基于灰色關(guān)聯(lián)度的社區(qū)抗震韌性評價研究

郭松篧 GUO Song-yao；林德珩 LIN De-heng；謝卓玉 XIE Zhuo-yu

（北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144）

0 引言

社會學(xué)家滕尼斯（德）在《社區(qū)與社會》中首次提出“社區(qū)”概念，現(xiàn)在學(xué)術(shù)界將具有一定共同經(jīng)濟利益和居民心理因素的城市社會群體和社會組織定義為城市社區(qū)[1-2]。本文研究的社區(qū)設(shè)定范圍為以傳統(tǒng)意義的小區(qū)為界，像居委會社區(qū)、街道、區(qū)等范圍在都是本文研究的社區(qū)范疇。例如北京市內(nèi)“街道”級別的行政范圍就符合本文所使用的“社區(qū)”概念。在國外關(guān)于社區(qū)抗震韌性的研究中，美國的舊金山灣區(qū)都市規(guī)劃研究協(xié)會（SPUR）提出了建設(shè)具有抗震韌性的范圍區(qū)的建設(shè)性意見。在我國內(nèi)關(guān)于社區(qū)抗震韌性指標(biāo)體系的研究中，已對社區(qū)韌性指標(biāo)進行篩選。如孟令君等[3]在韌性、適應(yīng)性和轉(zhuǎn)變評價框架的基礎(chǔ)上，得出了適應(yīng)我國的社區(qū)韌性指標(biāo)體系；郭小東等[4]在對北京城內(nèi)老舊社區(qū)深入調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，以老舊社區(qū)作為研究對象進行了社區(qū)韌性指標(biāo)體系的建立。但在震災(zāi)來臨時的社區(qū)疏散能力國內(nèi)研究較少，且對于抗震韌性體系的研究方法也過于主觀。本文重點針對如何評估社區(qū)疏散能力這一課題進行了研究，將分析的主要影響因素分為三個方面——建筑物疏散能力、逃生人群流量、平均建筑內(nèi)人口密度，完善了社區(qū)抗震韌性指標(biāo)體系。在各級指標(biāo)的賦權(quán)方面，灰色關(guān)聯(lián)可以作為一種更為客觀的賦權(quán)方法，將和結(jié)果關(guān)聯(lián)性比較大的指標(biāo)賦予更大的權(quán)重[5]；同時灰色關(guān)聯(lián)可以也可作為指標(biāo)篩選的一種方法，對于關(guān)聯(lián)度很大的指標(biāo)，其對于結(jié)果的影響往往是一致的，此時為了簡化評價模型，可以將關(guān)聯(lián)度高的兩個指標(biāo)其中一個舍去[6-7]?；疑P(guān)聯(lián)度分析是一種動態(tài)的基于灰色系統(tǒng)的灰色過程，對序列因素進行分析，以便確定哪些因素起主導(dǎo)作用。

1 社區(qū)抗震韌性評價指標(biāo)

1.1 依據(jù)

21世紀(jì)以來，已有諸多學(xué)者根據(jù)不同的研究對象建立了城市（區(qū)域）應(yīng)急能力評價指標(biāo)體系[2-4][8-14][16-20]；在嚴(yán)峻的地震災(zāi)害風(fēng)險面前，2009年，我國地震局與大連市[8]提出構(gòu)建“地震安全社區(qū)”理念，在這一理念下，首先就要從社區(qū)規(guī)劃設(shè)計入手[2]，然后把該理念貫徹于工程施工及其后期維護的整個過程中，進而盡可能地降低地震損失；在社區(qū)地震安全韌性評估系統(tǒng)及應(yīng)用示范[2]一文中以一個典型社區(qū)為研究對象，開展了地震安全韌性評估工作，研發(fā)了社區(qū)韌性評估體系；開發(fā)了韌性評估系統(tǒng)應(yīng)用示范軟件平臺，為本文研究社區(qū)抗震韌性提供參考。

