基于FCE-CM的城市立体交通系统韧性评价研究.pdf

第 卷 第 期 年 月武 汉理工大学学报(信息与管理工程版)().文章编号:()文献标志码:基于 的城市立体交通系统韧性评价研究苏 艨宋英华王 喆陈方宇(.武汉理工大学 中国应急管理研究中心湖北 武汉.武汉理工大学 安全科学与应急管理学院湖北 武汉.中南财经政法大学 工商管理学院湖北 武汉)摘 要:城市立体交通系统作为城市日常运转和应急管理的生命线其遭受灾害时的韧性直接关系着城市社会经济的可持续发展 从扰动力、抵抗力、适应力和恢复力 个方面构建城市立体交通系统韧性评价指标体系通过熵权法为各指标赋权并基于模糊综合评价法和云模型建立城市立体交通系统韧性评价模型(模型)以上海市为实例通过 模型评价其城市立体交通系统韧性 研究表明:基于 的城市立体交通韧性评价体系能够全面、准确地反映城市立体交通系统的韧性水平可为城市立体交通系统的评价及优化提供参考关键词:城市立体交通系统韧性评价熵权法云模型模糊综合评价法中图分类号:./.收稿日期:.作者简介:苏艨()男硕士研究生研究方向为交通安全、韧性评价.通讯作者:王喆()男副教授研究方向为公共安全、应急管理、风险识别.基金项目:湖北省社会科学基金重点项目暨省新型智库项目().城市立体交通系统是维系现代城市基本功能的生命线工程之一包含海上、路面、地下和空中 个部分 作为突发事件发生后人员疏散、救援人员派遣、工程队派遣和运输防灾物资的救援生命线交通系统遭受灾害时的应对能力及恢复能力也即其韧性对城市应急管理至关重要直接关系着城市社会经济的可持续发展交通系统韧性评价研究始于交通工程材料损伤研究现已成为城市交通领域中的研究热点国内外学者分析影响交通系统韧性的因素并通过各种韧性评价方法如 法、熵权法、模糊综合评价法、层次分析法等建立城市立体交通系统韧性评价模型 指出交通系统受灾后的剩余功能、恢复速度和对外部资源的需求数量 方面共同决定着交通系统的韧性 指出基础设施的质量、服务能力的降低、工程恢复到初始状态所需要的时间决定着生命线工程的韧性 唐少虎等针对暴雨内涝灾害对城市道路交通系统的影响将道路交通系统韧性网络划分为 层构建网络分层模型并利用模糊层次分析法进行综合评估 莫俊文等以铁路建设工程系统为研究对象在熵权法赋权的基础上建立云模型对铁路建设工程系统韧性进行综合评估模糊综合评价法和云模型是一种相对较新的评价方法与传统的定量和定性评价方法相比具有更好的处理模糊和不确定信息的能力 模糊评价方法主要是将模糊数学的理论和方法应用到评价中可以更准确地评价城市交通系统的韧性和可持续性 而云模型则是在模糊评价的基础上进一步考虑了信息不确定性和不精确性的问题提高了评价的精度和可靠性 笔者通过模糊综合评价 云模型()构建城市立体交通韧性评价指标体系建立城市立体交通系统韧性评价模型并以上海市为实例进行分析验证模型的实用性 韧性评价指标体系构建城市立体交通系统是一个复杂且庞大的系统其韧性可以被定义为在面对不可预测的挑战或危机时保持系统基本功能的能力 这些挑战包括自然灾害、交通拥堵、能源短缺、恐怖主义等 笔者按照系统经历扰动事件的前、中、后(时间属性)的正常顺序选取科学、简明、综合的评价指标构建城市立体交通韧性评价体系从韧性角度来看城市立体交通系统的韧性可以归纳为 个方面:扰动力、抵抗力、恢复力和适应力 扰动力是指城市立体交通系统受到的外部冲击对系统的正常运行和通行产生的不利影响可考虑交通拥堵程度、交通事故发生率、运输供应链可靠性等指标抵抗力是指城市立体交通系统在受到外部冲击时能够保持系统功能正常运作的能力可考虑道路和公路的基础设施设备维护情况、铁路交通运输安全技术等指标恢复力是指城市立体交通系统在扰动因素消失后恢复正常运营能力的能力可考虑交通事故处理效率、道路和公路设施的恢复时间、铁路交通运输设备的维修速度等指标适应力是指城市立体交通系统在长期变化和不确定性下的应对能力可考虑城市交通规划和运营的可持续性、城市交通建设的创新能力、城市交通应急管理的协调能力等指标在目标层为城市立体交通系统韧性的情况下将准则层分为扰动力、抵抗力、适应力、恢复力 