基于神經(jīng)網(wǎng)絡綜合建模的城市韌性測度研究

周振宏，胡 琦，朱慶山，周 敏，王繪繪，劉東義，湯偉宏

(安徽農(nóng)業(yè)大學 林學與園林學院，安徽 合肥 230036)

近年來，暴雨、干旱等自然災害的外部干擾，環(huán)境污染、交通擁堵等“城市病”的內(nèi)部侵害，使得城市安全受到多方因素的擾動與沖擊，而韌性被認為是“系統(tǒng)在吸收干擾的同時保持相同的結(jié)構(gòu)和功能、自我組織并適應壓力和變化的能力”[1-2]，建設韌性城市成為促進城市健康、有序發(fā)展的重要途徑之一。為了測定城市發(fā)展韌性，國內(nèi)外學者對此進行了大量的相關(guān)研究，對城市安全問題的防治有著至關(guān)重要的意義。

目前，關(guān)于城市發(fā)展韌性的研究區(qū)域主要集中在資源型城市、沿海城市等特殊城市，缺乏對非典型地區(qū)及區(qū)域城市群的研究，評價方法主要采用傳統(tǒng)的統(tǒng)計方法，如主成分分析法[3]、AHP層次分析法、逼近理想解排序法等，對城市韌性水平缺乏科學客觀的具有普遍適用性的評價方法。國外的相關(guān)研究也正處于快速發(fā)展的階段，如HOLLING[4]首次提出“適應性循環(huán)”理論，對社會-生態(tài)系統(tǒng)遭受不確定的外部擾動時的韌性演化進行描述；MICHEL等[5]開創(chuàng)性地構(gòu)建了定量的城市韌性分析模型，計算了基礎設施工程韌性，并從迅速性和堅固性兩個方面進行分析；CUTTER等[6]首次提出了社會韌性的定量標準，建立了基于社區(qū)視角的DROP模型。而國內(nèi)學者則更多地進行城市韌性的實證研究，如李亞等[7]從6個方面構(gòu)建了城市受災韌性評價指標，并對全國的地級市災害韌性進行了評估；白立敏等[8]將城市分為經(jīng)濟、社會、生態(tài)、基礎設施4個子系統(tǒng)，構(gòu)建了我國地級以上城市韌性綜合測度指標體系，并從時空角度進行探討和分析；李亞等[9]從不同區(qū)域尺度對我國基礎設施、生態(tài)、城市韌性3個方面進行了韌性發(fā)展時序研究；彭翀等[10]等從網(wǎng)絡視角出發(fā)，對長江中游城市群城市網(wǎng)絡韌性進行定量化評估；王麗華等[11]應用FCM 聚類算法對長江中下游地區(qū)的20個城市進行等級劃分，并對不同等級城市的空間形態(tài)特征進行分析；黃弘等[12]對構(gòu)建安全韌性城市的若干問題進行了探討，并提出了相應的改進建議。同時，BP神經(jīng)網(wǎng)絡的應用對城市安全領(lǐng)域的研究也有著一定的影響，如張庚鑫[13]從作用機制和趨勢分析等角度探討了BP神經(jīng)網(wǎng)絡在城市韌性評估中的應用；李葛等[14]建立基于PSR層次分析模型-BP神經(jīng)網(wǎng)絡的城市安全評價模型，分析了綜合評價結(jié)果與各指標因素之間的非線性關(guān)系；范峻愷等[15]采用熵權(quán)法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡綜合建模方法，對滇中城市群10年的城市脆弱性進行了綜合評價。

城市作為一個綜合的、動態(tài)演化的復雜巨系統(tǒng)，在面臨不確定因素擾動時，城市韌性水平往往有著不同程度上的波動。為客觀有效地評價城市群的韌性水平，筆者從設施系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)、社會系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)4個方面構(gòu)建了城市韌性綜合評價體系。以合肥都市圈為研究區(qū)域，選取了該城市群2010—2019年20項指標的1 600個數(shù)據(jù)，通過熵值法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型確定合肥都市圈中各個城市的韌性指數(shù)與城市韌性等級分類，并從空間的角度對比相同時間段各個城市的韌性發(fā)展演進過程，提出相應的強韌建議。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

