城市潛在地震次生火災風險屬性區(qū)間識別理論*

劉曉然, 王 威

(1.北京建筑大學，北京 102616；2.北京工業(yè)大學 抗震減災研究所,北京 100124)

城市潛在地震次生火災風險屬性區(qū)間識別理論*

劉曉然1, 王 威2

(1.北京建筑大學，北京 102616；2.北京工業(yè)大學 抗震減災研究所,北京 100124)

針對城市地震潛在次生火災風險分析影響因素的復雜性，首先構(gòu)建了基于屬性區(qū)間識別理論的城市地震潛在次生火災風險評價模型，并采用綜合權(quán)重法確定權(quán)重向量，以最大程度地消除各種不確定性；其次從風險的角度綜合考慮地震潛在次生火災系統(tǒng)中致災因子和孕災環(huán)境的危險性，承災體的易損性和暴露性，及城市地震潛在次生火災風險的抗災因子，構(gòu)建了城市地震潛在次生火災害風險評價指標體系，并制定了相應評價指標的等級標準；最后，應用屬性識別理論對某城市地震潛在次生火災系統(tǒng)中危險性、易損性、暴露性，及抗災能力進行了計算，并應用證據(jù)理論對區(qū)域火災風險性進行了驗證分析。結(jié)果表明：當城市發(fā)生Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ度地震時，中等風險以上的區(qū)域面積分別達到了50.20%、61.00%、64.90%，說明針對城市的風險級別較高的區(qū)域單元應重點防范并采取相應的措施以降低風險。文章證實了屬性區(qū)間識別理論及證據(jù)理論在城市地震潛在次生火災風險評估中的應用，提高了風險評價結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性，為城市地震潛在次生火災風險評估提供一種易操作且可行的方法。

城市；地震；次生火災；屬性區(qū)間識別；證據(jù)理論；最大熵原理；風險分析

我國地震活動頻繁、破壞性大。破壞性地震發(fā)生后，極易引發(fā)次生災害?，F(xiàn)代城市是區(qū)域政治、經(jīng)濟和文化中心，燃氣管道、壓力管道、城市電網(wǎng)等各種管道錯綜復雜。這都將使人口集中、建筑物集中、生產(chǎn)經(jīng)營集中、財富集中的現(xiàn)代化城市更容易在震后集中發(fā)生特大火災和燃爆事故，有時甚至超過地震直接損失。城市地震潛在次生火災是地震次生災害最重要的方面，因此應當引起高度重視。為了有效地減輕地震次生火災災害，減少火災損失，有必要進行地震次生火災風險性分析及風險性區(qū)劃的基礎性研究工作[1]。

目前，國內(nèi)外關于城市火災風險的研究已經(jīng)取得了一些成果[2-5]，日本的“城市等級法”，美國的“滅火分級制”等，都是根據(jù)區(qū)域建筑物、環(huán)境密度等來確定區(qū)域風險等級，進而設置消防設施。我國近年才展開了對城市火災風險評估的研究，主要方法有統(tǒng)計分析法、指數(shù)法、專家調(diào)查法、層次分析法等，但以上這些理論與方法大多是針對城市平時整體火災風險或危險評估，對地震次生火災不是十分適用。向琴琴[6]、張志華[7]建立了城市小區(qū)地震次生火災危險性評估模型，但對于如何考慮地震破壞的影響沒有具體可行的好辦法。

城市地震火災風險分析是對致災因子和孕災環(huán)境的危險性、承災體的易損性和暴露性、城市抗災防災能力的分析。以往研究的主要特點是，確定區(qū)域災害風險評價的指標，通過數(shù)學處理手段進行綜合得到風險評價結(jié)果。然而，如何解決災害風險指標的不確定性及其間的相互影響仍值得進一步研究，也是關系到風險評價結(jié)果準確性的一個重要問題。屬性區(qū)間識別理論模型[8-9]是一種以最小代價原則、最大測度原則、置信度準則和評分準則為基礎的綜合評價方法，同時最大熵原理可排除人為因素、風險因素等的干擾，最大化反映評價對象的客觀信息。目前以城市區(qū)域為研究對象，以區(qū)域地震次生火災風險評估為研究內(nèi)容，建立針對區(qū)域地震次生火災風險評估模型，還沒有完整的、現(xiàn)成的方法可供使用。