个方面并通过对城市立体交通系统韧性影响因素的分析、对相关法律规范与相关文献的梳理与整合选定 项二级指标因子从而构建出韧性评价的指标体系如表 所示表 韧性评价指标体系目标层准则层指标层对应指标解释城市立体交通系统韧性扰动力 抵抗力 适应力 恢复力 交通拥堵指数 反映城市交通的拥堵程度拥堵路段占比 反映城市交通中拥堵路段的占所有路段的比例交通事故经济损失 交通事故造成的经济损失交通事故伤亡人数 交通事故中受伤和死亡的人数道路危险货物运输量 反映城市道路运输中危险货物的数量和规模拥有道路长度 所拥有的道路总长度包含铁路营业里程、内河航道里程、公路里程人均拥有道路面积 每个城市居民所拥有的道路面积每万人拥有公共交通车辆 每万人口所拥有的公共交通车辆数量旅客发送量 城市交通系统运输旅客的总量包含铁路、公路、港口、机场货物运输总量 城市立体交通系统中运输货物的总量科学技术支出决算 城市立体交通系统用于研发和应用交通科技信息的资金支出交通运输信息化建设决算 城市立体交通系统用于信息化建设的资金支出高风险隐患排查频率 反映城市对交通系统中高风险隐患的排查频率预警信息覆盖率 反映城市交通系统中的预警信息覆盖范围交通安全责任险覆盖率 反映城市交通系统中交通安全责任险的覆盖程度交通运输、仓储和邮政业固定资产投资增幅 与上一年相比交通运输、仓储和邮政业在固定资产上的投入的增长幅度交通应急救援专业化队伍 反映城市交通系统中应急救援队伍的规模和专业程度公路和运输安全决算 反映公路和运输安全方面的支出情况以及对保障公路和运输安全的重视程度应急预案更新频率 反映城市交通系统对应对突发事件预案的更新速度综合运输应急装备物资 反映城市交通系统在应对突发事件时的综合运输应急装备物资的储备情况 扰动力、抵抗力、适应力、恢复力这 个方面囊括了城市立体交通系统韧性构成的主要能力贯穿了系统遭受扰动的全过程以此提供了一个全面的评估城市立体交通系统韧性的视角为城市立体交通系统韧性评价模型的构建奠定了基础 基于 的韧性评价方法.模糊综合评级法()模糊综合评价法()是层次分析法和模糊数学方法的一种综合运用 对于综合评价中那些不易定量、边界不清的因素模糊综合评价法基于隶属度理论用模糊关系合成的原理将其定量化从而对研究对象做出总体评价对于评价因素个数为 的指标体系模糊综合评价的具体过程为:确定评价对象的评价因素集 确定评价对象的评语集 确定评价因素的权重系数 ()其中 确武汉理工大学学报(信息与管理工程版)年 月定评价对象对评价集合 的隶属程度从而得到模糊关系矩阵 ()表示从因素 来看被评价对象对等级模糊子集 的隶属度 将权重系数 与模糊关系矩阵 合成以此得到各被评价对象的模糊综合评价结果矢量 ()其中 表示被评级对象从整体上看对评价等级模糊子集元素 的隶属程度 对模糊综合评价结果进行定量分析.云模型()云模型最初由李 德 毅 院 士 于 年 提出主要基于云的计算、推理和控制等客观描述数据间的随机性、模糊性及两者关联度 假设 表示一个普通集合也可称其为论域 表示 中的一个定性概念定量值 表示定性概念 的任意随机实现值将 在论域 的分布称之为云即 随机数()表示定量值 在 的实现确定度()且具备():()期望()、熵()、超熵()是体现云模型概念数学特性的 个数字特征分别表示论域空间中云滴的重心位置、定性概念 的可度量度、熵值的不确定性度量与样本自身的随机性可表示为()个数字特征将定性概念的模糊性和随机性联系起来云模型的运用从一定程度上避免了定性变量向定量变量转化的强硬问题可实现定性变量在论域内的任意表达避免主观误差的同时也提高了系统评价的精度云模型包含正向云发生器和逆向云发生器两类 正向云发生器表示将定性概念转变为定量表示主要通过云模型的 个数字特征生成云滴每个云滴均为模拟的具体展示最终模拟出的曲线为函数图像 逆向云反应器与正向云反应器逻辑相反是将定量表述转化为定性概念的过程将数据集合转化为 个数字特征并由此确定数字特征所表示的定性概念.