基于DEMATEL方法的震后山地城市交通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

宋永朝， 閆功喜， 熊周年

(重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院， 重慶 400074)

我國(guó)是一個(gè)山地面積占70%的多山國(guó)家，山地區(qū)域集中了我國(guó)近半數(shù)的城鎮(zhèn).山區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，是地震災(zāi)害的重災(zāi)區(qū).震害發(fā)生后，城市交通系統(tǒng)在應(yīng)急救援和抗震救災(zāi)物資運(yùn)輸中起著至關(guān)重要的作用，是城市生命線工程的重要組成部分[1].為了更好地辨識(shí)地震給山地城市交通系統(tǒng)帶來(lái)的影響，提高山地城市的抗震水平，分析地震條件下山地城市交通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)顯得十分重要.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)震后城市交通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析方面進(jìn)行了大量的研究.日本黑田勝?gòu)2]統(tǒng)計(jì)了神戶地區(qū)震后各種交通設(shè)施的受災(zāi)狀況，系統(tǒng)研究了地震對(duì)交通運(yùn)輸設(shè)施產(chǎn)生的影響，為建立抗震能力更強(qiáng)的交通體系提供了理論依據(jù)；Chang[3]利用對(duì)震后城市交通的系統(tǒng)分析結(jié)果，建立了震后交通系統(tǒng)整體功能評(píng)估方法.Pitilakis等[4]運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)終端分析法(RISK-UE)對(duì)地震中公共基礎(chǔ)設(shè)施和交通基礎(chǔ)設(shè)施在內(nèi)的生命線工程的承災(zāi)能力進(jìn)行了評(píng)價(jià).國(guó)內(nèi)研究相對(duì)較晚，在該領(lǐng)域也取得了一定的成果.徐玖平等[5]在調(diào)查汶川特大地震災(zāi)區(qū)情況的基礎(chǔ)上，考慮了對(duì)口援建開(kāi)放復(fù)雜巨系統(tǒng)的框架、時(shí)空、運(yùn)行等結(jié)構(gòu)及其整體特性，提出了地震災(zāi)后對(duì)口援建系統(tǒng)工程的綜合集成模式；黃玉奇[6]等對(duì)城市交通系統(tǒng)等各種生命線震害進(jìn)行了系統(tǒng)研究，建立了震害下道路交通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型；王洪明等[7]分析了汶川地震后影響道路交通安全的因素，并進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)；劉勇等[8]進(jìn)行了震后路網(wǎng)的系統(tǒng)分析，為城市路網(wǎng)可靠度的分析提供了理論支持.從已有研究成果來(lái)看，研究對(duì)象多集中于平原城市，而應(yīng)用于震害重災(zāi)區(qū)的山地城市交通系統(tǒng)方面的研究相對(duì)不足.

本文通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料并結(jié)合實(shí)地調(diào)查，綜合分析山地城市路網(wǎng)特點(diǎn)及其震害環(huán)境現(xiàn)狀，運(yùn)用DEMATEL分析方法對(duì)地震災(zāi)害下的山地城市交通系統(tǒng)影響因素進(jìn)行初步辨識(shí)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模和系統(tǒng)中各要素間關(guān)聯(lián)關(guān)系的解析，為山地城市抗震救災(zāi)的管理者提供理論支持，并提出加強(qiáng)山地城市交通系統(tǒng)抗震能力的措施.

1 山地城市交通系統(tǒng)及震害特點(diǎn)

1.1 山地城市交通系統(tǒng)特點(diǎn)

山地城市地形條件復(fù)雜，高差較大，與平原城市相比，山地城市道路非直線系數(shù)較大，無(wú)一定的幾何形狀，路網(wǎng)形式多呈并列形、樹(shù)杈形或條形，城市形態(tài)因此也大多呈現(xiàn)為多中心組團(tuán)式或帶狀結(jié)構(gòu)[9].為了縮短各組團(tuán)之間的空間距離，加強(qiáng)組團(tuán)之間的聯(lián)系，山地城市路網(wǎng)組成中多橋梁、隧道等結(jié)構(gòu)性單元，路旁多擋墻等支擋防護(hù)結(jié)構(gòu).

1.2 山地城市交通系統(tǒng)震害特點(diǎn)分析

地震對(duì)山地城市交通系統(tǒng)造成的損害主要表現(xiàn)在震后的地質(zhì)災(zāi)害.山區(qū)自然環(huán)境一般較為敏感脆弱，地震會(huì)造成山區(qū)地表覆蓋層松動(dòng)，加上山區(qū)的地形陡峭，極易發(fā)生崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害.若遇震后大雨，松散的地表覆蓋層會(huì)隨著地表徑流形成不同程度的泥石流，對(duì)避難人群造成二次傷害.山地城市路網(wǎng)中邊坡、半填半挖路基、擋土墻等結(jié)構(gòu)也遠(yuǎn)多于平原城市，這些結(jié)構(gòu)性單元在地震作用下也容易坍塌，掩埋道路，阻斷交通.橋梁隧道等的坍塌會(huì)隔斷城市組團(tuán)之間的聯(lián)系，阻礙應(yīng)急救援的進(jìn)行.

