基于多屬性分析的城市關鍵基礎設施系統(tǒng)抗災能力評估研究①

李倫彬，王詩瑩

(黑河學院，黑龍江 黑河 164300)

0 引 言

城市作為一個社會、經濟、科技、文化等方面高度集中的具有綜合性的開放系統(tǒng)，逐漸成為國際社會防災減災的中心和重點。在工程技術和信息技術快速發(fā)展的背景下，城市關鍵基礎設施系統(tǒng)變得復雜和強大，這些關鍵基礎設施之間頻繁相連。主要包括城市供水體系、電力供應體系、天然氣供應體系、通信網(wǎng)絡體系以及道路交通運輸體系等。然而，城市關鍵基礎設施系統(tǒng)本身的重要性、復雜性和脆弱性，其面臨的人為攻擊和自然災害等各類毀傷威脅也越來越大。城市災害的多樣性、頻繁發(fā)生與其造成的各種損失和破壞的嚴重化趨勢，已經對城市發(fā)展造成一定的影響。城市關鍵基礎設施系統(tǒng)抗災能力評估能力，直接決定了城市可持續(xù)發(fā)展的基礎和動力。

目前，許多學者已從不同的角度開展了研究，其中包括風險概念研究，基礎設施可靠性研究，基礎設施易損性方面等的研究。但是這些研究都存在一定的弊端，為解決這一問題，設計一種基于多屬性分析的城市關鍵基礎設施系統(tǒng)抗災能力評估方法。此次研究重點是解決傳統(tǒng)方法評估時常出現(xiàn)錯誤的問題，實驗證明，此次設計方法能夠減少評估錯誤數(shù)量，能夠滿足城市關鍵基礎設施系統(tǒng)抗災能力評估需求。

1 城市關鍵基礎設施系統(tǒng)抗災能力評估指標選擇

為科學評估城市關鍵基礎設施系統(tǒng)抗災能力，根據(jù)全面性原則[1]、綜合性原則、差異性原則、可比性原則、可操作性原則五個方面建立評估指標。綜合分析選擇，將城市關鍵基礎設施系統(tǒng)抗災能力評估指標分為一級指標、二級指標和三級指標，具體的評估指標如下表所示：

表1 評估指標

分析表1可知，一級指標為抗災能力影響因素的基本層，其中每一特征都形成不同的分支，各個分支受其他分部因素影響；二級指標[2]是將一級指標按照不同性質和內容進行細分；同理，三級指標是將二級指標細分，是分層最細的指標層。其中一級指標為全局指標層，為直接反應城市關鍵基礎設施系統(tǒng)抗災能力的評估指標，為抗災能力主要影響因素綜合的結果。

由于微觀指標存在系統(tǒng)性不足問題，采用多屬性分析法，對微觀指標洞察與改進，改進后的微觀指標[3]如下圖所示：

圖1 改進后的微觀指標

根據(jù)改進結果，使微觀指標選擇具有客觀性與一致性，以判斷評估指標選擇是否需要改進。

2 城市關鍵基礎設施系統(tǒng)抗災能力評估指標權重分配

為使上述獲得的城市關鍵基礎設施系統(tǒng)抗災能力評估指標便于量化，采用多屬性分析法分配評估指標權重[4]，建立因素集[5]，因素集是影響評估指標的一個普通集合，將其表示為：M={m1,m2,…,mn}，各元素mi=(i=1,2,…,n)，代表評價指標的影響因素。這些影響因素具有不同的模糊性，并且重要程度不同，為反應各個評價指標的重要程度，對各個因素賦予相應的權數(shù)?=(i=1,2,…,n)，由各權數(shù)組成的集合A=(a1,a2,…,am)稱為因素權重集，稱為權重集。采用歸一化方法[6]使各權數(shù)?=(i=1,2,…,n)滿足歸一性和非負條件：

(1)

在權重集建立的基礎上，建立評價集[7]，評價集是對指標權重做出各種評判集合的總體，將其表示為：

(2)

根據(jù)上述計算，達到綜合分配指標權重的目的，就是在綜合考慮所有評價指標權重的基礎上，從備選集中，得到最佳的指標權重分配結果。

3 城市關鍵基礎設施系統(tǒng)抗災能力評估模型構建

在上述城市關鍵基礎設施系統(tǒng)抗災能力評估指標選擇和城市關鍵基礎設施系統(tǒng)抗災能力評估指標權重分配的基礎上，構建城市關鍵基礎設施系統(tǒng)抗災能力評估模型[9]。將評價指標與相應的指標權重分配結果代入到模型中，以對城市關鍵基礎設置系統(tǒng)抗災能力評價。評價過程如下圖：

