基于災(zāi)害鏈理論與FAHP的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究

李云飛，許令順，張 飛，楊 靜，汪煒昊，胡浩然

(1.清華大學(xué)合肥公共安全研究院科學(xué)研究部，安徽 合肥 230601；2.安徽省城建設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230051；3.合肥市城市生命線工程安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)中心交通安全部，安徽 合肥 230601)

災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可以有效預(yù)防、降低災(zāi)害系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)，有助于人們應(yīng)對(duì)更加多樣化的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)類型。世界各國(guó)有關(guān)政府部門已經(jīng)把災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估作為重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題，相關(guān)領(lǐng)域的研究也受到越來(lái)越多國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者的關(guān)注，并展開(kāi)了一系列的研究，取得了很大的進(jìn)展[1]。

基于災(zāi)害之間耦合相關(guān)性，將單一災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)概率結(jié)果進(jìn)行綜合疊加計(jì)算，是實(shí)現(xiàn)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的經(jīng)典方法[2-3]。而學(xué)者M(jìn)enoni S提出用災(zāi)害損失破壞鏈的概念替代簡(jiǎn)單的災(zāi)害耦合關(guān)聯(lián)損失觀念[4]，Burkholder等人也提出實(shí)際災(zāi)害受自然物理系統(tǒng)內(nèi)部作用，并與人類社會(huì)相互影響，認(rèn)為不存在純粹的單一災(zāi)害，進(jìn)一步指出不斷的演化擴(kuò)散是現(xiàn)實(shí)災(zāi)害具有的重要特征[5]。隨著針對(duì)災(zāi)害鏈?zhǔn)揭?guī)律進(jìn)行不斷深入的探討，以及針對(duì)不同類型鏈?zhǔn)教卣鳂?gòu)建理論模型，從而形成了較為系統(tǒng)的災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚摷皯?yīng)用體系[6-7]。近些年，災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚撛跒?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面應(yīng)用較多，包括特大地震災(zāi)害鏈風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[8]、基于災(zāi)害鏈城市多災(zāi)種綜合防災(zāi)預(yù)警[9]以及區(qū)域?yàn)?zāi)害鏈風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等[10]。上述這些研究進(jìn)一步豐富了災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚摵蛻?yīng)用，但這些評(píng)估主要傾向于定性研究。

在災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估方面，模糊層次分析法已成為有效的評(píng)估方法[11]。Yan等根據(jù)道路塌陷災(zāi)害的形成機(jī)理和主要影響因素，采用多層次模糊綜合評(píng)價(jià)法，建立了道路塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型[12]。孫艷麗等采用層次分析法，結(jié)合TOPSIS法提出了煤礦突發(fā)事件應(yīng)急能力的評(píng)價(jià)模型[13]。另外，模糊層次分析法也在特定區(qū)域地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[14]，危險(xiǎn)化學(xué)品風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[15]，特定區(qū)域水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[16]等方面有很好的應(yīng)用。然而，層次分析法在各層級(jí)指標(biāo)權(quán)重選取上更多依賴專家人工的主觀評(píng)分，多個(gè)專家的評(píng)分可能存在較大差異，對(duì)后續(xù)的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估帶來(lái)困擾。

基于以上分析，本文采用災(zāi)害鏈理論和模糊層次分析法相結(jié)合的方法，基于事件鏈和統(tǒng)計(jì)概率的災(zāi)害鏈模型可以針對(duì)災(zāi)害鏈各層級(jí)的災(zāi)害因素進(jìn)行定量分析，從而盡量避免層次分析法中權(quán)重選取的主觀性，以此進(jìn)行災(zāi)害環(huán)境下安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)的研究，為災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供一種思路和技術(shù)手段，也為相關(guān)研究提供參考借鑒。

1 基本原理

從災(zāi)害中的致災(zāi)因子與情景分析為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)災(zāi)害事件作用進(jìn)行解析，基于災(zāi)害事件鏈理論，形成事件表和災(zāi)害傳遞鏈條，根據(jù)災(zāi)害鏈中相關(guān)事件的因果關(guān)系確定災(zāi)害因素層次劃分，結(jié)合事件概率和模糊層次分析，得到各層災(zāi)害因素權(quán)重和模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣，進(jìn)而計(jì)算得到災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)?；驹砣鐖D1所示。