1.2 指標(biāo)體系的確定

在指標(biāo)的選取上，因為考慮到現(xiàn)有的社區(qū)抗震韌性體系對于疏散能力指標(biāo)的具體考量因素和方式還存在較少的關(guān)注，所以選取疏散能力作為重要評判和研究因素。一方面現(xiàn)有的研究建構(gòu)基本都依賴于專家及相關(guān)文獻，另一方面過于注重靜態(tài)的評估指標(biāo)。為了改善這些弊端，本文通過對特定對象的相關(guān)指標(biāo)進行查找規(guī)范和相關(guān)年鑒，獲取當(dāng)?shù)匚飿I(yè)信息進行災(zāi)情疏散模擬，從而對其疏散能力進行估算，完善了社區(qū)抗震韌性指標(biāo)體系。除此之外，為了準(zhǔn)確反映社區(qū)面臨地震災(zāi)害風(fēng)險的韌性，不得不將疏散、人口、經(jīng)濟、應(yīng)急管理，建筑物本身等多個方面綜合起來。因此，本文從建筑物抗損害性（A），疏散能力（B），社區(qū)環(huán)境承載能力（A）三個方面，包含建筑結(jié)構(gòu)（A1），建筑已使用時長（A2），地震烈度區(qū)劃范圍（A3）地震維護與安全檢測（A4），建筑物疏散能力（B1），人群流量（B2），建筑內(nèi)人口密度（B3），社區(qū)居民經(jīng)濟能力（C1），社區(qū)應(yīng)急文化建設(shè)（C2），社區(qū)居民年齡組成（C3）。構(gòu)建地震災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)體系（表1）。

表1 指標(biāo)體系

1.3 指標(biāo)數(shù)據(jù)來源和計算

本文指標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源政府網(wǎng)站公開的統(tǒng)計公報和年鑒、全國地震地質(zhì)數(shù)據(jù)中國地震烈度區(qū)劃圖，以及社區(qū)地震安全韌性評估系統(tǒng)及應(yīng)用示范[2]，陳新平對于社區(qū)應(yīng)急能力評價指標(biāo)體系研究[11]的借鑒。同時也有一部分是主觀因素評價。以“建筑物疏散能力B1”為例，當(dāng)每層人數(shù)不等時，疏散樓梯總寬度可進行分層計算，對于地上建筑而言，中下層樓梯總寬度應(yīng)按其上層人數(shù)最多一層的人數(shù)計算；對于地下建筑而言，中上層樓梯的總寬度應(yīng)按其下層人數(shù)最多一層的人數(shù)計算，得出結(jié)果后按照分級進行打分。

2 社區(qū)韌性評估模型

基于社區(qū)抗震韌性評價指標(biāo)體系，構(gòu)建熵權(quán)法－灰色關(guān)聯(lián)分析法綜合評估模型。地震造成的直接損失不但與地震的強弱有關(guān)更與當(dāng)時當(dāng)?shù)氐纳鐣?、?jīng)濟狀況密切相關(guān)。目前學(xué)界已經(jīng)部分研究者將灰色關(guān)聯(lián)分析應(yīng)用于應(yīng)急能力評價、應(yīng)急決策以及地震活動影響因子分析等研究中[5］[7][15][21]，從地震基本參數(shù)、財富積累程度、設(shè)施抗震能力、人口分布及災(zāi)區(qū)范圍情況等方面進行地震直接損失的影響因素分析[6]。在應(yīng)急能力方面很大程度上取決于該地區(qū)在人力、科技、組織、機構(gòu)和資源等方面的防災(zāi)減災(zāi)能力[15]。從內(nèi)涵上來看，熵權(quán)法主要可反映系統(tǒng)無序程度，熵值越小意味著信息量越大，相應(yīng)的權(quán)重也就越高。灰色關(guān)聯(lián)分析則必須有客觀數(shù)據(jù)為前提，然后才能根據(jù)各因素間發(fā)展趨勢的相似程度計算相關(guān)評價對象與最優(yōu)理想水平的接近度，通常來說，該方法在分析小樣本無規(guī)律的指標(biāo)評價問題決策時，具有較高的準(zhǔn)確性[15]。利用熵權(quán)法，可以客觀賦權(quán)，進而通過分析得到充分客觀性的關(guān)聯(lián)度。在社區(qū)抗震韌性的評價中，計算所選社區(qū)指標(biāo)與最優(yōu)水平的關(guān)聯(lián)度，值越大即該城市某社區(qū)的抗震韌性越高。

2.1 指標(biāo)客觀權(quán)重的確定

在具體評價前，首先要對數(shù)據(jù)進行無量綱化[22]，在此基礎(chǔ)之上才能對指標(biāo)賦權(quán)。為了能得到較為客觀的權(quán)重，本文所選取指標(biāo)的客觀權(quán)重采用熵值法計算，原理如下：

Step1：由于各指標(biāo)量綱和單位存在差異，所以無法對其進行直接比較和計算，基于此，在計算前指標(biāo)權(quán)重之前，還必須對其進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，具體過程為：

