城市風(fēng)暴潮災(zāi)害快速評(píng)估的模糊決策方法*
——以廈門(mén)市為例

肖啟華，張建新，黃冬梅

(上海海洋大學(xué)信息學(xué)院，上海201306)

城市風(fēng)暴潮災(zāi)害快速評(píng)估的模糊決策方法*
——以廈門(mén)市為例

肖啟華，張建新，黃冬梅

(上海海洋大學(xué)信息學(xué)院，上海201306)

綜合考慮了反映風(fēng)暴潮災(zāi)害的自然特征和社會(huì)屬性的4個(gè)指標(biāo)，將其作為評(píng)估指標(biāo)，建立了基于模糊決策的風(fēng)暴潮發(fā)生過(guò)程中城市災(zāi)害的快速評(píng)估模型，并以街道為最小評(píng)估單元，對(duì)廈門(mén)市進(jìn)行了一次模擬風(fēng)暴潮的災(zāi)害綜合快速評(píng)估。由于模型考慮了少量具有代表性的因素，故能保證評(píng)估過(guò)程的快速性、評(píng)估結(jié)果的時(shí)效性，能為政府在有限的時(shí)間和資源下做出救災(zāi)減災(zāi)的優(yōu)先工作策略提供決策依據(jù)。

風(fēng)暴潮災(zāi)害;快速評(píng)估;模糊決策;模糊模式識(shí)別;模糊綜合評(píng)判;城市;福建廈門(mén)

風(fēng)暴潮是一種由強(qiáng)風(fēng)掀起的巨浪，在高潮位時(shí)發(fā)生的猛烈增水現(xiàn)象。中國(guó)是遭受風(fēng)暴潮災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，風(fēng)暴潮的年均經(jīng)濟(jì)損失已由1950年代初期的1億元左右發(fā)展到現(xiàn)在的上百億元［1－2］。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，風(fēng)暴潮作為我國(guó)主要的海洋災(zāi)害，已成為國(guó)家減災(zāi)防災(zāi)工作的重點(diǎn)之一。

對(duì)于風(fēng)暴潮災(zāi)害的評(píng)估，包括災(zāi)前的預(yù)評(píng)估(在災(zāi)害發(fā)生之前的預(yù)測(cè)性評(píng)估)，災(zāi)中的監(jiān)測(cè)性評(píng)估(災(zāi)害發(fā)生時(shí)迅速估算其大概的損失)，災(zāi)后評(píng)估(即災(zāi)后對(duì)損失現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查測(cè)算)［3］。三者具有不同的意義和用途。本文通過(guò)選取適當(dāng)?shù)臑?zāi)害評(píng)估指標(biāo)，運(yùn)用模糊決策，對(duì)風(fēng)暴潮發(fā)生過(guò)程中某個(gè)城市遭受的風(fēng)暴潮災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)性評(píng)估，目的在于對(duì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)城市不同區(qū)域遭受的綜合災(zāi)害情況做出快速評(píng)估，以便及時(shí)為搶險(xiǎn)救災(zāi)決策提供參考依據(jù)。

