基于模糊DEMATEL的城市災害韌性影響因素研究

洪文霞, 賈文娟, 楊 笛, 尹澤宇

(青島理工大學 管理工程學院，山東 青島 266520)

自改革開放以來，我國城鎮(zhèn)化建設(shè)持續(xù)發(fā)展，而臺風、暴雨、病毒蔓延等各種災害的多發(fā)嚴重阻礙了城市的可持續(xù)發(fā)展，使得城市的脆弱性更為凸顯[1]。在此背景下，一些專家呼吁韌性城市的研究和建設(shè)須提上日程[2]，同時城市災害韌性概念的提出無疑為城市的防災減災工作提供了一個新思路。災害的有效應對是全球需共同面對的問題，提高城市災害韌性是推動新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的必然階段，也是城市應對自然災害和人為沖擊的有效途徑，與傳統(tǒng)的城市防災減災工作相比，城市災害韌性更注重應對外力干擾時的抵御能力、維持城市系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的正常運轉(zhuǎn)以及迅速恢復平衡以應對更大災害的自適應能力[3]。提高城市災害韌性對我國的城鎮(zhèn)化建設(shè)及系統(tǒng)運行的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。國內(nèi)外學者對城市災害韌性的研究取得了一定的進展, 國外研究較早，相關(guān)理論探索較為成熟，而國內(nèi)研究仍處于初級階段，且主要集中在理論研究。1973年，霍林教授首次將韌性理論引入到生態(tài)學領(lǐng)域[3]，并在之后研究中將生態(tài)系統(tǒng)韌性概念運用于人類社會系統(tǒng)，提出“適應性循環(huán)”模型[4]。李彤玥、陳安等[5-6]對韌性城市的概念演化進行了梳理，從災害防治、城市治理及可持續(xù)發(fā)展3個角度對韌性城市概念進行解讀。楊敏行等[7]將災害韌性與城市韌性做了對比，概括了當前城市災害韌性研究的進展和熱點，并對未來城市災害韌性研究的三個發(fā)展趨勢進行了探討。隨著對城市韌性概念研究的深入，學者們開始了韌性評價及韌性提升方面的深入探討。王燕語等[8]解析了城市承載體特征及防災韌性要素，建立了多災種下的城市安全韌性評估指標體系。Liu Xinli等[9]提出一個中國城市自然災害韌性評估綜合框架，收集了中國39個城市從2002—2017年的包括經(jīng)濟、社會、基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境特征的信息并以此構(gòu)建相應的個體指標，并分別從國家、地區(qū)、城市三個層面討論了韌性指標的發(fā)展趨勢。

為使分析的過程和結(jié)果更具有科學性，學者們使用了不同的方法模型對影響因素進行研究。許慧等[10]使用了解釋結(jié)構(gòu)模型(ISM)對韌性影響因素進行分析，此方法雖適用于因素眾多、關(guān)系復雜的系統(tǒng)分析但主觀性較強，此外還有因子分析[11]、結(jié)構(gòu)方程模型[12]、DEMATEL法[13]等，其中DEMATEL法因其可以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、有效篩選關(guān)鍵因素而得到廣泛運用。劉文波[14]、江鵬等[15]均在文章中使用三角模糊數(shù)DEMATEL法分析了系統(tǒng)的影響因素關(guān)系并確定了關(guān)鍵因素，驗證了模糊DEMATEL法在研究影響因素方面的適用性和科學性。

綜上所述，國內(nèi)大部分關(guān)于城市災害韌性的研究主要集中于概念演化、研究熱點和韌性評價三方面，缺少專門針對城市災害韌性影響因素的研究。而城市災害韌性涉及影響因素較為廣泛，不僅包括經(jīng)濟、組織、社會等人文層面，還包括基礎(chǔ)設(shè)施、生態(tài)環(huán)境等環(huán)境層面[16]。因此，本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上針對多災種下的城市災害韌性從人文、環(huán)境兩個層面下的經(jīng)濟、組織、社會、基礎(chǔ)設(shè)施和生態(tài)環(huán)境五個維度對其影響因素進行深入剖析，并采用三角模糊數(shù)改進的DEMATEL法對影響因素間的相互關(guān)系和影響程度進行量化處理，并根據(jù)計算結(jié)果提出相應的韌性提升建議，以期為城市災害韌性的提高提供理論支撐。