基于 的城市立体交通系统韧性评价模型 ()评价指标集和评价状态集的设定 定义评价指标集 是指影响城市立体交通系统韧性的因素在该模型中从扰动力、抵抗力、适应力和恢复力 方面因素分析系统韧性评价指标共计 个 评价状态集 是指每个指标可能具有的状态 在该城市立体交通系统韧性评价模型中将指标属性划分为 个等级分别为低度韧性(级)、较低韧性(级)、中度韧性(级)、较高韧性(级)和高度韧性(级)()评价指标集的归一化处理 归一化处理的目的是消除量纲的影响采用式()对评价指标进行归一化处理得到标准值 正向指标 负向指标()式中:为评价指标原始值与 分别为原始值中的最大值与最小值 ()云生成与隶属度的计算 将归一化后的各评价指标值作为输入点以输入点为中心值并以任意生成随机数的方法生成一组具有稳定倾向的随机数 将随机数作为云滴利用逆向云算法将输入点映射到云图中并由式()计算出相应的隶属度和数字特征()利用各数字特征来代替隶属度并计算评价矩阵 ()其中 ()()式中:为随机变量 的方差()各指标的权重系数的确定 使用熵权法确定各指标权重系数 ()熵权法是一种客观赋权方法在该城市立体交通系统韧性评价问题中第 个评价指标的熵如式()所示则第 个指标的熵权如式()所示 ()()式中:()综合评价结果的计算与云图的转化 将归一化后的指标值、各状态的隶属度和权重系数代入模糊综合评价模型 ()中计算城市立体交通系统韧性的综合评价值 表示城市立体交通系统韧性评价的实际状况 值越小表明评价结果可信度越高 值越小表明结果的稳定性越好 利用正向云发生器将综合评价结果转化为云图的形式即评价对象第 卷 第 期苏 艨等:基于 的城市立体交通系统韧性评价研究云以直观展示综合评价结果()评价标准云图的生成 通过黄金分割法确定评价状态集的重要分布点并生成每个点的正态云图 这些云图可以合并为一个评价标准云图用于评估城市立体交通系统韧性的等级()最终评价等级的确定与结果的比较 将城市立体交通系统韧性的评价结果与各评价标准云进行相似度计算相似度为对应评价对象云向量与标准云向量之间的余弦 并利用最大相似度原则选择与评价结果相似度最高的评价标准云作为最终评价结果的等级 此外通过对评价结果和评价标准云图的比较从更直观的角度得出城市立体交通系统韧性的评价结果综上笔者提出基于 的城市立体交通系统韧性评价模型如图 所示图 基于 的城市立体交通系统韧性评价模型 实例分析“十四五”以来上海对综合交通体系不断进行完善以“枢纽型、功能性、网络化、智能化、绿色化”为目标有序推进了各项重大交通项目国际航运中心建成港口能力不断提升沪苏通铁路建成通车沪通二期、沪苏湖铁路建设稳步进行多模式公交线路开通运营轨道交通网络规模领跑全球 与此同时上海的综合交通体系依然存在一些问题如长三角区域的城际轨道交通相对缺乏、新城综合交通体系不够完善等“十四五”规划指出城市运行安全需要更强的交通韧性因此对上海城市立体交通系统韧性进行评价与分析具有重要意义.韧性指标权重的确定邀请城市交通行业 位专家学者对构建的城市立体交通韧性评价指标体系进行打分其中包括 位研究城市交通方面的专家教授、位交通行业的工作人员和 位交通行业的学术研究者 将 位专家对指标层评价指标的评分值进行统计得到各指标的专家打分初始评价值并根据熵权法确定各指标权重如表 所示.指标隶属云计算以上海市城市立体交通系统韧性作为评价对表 各准则层和指标层指标权重准则层指标层扰动力(权重.)抵抗力(权重.)权重.准则层指标层适应力(权重.)恢复力(权重.)权重.象数据主要来源于 年国家统计局分省年度数据、上海统计年鉴、上海市交通委员会年度部门决算根据前文建立的模型以各评价指标的数值为中心点以.为标准差通过标准正态分布生成一组有稳定倾向的随机数 根据模型计算各指标相应的数字特征作为隶属云 根据 ()得出评价对象在对应评价标准中的隶属云并根据各评价准则的权重进一步得出最终评价目标的隶属云 年的目标层云数字特征如表 所示.数字特征与评价云图以 城市立体交通系统为例对其评价云表 各年份目标层云数字特征年份隶属云.