1 風(fēng)暴潮災(zāi)害綜合評(píng)估體系

1.1 風(fēng)暴潮災(zāi)害評(píng)估承災(zāi)體指標(biāo)體系

風(fēng)暴潮災(zāi)害評(píng)估既要分析反映災(zāi)害災(zāi)情的自然特征，又要分析描述承災(zāi)體狀況的災(zāi)害社會(huì)特征。潮災(zāi)自然屬性特征由潮災(zāi)的發(fā)生時(shí)間、位置、范圍、程度、動(dòng)態(tài)變化等來(lái)描述，潮災(zāi)的社會(huì)屬性——承災(zāi)體則以受潮災(zāi)威脅區(qū)域的人及社會(huì)財(cái)產(chǎn)，包括人口、房屋、工商企業(yè)、農(nóng)作物、基礎(chǔ)設(shè)施等來(lái)表征。承災(zāi)體的易損性特征反映了特定社會(huì)的人們及其所擁有的財(cái)產(chǎn)對(duì)災(zāi)害的承受能力。城市化后，城市對(duì)水、電、煤氣、通訊、信息、交通等城市“生命線(xiàn)設(shè)施”網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的依賴(lài)性增大，由潮災(zāi)引起的各種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的局部破壞，可能影響城市的整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，甚至造成城市癱瘓。參考聯(lián)合國(guó)拉丁美洲和加勒比海經(jīng)社理事會(huì)(UNECLAC)提出的評(píng)估自然災(zāi)害對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響的ECLAC評(píng)估方法［4］，可將風(fēng)暴潮災(zāi)害的承災(zāi)體做如下分類(lèi)(圖1)。

圖1 風(fēng)暴潮災(zāi)害評(píng)估承災(zāi)體指標(biāo)體系

1.2 風(fēng)暴潮災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)體系

風(fēng)暴潮災(zāi)是人、自然、社會(huì)相互作用的結(jié)果。要評(píng)估一個(gè)城市風(fēng)暴潮災(zāi)害的綜合影響，必須從致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體中提取出災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的辨識(shí)因子(指標(biāo)體系)，依照這些災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)要素，結(jié)合受災(zāi)區(qū)實(shí)際情況，可將災(zāi)害劃分為若干個(gè)等級(jí)［5－6］(表1)。

表1 風(fēng)暴潮災(zāi)害綜合評(píng)估指標(biāo)體系

1.3 城市風(fēng)暴潮災(zāi)害快速評(píng)估指標(biāo)

城市風(fēng)暴潮災(zāi)害快速評(píng)估是對(duì)發(fā)生風(fēng)暴潮災(zāi)害時(shí)的城市各個(gè)區(qū)域受災(zāi)情況的快速反應(yīng)，目的是在有限的時(shí)間和資源下，為政府做出救災(zāi)減災(zāi)的優(yōu)先工作策略提供決策依據(jù)。因此為了保證評(píng)估過(guò)程的快速性、評(píng)估結(jié)果的時(shí)效性，宜選用能反映風(fēng)暴潮災(zāi)害綜合影響的少數(shù)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。本文選取的指標(biāo):①風(fēng)暴潮增水;②城市常住人口;③城市企、事業(yè)單位;④房屋占地面積。

2 單因素評(píng)價(jià)方法

單因素評(píng)價(jià)是指對(duì)選取的影響城市風(fēng)暴潮災(zāi)害快速評(píng)估的各個(gè)指標(biāo)分別進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)首先根據(jù)數(shù)據(jù)獲取情況確定待評(píng)估城市的最小評(píng)估單元(如街道、社區(qū)等)，然后調(diào)用各因素?cái)?shù)據(jù)，計(jì)算各因素對(duì)事先確定的各評(píng)價(jià)等級(jí)模糊集的隸屬度，由最大隸屬度原則，確定各因素評(píng)價(jià)等級(jí)，屬于模糊模式識(shí)別問(wèn)題。

2.1 因素評(píng)價(jià)等級(jí)評(píng)價(jià)規(guī)則

①設(shè)定各因素的評(píng)價(jià)等級(jí)數(shù)m;②根據(jù)待評(píng)估城市歷史資料、政府發(fā)布的相關(guān)文件數(shù)據(jù)以及收集到各因素?cái)?shù)據(jù)的實(shí)際情況可以設(shè)定各因素每個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的區(qū)間值;③確定各因素每個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)區(qū)間的模糊隸屬函數(shù)類(lèi)型;④計(jì)算各因素每個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的選定隸屬函數(shù)的參數(shù)。

2.2 因素等級(jí)評(píng)價(jià)

