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        基于AHP-熵物元的地震安全社區(qū)應(yīng)急管理評價*

        2019-07-05 11:00:06王海飆徐文靜
        關(guān)鍵詞:物元關(guān)聯(lián)度權(quán)重

        王海飆,徐文靜

        (東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

        0 引言

        我國地處世界兩大地震帶之間,地殼活躍,有一半以上的城市位于地震基本烈度7度或7度以上,城市社區(qū)人口、財富高度密集,是受地震災(zāi)害嚴(yán)重威脅的承災(zāi)體之一,近十年地震給我國造成巨大損失。面對嚴(yán)峻的地震災(zāi)害,2009年中國地震局聯(lián)合大連市提出建立“地震安全社區(qū)”理念,從社區(qū)規(guī)劃設(shè)計階段開始,將地震安全社區(qū)理念貫徹于工程施工和后期社區(qū)運維管理的全過程,最大限度地減輕地震災(zāi)害損失[1]。但是目前地震安全社區(qū)的建設(shè)還未形成建設(shè)規(guī)范和管理評價標(biāo)準(zhǔn),對完善地震安全社區(qū)理念和全國范圍的建設(shè)推廣十分不利[2]。要徹底解決“減輕和預(yù)防地震災(zāi)害”的問題,必須依靠土木工程的方法并輔之以其他災(zāi)前和災(zāi)后的防震減災(zāi)措施[3]。應(yīng)急管理作為典型的災(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)后三階段管理模式,是減輕地震損失、保障社區(qū)居民安全的有效防災(zāi)措施。在提高地震安全社區(qū)減災(zāi)綜合效益的前提下,對地震安全社區(qū)應(yīng)急管理做出科學(xué)合理的評價尤為重要。

        在災(zāi)害管理評價方面,眾多學(xué)者已有所研究,謝禮立[4]為提升城市防震減災(zāi)決策水平,首次從人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失和震后恢復(fù)時間3個方面建立城市防震減災(zāi)能力評價體系;陳文濤[5]在充分分析總結(jié)我國應(yīng)急體系建設(shè)和社區(qū)應(yīng)急實際情況的基礎(chǔ)上建立社區(qū)災(zāi)害應(yīng)急能力評價體系;張勤[6]為找出社區(qū)地震應(yīng)急工作中的不足,運用層次分析法建立社區(qū)地震應(yīng)急能力評價指標(biāo)體系;吳曉濤[7]重視災(zāi)害發(fā)生前的應(yīng)急準(zhǔn)備工作,針對社區(qū)應(yīng)急準(zhǔn)備工作構(gòu)建了社區(qū)應(yīng)急準(zhǔn)備能力評估體系;任國友[8]通過對比研究汶川等幾次大地震中災(zāi)害情況,找出地震應(yīng)急準(zhǔn)備能力關(guān)鍵因素并提出改進(jìn)對策;鄒清明[9]對城市社區(qū)應(yīng)急管理脆弱性進(jìn)行研究,建立城市社區(qū)脆弱性評價指標(biāo)體系。通過文獻(xiàn)搜集發(fā)現(xiàn),目前我國學(xué)術(shù)界在地震安全社區(qū)應(yīng)急管理評價方面的研究尚較少,且評價方法較為單一,主要以層次分析和模糊評價為主。物元模型能夠定性和定量地對事物、特征、量值三者之間的關(guān)系及其變化進(jìn)行分析,是研究受復(fù)雜因素影響問題的形式化工具,通過待評物元各特征指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性得到研究對象的薄弱環(huán)節(jié)和綜合評價結(jié)果,其在多領(lǐng)域的評價研究取得了較好的評價效果,本文將物元模型運用到應(yīng)急管理評價中,擬為日后社區(qū)應(yīng)急管理評價提供方法參考和借鑒。

