基于層次分析法的城市交通系統(tǒng)抗災(zāi)風(fēng)險分析

潘曉東,隋永芹,2

(1.同濟(jì)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,上海 201804;2.蘇州科技學(xué)院 土木工程系,江蘇 蘇州 215011)

Pan Xiaodong1,Sui Yongqin1,2

(1.School of Transportation Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China;2.Department of Civil Engineering,Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215011,China)

城市經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和城市化進(jìn)程加快的同時,很多城市面臨的災(zāi)害形勢卻日益嚴(yán)重,因自然因素、人為因素等造成的突發(fā)性重大災(zāi)害事件的發(fā)生不僅造成生命財(cái)產(chǎn)的巨大損失,而且還會影響社會穩(wěn)定,甚至危及國家安全,對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展全局產(chǎn)生重大影響[1],同時也對城市交通系統(tǒng)造成不同程度的破壞。而城市交通系統(tǒng)貫穿于整個城市,是向?yàn)?zāi)區(qū)運(yùn)送緊急救援人員與物資的重要設(shè)施,是災(zāi)區(qū)救援和急需修復(fù)的交通生命線,交通阻斷造成的救援延誤會引起更為慘重的引發(fā)損失。因此,城市交通系統(tǒng)的抗災(zāi)變水平直接關(guān)系到能否對各種突發(fā)性事件進(jìn)行有效控制,使損失最小化,避免災(zāi)難擴(kuò)大,加強(qiáng)城市交通系統(tǒng)抗災(zāi)變風(fēng)險分析是形勢發(fā)展變化的迫切需要,也是我國目前城市交通系統(tǒng)建設(shè)所面臨的重要課題。

AHP層次分析法通過一定模式使決策思維過程規(guī)范化,具有分析思路清晰,能將復(fù)雜的思維過程系統(tǒng)化、數(shù)學(xué)化和模型化的優(yōu)點(diǎn)[2]。采用層次分析法對城市交通系統(tǒng)抗災(zāi)變風(fēng)險進(jìn)行研究,對影響城市交通系統(tǒng)抗災(zāi)變因素進(jìn)行定量分析,為城市交通系統(tǒng)降低災(zāi)變風(fēng)險提供決策依據(jù)。

1 城市交通系統(tǒng)抗災(zāi)變風(fēng)險因素分析

城市交通抗災(zāi)變系統(tǒng)是包含各種交通土建工程、交通運(yùn)載工具、救援避難設(shè)施以及與之相應(yīng)的組織管理等多學(xué)科、多專業(yè)、多風(fēng)險因素于一體的復(fù)雜體系。其災(zāi)害風(fēng)險形成的原因是多方面的,文章從硬件設(shè)施和軟件環(huán)境兩大方面對風(fēng)險因素進(jìn)行分析研究,主要從人員、災(zāi)害救援設(shè)施設(shè)備、道路交通網(wǎng)絡(luò)和組織管理體系等方面建立風(fēng)險評價分析指標(biāo)。

1.1 影響因素分析

1.1.1 硬件設(shè)施

重大突發(fā)性災(zāi)害對城市交通系統(tǒng)中道路、橋梁、救援避難設(shè)施等工程硬件設(shè)施破壞嚴(yán)重。如,2008年罕見的特大低溫雪凝災(zāi)害襲擊了我國中南部十多個省、市,波及21個省、市、區(qū),持續(xù)低溫雨雪冰凍極端天氣造成了道路結(jié)冰、道路堵塞等現(xiàn)象;在2008年的汶川地震中,災(zāi)區(qū)隨處可見的滑坡和崩塌、大規(guī)模的斷層錯動以及強(qiáng)地面運(yùn)動,對交通系統(tǒng)造成了毀滅性的打擊,嚴(yán)重阻礙了震后救援[3]。

1.1.2 軟件環(huán)境

相對硬件設(shè)施因素而言,軟件環(huán)境包含的內(nèi)容更為豐富[4]。其中與城市交通系統(tǒng)抗災(zāi)相關(guān)的災(zāi)害管理體制、技術(shù)立法、道路交通組織管理等構(gòu)成了城市交通系統(tǒng)的抗災(zāi)變軟件體系。有效的軟件體系能夠加強(qiáng)公眾的安全文化、法制教育,提高公眾的防災(zāi)減災(zāi)意識;并通過普及防災(zāi)減災(zāi)的基本知識,使公眾掌握各種應(yīng)急自救方法,消除對災(zāi)害的恐懼感,提高個人的災(zāi)害應(yīng)急能力,實(shí)現(xiàn)從災(zāi)后的反應(yīng)文化向?yàn)?zāi)前預(yù)防文化的轉(zhuǎn)變。