一、城市災害韌性指標體系構(gòu)建

(一)城市災害韌性特征

城市災害韌性與傳統(tǒng)的防災減災相比，具有更為顯著的特征和多層次的含義。城市災害韌性具有冗余性、多樣性、效率性、獨立性、適應性、堅固性[17]。冗余性是指當城市系統(tǒng)部分原有功能遭到外力破壞時，備用系統(tǒng)來替補相應的功能以保持城市各機能正常運轉(zhuǎn)；多樣性是指系統(tǒng)具有多種功能、資源，從而進行資源轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)調(diào)整以應對不同災害的威脅來保持系統(tǒng)穩(wěn)定；效率性是指在災后重建過程中，城市系統(tǒng)能快速加以調(diào)整以恢復系統(tǒng)運轉(zhuǎn)；獨立性也稱為自組織性，是指受災公眾能夠自發(fā)地組織行動躲避災害，受破壞系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)施也能迅速重組實現(xiàn)功能的自我恢復；適應性是指城市系統(tǒng)在遭到外力破壞后，仍能維持基本功能保證正常運轉(zhuǎn)實現(xiàn)自我調(diào)節(jié)；堅固性是指城市系統(tǒng)受到災害破壞時能維持系統(tǒng)相對完整，保證其關(guān)鍵功能不被毀滅性損壞[18]。

(二)城市災害韌性影響因素選取

城市災害韌性影響因素眾多，涉及到從未災先防、欲災先治、災時救援、災后重建的整個韌性建設(shè)過程[19]，解析各因素之間的相互關(guān)系，找出關(guān)鍵影響因素，對提高城市災害韌性至關(guān)重要?；趯ο嚓P(guān)文獻的研究，結(jié)合城市系統(tǒng)組成要素和城市災害韌性的特征，合理借鑒吸收已有的研究成果，將影響因素指標加以概括整合，在遵循科學性、代表性、規(guī)范性等指標構(gòu)建原則的基礎(chǔ)上，初步構(gòu)建了包括經(jīng)濟韌性、基礎(chǔ)設(shè)施韌性、組織韌性、生態(tài)環(huán)境韌性和社會韌性等五個維度的城市災害韌性影響因素指標體系，再通過德爾菲法，將初步指標體系提交給8位在韌性城市建設(shè)和災害學研究相關(guān)領(lǐng)域具有多年工作經(jīng)驗的專家學者獲取指導意見，經(jīng)過多輪征詢與反饋，將指標進行修正與完善，最終構(gòu)建指標體系如圖1所示。

圖1 城市災害韌性影響因素指標體系

(1)經(jīng)濟韌性。指面臨災害的環(huán)境下，國家能及時且靈活調(diào)整政策，控制防范經(jīng)濟出現(xiàn)較大起伏的能力，主要指標包括產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)[20]、人均GDP[21]、經(jīng)濟調(diào)節(jié)能力[21]，防災資金投入[18]。其中人均GDP是衡量居民生活水平的一個標準，可有效反映居民防災減災的經(jīng)濟實力；防災資金投入的多少直觀地體現(xiàn)了政府對災害防控的重視程度，反映了政府災害救助能力。

(2)基礎(chǔ)設(shè)施韌性。是指災害發(fā)生時基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)抵御災害、吸收損失并及時恢復至正常運行狀態(tài)的能力，主要指標包括災害監(jiān)測與預警能力[18]、應急保障資源與設(shè)施占比[21]、基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)定性[20]、應急疏散通道[20]。其中災害監(jiān)測與預警能力反映了基礎(chǔ)設(shè)施對災害的監(jiān)測與預警的技術(shù)水平，是防控災害的重中之重；應急保障資源與設(shè)施是防災減災的重要基礎(chǔ)保障，占比越大，韌性越強。