        1 地震安全社區(qū)應(yīng)急管理評價指標(biāo)選取

        由于各省份經(jīng)濟(jì)水平、地理位置、人口結(jié)構(gòu)不同,要建立適合全國地震安全社區(qū)應(yīng)急管理的評價指標(biāo)體系不僅要從應(yīng)急管理時間維度上考量,還要結(jié)合社區(qū)應(yīng)急設(shè)防和當(dāng)?shù)厣鐣h(huán)境,同時依據(jù)《國務(wù)院辦公室關(guān)于加強基層應(yīng)急管理工作的意見》和《地震安全示范社區(qū)管理暫行辦法》等文件資料,從系統(tǒng)工程角度出發(fā),分析應(yīng)急管理各階段互相影響、互相制約的因素,本文選取地震安全社區(qū)前期規(guī)劃到后期管理運行的具有代表性、獨立性的4個一級指標(biāo)和17個二級指標(biāo)構(gòu)成評價體系,見表1。

        表1 評價指標(biāo)體系與指標(biāo)權(quán)重及評分Table 1 Evaluation index system, index weight and score

        1)社區(qū)應(yīng)急準(zhǔn)備。地震安全社區(qū)前期的規(guī)劃建設(shè)屬于可控的應(yīng)急預(yù)防準(zhǔn)備階段,動態(tài)性影響因素較少,主要選取社區(qū)居民建筑抗震等級、避難場所及應(yīng)急基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)急組織設(shè)立及培訓(xùn)、應(yīng)急教育及預(yù)案演練、應(yīng)急資金投入為二級指標(biāo)。預(yù)防準(zhǔn)備階段也是災(zāi)害減緩的過程,傳統(tǒng)的“小震不壞,中震可修,大震不倒”是最基本的設(shè)防目標(biāo),地震安全社區(qū)理念中的建筑抗震設(shè)防達(dá)8度,采用的耗能減震新技術(shù)以及居戶“安全島”避難空間等應(yīng)急空間設(shè)計直接影響地震傷亡率。城市受土地因素制約,超高層小區(qū)已成為城市主流,應(yīng)急避難空間及應(yīng)急基礎(chǔ)設(shè)施是評估應(yīng)急準(zhǔn)備階段關(guān)鍵影響因素。

        2)社區(qū)應(yīng)急響應(yīng)。應(yīng)急響應(yīng)過程與應(yīng)急準(zhǔn)備相比復(fù)雜多變,遇到破壞性地震,應(yīng)急響應(yīng)過程可控性較弱,社區(qū)內(nèi)部首先要自救互救,然后與外界協(xié)同應(yīng)對。在GIS和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下,社區(qū)應(yīng)急組織在社區(qū)應(yīng)急響應(yīng)中的預(yù)警、指揮、救援等任務(wù)更加智能化[10-12]。應(yīng)急響應(yīng)能力大小直接影響災(zāi)時應(yīng)急效率,地震一旦發(fā)生,必定會擾亂居民正常判斷能力,該情況下社區(qū)應(yīng)急組織必須根據(jù)地震震級大小啟動不同級別的應(yīng)急預(yù)案,在地震逃生黃金時間內(nèi)及時做出地震預(yù)警和應(yīng)急指揮,疏散居民到應(yīng)急避難場所。

        3)社區(qū)災(zāi)后恢復(fù)。地震引發(fā)的直接災(zāi)害、衍生災(zāi)害是阻礙災(zāi)后恢復(fù)的主要難題,社區(qū)內(nèi)的生命線工程癱瘓導(dǎo)致社區(qū)停滯運轉(zhuǎn),社區(qū)恢復(fù)過程可在BIM建筑信息技術(shù)監(jiān)測功能下聯(lián)動政府部門,在災(zāi)后及時對生命線工程檢查維修以及建筑安全測評[13]。根據(jù)震情不同對災(zāi)民進(jìn)行有序安置,受災(zāi)嚴(yán)重時要在政府指導(dǎo)下開展長期的恢復(fù)重建工作。