1.2 風(fēng)險分析指標(biāo)

1.2.1 人員因素

城市交通抗災(zāi)變系統(tǒng)中涉及的人員有救援決策人員、救援執(zhí)行人員[5]和受災(zāi)群眾。救援決策人員和救援執(zhí)行人員通過有機(jī)組織和管理,形成了救援組織管理的主體,起到救援主導(dǎo)的作用,而受災(zāi)群眾則是災(zāi)害事件中的直接關(guān)系人,其災(zāi)害時的心理、生理行為直接影響抗災(zāi)救災(zāi)效果,對抗災(zāi)救災(zāi)工作的開展有很大地影響。

1.2.2 抗災(zāi)設(shè)施設(shè)備

城市交通系統(tǒng)中抗災(zāi)救災(zāi)設(shè)施主要由救援設(shè)施設(shè)備和避難場所兩部分組成。救援設(shè)施包括救援車輛及裝備、救援物資的接受與分配、消防和醫(yī)療救護(hù)等方面。另外,當(dāng)城市發(fā)生重大突發(fā)事件時,應(yīng)該能及時將受災(zāi)居民疏散到用于民眾躲避危險地區(qū)的應(yīng)急避難所,這是城市應(yīng)對重大突發(fā)事件、減小人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的重要措施之一[6]。

1.2.3 道路交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

城市道路交通系統(tǒng)是城市生命線系統(tǒng)的主動脈,是保障城市其他生命線的緊急修復(fù)和城市各項(xiàng)基本功能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的交通生命線,在生命線工程中處于“生命線中的生命線”地位。城市道路網(wǎng)絡(luò)是由道路橋梁等交通基礎(chǔ)設(shè)施組成,是應(yīng)急救援的載體。城市一旦發(fā)生突發(fā)事件,道路交通網(wǎng)絡(luò)是人員疏散、救援人員施救及物資運(yùn)送的通道,是生死攸關(guān)的生命線之一。而城市道路橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的好壞直接影響到救援路網(wǎng)的通達(dá)性,反映道路交通供需情況的交通網(wǎng)絡(luò)直接關(guān)系到救災(zāi)的效率。諸多實(shí)例表明,很多大地震中救援工作遲緩的一個主要原因就是交通系統(tǒng)的癱瘓。因此,道路交通網(wǎng)絡(luò)的抗災(zāi)性能好壞,對于保證救災(zāi)救護(hù)和物資運(yùn)輸?shù)母咝苑浅Ｖ匾?/p>

1.2.4 組織管理

城市是一個社會、經(jīng)濟(jì)、科技、文化等方面高度集中的綜合性開放系統(tǒng),管理是一個龐大的社會系統(tǒng)工程,需要多部門多機(jī)構(gòu)以及多資源參與協(xié)作。城市交通抗災(zāi)組織管理系統(tǒng)包括組織機(jī)構(gòu)和模式,法規(guī)、預(yù)警機(jī)制、應(yīng)急預(yù)案等環(huán)節(jié),是影響城市交通系統(tǒng)抗災(zāi)變的重要軟件環(huán)境因素。災(zāi)害發(fā)生時,僅僅依靠其中某一個或幾個環(huán)節(jié)來提高救援工作是不可行的,必須形成比較科學(xué)的組織機(jī)構(gòu)和管理體制,使整個城市交通抗災(zāi)管理系統(tǒng)有機(jī)地運(yùn)行起來。

2 城市交通系統(tǒng)抗災(zāi)變風(fēng)險分析

2.1 層次分析法基本原理與步驟

層次分析法(AHP)是由美國運(yùn)籌學(xué)教授T.L.Saaty提出的一種系統(tǒng)分析方法[7]。它把一個復(fù)雜問題中的各種因素通過劃分互相聯(lián)系的有序?qū)哟问怪畻l理化,根據(jù)對一定客觀現(xiàn)實(shí)的判斷,就每一層次的相對重要性給予定量表示,利用數(shù)學(xué)方法確定表示每一層次的全部元素的相對重要性次序的數(shù)值,并通過排序結(jié)果分析和解決問題[8]。