(3)組織韌性。是指城市管理者在抵御城市災害過程中的組織和管控能力，主要指標包括城市管治能力[20]、災害應急預案完備性[22]、災害救援能力[18]。其中災害救援能力是指能夠及時地組織救援隊伍以及對受災地區(qū)進行高效、有序地實施救援行為以最大程度降低損失的能力。

(4)生態(tài)環(huán)境韌性。指生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)在受到干擾的同時維持原有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和功能的能力。主要指標包括建成區(qū)綠化覆蓋率[23]、空氣質(zhì)量達標率[21]。其中城市建成區(qū)綠化建設(shè)有利于改善城市環(huán)境，優(yōu)化城市生態(tài)系統(tǒng)服務功能[23]，提高生態(tài)環(huán)境韌性，建成區(qū)綠化覆蓋率是衡量建成區(qū)綠化建設(shè)的一個重要指標。

(5)社會韌性。指面對外界不確定性與擾動因素時，社會公眾所具有的防災行動及災害認知能力，主要體現(xiàn)在保險機制[22]、防災知識教育培訓與演習[18]、公眾災害認知程度[18]。其中災害保險機制可實現(xiàn)災害轉(zhuǎn)移，有利于災后災區(qū)生活秩序的重建和災民生活的安置[24]，是社會韌性的重要體現(xiàn)。

二、基于模糊DEMATEL的城市災害韌性影響因素模型構(gòu)建

(一)方法介紹

DEMATEL法(Decision Making Trial and Evaluation Laboratory,決策實驗分析法)是利用圖論與矩陣計算梳理各因素間的邏輯關(guān)系，通過矩陣計算中心度、原因度等指標，明確系統(tǒng)中各因素間的重要程度及因果關(guān)系[25]，DEMATEL法已成功應用于多個研究領(lǐng)域。模糊數(shù)學在系統(tǒng)不確定性研究中具有廣泛的應用，可有效處理專家因主觀判斷造成的打分評價的模糊性與不確定性[14]，因此本文對DEMATEL法進行改進引入三角模糊數(shù)(Triangular Fuzzy Number，TFN)對城市災害韌性各因素影響程度的定性評價進行量化處理，并通過CFCS(Converting the Fuzzy data into Crisp Scores)的去模糊化處理，將三角模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為一個清晰的數(shù)值。具體流程如圖2所示。

圖2 城市災害韌性影響因素研究流程圖

(二)模型構(gòu)建

模型構(gòu)建部分的數(shù)據(jù)借助Excel工具和MATLAB工具進行計算。

步驟1：邀請在韌性城市建設(shè)和災害學研究相關(guān)領(lǐng)域工作過7年以上的具有豐富理論和實踐經(jīng)驗的10位專家學者(其中包括4位高校教授、3位政府機構(gòu)工作者、3位科研院所研究員)組成打分小組來對城市災害韌性影響因素的相互影響程度進行打分評價，打分標準見表1。最終打分結(jié)果為一組三角模糊數(shù)直接影響矩陣B(B=[bij]n×n)，bij=(lij,mij,rij)，bij為因素Bi對Bj的影響程度，i=j時，bij=0。注：三角模糊數(shù)是為解決不確定性環(huán)境下的問題而提出的一種模糊集概念，定義[26]如下：

表1 語義變量及其對應的三角模糊數(shù)

A為實域B的模糊數(shù)，其隸屬函數(shù)為uA(x):R→[0,1],x∈R，如果存在：

(1)

則A為三角模糊數(shù)，記為A=(l,m,r)，l≤m≤r。

步驟2：將三角模糊數(shù)直接影響矩陣B利用CFCS方法進行清晰化處理得到直接影響矩陣B′(B′=[bij]n×n)。由Opricovic S開發(fā)的CFCS法[27]是指用模糊最小值和最大值確定左右得分，根據(jù)隸屬函數(shù)將總得分確定為加權(quán)平均值的過程，且經(jīng)轉(zhuǎn)化后數(shù)值損失相對較少，以A=(l,m,r)為例，步驟如下：