綜上所述，地震對(duì)山地城市交通系統(tǒng)的影響比平原城市更為復(fù)雜，在分析的時(shí)候應(yīng)充分考慮山地城市交通系統(tǒng)的山地特性.

2 震害下山地城市交通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)DEMATEL分析

DEMATEL方法(Decision Making Trial and Evaluation Laboratory)也被稱為決策實(shí)驗(yàn)室法，是系統(tǒng)工程中常用的一種解析模型結(jié)構(gòu)的方法.該方法在圖論的理論基礎(chǔ)上，利用矩陣作為工具，對(duì)系統(tǒng)各要素進(jìn)行分析，判斷要素之間有無(wú)關(guān)系及其相互影響的強(qiáng)弱，計(jì)算各要素之間的相互影響程度，從而進(jìn)一步地揭示系統(tǒng)中各要素的結(jié)構(gòu)關(guān)系[10].

2.1 構(gòu)建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

地震發(fā)生后影響道路交通的因素眾多，對(duì)交通系統(tǒng)中各參與方都有很大的影響.在人的方面，地震會(huì)造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重影響道路交通參與者的身心狀態(tài).在路的方面，地震會(huì)造成道路兩側(cè)的建筑物倒塌，掩埋道路，或者直接損毀道路.在環(huán)境方面，地震會(huì)破壞當(dāng)?shù)氐淖匀缓蜕鐣?huì)環(huán)境，給道路交通帶來(lái)不利影響.在進(jìn)行分析時(shí)，必須綜合考慮各種影響因素.

本文綜合了地震災(zāi)害下影響山地城市交通系統(tǒng)的各種因素，將該系統(tǒng)的接口關(guān)系總結(jié)如下：

1)地震災(zāi)害的級(jí)別決定了道路兩側(cè)建筑物的倒塌程度和次生災(zāi)害的級(jí)別.山地城市用地較為緊張，和平原城市相比，街邊建筑物與道路車(chē)道邊緣線距離較小，震后建筑物坍塌的瓦礫極易阻塞道路.同時(shí)，道路本身的損壞程度以及人民生命財(cái)產(chǎn)的受損程度也受地震災(zāi)害級(jí)別的影響.另外，地震災(zāi)害的級(jí)別也決定了抗震救災(zāi)人員物資的運(yùn)輸量.

2)地震對(duì)山地城市交通系統(tǒng)的危害主要表現(xiàn)在震后的次生災(zāi)害，主要有滑坡、泥石流等，它的發(fā)生會(huì)對(duì)避難人群造成嚴(yán)重傷害，有時(shí)造成的損失甚至遠(yuǎn)大于地震本身.次生災(zāi)害的級(jí)別主要由地震的震級(jí)，地表烈度以及山區(qū)地質(zhì)條件決定.

3)道路本身在地震中也會(huì)受損.這其中包括路基路面的塌陷，橋梁隧道的坍塌以及路旁支擋結(jié)構(gòu)的損毀.這也是震后影響道路通過(guò)能力的主要因素之一.

4)人民生命財(cái)產(chǎn)受損的程度會(huì)影響災(zāi)民的心理狀況，從而影響交通執(zhí)法力度和抗震救災(zāi)人員、物資的運(yùn)輸.

5)應(yīng)急救援中心的部署、執(zhí)法力度的強(qiáng)弱以及避難行人、車(chē)輛的干擾將直接影響道路通過(guò)能力水平.由于山區(qū)道路非直線系數(shù)大，交通組織困難，若應(yīng)急救援中心布局不合理以及震后交通執(zhí)法力度的減弱將會(huì)造成震后交通混亂，降低道路通行能力.

地震災(zāi)害下山地城市交通系統(tǒng)的具體影響因素及接口關(guān)系如表1所示.

表1 系統(tǒng)影響因素及接口關(guān)系統(tǒng)計(jì)

為了系統(tǒng)地分析該模型，利用系統(tǒng)工程的方法將該系統(tǒng)的要素集記為X，且

X={S1,S2，…，S12}

(1)

式中，S1～S12為各影響因素.

將接口關(guān)系集記為R，且

R=riji,j=1,2,3…

(2)

式中：rij表示si和sj具有方向性的關(guān)系，rij={Si,Sj}.

若Si不影響Sj,則rij=0；若Si影響Sj則rij=1.由式(1)和式(2)以及各影響因素的接口關(guān)系，可得該系統(tǒng)的鄰接矩陣A(也稱布爾矩陣)以及可達(dá)矩陣T[11]為

其中，可達(dá)矩陣T=An+1，n為鄰接矩陣A的階數(shù).通過(guò)對(duì)可達(dá)矩陣的計(jì)算，可反映系統(tǒng)要素之間的間接關(guān)系.

