基于模糊DEMATEL的城市灾害韧性影响因素研究

洪文霞, 贾文娟, 杨 笛, 尹泽宇

(青岛理工大学 管理工程学院，山东 青岛 266520)

自改革开放以来，我国城镇化建设持续发展，而台风、暴雨、病毒蔓延等各种灾害的多发严重阻碍了城市的可持续发展，使得城市的脆弱性更为凸显[1]。在此背景下，一些专家呼吁韧性城市的研究和建设须提上日程[2]，同时城市灾害韧性概念的提出无疑为城市的防灾减灾工作提供了一个新思路。灾害的有效应对是全球需共同面对的问题，提高城市灾害韧性是推动新型城镇化发展的必然阶段，也是城市应对自然灾害和人为冲击的有效途径，与传统的城市防灾减灾工作相比，城市灾害韧性更注重应对外力干扰时的抵御能力、维持城市系统结构和功能的正常运转以及迅速恢复平衡以应对更大灾害的自适应能力[3]。提高城市灾害韧性对我国的城镇化建设及系统运行的可持续发展具有重要意义。国内外学者对城市灾害韧性的研究取得了一定的进展, 国外研究较早，相关理论探索较为成熟，而国内研究仍处于初级阶段，且主要集中在理论研究。1973年，霍林教授首次将韧性理论引入到生态学领域[3]，并在之后研究中将生态系统韧性概念运用于人类社会系统，提出“适应性循环”模型[4]。李彤玥、陈安等[5-6]对韧性城市的概念演化进行了梳理，从灾害防治、城市治理及可持续发展3个角度对韧性城市概念进行解读。杨敏行等[7]将灾害韧性与城市韧性做了对比，概括了当前城市灾害韧性研究的进展和热点，并对未来城市灾害韧性研究的三个发展趋势进行了探讨。随着对城市韧性概念研究的深入，学者们开始了韧性评价及韧性提升方面的深入探讨。王燕语等[8]解析了城市承载体特征及防灾韧性要素，建立了多灾种下的城市安全韧性评估指标体系。Liu Xinli等[9]提出一个中国城市自然灾害韧性评估综合框架，收集了中国39个城市从2002—2017年的包括经济、社会、基础设施和环境特征的信息并以此构建相应的个体指标，并分别从国家、地区、城市三个层面讨论了韧性指标的发展趋势。

为使分析的过程和结果更具有科学性，学者们使用了不同的方法模型对影响因素进行研究。许慧等[10]使用了解释结构模型(ISM)对韧性影响因素进行分析，此方法虽适用于因素众多、关系复杂的系统分析但主观性较强，此外还有因子分析[11]、结构方程模型[12]、DEMATEL法[13]等，其中DEMATEL法因其可以简化系统结构、有效筛选关键因素而得到广泛运用。刘文波[14]、江鹏等[15]均在文章中使用三角模糊数DEMATEL法分析了系统的影响因素关系并确定了关键因素，验证了模糊DEMATEL法在研究影响因素方面的适用性和科学性。

综上所述，国内大部分关于城市灾害韧性的研究主要集中于概念演化、研究热点和韧性评价三方面，缺少专门针对城市灾害韧性影响因素的研究。而城市灾害韧性涉及影响因素较为广泛，不仅包括经济、组织、社会等人文层面，还包括基础设施、生态环境等环境层面[16]。因此，本文在现有研究基础上针对多灾种下的城市灾害韧性从人文、环境两个层面下的经济、组织、社会、基础设施和生态环境五个维度对其影响因素进行深入剖析，并采用三角模糊数改进的DEMATEL法对影响因素间的相互关系和影响程度进行量化处理，并根据计算结果提出相应的韧性提升建议，以期为城市灾害韧性的提高提供理论支撑。

一、城市灾害韧性指标体系构建

(一)城市灾害韧性特征

城市灾害韧性与传统的防灾减灾相比，具有更为显著的特征和多层次的含义。城市灾害韧性具有冗余性、多样性、效率性、独立性、适应性、坚固性[17]。冗余性是指当城市系统部分原有功能遭到外力破坏时，备用系统来替补相应的功能以保持城市各机能正常运转；多样性是指系统具有多种功能、资源，从而进行资源转换，结构调整以应对不同灾害的威胁来保持系统稳定；效率性是指在灾后重建过程中，城市系统能快速加以调整以恢复系统运转；独立性也称为自组织性，是指受灾公众能够自发地组织行动躲避灾害，受破坏系统的关键设施也能迅速重组实现功能的自我恢复；适应性是指城市系统在遭到外力破坏后，仍能维持基本功能保证正常运转实现自我调节；坚固性是指城市系统受到灾害破坏时能维持系统相对完整，保证其关键功能不被毁灭性损坏[18]。