圖1 基本原理框圖

2 災(zāi)害事件鏈構(gòu)建

2.1 災(zāi)害事件作用過(guò)程解析

根據(jù)災(zāi)害鏈理論，突發(fā)事件的發(fā)生發(fā)展以及衍生次生事件鏈的產(chǎn)生是多種自然物理因素與人類社會(huì)因素相互作用的結(jié)果。同時(shí)，現(xiàn)有災(zāi)害理論認(rèn)為災(zāi)害是地球表層孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子和承災(zāi)體三者之間相互作用的綜合產(chǎn)物。因此，災(zāi)害事件的發(fā)生、發(fā)展和演變具有顯著的時(shí)域特征，該過(guò)程取決于事件的內(nèi)在作用機(jī)理。從承災(zāi)體的完好度、事件的作用強(qiáng)度和承災(zāi)體的恢復(fù)力三個(gè)方面，在承災(zāi)體對(duì)不同作用形式響應(yīng)特性的基礎(chǔ)上，建立起相關(guān)事件作用過(guò)程的分析模型，如圖2所示。

圖2 災(zāi)害事件作用過(guò)程的分析模型

上述模型通過(guò)針對(duì)災(zāi)害事件作用過(guò)程的建模，充分考慮到各類事件的共性特征，提供了一種統(tǒng)一的分析技術(shù)。基于技術(shù)能夠體現(xiàn)各類災(zāi)害場(chǎng)景中承災(zāi)體的響應(yīng)特性，從而將作為本項(xiàng)目中進(jìn)行災(zāi)害機(jī)理分析和推演的重要基礎(chǔ)。

世界中的各種客觀事物都是可細(xì)分的，所以非常規(guī)突發(fā)事件中的致災(zāi)因子、承災(zāi)體與孕災(zāi)環(huán)境也是可分的。對(duì)于承災(zāi)體，由于事件發(fā)生時(shí)人們的關(guān)注點(diǎn)不同，承災(zāi)體的選擇會(huì)有所不同。例如，當(dāng)?shù)卣鹗录l(fā)生時(shí)，將城市作為承災(zāi)體；當(dāng)關(guān)注于城市內(nèi)的破壞情況時(shí)，將各工廠、學(xué)校、社區(qū)分別作為承災(zāi)體；當(dāng)關(guān)注于石油化工廠受到的破壞情況時(shí)，將儲(chǔ)罐、管道、生產(chǎn)設(shè)施分別作為承災(zāi)體；當(dāng)關(guān)注地震后傳染病的流行情況時(shí)，將人群作為承災(zāi)體。由此可以看出，承災(zāi)體具有可分性、層次性的特點(diǎn)。

根據(jù)系統(tǒng)工程的特點(diǎn)，可將承災(zāi)體看作一個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)具有可分解性。即任意承災(zāi)體皆可分解為不同的子承災(zāi)體，子承災(zāi)體又可繼續(xù)分解為不同的次一級(jí)子承災(zāi)體，如此可進(jìn)行多級(jí)分解，直到組成承災(zāi)體的最小單元為止。

2.2 災(zāi)害事件鏈

災(zāi)害事件，尤其是嚴(yán)重事件，其在發(fā)生過(guò)程中往往誘發(fā)多個(gè)或多級(jí)次生衍生事件，因而普遍具有鏈?zhǔn)叫?yīng)規(guī)律。基于前述分析框架對(duì)事件對(duì)象的轉(zhuǎn)化特征進(jìn)行了分析，建立起災(zāi)害鏈結(jié)構(gòu)分析和演化推理框架。

重大災(zāi)害場(chǎng)景由存在偶合、次生、衍生和異變等關(guān)系的災(zāi)害事件組成，各事件在作用形式的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)化演變形成災(zāi)害鏈。相關(guān)場(chǎng)景、事件均基于致災(zāi)體、承災(zāi)體、孕災(zāi)體和作用形式四個(gè)要素進(jìn)行分析，同時(shí)展示出災(zāi)害鏈的演化機(jī)理，構(gòu)成開(kāi)展災(zāi)害情景推演的基礎(chǔ)。

