基于FCE-CM的城市立體交通系統(tǒng)韌性評(píng)價(jià)研究

蘇 艨,宋英華,王 喆,陳方宇

(1.武漢理工大學(xué) 中國(guó)應(yīng)急管理研究中心,湖北 武漢 430070;2.武漢理工大學(xué) 安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院,湖北 武漢 430070;3.中南財(cái)經(jīng)政法大學(xué) 工商管理學(xué)院,湖北 武漢430073)

城市立體交通系統(tǒng)是維系現(xiàn)代城市基本功能的生命線工程之一,包含海上、路面、地下和空中4個(gè)部分。作為突發(fā)事件發(fā)生后人員疏散、救援人員派遣、工程隊(duì)派遣和運(yùn)輸防災(zāi)物資的救援生命線,交通系統(tǒng)遭受災(zāi)害時(shí)的應(yīng)對(duì)能力及恢復(fù)能力,也即其韌性,對(duì)城市應(yīng)急管理至關(guān)重要,直接關(guān)系著城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

交通系統(tǒng)韌性評(píng)價(jià)研究始于交通工程材料損傷研究,現(xiàn)已成為城市交通領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn),國(guó)內(nèi)外學(xué)者分析影響交通系統(tǒng)韌性的因素,并通過(guò)各種韌性評(píng)價(jià)方法,如TOPSIS法、熵權(quán)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、層次分析法等,建立城市立體交通系統(tǒng)韌性評(píng)價(jià)模型[1-3]。MURRAY-TUITE[4]指出交通系統(tǒng)受災(zāi)后的剩余功能、恢復(fù)速度和對(duì)外部資源的需求數(shù)量3方面共同決定著交通系統(tǒng)的韌性。BRABHAHARAN[5]指出基礎(chǔ)設(shè)施的質(zhì)量、服務(wù)能力的降低、工程恢復(fù)到初始狀態(tài)所需要的時(shí)間決定著生命線工程的韌性。唐少虎等[6]針對(duì)暴雨內(nèi)澇災(zāi)害對(duì)城市道路交通系統(tǒng)的影響,將道路交通系統(tǒng)韌性網(wǎng)絡(luò)劃分為4層,構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)分層模型,并利用模糊層次分析法進(jìn)行綜合評(píng)估。莫俊文等[7]以鐵路建設(shè)工程系統(tǒng)為研究對(duì)象,在熵權(quán)法賦權(quán)的基礎(chǔ)上建立云模型,對(duì)鐵路建設(shè)工程系統(tǒng)韌性進(jìn)行綜合評(píng)估。

模糊綜合評(píng)價(jià)法和云模型是一種相對(duì)較新的評(píng)價(jià)方法,與傳統(tǒng)的定量和定性評(píng)價(jià)方法相比,具有更好的處理模糊和不確定信息的能力。模糊評(píng)價(jià)方法主要是將模糊數(shù)學(xué)的理論和方法應(yīng)用到評(píng)價(jià)中,可以更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)城市交通系統(tǒng)的韌性和可持續(xù)性。而云模型則是在模糊評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮了信息不確定性和不精確性的問(wèn)題,提高了評(píng)價(jià)的精度和可靠性。筆者通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)-云模型(FCE-CM)構(gòu)建城市立體交通韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,建立城市立體交通系統(tǒng)韌性評(píng)價(jià)模型,并以上海市為實(shí)例進(jìn)行分析,驗(yàn)證模型的實(shí)用性。

1 韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

城市立體交通系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜且龐大的系統(tǒng),其韌性可以被定義為在面對(duì)不可預(yù)測(cè)的挑戰(zhàn)或危機(jī)時(shí),保持系統(tǒng)基本功能的能力[8-9]。這些挑戰(zhàn)包括自然災(zāi)害、交通擁堵、能源短缺、恐怖主義等。筆者按照系統(tǒng)經(jīng)歷擾動(dòng)事件的前、中、后(時(shí)間屬性)的正常順序,選取科學(xué)、簡(jiǎn)明、綜合的評(píng)價(jià)指標(biāo),構(gòu)建城市立體交通韌性評(píng)價(jià)體系。