合肥都市圈位于安徽省，是長三角城市群五大都市圈之一，由8個城市單元組成，即合肥市、淮南市、六安市、滁州市、蕪湖市、馬鞍山市、桐城市和蚌埠市，國土面積占安徽省的40.6%，人口占安徽省的43.2%，至2020年末，GDP總值24 499.94億元，占安徽省的63.3%，財政收入3 179.43億元，占安徽省的55.9%，其作為安徽省發(fā)展核心增長極的作用進一步彰顯。目前，合肥都市圈總?cè)丝诩s為1 500萬人，其中城鎮(zhèn)人口約為1 300萬人，城鎮(zhèn)化水平已達到80%。

2020年，面對突如其來的新冠肺炎疫情、歷史罕見的洪澇災害和復雜嚴峻的內(nèi)外部環(huán)境，安徽省各市的安全環(huán)境都受到了嚴重沖擊，城市韌性建設刻不容緩。近年來，在合肥都市圈各單元城市高速發(fā)展的同時，環(huán)境問題頻發(fā)，城市病越發(fā)嚴重。2019年都市圈核心城市合肥市常住外來人口達158萬人，人口組成復雜，密度較大，可利用土地少，住房分布過于密集，出現(xiàn)見縫插針式建設、交通擁擠等問題，使得合肥都市圈城市結(jié)構(gòu)更復雜，生態(tài)環(huán)境更脆弱，加之各種人因事故，不僅加重了城市的負擔，制約了經(jīng)濟的發(fā)展，還嚴重威脅著城市居民生命財產(chǎn)的安全，城市韌性建設需要更多的關(guān)注。

1.2 樣本數(shù)據(jù)來源及處理

考慮數(shù)據(jù)的可獲得性和連續(xù)性，選取2010—2019年合肥都市圈的相關(guān)數(shù)據(jù)進行實證分析。數(shù)據(jù)主要來源于2010—2019年合肥、蕪湖、馬鞍山、六安、滁州、蚌埠、淮南、桐城各市的統(tǒng)計年鑒、《安徽統(tǒng)計年鑒》、《中國統(tǒng)計年鑒》、《中國區(qū)域經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒》、各地區(qū)發(fā)展公報及相關(guān)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，其中個別缺失數(shù)據(jù)采用回歸分析法預測補齊或者采用樣條插值、分段插值進行賦值。

2 研究方法

從城市群的視角出發(fā)，將城市分為設施、經(jīng)濟、社會和環(huán)境4個子系統(tǒng)，確定了城市群的主導影響因素及其代表性指標，建立了三級指標體系；采用熵值法確定各指標的權(quán)重和各城市指標值本身的差異特征(信息熵)，以4個系統(tǒng)的指標數(shù)據(jù)為輸入層，以城市韌性指數(shù)為輸出層，構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡綜合評價模型。

2.1 指標選取和評價體系構(gòu)建

科學的指標體系是準確評價城市韌性的基礎，不同領(lǐng)域的學者已根據(jù)各自研究的側(cè)重點，從多個角度建立了不同的指標體系[16]。筆者參照已有的研究內(nèi)容，選擇了設施、經(jīng)濟、社會、環(huán)境4個方面作為城市韌性評價子系統(tǒng)，以科學性和可操作性為原則，共選取了20個三級指標，構(gòu)建合肥都市圈城市韌性評價指標體系，如表1所示。其中，除萬元GDP能耗、城鎮(zhèn)登記失業(yè)率、4歲以下與64 歲以上人口比重、城市人均用水量、工業(yè)廢氣排放總量為負向指標外，其余指標均為正向指標。

表1 合肥都市圈城市韌性評價指標體系

2.2 熵值法計算原理

應用熵值法對合肥都市圈8個城市組團的韌性指標進行評價。熵值法是物理學中熱力學熵的方法在社會系統(tǒng)研究中的應用，根據(jù)熵的特殊性質(zhì)計算熵值來確定一個指標的離散度，指標的離散度越大，對綜合評價的影響就越大[17]，這是一種客觀、科學的權(quán)重確定方法。