Step2：完成標(biāo)準(zhǔn)化處理之后，一些指標(biāo)有可能會表現(xiàn)出數(shù)值較小甚至負(fù)值，面對這種情況，為了后續(xù)計算的便捷性，可以把標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)值進行平移，進而解決了上述問題。

其中，H為指標(biāo)平移幅度，通?？扇≈禐?。

Step5：得出第j指標(biāo)差異系數(shù)：gj=1-ej

其中，j=1，2，…p

其中，j=1，2，…p

2.2 灰色關(guān)聯(lián)分析

2.2.1 原始數(shù)據(jù)的初始化

在研究過程中，考慮到各指標(biāo)的含義、內(nèi)容、取值標(biāo)準(zhǔn)均不一致，這就可能會讓數(shù)據(jù)量綱不同，難以進行統(tǒng)一比較?；诖?，為提高數(shù)據(jù)的可比性，在進行灰色關(guān)聯(lián)法分析之前，還要對相關(guān)數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，從而達到消除數(shù)據(jù)各自有效因素的目的，最終讓相關(guān)數(shù)據(jù)化為統(tǒng)一衡量尺度下的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)量級無量綱數(shù)據(jù)。具體操作流程如下：

2.2.2 計算比較數(shù)列和參考數(shù)列絕對差值

所謂比較數(shù)列，就是那些可以影響系統(tǒng)行為的因素所構(gòu)成的數(shù)據(jù)序列，該數(shù)列是基于被評價對象的評價指標(biāo)取值從而構(gòu)建得到。所謂參考數(shù)列，就是從評價指標(biāo)的歸一化數(shù)據(jù)各個取值中選取最優(yōu)值構(gòu)建得到的。如果被評價指標(biāo)為正向，那么其值越大越好，相應(yīng)的最優(yōu)指標(biāo)值是各指標(biāo)的最大值；相仿，若被評價指標(biāo)為逆向，那么其值越小越好，相應(yīng)的最優(yōu)指標(biāo)值為各指標(biāo)最小值。

2.2.3 指標(biāo)體系灰色系數(shù)

一般的，可將灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)視作灰色理論中關(guān)聯(lián)性的具體表現(xiàn)，所謂關(guān)聯(lián)性，其內(nèi)涵是曲線之間幾何形狀的差別程度，所以在研究過程中可用曲線差值來衡量關(guān)聯(lián)程度。在操作中，關(guān)聯(lián)系數(shù)可理解為參考數(shù)列與比較序列在各個時點間的幾何距離，其值越大，意味著兩個指標(biāo)數(shù)列在對應(yīng)的指標(biāo)上相互關(guān)聯(lián)程度越大。計算公式為：

其中ρ為常數(shù)，通常情況下，ρ取0.5，本文中ρ等于0.5。

2.2.4 計算灰色關(guān)聯(lián)度并排列關(guān)聯(lián)序

考慮到關(guān)聯(lián)系數(shù)是參考數(shù)列與比較序列的關(guān)聯(lián)程度，而且還是不同時點上的關(guān)聯(lián)程度，所以關(guān)聯(lián)系數(shù)不可能只有一個，而且其分布并不集中，難以完成統(tǒng)一比較。而灰色關(guān)聯(lián)度便是為了解決這一問題，將關(guān)聯(lián)系數(shù)集中后再進行處理求值，在具體操作過程中，所得數(shù)值可整體反映評價指標(biāo)數(shù)列的關(guān)聯(lián)程度的關(guān)聯(lián)程度，灰色關(guān)聯(lián)度值越大，意味著越好。

2.3 灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)與熵值法的權(quán)重進行加權(quán)平均得到綜合灰色關(guān)聯(lián)度的計算公式為：

3 實例分析

選取16個曾經(jīng)發(fā)生過地震災(zāi)害城市的社區(qū)云南澄江某社區(qū)，山西大同陽高某社區(qū)，四川綿竹清平某社區(qū)，新疆庫車某社區(qū)，云南宣威某社區(qū)，新疆拜城某社區(qū)，重慶榮昌某社區(qū)，福建永安某社區(qū)，四川白山巴塘某社區(qū)，甘肅天祝古浪某社區(qū)，云南麗江某社區(qū)，新疆沙灣某社區(qū)，山東蒼山某社區(qū)，甘肅永登某社區(qū)，新疆烏蘇南某社區(qū)，云南金平某社區(qū)。該研究基于《國家統(tǒng)計年鑒》和當(dāng)?shù)胤叫越y(tǒng)計年鑒，《消防規(guī)范》，《建筑抗震規(guī)范》等文件，revit及pathfinder疏散模擬計算數(shù)據(jù)，國家地震局官網(wǎng)，中國地震臺網(wǎng)（CSN）地震目錄實地測量，當(dāng)?shù)卣W(wǎng)站結(jié)合小區(qū)物業(yè)數(shù)據(jù)依據(jù)社區(qū)抗震韌性評價指標(biāo)體系和社區(qū)抗震韌性評估模型，評價我國社區(qū)抗震韌性能力，各社區(qū)信息見表2。