層次分析法解決問題的基本思路[9]:

(1)把系統(tǒng)各因素之間的隸屬關(guān)系由高到低排成若干層次,分析系統(tǒng)中各因素的關(guān)系,建立系統(tǒng)的遞階層次結(jié)構(gòu);

(2)根據(jù)判斷,就每一層次的因素的相對重要度給予定量表示;

(3)利用數(shù)學(xué)方法確定每一層次全部因素的相對重要程度值;

(4)通過排序問題進(jìn)行分析和決策。

2.2 明確問題,建立層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)城市交通系統(tǒng)抗災(zāi)變影響因素分析,提出將人員、抗災(zāi)救援設(shè)施設(shè)備、道路交通系統(tǒng)和組織管理系統(tǒng)4個因素作為準(zhǔn)則層,將救災(zāi)決策人員、救災(zāi)執(zhí)行人員、受災(zāi)群眾、救災(zāi)車輛、救援物資、消防醫(yī)護(hù)設(shè)施、避難設(shè)施、道路橋梁基礎(chǔ)設(shè)施、道路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營結(jié)構(gòu)、政府組織機(jī)構(gòu)、抗災(zāi)救災(zāi)相關(guān)法律法規(guī)、預(yù)警機(jī)制和應(yīng)急預(yù)案等14個因素作為因素層,按3層建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型圖,如圖1所示。

2.3 構(gòu)造判斷矩陣

從層次結(jié)構(gòu)的方案開始,將隸屬于同一指標(biāo)的各指標(biāo)之間的相對重要性進(jìn)行比較,形成判斷矩陣。一般地,隸屬于指標(biāo)A的指標(biāo)Bj(j=1,2,…,n)的判斷矩陣為

圖1 城市交通系統(tǒng)抗災(zāi)風(fēng)險評價層次結(jié)構(gòu)圖

Bij表示在隸屬于A的諸指標(biāo)中,指標(biāo) i與指標(biāo)j相比的重要程度,采用Saaty提出的1～9比率標(biāo)度法(見表1)[9]。文章采用專家評價方法確定了各指標(biāo)的重要程度,目標(biāo)層 A到準(zhǔn)則層Bj及Bj～Ci層的判斷矩陣分別見表2～6。

表1 判斷矩陣標(biāo)度及含義

表2 A～Bj層判斷矩陣及指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

表3 B1～Ci層判斷矩陣及指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

表4 B2～Ci層判斷矩陣及指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

表5 B3～Ci層判斷矩陣及指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

表6 B4～Ci層判斷矩陣及指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

2.4 權(quán)重計(jì)算及一致性(相容性)檢驗(yàn)

針對上述判斷矩陣,按需要將本層所有元素排出優(yōu)劣順序。采用科學(xué)實(shí)用的“方根法”計(jì)算被比較元素對于選定準(zhǔn)則的相對權(quán)重,依據(jù)權(quán)重值進(jìn)行單排序。

以A～Bj為例,對給定的判斷矩陣 B,令

并以

作為權(quán)重向量。

為進(jìn)行判斷矩陣的一致性檢驗(yàn),計(jì)算一致性比率CR

當(dāng)CR＜0.10時,認(rèn)為具有滿意的一致性。其中一致性指標(biāo):

式中:λmax為判斷矩陣的最大特征根;n為成對比較因子的個數(shù);RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)(見表7)。

表7 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的取值

A～Bj層的一致性檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

同理,計(jì)算 Bj～Ci層次因素矩陣權(quán)重一致性檢驗(yàn)指標(biāo),結(jié)果見表3～6,其 CR皆小于 0.1,每個判斷矩陣的一致性都滿足要求。

從表2計(jì)算結(jié)果看,在城市交通系統(tǒng)抗災(zāi)變風(fēng)險分析的各因素中,道路交通系統(tǒng)(0.541)是首要因素,其次是設(shè)施設(shè)備(0.270)和組織管理(0.137),人員因素(0.053)排在最后,應(yīng)該注重道路交通系統(tǒng)的建設(shè)。

2.5 合成權(quán)重計(jì)算及一致性檢驗(yàn)

對同一層次中所有層次單排序的基礎(chǔ)上,可以計(jì)算出 Ci層次對A層次重要性的合成權(quán)重值,進(jìn)行總層次總排序。該過程是從最高層次到最低層次逐層進(jìn)行,即利用層次單排序的結(jié)果,綜合對更上一層的優(yōu)劣順序。

設(shè)Bj層次對A層次的單排序值的權(quán)重向量為WB,Ci層次中的因素對Bj層次中各元素的單排序權(quán)重向量為

則Ci層次中各元素對A層次的各因素合成權(quán)重排序?yàn)?