(1)正向指標和負向指標的歸一化計算公式分別如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

(2)計算第j項指標下第i個城市占該指標的比例：

(3)

(3)計算第j項指標的熵值：

(4)

(4)計算第j項指標的信息熵冗余度：

dj=1-ej

(5)

(5)計算各項指標的權(quán)重：

(6)

2.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型

BP神經(jīng)網(wǎng)絡是目前應用最廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡模型之一[18]。它是一種多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡，將信號向前傳播，將誤差向后傳播，經(jīng)過反復循環(huán)后，通過信號的正逆向傳播調(diào)節(jié)誤差信息，從而在誤差范圍內(nèi)獲得最佳結(jié)果。筆者選取的BP神經(jīng)網(wǎng)絡由輸入層、隱含層和輸出層3個神經(jīng)元層次組成，以設施、經(jīng)濟、社會、環(huán)境4個系統(tǒng)的20個指標作為輸入層數(shù)據(jù)，將城市韌性等級指數(shù)作為輸出層，采用Matlab R2018b軟件工具箱中的函數(shù)編程求解，盡量降低計算過程中產(chǎn)生的人為計算誤差。經(jīng)過反復的學習和優(yōu)化，找出各項指標與城市韌性水平之間的內(nèi)在聯(lián)系，經(jīng)過多次訓練后，運用該模型對合肥都市圈城市韌性水平進行綜合評價。

目前，區(qū)域城市韌性綜合評價指標尚不能確定其最優(yōu)范圍，也沒有固定的評價標準。因此，筆者采用自然斷裂點的分類方法設定影響等級區(qū)間[19]，將城市韌性水平劃分為Ⅰ～Ⅴ5個等級，然后代入熵值法得到各項指標的權(quán)重，構(gòu)成BP神經(jīng)網(wǎng)絡的評價結(jié)構(gòu)體系。

構(gòu)建拓撲結(jié)構(gòu)為20×4×1的BP神經(jīng)網(wǎng)絡，如圖1所示，即輸入層節(jié)點20個，隱含層節(jié)點4個，輸出層節(jié)點1個。設置網(wǎng)絡的學習速率為0.01，最大訓練次數(shù)為1 000次，訓練目標的最小誤差為0.1×10-5，其他參數(shù)使用軟件設置的默認參數(shù)，網(wǎng)絡自動收斂時結(jié)束訓練，完成BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型的構(gòu)建。根據(jù)樣本數(shù)據(jù)中各指標的值，將歸一化后的指標數(shù)據(jù)輸入到訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡模型中，輸出的城市韌性等級指數(shù)在[0，1]之間，得到城市韌性等級評價標準,如表2所示。其中，經(jīng)過151次的訓練，誤差小于0.1×10-5，最終網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)均方誤差為0.395 334×10-3(如圖2所示)，說明神經(jīng)網(wǎng)絡訓練效果較優(yōu)。

圖1 城市韌性BP神經(jīng)網(wǎng)絡拓撲模型圖

表2 城市韌性等級BP神經(jīng)網(wǎng)絡評價標準表

圖2 BP網(wǎng)絡訓練誤差曲線

3 實例驗證與結(jié)果分析

3.1 城市韌性總體分析

通過熵值法計算得到合肥都市圈2010—2019年這10年間每一年各項指標的權(quán)重，取平均值獲得合肥都市圈發(fā)展韌性評價指標權(quán)重，同時根據(jù)樣本數(shù)據(jù)中各項指標的數(shù)值，歸一化后使用自然斷裂點法設定韌性影響等級，得到BP神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練數(shù)據(jù)集。