各因素等級(jí)評(píng)價(jià)針對(duì)城市每個(gè)最小評(píng)估單元，采用基于最大隸屬度原則的模式識(shí)別方法，調(diào)用該最小評(píng)估單元各因素?cái)?shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定好的等級(jí)評(píng)價(jià)規(guī)則，計(jì)算各因素的等級(jí)與等級(jí)值。

設(shè)論域?yàn)閁，A1，A2，…，Am是論域U上的m個(gè)模糊子集(這里的模糊子集表各因素評(píng)價(jià)等級(jí)數(shù)值區(qū)間)，它們構(gòu)成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的模型庫(kù)。對(duì)于一個(gè)特定的對(duì)象u0∈U進(jìn)行識(shí)別，如果

即采用極大隸屬度原則，將u0劃歸n個(gè)模糊子集Ai(i=1，2，…，m)，從而認(rèn)為對(duì)象u0相對(duì)屬于第i個(gè)模式［7］。

將最小評(píng)估單元的因素?cái)?shù)據(jù)代入該因素對(duì)應(yīng)

的各等級(jí)隸屬函數(shù)，計(jì)算得到表示該最小評(píng)估單元對(duì)第j個(gè)等級(jí)的隸屬度{rsjn|s=1，…，4;j= 1，2，…，m;n=1，2，…，N}(其中，s為評(píng)價(jià)因素，n為最小評(píng)估單元序號(hào))。如果rsj0n=max {rsjn|j=1，2，…，m}，則該最小評(píng)估單元的第s個(gè)評(píng)估因素等級(jí)即為:

當(dāng)j0不唯一時(shí)取其最大者;等級(jí)值可以取為:

3 風(fēng)暴潮綜合災(zāi)害快速評(píng)估的模糊決策

風(fēng)暴潮災(zāi)害快速評(píng)估的模糊決策首先對(duì)影響風(fēng)暴潮綜合災(zāi)害的4個(gè)因素進(jìn)行賦權(quán)，然后利用已經(jīng)計(jì)算出的各單因素評(píng)價(jià)值，采用模糊綜合評(píng)價(jià)的方法對(duì)城市各最小評(píng)估單元的綜合災(zāi)害進(jìn)行評(píng)估。

3.1 權(quán)重向量生成

權(quán)重是衡量各因素對(duì)災(zāi)害等級(jí)影響程度相對(duì)大小的量，權(quán)重越大意味著該因素對(duì)災(zāi)害影響越大。權(quán)重分配一直是個(gè)難題，根據(jù)歷史災(zāi)害損失數(shù)據(jù)的收集情況，可以采用主觀、客觀或主客觀相結(jié)合的賦權(quán)方法。

3.2 綜合災(zāi)害快速評(píng)估的模糊綜合評(píng)判方法

風(fēng)暴潮災(zāi)害的定量評(píng)估是災(zāi)害理論研究中的一個(gè)難題，隨著近年來(lái)“國(guó)際減災(zāi)十年”活動(dòng)的展開(kāi)，它又成為災(zāi)害理論研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。模糊理論在其中得到了廣泛的應(yīng)用［8］。本文采用模糊決策中的模糊綜合評(píng)判方法對(duì)風(fēng)暴潮發(fā)生過(guò)程中某城市遭受災(zāi)害的綜合情況做出快速評(píng)估。

設(shè)影響評(píng)估的因素的集合為U={u1，u2，…，uk}，m個(gè)評(píng)語(yǔ)的集合為V={v1，v2，…，vm}，這里的評(píng)語(yǔ)表示災(zāi)害和各因素評(píng)估等級(jí)。若用rij表示第k個(gè)因素對(duì)第j種評(píng)語(yǔ)的隸屬度，則因素論域與評(píng)語(yǔ)論域之間的關(guān)系可用評(píng)價(jià)矩陣

表示。其中0≤rsj=μR(us，vj)≤1，s=1，2，…，k;j=1，2，…，m。

在全面評(píng)價(jià)一對(duì)象時(shí)，要著眼于所有因素，但各因素的參考價(jià)值可能不盡相同，評(píng)價(jià)者對(duì)各因素的重要程度可以看作是因素集U的模糊子集，記為