        4)社會環(huán)境因素。在分析影響社區(qū)應(yīng)急管理因素時,社會環(huán)境作為潛在因素容易被忽視,城市整體應(yīng)急能力水平高低與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展、城市以往地震經(jīng)歷、城市應(yīng)急文化建設(shè)、居民文化素養(yǎng)以及社區(qū)老齡化人口比例等社會環(huán)境影響因素有關(guān),邢娟娟提出抗震減災(zāi)不僅要發(fā)展經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù),也要加強應(yīng)急文化建設(shè)才能更好推動以人為本的社會管理科學(xué)的發(fā)展[14]。我國各省份地震應(yīng)急系數(shù)不同,大致呈東部高、西部低趨勢[15]。根據(jù)不同地區(qū)的地震應(yīng)急系數(shù),政府應(yīng)急部門加強應(yīng)急文化建設(shè),進(jìn)而提高我國基層地震應(yīng)急管理水平。

        2 確定指標(biāo)權(quán)重系數(shù)

        指標(biāo)權(quán)重的確定與模型綜合評價結(jié)果密切相關(guān),為使評價結(jié)果更能反應(yīng)研究對象的實際狀況,在充分利用專家經(jīng)驗和避免主觀賦權(quán)片面性的基礎(chǔ)上,采用AHP—熵權(quán)組合法優(yōu)化指標(biāo)權(quán)重。

        2.1 AHP法確定指標(biāo)權(quán)重

        層次分析法(AHP)在目標(biāo)準(zhǔn)則下將權(quán)重計算過程分解為遞階層次結(jié)構(gòu),按照T. L. Satty氏 1—9標(biāo)度法(見表2)對元素進(jìn)行兩兩比較構(gòu)造判斷矩陣,根據(jù)判斷矩陣得到各指標(biāo)權(quán)重。在計算出各矩陣特征值λmax基礎(chǔ)上得到判斷矩陣的一致性指標(biāo)(CI)、一致性比率(CR),并對CR進(jìn)行一致性檢驗,若一致性比率CR小于0.1則通過一致性檢驗。

        表2 層次分析法標(biāo)度及其含義Table 2 Analytic hierarchy process scale and its meaning

        注:i與j比較得到數(shù)值aij,則j與i比較得到比較值1/aij

        2.2 熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重

        該模型中熵權(quán)是專家根據(jù)指標(biāo)在系統(tǒng)中重要程度直接量化打分的結(jié)果,利用指標(biāo)打分無序程度反應(yīng)各指標(biāo)攜帶的信息量。熵值Hi與指標(biāo)權(quán)重Wi呈負(fù)相關(guān),即熵值越大指標(biāo)對決策結(jié)果可靠性影響越小,假設(shè)有m個評價指標(biāo),n位評價專家,構(gòu)造實際評價指標(biāo)值矩陣B=(bij)m×n,bij為第i個評價者對第j個評價指標(biāo)的評價量值,則第j個評價指標(biāo)的熵為:

        (1)

        (2)

        第j個評價對象的熵權(quán)為:

        (3)

        通過式(1)~(3)計算全部評價指標(biāo)的熵及熵權(quán)。

        評價指標(biāo)的權(quán)重列向量:

        W=(W1,W2,W3,…,Wj)T

        (4)

        2.3 計算指標(biāo)組合權(quán)重

        為了使組合權(quán)重更具科學(xué)性,本文運用加法合成法計算組合權(quán)重,建立組合權(quán)重兩者偏差平方和最小的函數(shù)[16]:

        (5)

        式中:Gi為權(quán)重組合值;Wi′和Wi分別為AHP法和熵權(quán)法得到的權(quán)重值。

        Gi=αWi+(1-α)Wi′

        (6)

        由式(5)~(6)可得:α=0.5;則組合權(quán)重為:

        Gi=0.5Wi+0.5Wi′

        (7)

        組合權(quán)向量為:

        Gi=(G1,G2,…,Gj)T

        (8)