城市韌性評價指標體系綜合權(quán)重如表3所示，可以看出設施系統(tǒng)的權(quán)重最高，其次是社會系統(tǒng)，經(jīng)濟系統(tǒng)最低。這是因為城市設施系統(tǒng)中的指標(尤其公共設施建設用地面積、公路貨物周轉(zhuǎn)總量)變異程度較高，即不同地區(qū)、不同年份之間的指標數(shù)值差距較大，說明近10年來合肥都市圈的基礎設施建設發(fā)展最迅速，同時也表現(xiàn)出合肥都市圈各城市的基礎設施建設發(fā)展差距明顯。

表3 城市韌性評價指標體系綜合權(quán)重

合肥都市圈城市韌性水平變化趨勢如圖3所示，可知合肥都市圈2010—2019年韌性指數(shù)整體呈上升態(tài)勢，由2010年的0.357 8升至2019年的0.580 2，增長率為62.16%。其中，在2011年、2014年和2015年出現(xiàn)降低現(xiàn)象，分別為0.345 2、0.415 8、0.383 9，其余年份相對于上一年均表現(xiàn)為遞增走勢，整體呈現(xiàn)“W”型增長態(tài)勢，說明2010—2019年合肥都市圈整體城市韌性水平上升，城市韌性增強，整體處于高韌性水平。

圖3 2010—2019年合肥都市圈城市韌性水平變化趨勢

3.2 單系統(tǒng)時間序列分析

采用熵權(quán)法計算2010—2019年8個城市組團的指標權(quán)重，將歸一化指標數(shù)據(jù)輸入訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡模型，得到不同年份合肥都市圈8個城市的設施、環(huán)境、經(jīng)濟、社會系統(tǒng)的韌性指數(shù)，并繪制不同城市組團的單系統(tǒng)城市韌性水平時序圖，分別如圖4所示。

圖4 不同城市組團的單系統(tǒng)城市韌性水平時序圖

從設施系統(tǒng)來看，合肥城市群8個城市的設施韌性水平存在較大的波動。蕪湖市的城市基礎設施韌性水平波動上升，至2019年成為8個城市中韌性水平最高的城市，為0.178 7，近10年來蕪湖在發(fā)展經(jīng)濟的同時也注重基礎設施建設，在2018年新增基礎設施達到最高點。合肥市的設施系統(tǒng)韌性僅低于蕪湖市，這與近年來合肥市的基礎設施改造有關(guān)，設施韌性整體呈現(xiàn)先下降后上升趨勢。蚌埠市增長速率最快，從2010年的0.027 9上升至2019年的0.147 0，增長率為426.88%。其余各市的設施韌性水平總體上呈現(xiàn)上升態(tài)勢，但是2012年在馬鞍山市、2015年在淮南市各出現(xiàn)了一次較大波峰。

從經(jīng)濟系統(tǒng)來看，合肥都市圈8個城市的經(jīng)濟韌性水平都呈現(xiàn)上升態(tài)勢，其中蕪湖市的經(jīng)濟韌性上升幅度最大，從2010年的0.081 4上升至2019年的0.210 6?？傮w上看，2016年是經(jīng)濟韌性水平變化的轉(zhuǎn)折點，各城市都出現(xiàn)了一定程度的波峰，結(jié)合合肥都市圈的區(qū)域發(fā)展背景，可以得知各城市經(jīng)濟系統(tǒng)韌性水平的波動主要是因為2015年的地區(qū)GDP增長率下降，說明合肥都市圈各城市在2014年末的全球金融危機和2015年夏季的水災害中都受到了不同程度的影響，故呈現(xiàn)峰值式下降態(tài)勢，不過一年之后又恢復了經(jīng)濟高速發(fā)展狀態(tài)，直到2019年各城市的經(jīng)濟發(fā)展進入新階段，同時經(jīng)濟韌性水平均為歷史最高。

從社會系統(tǒng)來看，合肥都市圈8個城市的社會韌性都呈現(xiàn)出明顯的分異特征。其中淮南、桐城、蚌埠整體呈現(xiàn)平緩上升，合肥、馬鞍山、蕪湖、六安、滁州都有小幅度的降低。桐城市整體水平高于其他城市組團，在2013年六安市、滁州市、蚌埠市出現(xiàn)了急劇的增長，而在第二年又呈現(xiàn)下降態(tài)勢。2018年到2019年間，除蕪湖市、合肥市外其余城市的社會韌性均有回升。這說明隨著經(jīng)濟的發(fā)展，合肥都市圈城市群的社會保障體系正在逐步完善，人們的生活質(zhì)量得到了很大程度的提高。