將A與R的合成看作評(píng)價(jià)者綜合各因素和對(duì)被評(píng)價(jià)對(duì)象做出的最終評(píng)價(jià)，即模糊綜合評(píng)價(jià)。其數(shù)學(xué)模型為:

其中的運(yùn)算是模糊集的交與并運(yùn)算，可以有多種選擇，主要依據(jù)數(shù)據(jù)特性做出選擇［7］。

4 實(shí)例分析

廈門(mén)市地處東亞大陸的東南緣，西臨西太平洋和南海，由于特殊的地理位置和氣候條件，常遭受臺(tái)風(fēng)襲擊和影響，給該市造成較為嚴(yán)重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。以下，我們選取街道為最小評(píng)價(jià)單位;取評(píng)估等級(jí)m=5;根據(jù)獲取數(shù)據(jù)特點(diǎn)，選定各因素的隸屬函數(shù)為鐘形或梯形隸屬函數(shù)，采用模糊決策，對(duì)廈門(mén)市在某次模擬風(fēng)暴潮進(jìn)行中的某時(shí)刻經(jīng)受的綜合災(zāi)害，以及風(fēng)暴潮結(jié)束之際城市的總災(zāi)害進(jìn)行了定量快速評(píng)估。

4.1 某時(shí)刻城市風(fēng)暴潮綜合災(zāi)害評(píng)估

4.1.1 街道風(fēng)暴潮災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)及分級(jí)列表

參考國(guó)家、廈門(mén)市有關(guān)文件和發(fā)布的信息，結(jié)合廈門(mén)市歷史漬澇數(shù)據(jù)，給出基于街道水平的城市風(fēng)暴潮綜合災(zāi)害快速評(píng)估指標(biāo)體系(表2)。

表2 城市風(fēng)暴潮綜合災(zāi)害快速評(píng)估指標(biāo)體系

4.1.2 街道評(píng)估矩陣

將表2中數(shù)據(jù)范圍模糊化，代入各因素每個(gè)等級(jí)的選定隸屬函數(shù)，可確定各隸屬函數(shù)參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算各因素對(duì)各評(píng)價(jià)等級(jí)的模糊隸屬度，從而得到街道評(píng)估矩陣。第n(n=1，2，…，15)個(gè)街道的評(píng)估矩陣為

式中:0≤rsj=μR(us，vj)≤1，s=1，2，3，4;j= 1，2，…，5。

4.1.3 街道災(zāi)害綜合評(píng)估等級(jí)

對(duì)各個(gè)因素采用層次分析法進(jìn)行賦權(quán)，運(yùn)用模糊綜合評(píng)判法，對(duì)第n個(gè)街道進(jìn)行災(zāi)害綜合評(píng)價(jià)如下:

則第n個(gè)街道該時(shí)刻的災(zāi)害綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為j0(j0= 1，2，…，5)。

第n個(gè)街道災(zāi)害綜合評(píng)價(jià)等級(jí)值取為ZJn=

當(dāng)街道平均風(fēng)暴潮增水不足2 cm時(shí)，不對(duì)該街道作災(zāi)害綜合評(píng)估。運(yùn)用以上方法，得到了廈門(mén)市一次模擬風(fēng)暴潮災(zāi)害某時(shí)刻基于街道水平的綜合災(zāi)害評(píng)估結(jié)果(圖2)。

圖2 一次模擬風(fēng)暴潮某時(shí)刻基于街道水平的風(fēng)暴潮災(zāi)害綜合評(píng)估結(jié)果

4.1.4 城市災(zāi)害綜合評(píng)價(jià)等級(jí)

整個(gè)城市某時(shí)刻災(zāi)害綜合等級(jí)值可以取為城市所有街道災(zāi)害綜合等級(jí)值的面積百分比加權(quán)和，由綜合等級(jí)值易得出城市災(zāi)害綜合評(píng)價(jià)等級(jí)。