图及各项数字特征进行分析 年各准则层隶属云如表 所示云模型用 个数字特征来整体表征一个概念 反映实际城市立体交通系统韧性的预期 反映评价结果的可信度 反映的是对不确定性评价结果所带来的不稳定性由表和表武汉理工大学学报(信息与管理工程版)年 月表 各准则层隶属云评价准则隶属云扰动力.抵抗力.适应力.恢复力.可知各准则层和总体目标的 数值较小表明本次评估结果较可信各准则层和总体目标的 数值较小表明本次评价结果较稳定评价状态集的确定需要将评价等级与论域的区间对应起来将论域的边界、分别设置为评价等级“低度韧性(级)”与“高度韧性(级)”的期望以论域中心值.作为评价等级“中度韧性(级)”的期望值 根据黄金分割方法确定出.之间的点为.之间的点为.并将这两个值分别设置为评价等级“较低韧性(级)”与“较高韧性(级)”的期望在确定评价状态集后需要计算评价等级的熵和超熵值根据实践经验各评价等级的超熵 .利用正态云的性质计算出各评价等级的熵()由此得到各等级的详细数字特征如表 所示表 各评价等级和云的数字特征评价等级低度韧性(级)较低韧性(级)中度韧性(级)较高韧性(级)高度韧性(级)数字特征.依据 年城市立体交通隶属云数据利用正向云发生器生成云滴绘制出评价状态云图将其与评价标准云图进行叠加得到 年上海市城市立体交通系统韧性相对于标准的评价结果 扰动力、抵抗力、适应力、恢复力的评价云图如图 所示图 上海市城市立体交通系统韧性准则层评价云图 由图 可以看出“扰动力”的评价云图位于标准评价云图中“较低韧性”和“中度韧性”之间且略微向“较低韧性”偏移因此可以认为上海市的城市交通立体系统扰动力评估状态位于“较低韧性”和“中度韧性”之间且偏向“较低韧性”有较低的交通风险倾向 同理可以得出上海市城市交通立体系统有较高的风险抵抗能力与相对较差的恢复正常运营的能力和应对不确定性的能力上海市城市立体交通系统韧性总体评价云图第 卷 第 期苏 艨等:基于 的城市立体交通系统韧性评价研究如图 所示 由图 可以看出上海市城市立体交通系统韧性总体评估状态位于“较低韧性”和“中度韧性”之间且十分靠近评价等级“中度韧性”总体来说上海市城市立体交通系统韧性处于中度等级有较大的提升空间图 上海市城市立体交通系统韧性总体评价云图.云相似度计算评价隶属云与各个评价等级隶属云之间的云相似度如表 所示 该结果为上海市各年份城市立体交通系统韧性总体评价结果根据最大相似原则上海市城市立体交通系统韧性评估等级为“中度韧性”其中评价等级“高度韧性”、“较高韧性”、“中度韧性”各年份间数值差距较小结合图 再次表明了结果的一致性表 城市立体交通系统韧性评估等级云相似度年份 低度韧性 较低韧性 中度韧性 较高韧性 高度韧性.结论()基于对城市立体交通系统影响因素的考虑将城市立体交通系统韧性的属性归纳为扰动力、抵抗力、恢复力、适应力 个方面构建出城市立体交通系统韧性评价指标体系()使用云模型处理韧性指标体系中的不确定性信息通过熵权法获得韧性评价指标的权重结合模糊综合评价法建立了基于 的城市立体交通系统韧性评价模型 ()以上海市城市立体交通系统为例采用 城市立体交通韧性评价模型进行实证分析评价结果表明该模型能够全面、准确地反映城市立体交通系统的韧性水平参考文献:杨秀平王里克李亚兵等.韧性城市研究综述与展望.地理与地理信息科学():.王喆王世昌涂圣友等.应急行动方案决策研究综述.武汉理工大学学报(信息与管理工程版)():.刘丹裴虹程灵希等.基于改进 法的区域道路交通安全评价.武汉理工大学学报(信息与管理工程版)():.:.:.唐少虎朱伟程光等.暴雨内涝下城市道路交通系统安全韧性评估.中国安全科学学报():.莫俊文滕仓国李甲等.基于熵权二维云模型的高铁建设工程系统韧性评价.铁道科学与工程学报():.王喆杨栋梁况星园等.考虑提示学习的洪涝灾害应急决策自动问答模型研究.中国安全生产科学技术():.魏思源丛子皓谢梦婷 等.疫情防控常态化下社区交通网格化管理博弈模型分析.物流技术():.胡少帅李劲夫.区域道路交通安全云模型 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