(二)城市灾害韧性影响因素选取

城市灾害韧性影响因素众多，涉及到从未灾先防、欲灾先治、灾时救援、灾后重建的整个韧性建设过程[19]，解析各因素之间的相互关系，找出关键影响因素，对提高城市灾害韧性至关重要。基于对相关文献的研究，结合城市系统组成要素和城市灾害韧性的特征，合理借鉴吸收已有的研究成果，将影响因素指标加以概括整合，在遵循科学性、代表性、规范性等指标构建原则的基础上，初步构建了包括经济韧性、基础设施韧性、组织韧性、生态环境韧性和社会韧性等五个维度的城市灾害韧性影响因素指标体系，再通过德尔菲法，将初步指标体系提交给8位在韧性城市建设和灾害学研究相关领域具有多年工作经验的专家学者获取指导意见，经过多轮征询与反馈，将指标进行修正与完善，最终构建指标体系如图1所示。

图1 城市灾害韧性影响因素指标体系

(1)经济韧性。指面临灾害的环境下，国家能及时且灵活调整政策，控制防范经济出现较大起伏的能力，主要指标包括产业结构[20]、人均GDP[21]、经济调节能力[21]，防灾资金投入[18]。其中人均GDP是衡量居民生活水平的一个标准，可有效反映居民防灾减灾的经济实力；防灾资金投入的多少直观地体现了政府对灾害防控的重视程度，反映了政府灾害救助能力。

(2)基础设施韧性。是指灾害发生时基础设施系统抵御灾害、吸收损失并及时恢复至正常运行状态的能力，主要指标包括灾害监测与预警能力[18]、应急保障资源与设施占比[21]、基础设施稳定性[20]、应急疏散通道[20]。其中灾害监测与预警能力反映了基础设施对灾害的监测与预警的技术水平，是防控灾害的重中之重；应急保障资源与设施是防灾减灾的重要基础保障，占比越大，韧性越强。

(3)组织韧性。是指城市管理者在抵御城市灾害过程中的组织和管控能力，主要指标包括城市管治能力[20]、灾害应急预案完备性[22]、灾害救援能力[18]。其中灾害救援能力是指能够及时地组织救援队伍以及对受灾地区进行高效、有序地实施救援行为以最大程度降低损失的能力。

(4)生态环境韧性。指生态环境系统在受到干扰的同时维持原有基础结构和功能的能力。主要指标包括建成区绿化覆盖率[23]、空气质量达标率[21]。其中城市建成区绿化建设有利于改善城市环境，优化城市生态系统服务功能[23]，提高生态环境韧性，建成区绿化覆盖率是衡量建成区绿化建设的一个重要指标。

(5)社会韧性。指面对外界不确定性与扰动因素时，社会公众所具有的防灾行动及灾害认知能力，主要体现在保险机制[22]、防灾知识教育培训与演习[18]、公众灾害认知程度[18]。其中灾害保险机制可实现灾害转移，有利于灾后灾区生活秩序的重建和灾民生活的安置[24]，是社会韧性的重要体现。

二、基于模糊DEMATEL的城市灾害韧性影响因素模型构建

(一)方法介绍

DEMATEL法(Decision Making Trial and Evaluation Laboratory,决策实验分析法)是利用图论与矩阵计算梳理各因素间的逻辑关系，通过矩阵计算中心度、原因度等指标，明确系统中各因素间的重要程度及因果关系[25]，DEMATEL法已成功应用于多个研究领域。模糊数学在系统不确定性研究中具有广泛的应用，可有效处理专家因主观判断造成的打分评价的模糊性与不确定性[14]，因此本文对DEMATEL法进行改进引入三角模糊数(Triangular Fuzzy Number，TFN)对城市灾害韧性各因素影响程度的定性评价进行量化处理，并通过CFCS(Converting the Fuzzy data into Crisp Scores)的去模糊化处理，将三角模糊数转化为一个清晰的数值。具体流程如图2所示。

图2 城市灾害韧性影响因素研究流程图

(二)模型构建

模型构建部分的数据借助Excel工具和MATLAB工具进行计算。

步骤1：邀请在韧性城市建设和灾害学研究相关领域工作过7年以上的具有丰富理论和实践经验的10位专家学者(其中包括4位高校教授、3位政府机构工作者、3位科研院所研究员)组成打分小组来对城市灾害韧性影响因素的相互影响程度进行打分评价，打分标准见表1。最终打分结果为一组三角模糊数直接影响矩阵B(B=[bij]n×n)，bij=(lij,mij,rij)，bij为因素Bi对Bj的影响程度，i=j时，bij=0。注：三角模糊数是为解决不确定性环境下的问题而提出的一种模糊集概念，定义[26]如下：

表1 语义变量及其对应的三角模糊数

A为实域B的模糊数，其隶属函数为uA(x):R→[0,1],x∈R，如果存在：

(1)