從韌性角度來(lái)看,城市立體交通系統(tǒng)的韌性可以歸納為4個(gè)方面:擾動(dòng)力、抵抗力、恢復(fù)力和適應(yīng)力。①擾動(dòng)力是指城市立體交通系統(tǒng)受到的外部沖擊對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和通行產(chǎn)生的不利影響,可考慮交通擁堵程度、交通事故發(fā)生率、運(yùn)輸供應(yīng)鏈可靠性等指標(biāo);②抵抗力是指城市立體交通系統(tǒng)在受到外部沖擊時(shí)能夠保持系統(tǒng)功能正常運(yùn)作的能力,可考慮道路和公路的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備維護(hù)情況、鐵路交通運(yùn)輸安全技術(shù)等指標(biāo);③恢復(fù)力是指城市立體交通系統(tǒng)在擾動(dòng)因素消失后恢復(fù)正常運(yùn)營(yíng)能力的能力,可考慮交通事故處理效率、道路和公路設(shè)施的恢復(fù)時(shí)間、鐵路交通運(yùn)輸設(shè)備的維修速度等指標(biāo);④適應(yīng)力是指城市立體交通系統(tǒng)在長(zhǎng)期變化和不確定性下的應(yīng)對(duì)能力,可考慮城市交通規(guī)劃和運(yùn)營(yíng)的可持續(xù)性、城市交通建設(shè)的創(chuàng)新能力、城市交通應(yīng)急管理的協(xié)調(diào)能力等指標(biāo)。

在目標(biāo)層為城市立體交通系統(tǒng)韌性的情況下,將準(zhǔn)則層分為擾動(dòng)力、抵抗力、適應(yīng)力、恢復(fù)力4個(gè)方面,并通過(guò)對(duì)城市立體交通系統(tǒng)韌性影響因素的分析、對(duì)相關(guān)法律規(guī)范與相關(guān)文獻(xiàn)的梳理與整合,選定20項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)因子,從而構(gòu)建出韌性評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系,如表1所示。

表1 韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

擾動(dòng)力、抵抗力、適應(yīng)力、恢復(fù)力這4個(gè)方面囊括了城市立體交通系統(tǒng)韌性構(gòu)成的主要能力,貫穿了系統(tǒng)遭受擾動(dòng)的全過(guò)程,以此提供了一個(gè)全面的評(píng)估城市立體交通系統(tǒng)韌性的視角,為城市立體交通系統(tǒng)韌性評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。

2 基于FCE-CM的韌性評(píng)價(jià)方法

2.1 模糊綜合評(píng)級(jí)法(FCE)

模糊綜合評(píng)價(jià)法(FCE)是層次分析法和模糊數(shù)學(xué)方法的一種綜合運(yùn)用[10]。對(duì)于綜合評(píng)價(jià)中那些不易定量、邊界不清的因素,模糊綜合評(píng)價(jià)法基于隸屬度理論,用模糊關(guān)系合成的原理將其定量化,從而對(duì)研究對(duì)象做出總體評(píng)價(jià)。

2.2 云模型(CM)

云模型最初由李德毅院士于1995年提出[11],主要基于云的計(jì)算、推理和控制等,客觀描述數(shù)據(jù)間的隨機(jī)性、模糊性及兩者關(guān)聯(lián)度。假設(shè)M表示一個(gè)普通集合,也可稱其為論域,C表示M中的一個(gè)定性概念,定量值x表示定性概念C的任意隨機(jī)實(shí)現(xiàn)值,將x在論域M的分布稱之為云,即x∈M,隨機(jī)數(shù)m(x)表示定量值x在C的實(shí)現(xiàn)確定度,m(x)∈[0,1],且具備m(x):M→[0,1],?x∈M,x→m(x)。

期望(Ex)、熵(En)、超熵(He)是體現(xiàn)云模型概念數(shù)學(xué)特性的3個(gè)數(shù)字特征,分別表示論域空間中云滴的重心位置、定性概念C的可度量度、熵值的不確定性度量與樣本自身的隨機(jī)性,可表示為C(Ex,En,He)。3個(gè)數(shù)字特征將定性概念的模糊性和隨機(jī)性聯(lián)系起來(lái),云模型的運(yùn)用從一定程度上避免了定性變量向定量變量轉(zhuǎn)化的強(qiáng)硬問(wèn)題,可實(shí)現(xiàn)定性變量在論域內(nèi)的任意表達(dá),避免主觀誤差的同時(shí)也提高了系統(tǒng)評(píng)價(jià)的精度。