4.2 一次風(fēng)暴潮災(zāi)害綜合評(píng)估

當(dāng)一次風(fēng)暴潮結(jié)束，根據(jù)風(fēng)暴潮過(guò)程中各個(gè)時(shí)刻的因素評(píng)價(jià)最大數(shù)據(jù)，依照各單因素的權(quán)重系數(shù)，利用模糊綜合評(píng)價(jià)方法，容易計(jì)算得到一次風(fēng)暴潮街道災(zāi)害綜合評(píng)價(jià)(綜合得分及等級(jí))。進(jìn)而計(jì)算出整個(gè)城市在此次風(fēng)暴潮中所受的綜合災(zāi)害等級(jí)與等級(jí)值。

5 結(jié)語(yǔ)

由于風(fēng)暴潮災(zāi)害發(fā)生的突然性、災(zāi)害評(píng)估的不精確性，模糊理論在風(fēng)暴潮災(zāi)害評(píng)估上得到了廣泛的應(yīng)用。本文利用模糊決策理論，使用單個(gè)城市的數(shù)據(jù)，對(duì)風(fēng)暴潮發(fā)生過(guò)程中該城市遭受的綜合災(zāi)害進(jìn)行災(zāi)中評(píng)估。實(shí)際操作過(guò)程中，依據(jù)收集的數(shù)據(jù)情況，可以確定最小評(píng)估單元、各因素模糊隸屬函數(shù)類(lèi)型、各因素權(quán)重分配方法。收集的數(shù)據(jù)越細(xì)致，評(píng)估結(jié)果用于指導(dǎo)災(zāi)害發(fā)生過(guò)程中救災(zāi)減災(zāi)工作越有效率。

［1］景垠娜，尹占娥，殷杰，等．基于GIS的上海浦東新區(qū)暴雨內(nèi)澇災(zāi)害危險(xiǎn)性分析［J］．災(zāi)害學(xué)，2010，25(2):58－63．

［2］王國(guó)棟，康建成，閆國(guó)東．沿海城市風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究述評(píng)［J］．災(zāi)害學(xué)，2010，25(3):114－118．

［3］許啟望，譚樹(shù)東．風(fēng)暴潮災(zāi)害經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估方法研究［J］．海洋通報(bào)，1998，17(1):1－12．

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［8］孫紹騁．災(zāi)害評(píng)估研究?jī)?nèi)容與方法探討［J］．地理科學(xué)進(jìn)展，2001，20(2):122－130．

Fuzzy Decision Method of Fast Evaluation of Urban Storm Surge Disasters——Taking Xiamen City as an Example

Xiao Qihua，Zhang Jianxin and Huang Dongmei
(Information College，Shanghai Ocean University，Shanghai201306，China)

By taking into consideration naturalfeatures and socialattribute of storm surge disaster，four indexes are chosen to establish a model for fast evaluation of urban storm surge disaster during storm surges based on fuzzy decision．Using streets as the minimum evaluation unit，a fast evaluation of a simulated storm surge disaster in Xiamen city is conducted．Putting few representative factors into consideration，the model could thus ensure the rapidity of evaluation process，effectiveness of evaluation results，and provide the decision making basis for the governments to make priority strategy in disaster mitigation in limited time and with limited resources．

storm surge disaster;fast evaluation;fuzzy decision;fuzzy pattern recognition;fuzzy comprehensive evaluation;urban;Xiamen of Fujian

P731.23;X4

A

1000－811X(2011)02－0077－04

2010－09－21

海洋公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(200905014);上海市科委重大項(xiàng)目(08dz1204802);上海海洋大學(xué)人文社科項(xiàng)目(A－0211－08－0335)

肖啟華(1976－)，女，漢族，湖南漢壽人，講師，碩士，主用從事應(yīng)用數(shù)學(xué)研究．E-mail:qhxiao@shou.edu.cn