1 基于屬性區(qū)間識別理論模型

基于以上所述，本文提出了基于屬性區(qū)間識別理論及證據(jù)理論對城市地震潛在次生火災風險進行評價與分析，詳細技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 城市地震火災風險評價技術(shù)路線

城市地震潛在次生火災風險評價中，已知n個評價單元的m個指標X=(x1,x2,…xn),根據(jù)k個風險等級構(gòu)造區(qū)間矩陣Iab=([a,b]jk)，式中j=1,2,…,m;k=1,2,…K。j和k分別是地震潛在次生火災風險評價指標數(shù)目和風險等級評價級別數(shù)目[9-12]。上屆風險矩陣為A=[a]jk，下屆風險矩陣為B=[b]jk。

步驟1：建立上下屆標準隸屬度矩陣S=[sjk](m×K)和樣本值相對于上下屆的隸屬度矩陣F=[fjk](m×n)。具體計算如下：

sjk=(ajk-ajl)/(ajK-ajl)。

(1)

正指標：

(2)

負指標：

(3)

式中：i=1,2,…n;j=1,2,…m,k=1,2,…K。

步驟二：采用層次分析法和熵權(quán)法相結(jié)合的綜合權(quán)重法確定危險、暴露、易損、抗災防災能力等級權(quán)重向量。

ωj=ηαj+(1-η)βj,j=1,2,3,…,n。

(4)

(5)

(6)

式中：B一般取10。

步驟四：綜合屬性測度計算。采用均化系數(shù)對屬性測度區(qū)間進行轉(zhuǎn)換，得到樣本xi屬于第k類的綜合屬性測度。

(7)

式中：α為屬性測度區(qū)間均化系數(shù)。

步驟五：評價樣本類別識別。

風險的危險性、暴露性、危險性、易損性和抗震防災能力的評價等級確定方法為：

(8)

另一種算法是采用置信度準則評價樣本等級：

(9)

式中：λ為置信度，值越大越趨向于保守。

步驟六：風險等級確定。

為有效獲得樣本的風險評價等級，采用證據(jù)理論Dempster合成法則對步驟四計算的綜合屬性測度進行耦合[13]：

m(A)=m1(A)+m2(A)+…mn(A)=

(10)

其中：

(11)

式中：A為可能的結(jié)果的集合；m(A)為命題A的基本信度；k為歸一化系數(shù)，反映證據(jù)間沖突的大小。

信任函數(shù):

(12)

式中：B表示A的子集，則該函數(shù)為Θ上的信任函數(shù)，表示A的全部子集所對應的基本信任分配之和。

似然函數(shù):

(13)

2 城市地震潛在次生火災風險指標體系

城市地震潛在次生災害風險評價[12]涉及致災因子、孕災環(huán)境及承災體等眾多因素。且由于許多因子無統(tǒng)一定量標準，使得評價指標體系很復雜，難以操作。從災害風險生成的動力學角度看，防災減災能力與災害風險生成的作用方向是相反的，即特定地區(qū)的防災減災能力越強，災害危險性、易損性和暴露性生成災害風險的作用力就越會受到限制。本文基于災害系統(tǒng)理論，從致災因子、孕災環(huán)境、承災體、抗災能力出發(fā)，遵循系統(tǒng)性、易量化、可操作、普適性的原則，構(gòu)建了城市地震潛在次生火災風險綜合評價指標體系(圖2)。