以上對(duì)災(zāi)害鏈模型進(jìn)行了描述與定性的分析。下面通過(guò)概率分析方法對(duì)災(zāi)害事件鏈中各災(zāi)害要素間的依賴關(guān)系進(jìn)行分析，特別是對(duì)致災(zāi)因素之間傳遞關(guān)系進(jìn)行解析，進(jìn)而對(duì)災(zāi)害鏈模型進(jìn)行定量分析與構(gòu)建[17]。首先，將災(zāi)害鏈模型中經(jīng)作用過(guò)程解析后的各個(gè)災(zāi)害要素所對(duì)應(yīng)關(guān)系節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編碼，用pdij表示；其次，將災(zāi)害鏈模型中各個(gè)災(zāi)害要素及各節(jié)點(diǎn)間的作用關(guān)系用plij表示；最后，根據(jù)災(zāi)害鏈模型中致災(zāi)環(huán)、激發(fā)環(huán)和損害環(huán)三者之間的層次關(guān)系，得到編碼后的災(zāi)害鏈模型如圖3所示。

圖3 概率編碼災(zāi)害鏈

從概率分析理論角度來(lái)看，圖3中所示編碼pdij表示災(zāi)害鏈中各災(zāi)害要素所對(duì)應(yīng)的事件節(jié)點(diǎn)所發(fā)生的概率，plij編碼表示災(zāi)害鏈中各災(zāi)害要素所對(duì)應(yīng)事件節(jié)點(diǎn)之間聯(lián)系關(guān)系的條件概率，從而可得到災(zāi)害鏈中每層災(zāi)害要素及關(guān)系節(jié)點(diǎn)發(fā)生概率的計(jì)算公式為

pd(i+1,j)=1-∏(1-pd(i,j)×pl(i,j))

(1)

式中：pd(i+1,j)為災(zāi)害鏈中當(dāng)前層次各災(zāi)害要素所對(duì)應(yīng)事件節(jié)點(diǎn)發(fā)生的概率；pd(i,j)為與該災(zāi)害要素所對(duì)應(yīng)事件節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的上一層次災(zāi)害要素所對(duì)應(yīng)事件節(jié)點(diǎn)發(fā)生的概率；pl(i,j)為上一層次各災(zāi)害要素事件節(jié)點(diǎn)發(fā)生情況下當(dāng)前層次災(zāi)害要素事件節(jié)點(diǎn)發(fā)生的條件概率。

3 模糊層次分析

3.1 災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)層次劃分與權(quán)重分配

針對(duì)上述災(zāi)害事件鏈中每個(gè)災(zāi)害要素事件節(jié)點(diǎn)，按照其所在災(zāi)害鏈中的層次進(jìn)行劃分。把災(zāi)害鏈中所有災(zāi)害因素節(jié)點(diǎn)整理成如下集合

U={u1,u2,u3,…,un}

其中：n為災(zāi)害鏈中所有災(zāi)害因素節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，由具體的評(píng)估需求和場(chǎng)景決定。

根據(jù)災(zāi)害鏈中災(zāi)害因素節(jié)點(diǎn)所在層次，把災(zāi)害因素分為多個(gè)層次。

每層災(zāi)害因素集為：Ui={ui1,ui2,…,uij}

其中：1≤i≤m，m為總層數(shù)，j為每層災(zāi)害因素集元素個(gè)數(shù)。

根據(jù)每個(gè)災(zāi)害因素節(jié)點(diǎn)的發(fā)生概率大小，應(yīng)用層次分析法來(lái)確定各層次因素集的權(quán)重分配集。通過(guò)比較災(zāi)害因素節(jié)點(diǎn)發(fā)生概率，確定指標(biāo)間的兩兩重要程度，采用1～9標(biāo)度法得到各層次因素集的權(quán)重矩陣Ai(i=1，2，...，q)，其中q為各層次災(zāi)害因素集總數(shù)目。

3.2 評(píng)價(jià)集確定和模糊評(píng)判矩陣構(gòu)建

評(píng)價(jià)集是對(duì)災(zāi)害鏈中各層次災(zāi)害因素評(píng)價(jià)指標(biāo)的一種定性化表式。在實(shí)際操作中，其是根據(jù)災(zāi)害區(qū)域?qū)嶋H情況和專家意見(jiàn)對(duì)各層次災(zāi)害因素指標(biāo)所給出的評(píng)價(jià)的集合。記為