        3 構(gòu)建地震安全社區(qū)應(yīng)急管理物元評價模型

        3.1 物元評價模型理論

        物元理論將質(zhì)和量聯(lián)系在一起,能夠較好地描述實際問題中的不相容性,由關(guān)聯(lián)函數(shù)計算元素與集合的關(guān)聯(lián)度,對待評物元做出定量客觀的判斷或評價[17]。社區(qū)地震應(yīng)急管理定性評價指標(biāo)較多,物元分析可以根據(jù)評價對象實際狀況進(jìn)行指標(biāo)打分,通過定量分析方法較準(zhǔn)確地評價社區(qū)的應(yīng)急管理水平。

        假設(shè)有事物N,其特征用C表示,對應(yīng)的評價量值為V,可以用有序三元組R=(N,C,V)來表示事物的基本物元,即N代表地震安全社區(qū)應(yīng)急管理,C和V分別表示應(yīng)急管理的評價指標(biāo)和量值。通過關(guān)聯(lián)度函數(shù)計算指標(biāo)與各等級集合的關(guān)聯(lián)度大小,關(guān)聯(lián)度大的表明與該等級擬合度大。

        3.2 物元評價具體步驟

        1)確定經(jīng)典域

        令Rj為物元矩陣的經(jīng)典域,即

        (9)

        式中:Nj表示第j個評價等級;C表示相應(yīng)評價等級的特征;Vj表示各評價等級對應(yīng)特征的取值區(qū)間,a和b為區(qū)間限值。

        2)確定節(jié)域

        各指標(biāo)的取值范圍的集合即為所求評價指標(biāo)的節(jié)域,即

        (10)

        式中:N為應(yīng)急管理等級域;C為評價指標(biāo)集;Vp為指標(biāo)評價量值范圍,a和b為區(qū)間限值。

        3)確定待評物元

        令Ri為待評價物元,即

        (11)

        式中:Ni為第i個一級評價指標(biāo);Ci為Ni的二級指標(biāo)集;Vi為二級指標(biāo)集的量值。

        4)計算關(guān)聯(lián)度

        關(guān)聯(lián)函數(shù)是用來描述待評物元與某評價等級的符合程度,反應(yīng)待評物元的可變過程,集合中各指標(biāo)間的層次關(guān)聯(lián)程度以關(guān)聯(lián)函數(shù)值的大小表示,社區(qū)應(yīng)急管理水平及其對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)度函數(shù)為:

        (12)

        (13)

        式(12)中:分子表示待測物元指標(biāo)評價值到經(jīng)典域的距離;分母表示經(jīng)典域的模。式(13)中:分子表示實際評價值到節(jié)域的距離;分母表示節(jié)域的模。待評物元的綜合關(guān)聯(lián)度為:

        (14)

        5)確定待評物元等級

        遵循最大隸屬度原則,地震安全社區(qū)應(yīng)急管理評價結(jié)果根據(jù)關(guān)聯(lián)度矩陣Kj(Ni) 中最大值對應(yīng)的評價等級確定。即Kj(N)=max{Kj(Ni)},當(dāng)0

        表3 社區(qū)應(yīng)急管理等級Table 3 Emergency management grade of community

        4 實證分析

        以地震安全社區(qū)大連永嘉尚品天城為例,應(yīng)用文中構(gòu)建的地震安全社區(qū)應(yīng)急管理評價指標(biāo)體系和AHP-熵物元評價模型對其進(jìn)行應(yīng)急管理評估。通過實際調(diào)研獲取社區(qū)前期建設(shè)過程中應(yīng)急設(shè)防規(guī)劃資料以及社區(qū)后期應(yīng)急管理運營過程情況統(tǒng)計資料,邀請應(yīng)急管理、建筑工程防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域的7位專家對社區(qū)應(yīng)急管理評價模型中的各指標(biāo)按照十分制進(jìn)行打分,通過求平均值計算出各二級指標(biāo)的最終打分值,評價結(jié)果見表1。