圖2 城市地震風險評價指標體系

(1)危險性指標。地震發(fā)生造成的建筑物倒塌、危險品泄露是引發(fā)次生火災的主要原因，而交通系統(tǒng)和供水系統(tǒng)的震害程度影響到次生火災救援的便利性，震害指數(shù)越大，救援的不利因素越多，火災蔓延速度越大，故選取危險源密度、建筑物震害指數(shù)和主要生命線系統(tǒng)震害指數(shù)作為危險性評價指標。建筑物或主要生命線震害指數(shù)，指一定地區(qū)范圍內(nèi)所有建筑物或生命線工程的震害指數(shù)的平均值，即各破壞等級的建筑物或生命線工程所占的比率與其相應的震害程度量化值乘積之和。危險源的級別不同造成災害程度不同，重大危險源主要是指有危險品倉庫的化工企業(yè)、加油站等，一般危險源主要是指民用危險源。

(2)暴露性指標。城市地震火災承災體的暴露性主要體現(xiàn)在人和財富上，所以選取人口密度和建筑物密度為暴露性因子。

(3)易損性指標。易損性主要是體現(xiàn)承災體的易損程度，同暴露性，承災體是人和建筑物。易損性人口因子選取人口老少比例(年齡中大于65，小于14人口所占總?cè)丝诒壤?，建筑物因子選取建筑結(jié)構(gòu)類型指數(shù)、薄弱區(qū)比例(多為1～3層的老舊民宅)、3、4級或無耐火建筑比例為易損性指標。其中建筑結(jié)構(gòu)類型指數(shù)是指各類建筑結(jié)構(gòu)類型指數(shù)乘以相應建筑面積所占權(quán)重所得。綜合考慮建筑物的耐火等級及抗倒塌能力所得，各類建筑結(jié)構(gòu)類型指數(shù)如表1所示。

表1 各類建筑結(jié)構(gòu)類型指數(shù)

(4)抗災能力指標。綠地對次生火災的蔓延具有阻力作用，道路的等級及覆蓋度對震后火災救援具有重要意義。消防能力的大小取決于消防有效覆蓋度及消防人員的數(shù)量，根據(jù)易量化原則，選取人均綠地面積、道路覆蓋度、消防覆蓋度(消防服務面積所占區(qū)域面積比)、消防員人均保護數(shù)量為抗災防災因子，其中道路覆蓋度取決于區(qū)域單元內(nèi)道路等級、道路寬度、道路冗余度。城市地震潛在次生火災風險評價指標尚無明確的統(tǒng)一標準，在參考國家、行業(yè)及地方規(guī)定或頒布的有關標準基礎上，引用相關文獻中確定標準的方法，結(jié)合研究區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展及次生火災源的實際情況和特點，將地震次生火災危險、暴露、易損、風險、抗災能力等級均分為極低、低、中等、高、極高5個等級，具體等級區(qū)間值如表2所示[13-17]。

3 實例應用

以某城市為研究對象，為綜合考慮城市區(qū)域自然環(huán)境和建設環(huán)境特點、行政管理權(quán)限，從抗震防災的角度，將該城市劃分為110個疏散分區(qū) (圖3)。因為劃分單元數(shù)量過多，根據(jù)建設用地功能的不同，選取不同功能用地作為示例單元進行計算說明，8-4工業(yè)區(qū)、9-6居住區(qū)、12-13風景旅游區(qū)、13-3商貿(mào)區(qū)。示例單元及所取值如表3所示。

表2 城市地震潛在次生火災風險指標分區(qū)標準

表3 示例單元地震潛在次生火災風險指標取值

表4 不同烈度下危險性指標權(quán)重

表5 基于屬性區(qū)間識別模型危險性評價結(jié)果

表6 不同烈度下城市地震潛在次生火災危險等級分區(qū)數(shù)對比

圖3 城市疏散分區(qū)圖

圖4 城市火災危險性分區(qū)圖

3.1 地震次生火災危險性評價

根據(jù)地震烈度Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ度下城市地震火災危險等級圖的對比，可得到各烈度下各危險等級的單元個數(shù)，見表6。極高風險等級單元個數(shù)均為0，在此不列出。