從環(huán)境系統(tǒng)來看，合肥都市圈8個城市的環(huán)境韌性存在明顯的波動。六安市上升最快，至2019年已經(jīng)成為8個城市中環(huán)境韌性最高的城市，而桐城市下降最快，呈現(xiàn)持續(xù)下降態(tài)勢。2010年蕪湖市環(huán)境韌性最高，但研究時間內(nèi)整體呈現(xiàn)下降態(tài)勢，由0.222 0降低為0.109 7。合肥市的環(huán)境韌性水平呈現(xiàn)先下降后回升的狀態(tài)，可見近10年來合肥市對于自然生態(tài)系統(tǒng)保護的重視程度逐步提高。滁州市的環(huán)境韌性僅次于六安市，除2016年出現(xiàn)一次下降波峰外，其余年份均穩(wěn)步上升。馬鞍山市的環(huán)境韌性先上升后下降再上升，這樣的發(fā)展趨勢與馬鞍山市的工業(yè)發(fā)展背景有關(guān)，在發(fā)展經(jīng)濟的同時開始注重去污染化并且取得了一定的成果，表現(xiàn)為環(huán)境韌性整體呈現(xiàn)上升趨勢。

3.3 復合系統(tǒng)空間分異特征

合肥都市圈城市韌性水平空間分異特征明顯，至2019年呈現(xiàn)中心低邊緣高的位置格局。為直觀地表現(xiàn)出差異性，筆者運用ARCGIS 10.4軟件對城市韌性指數(shù)進行可視化處理，選取2010年、2015年和2019年進行分析，并繪制時空動態(tài)演變圖如圖5所示。

圖5 合肥都市圈城市韌性空間分異特征及動態(tài)演變

結(jié)合圖3和圖5可以看出，盡管這10年合肥都市圈整體的城市韌性指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，但各個地區(qū)的城市韌性水平差異明顯。2010年，合肥市處于第Ⅴ等級，蕪湖市、蚌埠市處于第Ⅳ等級，淮南市處于第Ⅲ等級，六安市、馬鞍山市處于第Ⅱ等級，滁州市、桐城市最低處于第Ⅰ等級。2015年各地區(qū)城市韌性水平都發(fā)生了變化，蚌埠市處于第Ⅴ等級，六安市、淮南市處于第Ⅳ等級，合肥市處于第Ⅲ等級，滁州市、桐城市處于第Ⅱ等級，蕪湖市、馬鞍山市處于第Ⅰ等級。2019年城市韌性水平差異性持續(xù)增大，滁州市、桐城市處于第Ⅴ等級，六安市、馬鞍山市處于第Ⅳ等級，蚌埠市處于第Ⅲ等級，合肥市、蕪湖市處于第Ⅱ等級，淮南市處于第Ⅰ等級。從空間角度來看，合肥都市圈的城市韌性水平發(fā)展不均衡，差異性明顯，中心區(qū)呈現(xiàn)下降態(tài)勢，邊緣區(qū)逐年上升，呈現(xiàn)出明顯的中心邊緣差異。