        4.1 組合權(quán)重的確定

        1)根據(jù)建立的應(yīng)急管理評價指標(biāo)體系以及專家評價結(jié)果,結(jié)合 Matlab 計算軟件運用AHP法得出各層中建立的判斷矩陣,計算出每個判斷矩陣的λmax,CI,CR ,各判斷矩陣的CR介于0.032 7~0.094 3之間,一致性檢驗通過,即由AHP法得到的權(quán)重符合要求。

        2)根據(jù)熵權(quán)法公式(1)~(3),得到各評價對象的熵值Wi,由公式(7)計算評價對象組合權(quán)重,各指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果見表1 。組合權(quán)重計算過程在模型構(gòu)建中式(5)~(8)已列出,由于篇幅限制不再詳細(xì)列出。

        4.2 物元綜合評價

        4.2.1 經(jīng)典域、節(jié)域、待評物元的確定

        以一級指標(biāo)社會環(huán)境B4為例,建立物元模型中的經(jīng)典域Rj、節(jié)域Rp和待評物元Ri。

        1)由式(9)確定評價等級的經(jīng)典域為:

        2)由式(10)確定節(jié)域Rp為:

        3)確定待評價物元Ri

        由式(11)確定待評指標(biāo)C4i的物元矩陣R4,即

        4.2.2 關(guān)聯(lián)度計算與等級評定

        1)為求出待評物元的關(guān)聯(lián)度,將經(jīng)典域R1,R2,R3,R4,節(jié)域Rp以及各評價指標(biāo)量值分別帶入式(12)~(13),計算出各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)函數(shù)值,見表4。

        2)將表1與表4得到的組合權(quán)重值與關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果帶入式(14),得到待評物元的綜合關(guān)聯(lián)度矩陣:

        (15)

        表4 尚品天城應(yīng)急管理指標(biāo)關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果Table 4 Calculation results of correlation degree between emergency management indexes for Shangpintiancheng

        3)確定社區(qū)應(yīng)急管理評價等級。由式(15)可知:Kj=max{Kj(N)}=0.009 5,因此可確定該社區(qū)應(yīng)急管理綜合等級為Ⅲ級。通過分析該社區(qū)應(yīng)急管理一級指標(biāo)中的關(guān)聯(lián)度值可知:應(yīng)急響應(yīng)階段最薄弱,需要對此進(jìn)行全面調(diào)整,提高應(yīng)急響應(yīng)處置能力,其他3項一級指標(biāo)評價結(jié)果在Ⅲ級以上,屬于可接受范圍,可根據(jù)二級指標(biāo)關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

        5 結(jié)論

        1)針對地震安全社區(qū)建設(shè)理念發(fā)展尚未成熟,其相應(yīng)的應(yīng)急管理各階段處于初步探索時期,尤其在應(yīng)急管理受多種動態(tài)因素影響的情況下,科學(xué)合理地對其應(yīng)急管理狀況進(jìn)行評估是完善地震安全社區(qū)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。結(jié)合地震安全的特點,建立了相應(yīng)的應(yīng)急管理評價指標(biāo)體系。

        2)運用AHP-熵權(quán)法從主觀、客觀2方面進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重值計算,降低了傳統(tǒng)AHP方法中主觀因素的影響,進(jìn)而得到更符合實際的指標(biāo)權(quán)重值,使得到的物元綜合評價結(jié)果更加準(zhǔn)確。

        3)在構(gòu)建的綜合評價模型中利用物元理論對評價指標(biāo)進(jìn)行定性描述,并在可拓集合理論下求出各指標(biāo)關(guān)聯(lián)度值,定量表示待評價物元的關(guān)聯(lián)度,進(jìn)而得到待評價社區(qū)的應(yīng)急管理等級和應(yīng)急管理中的薄弱環(huán)節(jié)。通過實例分析得到的結(jié)果與實際情況相符,表明該指標(biāo)體系及評價模型具有一定的實用性,對地震安全社區(qū)應(yīng)急管理評估具有一定的參考和借鑒價值。

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