城市韌性社區(qū)防災(zāi)能力自主智能綜合評價

趙 淼， 曹學(xué)云

(南陽理工學(xué)院張仲景國醫(yī)國藥學(xué)院 河南 南陽 473004)

0 引言

近年來，由于我國粗放快速增長的城市化進程導(dǎo)致城市功能失效、社會組織失序和巨大生命財產(chǎn)損失等災(zāi)難性后果愈發(fā)嚴重[1]。韌性城市建設(shè)是指城市在受到外部因素干擾后，保持其主要結(jié)構(gòu)、特征、元素和關(guān)鍵功能等維持正常運作的能力。目前，作為韌性城市建設(shè)與有序發(fā)展的基本單元與有效主體，韌性社區(qū)單元防災(zāi)抗災(zāi)能力建設(shè)日益引起人們重視[2]。在當前新型城鎮(zhèn)化與城鄉(xiāng)統(tǒng)籌一體化背景下，如何科學(xué)合理評價城市韌性社區(qū)防災(zāi)承災(zāi)能力，進而保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全并維護城市韌性健康安全有序發(fā)展，具有重大戰(zhàn)略安全意義。

當前，關(guān)于城市韌性社區(qū)防災(zāi)能力綜合指標體系構(gòu)建與相關(guān)評價研究成果相對匱乏，多數(shù)韌性防災(zāi)研究集中于城市基礎(chǔ)設(shè)施工程防災(zāi)方面，對于城市韌性的社會經(jīng)濟因素考慮不全[2]。如Cutter提出基于地點型社區(qū)的災(zāi)害韌性能力評價模型，但該系統(tǒng)模型僅在理論層面對社區(qū)韌性能力進行探討[3]。Godschalk等提出城市韌性建設(shè)物質(zhì)系統(tǒng)規(guī)劃應(yīng)以人類居住的社區(qū)單元為基礎(chǔ)，充分考慮社區(qū)防災(zāi)的可持續(xù)性與有效[4]。Irenisaban則在城市社區(qū)單元基礎(chǔ)之上，從微觀社區(qū)視角下研究城市社區(qū)防災(zāi)抗災(zāi)韌性建設(shè)與實踐[5]。徐振強梳理了韌性城市指標框架體系，該體系主要包括：韌性能力指數(shù)、全球化韌性指標標準與應(yīng)對氣候變化韌性體系等[6]。韓冬松基于智慧技術(shù)對彈性社區(qū)防災(zāi)韌性建設(shè)框架進行系統(tǒng)分析，為城市社區(qū)韌性建設(shè)提供了一種新思路與模式[7]。郭祖源基于SBM模型對2006—2015年的長江城市群韌性空間布局及演化特性進行分析與評價，并提出了相應(yīng)的韌性優(yōu)化策略與管控機制[8]。針對我國部分城市社區(qū)路網(wǎng)安全性低、人口密度高及避震疏散困難等顯著城市問題，王瀅基于韌性新視角探討了城市社區(qū)公共安全防災(zāi)空間的有效途徑與模式[9]。周霞針對雄安新區(qū)規(guī)劃運營過程中面臨的復(fù)雜多災(zāi)種公共安全風(fēng)險，基于復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論，剖析了韌性社區(qū)建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)性、自適應(yīng)性與多樣性特征，整合與構(gòu)建了5類韌性資源防災(zāi)系統(tǒng)，并提出相應(yīng)的優(yōu)化手段和建設(shè)策略[10]。楊威以脆弱性理論與組織學(xué)習(xí)理論為研究基礎(chǔ)，采用專家訪談法與經(jīng)驗分析法構(gòu)建了18項社區(qū)柔性評估指標體系，利用AHP法對大連新老式社區(qū)的勝利社區(qū)和黃河社區(qū)進行合理評價[11]。孫陽基于生活生態(tài)視角，采用GIS空間疊加功能手段選取了包括生態(tài)環(huán)境、基礎(chǔ)設(shè)施等4個層次的評價指標，對多個地級城市進行韌性實證建模分析，為不同時空尺度的韌性城市評價提供了科學(xué)借鑒[12]。