表2 基本信息

3.1 熵權(quán)法權(quán)重計算結(jié)果

對數(shù)據(jù)進行無量綱化，然后再對指標(biāo)經(jīng)過計算得到如表3賦權(quán)結(jié)果。

3.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析法計算結(jié)果

基于表3的標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)數(shù)據(jù)，利用式（3）計算得到灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)（見表4）。

表3 計算結(jié)果

表4 計算結(jié)果

由結(jié)果可得出所選16個社區(qū)的社區(qū)抗震韌性評價值由高到低依次為甘肅永登某社區(qū)，甘肅天祝古浪某社區(qū)，云南麗江某社區(qū)，山西大同陽高某社區(qū)，山東蒼山某社區(qū)，新疆烏蘇南某社區(qū)，新疆拜城某社區(qū)，四川白山巴塘某社區(qū)，云南澄江某社區(qū)，四川綿竹清平某社區(qū)，福建永安某社區(qū)，云南金平某社區(qū)，新疆沙灣某社區(qū)，重慶榮昌某社區(qū)，新疆庫車某社區(qū)，云南宣威某社區(qū)。

3．3 結(jié)果分析和討論

以上分析表明：甘肅永登某社區(qū)，甘肅天祝古浪某社區(qū)，云南麗江某社區(qū)，山西大同陽高某社區(qū)具有較高的地震應(yīng)急能力，排名第4-8的社區(qū)適中，而云南宣威某社區(qū)的社區(qū)抗震韌性評價值明顯偏低。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)社區(qū)抗震韌性評分高地的社區(qū)處，周邊距離200km內(nèi)的區(qū)域級地震臺最站達最高的有25個，其中兩個社區(qū)抗震韌性最高的社區(qū)所屬省市——甘肅省，一直作為中國地震局近年來大力開展的地震烈度速報與預(yù)警工程項目中的重點省份，國家投入了大量的人力，財力。從城市的地震經(jīng)歷，震級，發(fā)生地震所造成的直接經(jīng)濟損失，傷亡人數(shù)這些負(fù)向指標(biāo)來說，其他城市是遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上的。反觀這些不良因素從分析中其實可以看出，反而促進了最終所有社區(qū)抗震韌性的提升。它的地震經(jīng)歷的豐富也促使全省震烈度速報和南北地震帶預(yù)警區(qū)地震預(yù)警功能的提升。除了政府的重視，社區(qū)基層的相應(yīng)也同樣重要。排名15,16的福建永安某社區(qū)和云南金平某社區(qū)防災(zāi)宣傳力度、醫(yī)療資源、通信和路網(wǎng)建設(shè)不足，且人均存款較少，居民防災(zāi)意識、震后，救援、物資保障和震后恢復(fù)能力受限。

4 結(jié)論

從結(jié)果中可以看出社區(qū)的抗震韌性的指標(biāo)互相關(guān)聯(lián)性差異不大，反映了社區(qū)在面臨地震災(zāi)害這一方面的應(yīng)急能力是該地區(qū)在人力、科技、組織、機構(gòu)和資源等方面綜合防災(zāi)減災(zāi)能力的體現(xiàn)[4]。針對社區(qū)疏散能力考量和社區(qū)本身抗震韌性體系的復(fù)雜性，構(gòu)建了社區(qū)抗震韌性的評價指標(biāo)體系，通過熵權(quán)法和灰色關(guān)聯(lián)分析法，構(gòu)建了地震應(yīng)急能力評價模型。并在此基礎(chǔ)上，完成了我國不同區(qū)域范圍下的16個社區(qū)的地震應(yīng)急能力評價，并進行排序，結(jié)合我國目前該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀以及地方性差異對評價結(jié)果進行符合我國國現(xiàn)狀和國情的分析和討論。不過由于所得結(jié)果難以驗證，還需要將繼續(xù)豐富評價指標(biāo)，尤其要選擇更優(yōu)的主客觀賦權(quán)方法，進一步提高地震應(yīng)急能力評價指標(biāo)體系和模型的完善程度。