上述专家给出的评估结果对比，对比这两种方法的评估错误情况。

4.3 实验结果分析

综合上述实验数据，得出传统评估方法与此次设计的评估方法的评估结果，如下表所示：

表3 实验对比结果

分析表3可知，传统方法在第1个、第2个、第4个、第5个、第7个基础设施评价抗灾能力时，与已知评估结果不同，具有一定的偏差，在8个评估项目中，错误评估5个项目，说明传统的评估方法评估情况较多。而此次设计的评估方法，在评估时仅在第3个项目评估上，出现错误评估，相对于传统评估方法来说，此次设计的评估方法的错误数量较少。综上所述，此次设计的基于多属性分析的城市关键基础设施系统抗灾能力评估方法比传统评估方法错误评估数量少，能够准确对城市关键基础设施系统抗灾能力评估，具有一定的实际应用意义。

5 结 语

利用多属性分析方法的优势，设计了城市关键基础设施系统抗灾能力评估方法，并通过实验验证了此次设计方法的有效性。实验证明，此次设计的基于多属性分析的城市关键基础设施系统抗灾能力评估方法更加符合实际情况，通过多个方面对城市关键基础设施系统抗灾能力评估，具有较高的准确性。此次研究的评估方法能够为其他城市防灾、减灾以及灾害预警上提供基础依据，从而使各个城市安全稳定发展。