綜上所述，這些研究成果對于城市韌性理論建設(shè)與發(fā)展起到了有效促進和科學(xué)引導(dǎo)。鑒于此，為了進一步豐富和拓展韌性城市評價理論與研究成果。本文構(gòu)建了綜合集成韌性社區(qū)防災(zāi)系統(tǒng)的人、物和社會經(jīng)濟多因素指標評價體系，以“公平競爭、民主評價”為基礎(chǔ)思想[13]，充分考慮各防災(zāi)社區(qū)與待評指標的“自身意見”及其相應(yīng)的“自身優(yōu)勢”，將城市韌性社區(qū)平等對待為具有一定自主性的“多智能體”，并基于自主智能綜合評價理論和混合蛙跳算法仿真思路，提出了城市韌性社區(qū)防災(zāi)能力自主智能評價方法，通過算例仿真驗證了自主智能綜合評價方法的科學(xué)性與有效性，可為城市韌性建設(shè)與評價提供相關(guān)借鑒思路與依據(jù)。

1 韌性社區(qū)防災(zāi)能力評價指標量化與選取

韌性社區(qū)防災(zāi)能力實踐過程，是人、物和社會經(jīng)濟系統(tǒng)相關(guān)作用與耦合影響的過程。目前對城市韌性社區(qū)防災(zāi)能力的評價研究主要是針對安全社區(qū)及綜合防災(zāi)減災(zāi)社區(qū)等方面，對于韌性社區(qū)方面的評價指標體系還不夠完善。本文針對我國安全社區(qū)與綜合防災(zāi)減災(zāi)社區(qū)實踐經(jīng)驗及相關(guān)的行業(yè)標準規(guī)范，綜合考慮韌性社區(qū)防災(zāi)空間特性、應(yīng)急保障設(shè)施特性、應(yīng)急疏散救援特性與社區(qū)防災(zāi)抗災(zāi)智能化等影響因素的量化標準與選取原則。從韌性社區(qū)的冗余度、穩(wěn)定性、適應(yīng)性與效率性等4個維度盡量涵蓋影響韌性社區(qū)防災(zāi)能力的所有因素，構(gòu)成了城市韌性社區(qū)防災(zāi)能力評價指標體系[2](如圖1)。社區(qū)防災(zāi)空間穩(wěn)定性、社區(qū)應(yīng)急保障服務(wù)設(shè)施冗余度、社區(qū)應(yīng)急疏散效率性與社區(qū)自治組織災(zāi)害適應(yīng)能力等評價指標的具體量化解釋詳見文獻[2]。

2 韌性社區(qū)防災(zāi)能力自主智能評價實現(xiàn)

2.1 確定位置權(quán)重與相應(yīng)的評價值向量

令城市韌性防災(zāi)社區(qū)評價單位為Oi(i=1,2,3,…,n)，其防災(zāi)能力評價指標為xj(j=1,2,3,…,m)，則韌性防災(zāi)社區(qū)的評價指標矩陣可記為X。鑒于各社區(qū)單元自身的競爭視野優(yōu)化分析，針對待評指標xj(j=1,2,3,…,m)，其所對應(yīng)的評價主體Oi(i∈N)相對于評價單元ol的競爭強度[13]如下

(1)

(2)

(3)

圖1 城市韌性社區(qū)防災(zāi)能力評價指標體系

(4)

(5)

(6)

根據(jù)二維等比IOWA算子思想[13]，可由下列規(guī)劃模型計算求解評價指標的位置加權(quán)向量

(7)

2.2 利用SFLA求解最優(yōu)評價值

針對上述規(guī)劃模型求解問題，利用SFLA對其優(yōu)化計算，SFLA優(yōu)化流程步驟如下[14]。

步驟1：初始化種群及參數(shù)化賦值，隨機選取蛙體F=200、子群數(shù)目K=20、子群蛙體數(shù)N=10、族內(nèi)更新T1=20，混合迭代T2=1000；

步驟2：計算青蛙的適應(yīng)度函數(shù)值及降序分組；

步驟3：求解最優(yōu)個體Xg與最差個體Xb，尋找群體最優(yōu)個體Xall；

步驟4：對更新后的子群進行混合，并取代原來群體；

步驟5：判斷T2數(shù)值是否為1000。若滿足，結(jié)束迭代，輸出各社區(qū)評價指標的位置加權(quán)向量與評價值向量；否則轉(zhuǎn)向步驟2重新計算。

(8)