其中

總排序隨機(jī)一致性比率檢驗(yàn)

當(dāng)CR=0.003＜0.1時,總排序結(jié)果具有滿意一致性。

城市交通抗災(zāi)害系統(tǒng)影響因素合成權(quán)重及層次總排序計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 指標(biāo)合成權(quán)重

從表8可以看出,14個主要影響因素由大到小排序?yàn)?道路橋梁設(shè)施C8、道路網(wǎng)絡(luò)C9、交通網(wǎng)絡(luò)C10、救災(zāi)車輛 C4、救援物資C5、預(yù)警機(jī)制 C13、應(yīng)急預(yù)案 C14、消防醫(yī)護(hù)設(shè)施 C6、救災(zāi)決策人員 C1、避難設(shè)施C7、執(zhí)行人員C2、組織結(jié)構(gòu)C11、相關(guān)法規(guī)C12、受災(zāi)群眾C3。該排序基本上反映出城市交通系統(tǒng)抗災(zāi)害風(fēng)險各因素的重要程度。

上述分析說明,若要增加城市交通系統(tǒng)抗災(zāi),要想減少事故發(fā)生的概率,首先要注重道路交通網(wǎng)絡(luò)的建設(shè),特別是保證道路橋梁基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),保障通達(dá)的交通要道,注重救災(zāi)設(shè)施的建設(shè)。

3 結(jié)語

重大突發(fā)性災(zāi)害事件對城市破壞性較大,災(zāi)害下城市交通系統(tǒng)是城市抗災(zāi)救援的重要載體。文章利用層次分析方法對城市交通系統(tǒng)抗災(zāi)變風(fēng)險進(jìn)行了分析,具有一定的實(shí)用價值。然而層次分析方法的關(guān)鍵是因素分析以及專家判斷的可靠性,并且AHP方法本身也具有一定的局限性,評價指標(biāo)體系以及判斷矩陣也還有待進(jìn)一步完善。其評價結(jié)論的可信度受到一定影響。在實(shí)際運(yùn)用中,城市交通系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,要想更好地評價影響因素,不應(yīng)局限于某種特定的方法,應(yīng)該采用加速遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等與AHP模型結(jié)合的多種方法,提高計(jì)算精度,以得到更加合理準(zhǔn)確的評價。

[1]李志偉.基于AHP法與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)急物流風(fēng)險評估與預(yù)測模型[J].物流技術(shù),2008,27(9):75-77.

[2]宋洪濤,張力,王以群,廉士乾.用層次分析法分析核電站中影響人誤的組織因素[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),2007,17(5):32-36.

[3]劉愛文,夏珊,徐超.汶川地震交通系統(tǒng)震害及震后搶修[J].震災(zāi)防御技術(shù),2008,3(3):243-250.

[4]尤建新,陳桂香,陳強(qiáng).城市生命線系統(tǒng)的非工程防災(zāi)減災(zāi)[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2006,15(5):194-198.

[5]彭春露.城市突發(fā)事件緊急救援管理可靠性問題研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2006:58.

[6]黃典劍,吳宗之,蔡嗣經(jīng),蔣仲安.城市應(yīng)急避難所的應(yīng)急適應(yīng)能力——基于層次分析法的評價方法[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2006,15(1):52-58.

[7]彭祖贈,孫韞玉.模糊(Fuzzy)數(shù)學(xué)及其應(yīng)用[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2007:90.

[8]沈群,黃曉明,卞鳳蘭.基于層次分析法的收費(fèi)公路債務(wù)風(fēng)險評價[J].公路交通科技,2009,26(1):154-157.

[9]陳水利,李敬功.模糊集理論及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2005:242.