Step1:標準化處理。

(2)

Step2:計算左右標準化值。

(3)

Step3:計算TFN清晰值。

(4)

(5)

由以上公式計算可得直接影響矩陣B′(B′=[bij]n×n)。

步驟3：將直接影響矩陣B′規(guī)范化處理得到矩陣C(C=[cij]n×n),0≤cij≤1，進一步得到綜合影響矩陣Z(Z=[zij]n×n)。

(6)

(7)

當n→∞,Cn-1→0，可得到相似計算公式。

Z=C(I-C)-1

(8)

由以上公式可計算出綜合影響矩陣Z(Z=[zij]n×n)，具體如表2所示。

表2 城市災害韌性影響因素綜合影響矩陣

步驟4：計算各指數(shù)。

mi=ei+fi

(9)

ni=ei-fi

(10)

基于以上公式運算，得出城市災害韌性各因素指數(shù)運算結(jié)果及排序情況，具體如表3所示。

表3 計算指數(shù)及排序分析表

步驟5：繪制原因結(jié)果圖。

基于表3中的計算結(jié)果，以中心度為x軸坐標，原因度為y軸坐標繪制因果圖，如圖3所示。

圖3 城市災害韌性影響因素因果圖

三、結(jié)果分析及韌性提升建議

(一)中心度分析

中心度越大，說明該因素對城市災害韌性影響程度越大。x軸線代表中心度變化，從圖3可以看出，中心度最大的前四名依次是應急保障資源與設(shè)施占比、基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)定性、災害救援能力、災害應急預案完備性，說明這4個因素對城市災害韌性影響程度最大，應急資源與設(shè)施是防災減災的重要物質(zhì)保障，穩(wěn)定性高的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)是防災減災的必要前提，災害救援能力是搶險救災過程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，是重要硬性指標，完備的災害應急預案是重要規(guī)劃保障。因此政府應加強頂層設(shè)計，重視并統(tǒng)籌規(guī)劃相關(guān)舉措，加大應急保障資源與設(shè)施占比，保證物資充沛，強化基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)定性，提高各方的災害救援能力，制定完備且可執(zhí)行的災害應急預案。重點關(guān)注這些影響因素對提高城市災害韌性具有至關(guān)重要的作用。

(二)原因度分析

如圖3所示，x軸線將原因度分為8個原因因素和8個結(jié)果因素，因素的原因度越大，排名越高。原因因素排名靠前的依次是人均GDP(B2)、基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)定性(B7)、防災知識教育培訓與演習(B15)，說明該類因素對其他因素影響更大，是城市災害韌性提高的直接影響因素，所以應高效可持續(xù)地發(fā)展城市經(jīng)濟，提高人均GDP，強化基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)定性，做好防災知識教育培訓與演習，提高公眾對防災減災的防范與認知；結(jié)果因素排名最靠前的是建成區(qū)綠化覆蓋率(B12)，防災資金投入(B4)，說明該類因素易受其他因素影響，是城市災害韌性提高的間接影響因素，如建成區(qū)綠化覆蓋率容易受城市管治能力的影響，因此在關(guān)注此類因素自身影響的同時更要關(guān)注其對應的原因因素的影響機制[15]。

(三)韌性提升建議

1.保障應急資源充沛，維護基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)定

應急資源與設(shè)施是防災救災的重要保障，不僅要做到災前應急準備，災中的及時供給，還要做到災后的應急處理，政府、慈善機構(gòu)應加大防災資源的有效投入，設(shè)置獨立的防災資源儲存空間，保障應急資源與設(shè)施在使用過程中的順利供給，減少不必要的資源損失，完善應急資源投入保障機制；基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)是城市功能正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，也是防災減災的一道屏障，因此要加強基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)定性，管理人員要定期對基礎(chǔ)設(shè)施進行維修檢查，進行技術(shù)改進和配置優(yōu)化，保障災害預測的準確性和及時性，采取規(guī)避策略直接規(guī)避危害或采取控制策略以防止災害蔓延，若災害發(fā)生，基礎(chǔ)設(shè)施需要通過恢復策略以恢復自身基本功能來維持系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)[28]。