假設該城市為一個多層次[10]、相互交叉的網(wǎng)絡結構，將其用分層拓撲結構圖對其描述。首先，建立城市基礎設施系統(tǒng)模型，城市中各個關鍵基礎設施系統(tǒng)中的部門抽象為網(wǎng)絡中節(jié)點[11]，各個實體之間形成的關聯(lián)關系抽象為網(wǎng)絡中的邊，則將關鍵基礎設施子系統(tǒng)的拓撲結構描述為：

GI=|Vi*b|/e

(3)

公式(3)中，GI代表所有集合中節(jié)點的集合，V、b分別代表關鍵基礎設施拓撲結構中所有邊的集合，e代表節(jié)點數(shù)量。

圖2 城市關鍵基礎設施系統(tǒng)抗災能力評估過程

由于城市關鍵基礎設施系統(tǒng)存在一定的關聯(lián)性[12]，關鍵基礎設施通過關聯(lián)關系進一步由網(wǎng)內向網(wǎng)間擴張，從而形成更加復雜的拓撲結構，假設某城市由n個基礎設施組成，則該城市的拓撲結構[13]表示為：

Q=K/(Q1,Q2,Q3…Qn)

(4)

公式(4)中，K代表基礎設施關聯(lián)性計算參數(shù)，Q1、Q2、Q3、Qn分別代表關聯(lián)節(jié)點。

根據(jù)上述定義，完成城市關鍵基礎設施本體模型的建立，然后引入評估指標與相應的評估指標權重，對城市關鍵基礎設施系統(tǒng)抗災能力綜合評估[14]。假設按照上述評估因素集中第i個因素評估，則得到基于多屬性分析的評估集合：

(5)

由此，得到基于多屬性分析的綜合評價矩陣[15]，將其表示為：

(6)

矩陣(6)中，B代表模糊綜合評判集，b1、b2、…、bmn中的各個因素分別代表綜合評判指標，目的是綜合考慮所有評估的影響因素。

根據(jù)上述城市關鍵基礎設施系統(tǒng)抗災能力評估指標選擇、城市關鍵基礎設施系統(tǒng)抗災能力評估指標權重分配、城市關鍵基礎設施系統(tǒng)抗災能力評估模型構建三個步驟完成了城市關鍵基礎設施系統(tǒng)抗災能力評估。

4 實驗分析

4.1 實驗數(shù)據(jù)

以某城市為研究對象，該城市內部包含3個關鍵基礎設施子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)內基礎設施不同。同時，該市內關鍵基礎設施子系統(tǒng)之間通過地理關聯(lián)和物理關聯(lián)形成復雜的關聯(lián)關系，為便于實驗，將該市關鍵基礎設施中的所有變量標準化處理，計算公式為：

(7)

根據(jù)上述公式判別該市關鍵基礎設施系統(tǒng)是否存在物理關聯(lián)，進行迭代，直至所有的關鍵基礎設施判斷完成。

4.2 實驗方案確定

在上述基礎數(shù)據(jù)完成的基礎上，從該市基礎設施中隨機抽取8種基礎設施作為評估對象，并聘請10位專家對該城市關鍵基礎設施的各個指標評分，根據(jù)非互補性原則，將該市的實驗數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，得到該城市部分基礎設施的抗災等級的基本信息：

分別采用傳統(tǒng)的評估方法與此次設計的評估方法對該城市關鍵基礎設施系統(tǒng)抗災能力評估，將評估結果與上述專家給出的評估結果對比，對比這兩種方法的評估錯誤情況。

4.3 實驗結果分析

綜合上述實驗數(shù)據(jù)，得出傳統(tǒng)評估方法與此次設計的評估方法的評估結果，如下表所示：

表3 實驗對比結果

分析表3可知，傳統(tǒng)方法在第1個、第2個、第4個、第5個、第7個基礎設施評價抗災能力時，與已知評估結果不同，具有一定的偏差，在8個評估項目中，錯誤評估5個項目，說明傳統(tǒng)的評估方法評估情況較多。而此次設計的評估方法，在評估時僅在第3個項目評估上，出現(xiàn)錯誤評估，相對于傳統(tǒng)評估方法來說，此次設計的評估方法的錯誤數(shù)量較少。綜上所述，此次設計的基于多屬性分析的城市關鍵基礎設施系統(tǒng)抗災能力評估方法比傳統(tǒng)評估方法錯誤評估數(shù)量少，能夠準確對城市關鍵基礎設施系統(tǒng)抗災能力評估，具有一定的實際應用意義。

5 結 語

利用多屬性分析方法的優(yōu)勢，設計了城市關鍵基礎設施系統(tǒng)抗災能力評估方法，并通過實驗驗證了此次設計方法的有效性。實驗證明，此次設計的基于多屬性分析的城市關鍵基礎設施系統(tǒng)抗災能力評估方法更加符合實際情況，通過多個方面對城市關鍵基礎設施系統(tǒng)抗災能力評估，具有較高的準確性。此次研究的評估方法能夠為其他城市防災、減災以及災害預警上提供基礎依據(jù)，從而使各個城市安全穩(wěn)定發(fā)展。