云模型包含正向云發(fā)生器和逆向云發(fā)生器兩類。正向云發(fā)生器表示將定性概念轉(zhuǎn)變?yōu)槎勘硎?主要通過(guò)云模型的3個(gè)數(shù)字特征生成云滴,每個(gè)云滴均為模擬的具體展示,最終模擬出的曲線為函數(shù)圖像。逆向云反應(yīng)器與正向云反應(yīng)器邏輯相反,是將定量表述轉(zhuǎn)化為定性概念的過(guò)程,將數(shù)據(jù)集合轉(zhuǎn)化為3個(gè)數(shù)字特征,并由此確定數(shù)字特征所表示的定性概念。

2.3 基于FCE-CM的城市立體交通系統(tǒng)韌性評(píng)價(jià)模型

(1)評(píng)價(jià)指標(biāo)集和評(píng)價(jià)狀態(tài)集的設(shè)定。定義評(píng)價(jià)指標(biāo)集U={u1,u2,…,um},是指影響城市立體交通系統(tǒng)韌性的因素,在該模型中,從擾動(dòng)力、抵抗力、適應(yīng)力和恢復(fù)力4方面因素分析系統(tǒng)韌性,評(píng)價(jià)指標(biāo)共計(jì)20個(gè)。評(píng)價(jià)狀態(tài)集V={v1,v2,…,vn}是指每個(gè)指標(biāo)可能具有的狀態(tài)。在該城市立體交通系統(tǒng)韌性評(píng)價(jià)模型中,將指標(biāo)屬性劃分為5個(gè)等級(jí),分別為低度韌性(Ⅰ級(jí))、較低韌性(Ⅱ級(jí))、中度韌性(Ⅲ級(jí))、較高韌性(Ⅳ級(jí))和高度韌性(Ⅴ級(jí))。

(2)評(píng)價(jià)指標(biāo)集的歸一化處理。歸一化處理的目的是消除量綱的影響,采用式(1)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理,得到標(biāo)準(zhǔn)值Zij。

(1)

(3)云生成與隸屬度的計(jì)算。將歸一化后的各評(píng)價(jià)指標(biāo)值作為輸入點(diǎn),以輸入點(diǎn)為中心值,并以任意生成隨機(jī)數(shù)的方法生成一組具有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)。將隨機(jī)數(shù)作為云滴,利用逆向云算法將輸入點(diǎn)映射到云圖中,并由式(2)計(jì)算出相應(yīng)的隸屬度和數(shù)字特征(Ex,En,He)。利用各數(shù)字特征來(lái)代替隸屬度,并計(jì)算評(píng)價(jià)矩陣R=(r1,r2,…,rm)T,其中ri=(Exi,Eni,Hei),i=1,2,…,m。

(2)

式中:DX為隨機(jī)變量X的方差。

(4)各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)的確定。使用熵權(quán)法確定各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)W=(w1,w2,…,wm)。熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)方法,在該城市立體交通系統(tǒng)韌性評(píng)價(jià)問(wèn)題中,第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵如式(3)所示,則第i個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)如式(4)所示。

(3)

(4)

(6)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云圖的生成。通過(guò)黃金分割法確定評(píng)價(jià)狀態(tài)集的重要分布點(diǎn),并生成每個(gè)點(diǎn)的正態(tài)云圖。這些云圖可以合并為一個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云圖,用于評(píng)估城市立體交通系統(tǒng)韌性的等級(jí)。

(7)最終評(píng)價(jià)等級(jí)的確定與結(jié)果的比較。將城市立體交通系統(tǒng)韌性的評(píng)價(jià)結(jié)果與各評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云進(jìn)行相似度計(jì)算,相似度為對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)對(duì)象云向量與標(biāo)準(zhǔn)云向量之間的余弦。并利用最大相似度原則,選擇與評(píng)價(jià)結(jié)果相似度最高的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云作為最終評(píng)價(jià)結(jié)果的等級(jí)。此外,通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云圖的比較,從更直觀的角度得出城市立體交通系統(tǒng)韌性的評(píng)價(jià)結(jié)果。