3 算例仿真

城市韌性社區(qū)防災(zāi)評價過程是集成多因素耦合影響的復(fù)雜過程。為了驗證本文所提評價方法的有效性及可行性，結(jié)合南陽市2014年統(tǒng)計年鑒、南陽市抗震防災(zāi)規(guī)劃《2015—2020》以及規(guī)劃基礎(chǔ)資料匯編，以南陽市三級防災(zāi)分區(qū)的LHS社區(qū)、XMQ社區(qū)、CFCA社區(qū)、FSU社區(qū)與FNYA社區(qū)為研究目標與評價對象，結(jié)合選取圖1指標體系中社區(qū)防災(zāi)空間穩(wěn)定性x1、工程設(shè)施穩(wěn)定性x2、次生災(zāi)害穩(wěn)定性x3、應(yīng)急保障設(shè)施冗余度x4、應(yīng)急服務(wù)設(shè)施冗余度x5、應(yīng)急疏散效率性x6、應(yīng)急救援效率性x7、自治組織災(zāi)害適應(yīng)能力x8、居民災(zāi)害適應(yīng)能力x9、防災(zāi)抗災(zāi)資金投入x10與防災(zāi)抗災(zāi)智能化程度x11作為評價指標量化實測數(shù)據(jù)值(見表1)，并按照本文評價方法的仿真步驟進行求解，據(jù)此對待評社區(qū)的防災(zāi)能力進行有效評估。

表1 韌性社區(qū)評價指標量化數(shù)據(jù)

基于上述仿真分析和SFLA優(yōu)化算法流程，首先基于表1中的量化數(shù)據(jù)和公式(2)至(4)來求解5個韌性社區(qū)防災(zāi)能力評價指標的優(yōu)先順序及相應(yīng)的絕對優(yōu)勢度與相對優(yōu)勢度(如表2)。

表2 評價指標的優(yōu)先順序及其優(yōu)勢度

其次，依據(jù)表2中各韌性社區(qū)防災(zāi)能力評價指標優(yōu)勢度大小與公式(5)至公式(7)，利用SFLA對其優(yōu)化求解，進而得到5個韌性社區(qū)位置加權(quán)向量、評價向量值與由評價值構(gòu)成的評價矩陣Y(如表3)。

然后，依據(jù)公式(8)求解得到實對稱矩陣YYT的最大特征根λmax=4.6411，進而可確定各評價對象最優(yōu)綜合評價值向量y*

y*=(0.3172,0.5768,0.3588,0.4686,0.4674)T

由表4可知，當各待評對象的自身為評價主體時，其給出相應(yīng)的自身評價值最大，這也進一步體現(xiàn)了自主智能綜合評價過程中，各待評主體會盡量提高自身競爭優(yōu)勢進而弱化對手的特征。

表3 各評價對象的位置加權(quán)向量

表4 各評價對象的評價值向量和最優(yōu)綜合評價值

表5 3種評價結(jié)果對比驗證

由此，通過表4中最優(yōu)綜合評價值大小，可知5個韌性社區(qū)防災(zāi)能力評價排序為：o2?o4?o5?o3?o1。為了驗證本文評價方法的有效性與科學(xué)性，將本文評價結(jié)果與文獻[15]和文獻[16]的評價結(jié)果進行對比驗證，見表5。

通過上述評價結(jié)果對比驗證表明：3種評價方法關(guān)于韌性社區(qū)防災(zāi)能力排序基本一致。其中，文獻[16]與本文評價值排序略有不同，主要體現(xiàn)在XMQ社區(qū)和FSU社區(qū)防災(zāi)能力排序互換，但兩者評價值比較接近，防災(zāi)抗災(zāi)能力基本相同，其余3個韌性社區(qū)LHS社區(qū)、CFCA社區(qū)與FNYA社區(qū)排序結(jié)果完全一致，也進一步說明了本文所提的城市韌性社區(qū)防災(zāi)能力自主智能綜合評價方法是合理的。

4 結(jié)語

(1)以社區(qū)防災(zāi)空間穩(wěn)定性、社區(qū)工程設(shè)施穩(wěn)定性、社區(qū)次生災(zāi)害穩(wěn)定性、社區(qū)應(yīng)急保障設(shè)施冗余度、社區(qū)應(yīng)急服務(wù)設(shè)施冗余度與社區(qū)應(yīng)急疏散效率性等11項評價指標構(gòu)成了城市韌性社區(qū)防災(zāi)能力評價體系，基于城市韌性社區(qū)防災(zāi)能力自主智能綜合評價方法，并利用混合蛙跳算法來優(yōu)化求解個評價單元的位置加權(quán)向量及最優(yōu)評價向量，豐富完善了城市韌性社區(qū)防災(zāi)能力評價方法與理論。

(2)自主智能綜合評價方法能夠?qū)⒏黜g性社區(qū)待評對象視為“多智能體”，全面系統(tǒng)考慮各評價指標的信息屬性，確定評價單元的評價值差異較為明顯，而混合蛙跳算法結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)較少，易于實現(xiàn)，穩(wěn)定性好，實用性較強，評價結(jié)果可為城市綜合防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃實踐及建設(shè)韌性安全城市提供相關(guān)借鑒。