由表6可看出地震烈度Ⅵ度時，區(qū)域災害危險性主要集中在低危險等級以下，地震烈度Ⅶ、Ⅷ度時，危險等級高的單元個數(shù)及面積明顯增加。其中4-9、8-1、9-5、9-6、9-8、10-1、10-2、10-3、10-6、10-8、11-2、11-8、11-9、12-4、12-8均為老城區(qū)，老舊房屋、道路失修所占比例多，導致建筑、道路震害指數(shù)大且一般危險源數(shù)目較多導致危險等級較高，屬于重點防范區(qū)。

3.2地震潛在次生火災暴露性、易損性、抗震防災能力評價

同理可得基于屬性區(qū)間識別模型的暴露性、易損性、抗震防災能力的計算結(jié)果如表7所示。由結(jié)果繪制該城市地震潛在次生火災的暴露性、易損性及抗震防災能力專題圖層(圖5、圖6、圖7)。從圖5中可以看出，由于老城區(qū)的人口和建筑物密集，導致老城區(qū)分區(qū)單元的暴露性較高。由圖6可以看出，1-9、4-3、4-4、7-1、7-2、7-5、8-5、9-1、12-6易損等級較高，主要是因為城中的較為發(fā)達，導致大量青年進城工作，城市外圍的老少人口較多，且較不發(fā)達地區(qū)的房屋多為磚混結(jié)構(gòu)，建筑結(jié)構(gòu)類型指數(shù)高、耐火等級低導致的這些區(qū)域單元易損性高。由圖7可以看出，2-3、4-3、4-8、7-6、9-4抗災防災能力較差，主要是道路等級低導致的有效覆蓋度不夠級消防設置不完善導致。

圖5 城市地震潛在次生火災承災體暴露性等級圖

3.3基于證據(jù)理論的城市地震潛在次生火災風險評價

城市地震潛在次生火災風險等于區(qū)域危險性與承災體暴露性、易損性及抗災防災能力的耦合，且風險值隨危險性、暴露性、易損性的增大而增大，隨抗災防災能力的增大而減小。第一步首先采用危險性、暴露性、易損性、抗災能力的屬性測度分別作為證據(jù)1、證據(jù)2、證據(jù)3和證據(jù)4，應用式(11)計算沖突系數(shù)k。 第二步多證據(jù)組合。以以下片區(qū)為例，應用式(10)、(12)及(13)計算各片區(qū)在地震烈度分為Ⅶ度、Ⅷ度、Ⅷ度下的質(zhì)量函數(shù)、信任函數(shù)和似然函數(shù)(表8)。根據(jù)烈度Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ度下城市地震潛在次生火災風險等級對比，可得到各烈度下各風險等級的單元個數(shù)及各風險等級面積所占比(表9)。

圖6 城市地震潛在次生火災承災體易損性等級圖

圖7 城市地震潛在次生火災抗災防災能力示意圖

如表9所示，隨著地震烈度的增加，高風險等級的單元個數(shù)及所占面積比增加，當?shù)卣鹆叶葹棰鲿r，中等及以上風險等級面積已經(jīng)達到60%。該城市地震潛在次生火災風險等級較高，經(jīng)過結(jié)果對比，判定1-9、2-1、4-9、8-8、10-2、10-3、10-11、11-5、11-6、12-8、12-12單元為高風險區(qū)，其中4-9、10-2、10-3、10-11、11-5、11-6、12-8屬于老城，人口密集、老舊民房較多，一般危險源數(shù)目多，危險性、暴露性、易損性等級高，消防配置不夠?qū)е嘛L險等級高。1-9、2-1、8-8為工業(yè)區(qū)或新建區(qū)，重大危險源數(shù)目較多，主要是危險性等級較高，消防設施不完善導致的風險等級高。根據(jù)分區(qū)圖采取相應措施降低災害的危險性、承災體的暴露性與易損性，提高城市的抗震防災能力，進而降低城市地震潛在次生火災風險。對于中等風險區(qū)，也應采取相應的措施進一步防范。