綜上,筆者提出基于FCE-CM的城市立體交通系統(tǒng)韌性評(píng)價(jià)模型,如圖1所示。

圖1 基于FCE-CM的城市立體交通系統(tǒng)韌性評(píng)價(jià)模型

3 實(shí)例分析

“十四五”以來(lái),上海對(duì)綜合交通體系不斷進(jìn)行完善,以“樞紐型、功能性、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、綠色化”為目標(biāo),有序推進(jìn)了各項(xiàng)重大交通項(xiàng)目,國(guó)際航運(yùn)中心建成,港口能力不斷提升;滬蘇通鐵路建成通車,滬通二期、滬蘇湖鐵路建設(shè)穩(wěn)步進(jìn)行;多模式公交線路開通運(yùn)營(yíng),軌道交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)模領(lǐng)跑全球。與此同時(shí),上海的綜合交通體系依然存在一些問(wèn)題,如長(zhǎng)三角區(qū)域的城際軌道交通相對(duì)缺乏、新城綜合交通體系不夠完善等?！笆奈濉币?guī)劃指出,城市運(yùn)行安全需要更強(qiáng)的交通韌性,因此,對(duì)上海城市立體交通系統(tǒng)韌性進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析具有重要意義。

3.1 韌性指標(biāo)權(quán)重的確定

邀請(qǐng)城市交通行業(yè)12位專家學(xué)者對(duì)構(gòu)建的城市立體交通韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行打分,其中包括4位研究城市交通方面的專家教授、4位交通行業(yè)的工作人員和4位交通行業(yè)的學(xué)術(shù)研究者。將12位專家對(duì)指標(biāo)層評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到各指標(biāo)的專家打分初始評(píng)價(jià)值,并根據(jù)熵權(quán)法確定各指標(biāo)權(quán)重,如表2所示。

3.2 指標(biāo)隸屬云計(jì)算

以上海市城市立體交通系統(tǒng)韌性作為評(píng)價(jià)對(duì)象,數(shù)據(jù)主要來(lái)源于2018—2021年國(guó)家統(tǒng)計(jì)局分省年度數(shù)據(jù)、上海統(tǒng)計(jì)年鑒、上海市交通委員會(huì)年度部門決算。

根據(jù)前文建立的模型,以各評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值為中心點(diǎn),以0.01為標(biāo)準(zhǔn)差,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布生成一組有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)。根據(jù)模型計(jì)算各指標(biāo)相應(yīng)的數(shù)字特征,作為隸屬云。根據(jù)B=W·R=C(Ex,En,He),得出評(píng)價(jià)對(duì)象在對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的隸屬云,并根據(jù)各評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的權(quán)重,進(jìn)一步得出最終評(píng)價(jià)目標(biāo)的隸屬云。2018—2021年的目標(biāo)層云數(shù)字特征如表3所示。

表3 各年份目標(biāo)層云數(shù)字特征

3.3 數(shù)字特征與評(píng)價(jià)云圖

以2021城市立體交通系統(tǒng)為例,對(duì)其評(píng)價(jià)云

圖及各項(xiàng)數(shù)字特征進(jìn)行分析。2021年各準(zhǔn)則層隸屬云如表4所示。

表4 各準(zhǔn)則層隸屬云

云模型用3個(gè)數(shù)字特征來(lái)整體表征一個(gè)概念,Ex反映實(shí)際城市立體交通系統(tǒng)韌性的預(yù)期;En反映評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度;He反映的是對(duì)不確定性評(píng)價(jià)結(jié)果所帶來(lái)的不穩(wěn)定性,由表3和表4可知,各準(zhǔn)則層和總體目標(biāo)的En數(shù)值較小,表明本次評(píng)估結(jié)果較可信;各準(zhǔn)則層和總體目標(biāo)的He數(shù)值較小,表明本次評(píng)價(jià)結(jié)果較穩(wěn)定。