2.強化經(jīng)濟調(diào)節(jié)能力，加大防災資金投入

強化經(jīng)濟調(diào)節(jié)能力首先要調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式，多舉措對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化升級并創(chuàng)新，使各產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展，增強經(jīng)濟結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與經(jīng)濟發(fā)展的高效性，其次要提高信息化水平，信息化與城市經(jīng)濟和生活聯(lián)系愈發(fā)緊密，信息化的準確性、高效性、智能性也影響著經(jīng)濟的運行；加大防災資金投入，構(gòu)建新型防災減災資金投入機制，拓展防災資金投入方式，提高資金使用效率，完善災害保險制度和財政資金預算機制，管理人員應加強對資金的監(jiān)督與保管，將資金的使用落到實處。

3.加大防災教育宣傳，做好防災應急演練

提高公眾的防災意識與應災技能是降低人員損失最直接有效的方法，因此應加大防災減災教育宣傳力度，首先應在城市突出位置拉防災標語橫幅或繪制知識教育展板，提升城市整體的防災氛圍感；其次是舉辦“防災減災”系列主題的公共教育活動，發(fā)放防災知識宣傳材料，舉辦相關(guān)的知識競賽和演講活動，定期舉行應急救援展示，普及互救自救技能等；學校或社區(qū)等人員密集場所管理部門應高度重視災害防范工作，定期舉辦防災應急演練，合理安放防災應急物資或消防設(shè)施，切實提高公眾的防災意識與應災技能。

4.加強城市管治能力，提高災害救援技術(shù)

加強城市管治能力，首先要做到未災先防，落實各層政府管理責任，提高建成區(qū)綠化覆蓋率并做好廢棄物處理，減少有害氣體的排放，有關(guān)部門應積極推動實施防災減災規(guī)劃，建立災害應急指揮中心，以人民的利益為根本；其次在災害發(fā)生時，政府應根據(jù)災情啟動相應級別響應政策，并層層落實救援計劃，積極組織災害應急救援隊伍；最后在災后恢復階段，相關(guān)部門應盡快做好城市治理工作以使城市系統(tǒng)各功能正常運轉(zhuǎn)；同時更要注重提高災害救援能力，航空應急救援體系是高效地實現(xiàn)自然災害救援的重要手段，有關(guān)部門應盡快健全完善，同時救災組織應合理使用現(xiàn)代化智能科技，如機器人或無人機探測儀等代替人工進入廢墟探測生存氣息，避免二次災害對救援人員帶來的威脅，使用先進的災害醫(yī)療救援技術(shù)，最大程度降低人員傷亡風險。

四、結(jié)論

本文通過大量的文獻分析并結(jié)合專家的指導建議建立了包括經(jīng)濟韌性、基礎(chǔ)設(shè)施韌性、組織韌性、生態(tài)環(huán)境韌性、社會韌性等5個維度的16個指標在內(nèi)的城市災害韌性影響因素指標體系。

通過三角模糊數(shù)改進的DEMATEL法對各影響因素間的相互影響關(guān)系及影響程度進行系統(tǒng)分析計算，并找出應急保障資源與設(shè)施占比、基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)定性等多個關(guān)鍵影響因素，同時結(jié)合分析結(jié)果從應急資源與基礎(chǔ)設(shè)施、經(jīng)濟、防災教育與應急演練、城市管治等4方面提出了具有針對性的城市災害韌性提升建議，為城市管理者切實提高城市災害韌性提供了科學的理論依據(jù)。

然而，影響城市災害韌性的因素較為復雜，而本文所構(gòu)建的是具有代表性和易于理解的指標體系，缺少作用微小但同樣有影響的因素指標，因此在后續(xù)研究中應進一步完善指標體系，使其更全面完整。