V={v1,v2,v3,…,vp}

模糊綜合評(píng)價(jià)是一種十分有效的多因素綜合決策方法，其特征是評(píng)價(jià)結(jié)果不是絕對(duì)的肯定或否定，而是以一個(gè)模糊集合來(lái)表示，從而可以對(duì)多種因素影響的事件做出全面綜合評(píng)價(jià)。模糊評(píng)判矩陣是模糊綜合評(píng)價(jià)方法的核心概念，其本質(zhì)是災(zāi)害因素集U到風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)集V的一個(gè)模糊映射。在進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)之前需要確定模糊評(píng)判矩陣，通常可以采用單因素模糊評(píng)價(jià)、隸屬度函數(shù)等方法進(jìn)行確定。其中隸屬度函數(shù)屬于模糊評(píng)價(jià)函數(shù)中的概念，隸屬度取值區(qū)間為[0,1]，當(dāng)某個(gè)隸屬度rij取值越接近于1，表示災(zāi)害因素ui對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)vj的隸屬程度越高。以災(zāi)害鏈中第i層級(jí)為例，假設(shè)此層級(jí)災(zāi)害因素集元素個(gè)數(shù)為j，請(qǐng)若干專家對(duì)各災(zāi)害因素分別就上述評(píng)價(jià)集中的p個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)通過(guò)投票進(jìn)行評(píng)價(jià)，即可得到評(píng)價(jià)矩陣Ri，記為

3.3 模糊綜合評(píng)判

根據(jù)模糊層次分析法計(jì)算流程，應(yīng)用線性加權(quán)平均模糊綜合評(píng)判模型求出最低層次所有災(zāi)害因素集的綜合評(píng)價(jià)向量Bim，計(jì)算方法如下

Bim=wim·Rim

(2)

其中：1≤i≤q，q為最低層次災(zāi)害因素集個(gè)數(shù)，wim為最低層次第i個(gè)災(zāi)害因素集的權(quán)重矩陣Aim的最大特征向量，Rim為上述模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣。

在此基礎(chǔ)上得到上一層次的災(zāi)害因素集的模糊評(píng)價(jià)矩陣Bm-1=(B1m,B2m,…,Bqm)T，結(jié)合上一層次災(zāi)害因素集權(quán)重矩陣Am-1的最大特征向量wm-1求得再上一個(gè)層級(jí)模糊評(píng)價(jià)矩陣Bm-2，按照此計(jì)算流程通過(guò)不斷迭代計(jì)算，最后得到最高層次災(zāi)害因素評(píng)價(jià)向量B={b1,b2,…,bp}，也就是模糊綜合評(píng)價(jià)向量，其中最大元素值bj所對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)集中第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)vj即是最終的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)。

4 實(shí)例分析

4.1 災(zāi)害鏈構(gòu)建

地震作為破壞性較大的自然災(zāi)害，其會(huì)引發(fā)一系列次生、衍生事件，如滑坡、建筑物坍塌、?；沸孤⒌孛嫠?、管網(wǎng)破損等。所以，地震作用于承災(zāi)體屬于一對(duì)多復(fù)雜事件。當(dāng)承災(zāi)體為地下管網(wǎng)、發(fā)電廠與道路設(shè)施時(shí)，可能會(huì)引地下管網(wǎng)受損、電力中斷和交通癱瘓等次生衍生事件。根據(jù)災(zāi)害鏈理論模型，得出用于本文討論的具有三層等級(jí)地震災(zāi)害鏈，如圖4所示。本文以此為例來(lái)說(shuō)明與驗(yàn)證前面提出的計(jì)算模型，對(duì)于地震引發(fā)的其他事件以及更深層次災(zāi)害鏈也適用于本文上述計(jì)算方法，這里不進(jìn)行分析與探討。