評(píng)價(jià)狀態(tài)集的確定需要將評(píng)價(jià)等級(jí)與論域[0,1]的區(qū)間對(duì)應(yīng)起來(lái),將論域[0,1]的邊界0、1分別設(shè)置為評(píng)價(jià)等級(jí)“低度韌性(Ⅰ級(jí))”與“高度韌性(Ⅴ級(jí))”的期望,以論域中心值0.5作為評(píng)價(jià)等級(jí)“中度韌性(Ⅲ級(jí))”的期望值。根據(jù)黃金分割方法,確定出[0,0.5]之間的點(diǎn)為0.309,[0.5,1]之間的點(diǎn)為0.691,并將這兩個(gè)值分別設(shè)置為評(píng)價(jià)等級(jí)“較低韌性(Ⅱ級(jí))”與“較高韌性(Ⅲ級(jí))”的期望。

表5 各評(píng)價(jià)等級(jí)和云的數(shù)字特征

依據(jù)2021年城市立體交通隸屬云數(shù)據(jù),利用正向云發(fā)生器生成云滴,繪制出評(píng)價(jià)狀態(tài)云圖。將其與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云圖進(jìn)行疊加,得到2021年上海市城市立體交通系統(tǒng)韌性相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)結(jié)果。擾動(dòng)力、抵抗力、適應(yīng)力、恢復(fù)力的評(píng)價(jià)云圖如圖2所示。

圖2 上海市城市立體交通系統(tǒng)韌性準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)云圖

由圖2可以看出,“擾動(dòng)力”的評(píng)價(jià)云圖位于標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)云圖中 “較低韌性”和“中度韌性”之間,且略微向“較低韌性”偏移,因此可以認(rèn)為上海市的城市交通立體系統(tǒng)擾動(dòng)力評(píng)估狀態(tài)位于“較低韌性”和“中度韌性”之間,且偏向“較低韌性”,有較低的交通風(fēng)險(xiǎn)傾向。同理,可以得出上海市城市交通立體系統(tǒng)有較高的風(fēng)險(xiǎn)抵抗能力,與相對(duì)較差的恢復(fù)正常運(yùn)營(yíng)的能力和應(yīng)對(duì)不確定性的能力。

上海市城市立體交通系統(tǒng)韌性總體評(píng)價(jià)云圖如圖3所示。由圖3可以看出,上海市城市立體交通系統(tǒng)韌性總體評(píng)估狀態(tài)位于“較低韌性”和“中度韌性”之間,且十分靠近評(píng)價(jià)等級(jí)“中度韌性”,總體來(lái)說(shuō),上海市城市立體交通系統(tǒng)韌性處于中度等級(jí),有較大的提升空間。

圖3 上海市城市立體交通系統(tǒng)韌性總體評(píng)價(jià)云圖

3.4 云相似度

計(jì)算評(píng)價(jià)隸屬云與各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)隸屬云之間的云相似度,如表6所示。該結(jié)果為上海市各年份城市立體交通系統(tǒng)韌性總體評(píng)價(jià)結(jié)果,根據(jù)最大相似原則,上海市城市立體交通系統(tǒng)韌性評(píng)估等級(jí)為“中度韌性”。其中,評(píng)價(jià)等級(jí)“高度韌性”、“較高韌性”、“中度韌性”各年份間數(shù)值差距較小,結(jié)合圖3,再次表明了結(jié)果的一致性。

表6 城市立體交通系統(tǒng)韌性評(píng)估等級(jí)云相似度

4 結(jié)論

(1)基于對(duì)城市立體交通系統(tǒng)影響因素的考慮,將城市立體交通系統(tǒng)韌性的屬性歸納為擾動(dòng)力、抵抗力、恢復(fù)力、適應(yīng)力4個(gè)方面,構(gòu)建出城市立體交通系統(tǒng)韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

(2)使用云模型處理韌性指標(biāo)體系中的不確定性信息,通過(guò)熵權(quán)法獲得韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)法,建立了基于FCE-CM的城市立體交通系統(tǒng)韌性評(píng)價(jià)模型。

(3)以上海市城市立體交通系統(tǒng)為例,采用FCE-CM城市立體交通韌性評(píng)價(jià)模型進(jìn)行實(shí)證分析,評(píng)價(jià)結(jié)果表明,該模型能夠全面、準(zhǔn)確地反映城市立體交通系統(tǒng)的韌性水平。