表7 暴露性、易損性、抗震防災能力評價結(jié)果

表8 基于證據(jù)理論模型風險性評價結(jié)果

表9 不同烈度下城市地震潛在次生火災風險等級對比

4 結(jié)論

探討了屬性區(qū)間識別理論及證據(jù)理論在城市地震潛在次生火災風險評估中的應用。在深入分析城市地震潛在次生火災風險成因的基礎上，從城市地震發(fā)生后的致災因子、孕災環(huán)境的災害狀況和承災體即抗災防災能力四個方面構(gòu)建了城市地震潛在次生火災風險評價指標體系。以某城市為例，運用基于最大熵理論的屬性區(qū)間識別理論模型對城市分區(qū)單元不同地震烈度下危險等級、暴露性等級、易損等級、抗災防災能力等級做出科學合理的計算，并由風險等級分區(qū)矩陣得到各評價單元的風險等級，評價結(jié)果比其他方法更加客觀。根據(jù)結(jié)果找出區(qū)域潛在風險，采取相應措施，與實際情況也較為吻合，提高了風險評價結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性，為城市地震潛在次生火災風險評估提供一種易操作且可行的方法。

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Abstract:For the influence factors’ complexity of the urban post-earthquake fire, theory about the attribute interval recognition is proposed for the potential risk analysis of urban post-earthquake fire. Firstly, an attribute interval recognition model is established to eliminate all kinds of uncertainty to maximize based on the principle of maximum entropy; Secondly, the evaluation index system for the urban post-earthquake fire was presented in terms of urban disaster hazard, exposure and vulnerability of disaster bearing body and disaster prevention and mitigation capability. Meanwhile, the grading standards of evaluation index are also given; finally, potential risk analysis for a city's post-earthquake fire is provided to validate and prove its efficiency and feasibility by the evidence theory and attribute interval recognition theory. The results show that the middle and higher risk area reaches 50.20%, 61.00%and 64.90% respectively when Ⅵ, Ⅶ, Ⅷ degree earthquake occurs. The application of attribute interval recognition and evidence theory for potential risk assessment of urban post-earthquake fire were verified, which improved the stability and reliability of the risk assessment results, to provide a measurable and achievable approach for the potential risk assessment of urban post-earthquake fire.

Key words:urban post-earthquake fire; attribute interval recognition; evidence theory; principle of maximum entropy; risk analysis

Potential Risk Analysis of Urban Post-earthquake Fire Based on Attribute Interval Recognition Theory

LIU Xiaoran1and WANG We2

(1.BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing102616,China; 2.InstituteofEarthquakeResistanceandDisasterReduction,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

劉曉然, 王威. 城市潛在地震次生火災風險屬性區(qū)間識別理論[J]. 災害學，2017，32(4)：43-50. [LIU Xiaoran and WANG We. Potential Risk Analysis of Urban Post-earthquake Fire Based on Attribute Interval Recognition Theory[J]. Journal of Catastrophology，2017，32(4)：43-50.

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.04.008.]

TU981；X43；P315

A

1000-811X(2017)03-0043-08

2017-02-14

2017-04-10

國家自然科學基金項目(51678017)；北京市教育委員會科技計劃一般項目(KM201610005029)；北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助青年骨干個人項目(00921917202)；北京建筑大學博士科研啟動基金項目(00331616019)

劉曉然(1988-)，女，山東聊城人，博士，講師，研究方向為地震災害系統(tǒng)仿真與災害模擬技術(shù)等方面的研究.E-mail:xiaoran1227@126.com

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.03.008