4 結(jié)論及建議

筆者運用熵值法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型對2010—2019年合肥都市圈城市韌性進行評價，得出以下結(jié)論：①合肥都市圈城市韌性總體呈現(xiàn)“W”型上升趨勢，8個城市的韌性指數(shù)均呈現(xiàn)波動式上升態(tài)勢；②合肥都市圈設施系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)、社會系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)的城市韌性指數(shù)在2010—2012年和2015—2019年間呈現(xiàn)出此消彼長的狀態(tài)，整體城市韌性指數(shù)均呈現(xiàn)出一定程度的上升趨勢，可見安徽省正在逐步改變傳統(tǒng)的發(fā)展模式，更加注重自然資源與經(jīng)濟社會的協(xié)同發(fā)展，同時在國土空間規(guī)劃的大背景下，自然資源與經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展是今后的必然趨勢；③至2019年，合肥都市圈的8個城市只有滁州市和桐城市達到了第Ⅴ等級，即城市強韌性，而其余城市主要集中于第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等級，即城市韌性一般和較低，說明提升合肥都市圈城市韌性還有很長的路要走；④合肥都市圈需要更加注意基礎設施、經(jīng)濟、社會、環(huán)境4個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展，尤其桐城市和淮南市要注意環(huán)境系統(tǒng)的城市韌性，馬鞍山市要注意經(jīng)濟系統(tǒng)的城市韌性，蕪湖市要注意社會系統(tǒng)的城市韌性；⑤環(huán)境子系統(tǒng)中影響程度最高的是城市人均用水量，經(jīng)濟子系統(tǒng)中影響程度最高的是公共安全資金投入，社會子系統(tǒng)中影響程度最高的是人口自然增長率，設施子系統(tǒng)中影響程度最高的是公用設施用地。

針對合肥都市圈城市韌性水平的評價結(jié)果，提出以下建議：

(1)繼續(xù)發(fā)揮合肥市在合肥都市圈的輻射作用，滁州市、六安市和桐城市根據(jù)自身資源環(huán)境稟賦積極發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)，促進三產(chǎn)融合。

(2)從1989年合肥提出“科技興市”戰(zhàn)略后，科技也成為五年發(fā)展規(guī)劃中的“重頭戲”，科技創(chuàng)新逐漸成為引領(lǐng)合肥發(fā)展的第一動力，合肥都市圈的科教力量也在與日俱增。要深入貫徹落實科學發(fā)展觀，加大科研創(chuàng)新力度，不斷優(yōu)化經(jīng)濟社會發(fā)展模式，打造科技引領(lǐng)，生態(tài)、經(jīng)濟良性循環(huán)的城市群系統(tǒng)。

(3)在國土空間規(guī)劃過程中要考慮不同城市的發(fā)展特色，補齊自身短板，提升城市經(jīng)濟、社會韌性。在設施系統(tǒng)方面，蕪湖市、六安市要進一步加強城市基礎設施建設，使城鄉(xiāng)居民生活得到應有的基本保障，提高居民生活的幸福度，打造宜居宜業(yè)城市；在經(jīng)濟系統(tǒng)方面，合肥市要持續(xù)提高創(chuàng)新發(fā)展產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值，桐城市不僅要充分把握農(nóng)業(yè)區(qū)位優(yōu)勢，還要積極拓寬第二、第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑，如發(fā)展食品加工、冶金化工等；在社會系統(tǒng)方面，要積極提高城市居民的受教育水平，強化社區(qū)的安全教育宣傳，盡量做到全年齡段的覆蓋，以減少突發(fā)性災難中因安全避災知識的缺乏而造成的人員傷亡；在環(huán)境系統(tǒng)方面，要明確各級政府對于自然資源環(huán)境的保護責任，嚴格管控各個城市高能耗、高污染產(chǎn)業(yè)的“三廢”排放，淮南市、蕪湖市要注重提高城市環(huán)境質(zhì)量，增加城市的綠化覆蓋率，加強水資源保護治理力度等。

(4)桐城市要抓住并入合肥都市圈的發(fā)展契機，明確其農(nóng)業(yè)及加工業(yè)產(chǎn)業(yè)集群的定位，發(fā)揮“桐城文化”的旅游優(yōu)勢，通過聚合人流、物流、信息流等生產(chǎn)要素，積極加入全域旅游示范區(qū)，拉動經(jīng)濟增長。同時，合肥都市圈各個城市要做好人口引導、產(chǎn)業(yè)集聚和自然資源環(huán)境的保護，明確各自的發(fā)展定位和區(qū)域特色，促進基礎設施、經(jīng)濟建設、社會福利系統(tǒng)和自然環(huán)境資源的協(xié)調(diào)發(fā)展，多方維持復雜系統(tǒng)間可持續(xù)發(fā)展的良好趨勢。