將可達(dá)矩陣T分為兩個(gè)集合：R(Si)和A(Si)，并計(jì)算R(Si)和A(Si)的交集，R(Si)*A(Si)=R(Si)中的要素就是系統(tǒng)的最高層次的要素.去掉最高層次要素，重復(fù)上述步驟，依次可分出系統(tǒng)的第2層、第3層……直至最下層要素[12-13].將上述可達(dá)矩陣進(jìn)行層次分析，可得該系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖1所示.

2.2 構(gòu)建系統(tǒng)綜合影響矩陣

在確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次之后，還需要確定各因素之間關(guān)系的強(qiáng)弱程度.定義

(3)

其中，當(dāng)因素i和j沒(méi)有關(guān)系時(shí)，值為0;當(dāng)i和j有關(guān)系時(shí)，參照專家打分法的結(jié)果，按照各因素之間相互影響關(guān)系的強(qiáng)弱，tij分別取1，2，3.根據(jù)鄰接矩陣和式(3)可得該系統(tǒng)的直接影響矩陣Yd為

分別求出Yd中各行各列之和，取最大值M，令Y=Yd/M，將直接影響矩陣規(guī)范化，得到規(guī)范化矩陣Y，可得綜合影響矩陣為

S=Y(I-Y)-1

(4)

通過(guò)計(jì)算，綜合矩陣S如下：

圖1 系統(tǒng)層次關(guān)系

2.3 綜合影響分析

S中元素Sij表示要素Si對(duì)Sj相互之間的影響程度.

S中各列元素之和Sc=Sc(1)+Sc(2)+…+Sc，稱為因素Sc的影響度，表示要素Sc對(duì)其他要素綜合影響的值.

S中各行元素之和Sr=Sr(1)+Sr(2)+…+Sr(14)，稱為要素Sr的被影響度，表示要素Sr受其他各要素綜合影響的值.

要素Si的“中心度”是指該要素在整個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中的地位和作用，定義為Mi=Sr(i) +Sc(i).

要素Si的“原因度”表示該要素和其他要素之間的影響強(qiáng)弱程度，定義為Ri=Sc(i)-Sr(i).如果Ri>0，表示該要素對(duì)其他要素的影響比受到的影響要大；如果Ri<0，表示該要素受其他要素的影響較大；如果Ri=0，表示該要素既不受其他要素影響也不會(huì)對(duì)其他要素產(chǎn)生影響.

利用數(shù)學(xué)計(jì)算軟件對(duì)矩陣進(jìn)行上述運(yùn)算，各影響因素相互影響關(guān)系的分析結(jié)果如表2所示.

由表2可以看出，原因度最大的因素是地震災(zāi)害的級(jí)別.目前的科技水平還不能對(duì)地震的發(fā)生進(jìn)行精確預(yù)測(cè)，只能加強(qiáng)檢測(cè)以及做好震后工作，盡量將地震帶來(lái)的損失降到最低.其次，次生災(zāi)害原因度較大，這是由于山地城市生態(tài)環(huán)境較為脆弱，地震易造成地表面覆蓋層松動(dòng)，如遇到震后大雨，極易引發(fā)滑坡、泥石流等次生災(zāi)害，對(duì)避難人群造成二次傷害.因此，應(yīng)該加強(qiáng)山地城市地質(zhì)災(zāi)害防治.另外，災(zāi)

表2各影響因素的相互影響關(guān)系統(tǒng)計(jì)匯總

民心理狀態(tài)變化情況和應(yīng)急救援中心部署的原因度也較大，這是因?yàn)槿绻麘?yīng)急救援中心布局不合理，避難人群對(duì)道路交通產(chǎn)生的影響會(huì)增大，從而擠占山地城市本就緊張的交通資源，降低道路通過(guò)能力.因而需要優(yōu)化城市應(yīng)急救援中心的選址，以便人群快速疏散，保證震后生命線的暢通.

3 結(jié)束語(yǔ)

山地城市地質(zhì)條件復(fù)雜，自然環(huán)境條件比較脆弱，城市路網(wǎng)布局無(wú)一定的幾何形狀.相對(duì)平原城市而言，地震對(duì)山地城市交通系統(tǒng)的影響更為復(fù)雜，在分析時(shí)必須綜合考慮山地城市交通系統(tǒng)的山地特性.本文運(yùn)用系統(tǒng)工程分析方法建立了震后交通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型及震后影響山地城市交通系統(tǒng)各因素之間的層次關(guān)系.運(yùn)用DEMATEL方法量化分析了系統(tǒng)中各要素之間的相互影響程度及影響震后山地城市交通系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，并提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施.

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