圖4 三層級(jí)地震災(zāi)害鏈

在對(duì)危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估時(shí)，釆用6級(jí)以上地震次數(shù)占總地震次數(shù)的百分比來(lái)表示某一地區(qū)的地震危險(xiǎn)性。根據(jù)文獻(xiàn)[18]中的數(shù)據(jù)，以江西省為例，6級(jí)以上地震發(fā)生為10%，即認(rèn)為發(fā)生地震概率pd11為0.1，同時(shí)評(píng)估災(zāi)害鏈中每條災(zāi)害傳遞概率，如表1所示。根據(jù)災(zāi)害鏈計(jì)算模型，可計(jì)算得到每層次災(zāi)害因素節(jié)點(diǎn)概率，如表2所示。

表1 災(zāi)害傳遞概率

表2 災(zāi)害因素節(jié)點(diǎn)概率

4.2 災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)因素集權(quán)重矩陣

由pd21、pd22和pd23進(jìn)行兩兩比較分析，根據(jù)數(shù)值比例關(guān)系確定因素間重要關(guān)系，根據(jù)采用1～9標(biāo)度法得到地震災(zāi)害一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素集的權(quán)重矩陣A11如下所示。

計(jì)算可得A11最大特征值和特征向量為λ11=3.03，w11={0.50, 0.15, 0.85}。

同理，由pd31、pd32和pd33得到地下管網(wǎng)地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)因素集的權(quán)重矩陣A21，由pd34、pd35和pd36得到發(fā)電廠地震災(zāi)害因素集權(quán)重矩陣A22，由pd37和pd38得到路設(shè)施地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)因素集權(quán)重矩陣和A23。

計(jì)算A21、A22和A23最大特征值和特征向量分別為

λ21=3.14，w21={0.27, 0.56, 0.78}，

λ22=3.0，w22={0.96, 0.19, 0.19}，

λ23=2.0，w23={0.994, 0.11}。

4.3 模糊綜合評(píng)價(jià)

本例中對(duì)地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為四個(gè)等級(jí)，即V={低，較低，中，高}。

本例側(cè)重對(duì)本文災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)計(jì)算模型進(jìn)行重點(diǎn)說(shuō)明和討論，為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，在單因素模糊評(píng)價(jià)矩陣方面，依據(jù)當(dāng)?shù)噩F(xiàn)場(chǎng)情況和專家經(jīng)驗(yàn)，采用定性評(píng)價(jià)方式對(duì)單因素模糊評(píng)價(jià)矩陣進(jìn)行確定，得到地下管網(wǎng)、發(fā)電廠和道路設(shè)施等地震災(zāi)害因素集的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)模糊評(píng)價(jià)矩陣。

由w21與R21各列進(jìn)行點(diǎn)積計(jì)算可得地下管網(wǎng)地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)模糊評(píng)價(jià)向量B21，如下所示。

B21=w21·R21= {0.19, 0.49, 0.61, 0.31}

同理，可得B22={0.29, 0.31, 0.63, 0.12}，B23={0.45, 0.42, 0.12, 0.11}。

由向量B21、B22和B23組成地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)綜合模糊評(píng)價(jià)矩陣B11，由w11與B11各列作點(diǎn)積運(yùn)算可得地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)向量B={0.52, 0.65, 0.50, 0.27}。向量B中最大元素值為0.65，其所對(duì)應(yīng)的地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“較低”。

5 結(jié)論

在承災(zāi)體對(duì)不同作用形式響應(yīng)特性的基礎(chǔ)上，建立起相關(guān)事件作用過(guò)程的所形成的災(zāi)害鏈。通過(guò)概率分析方法對(duì)災(zāi)害鏈中各災(zāi)害要素間的關(guān)系進(jìn)行定量分析。針對(duì)災(zāi)害事件鏈中每個(gè)災(zāi)害要素節(jié)點(diǎn)，按照其所在災(zāi)害鏈中的層次進(jìn)行劃分。根據(jù)災(zāi)害因素節(jié)點(diǎn)的概率數(shù)值比例關(guān)系確定因素間重要關(guān)系，構(gòu)建各層次因素集的權(quán)重矩陣，結(jié)合模糊層次分析法，可計(jì)算得到災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)向量，進(jìn)而得出最終的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)。以地震災(zāi)害為例，針對(duì)地下管網(wǎng)、發(fā)電廠與道路設(shè)施等承災(zāi)體，構(gòu)建具有三層等級(jí)地震災(zāi)害鏈，并以此為例來(lái)說(shuō)明與驗(yàn)證本文提出的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。