则A为三角模糊数，记为A=(l,m,r)，l≤m≤r。

步骤2：将三角模糊数直接影响矩阵B利用CFCS方法进行清晰化处理得到直接影响矩阵B′(B′=[bij]n×n)。由Opricovic S开发的CFCS法[27]是指用模糊最小值和最大值确定左右得分，根据隶属函数将总得分确定为加权平均值的过程，且经转化后数值损失相对较少，以A=(l,m,r)为例，步骤如下：

Step1:标准化处理。

(2)

Step2:计算左右标准化值。

(3)

Step3:计算TFN清晰值。

(4)

(5)

由以上公式计算可得直接影响矩阵B′(B′=[bij]n×n)。

步骤3：将直接影响矩阵B′规范化处理得到矩阵C(C=[cij]n×n),0≤cij≤1，进一步得到综合影响矩阵Z(Z=[zij]n×n)。

(6)

(7)

当n→∞,Cn-1→0，可得到相似计算公式。

Z=C(I-C)-1

(8)

由以上公式可计算出综合影响矩阵Z(Z=[zij]n×n)，具体如表2所示。

表2 城市灾害韧性影响因素综合影响矩阵

步骤4：计算各指数。

mi=ei+fi

(9)

ni=ei-fi

(10)

基于以上公式运算，得出城市灾害韧性各因素指数运算结果及排序情况，具体如表3所示。

表3 计算指数及排序分析表

步骤5：绘制原因结果图。

基于表3中的计算结果，以中心度为x轴坐标，原因度为y轴坐标绘制因果图，如图3所示。

图3 城市灾害韧性影响因素因果图

三、结果分析及韧性提升建议

(一)中心度分析

中心度越大，说明该因素对城市灾害韧性影响程度越大。x轴线代表中心度变化，从图3可以看出，中心度最大的前四名依次是应急保障资源与设施占比、基础设施稳定性、灾害救援能力、灾害应急预案完备性，说明这4个因素对城市灾害韧性影响程度最大，应急资源与设施是防灾减灾的重要物质保障，稳定性高的基础设施系统是防灾减灾的必要前提，灾害救援能力是抢险救灾过程中最关键的环节，是重要硬性指标，完备的灾害应急预案是重要规划保障。因此政府应加强顶层设计，重视并统筹规划相关举措，加大应急保障资源与设施占比，保证物资充沛，强化基础设施稳定性，提高各方的灾害救援能力，制定完备且可执行的灾害应急预案。重点关注这些影响因素对提高城市灾害韧性具有至关重要的作用。

(二)原因度分析

如图3所示，x轴线将原因度分为8个原因因素和8个结果因素，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)、基础设施稳定性(B7)、防灾知识教育培训与演习(B15)，说明该类因素对其他因素影响更大，是城市灾害韧性提高的直接影响因素，所以应高效可持续地发展城市经济，提高人均GDP，强化基础设施稳定性，做好防灾知识教育培训与演习，提高公众对防灾减灾的防范与认知；结果因素排名最靠前的是建成区绿化覆盖率(B12)，防灾资金投入(B4)，说明该类因素易受其他因素影响，是城市灾害韧性提高的间接影响因素，如建成区绿化覆盖率容易受城市管治能力的影响，因此在关注此类因素自身影响的同时更要关注其对应的原因因素的影响机制[15]。

(三)韧性提升建议

1.保障应急资源充沛，维护基础设施稳定

应急资源与设施是防灾救灾的重要保障，不仅要做到灾前应急准备，灾中的及时供给，还要做到灾后的应急处理，政府、慈善机构应加大防灾资源的有效投入，设置独立的防灾资源储存空间，保障应急资源与设施在使用过程中的顺利供给，减少不必要的资源损失，完善应急资源投入保障机制；基础设施系统是城市功能正常运转的关键，也是防灾减灾的一道屏障，因此要加强基础设施建设，优化基础设施稳定性，管理人员要定期对基础设施进行维修检查，进行技术改进和配置优化，保障灾害预测的准确性和及时性，采取规避策略直接规避危害或采取控制策略以防止灾害蔓延，若灾害发生，基础设施需要通过恢复策略以恢复自身基本功能来维持系统正常运转[28]。

2.强化经济调节能力，加大防灾资金投入

强化经济调节能力首先要调整产业结构，加快转变经济发展方式，多举措对产业结构进行优化升级并创新，使各产业协调发展，增强经济结构稳定性与经济发展的高效性，其次要提高信息化水平，信息化与城市经济和生活联系愈发紧密，信息化的准确性、高效性、智能性也影响着经济的运行；加大防灾资金投入，构建新型防灾减灾资金投入机制，拓展防灾资金投入方式，提高资金使用效率，完善灾害保险制度和财政资金预算机制，管理人员应加强对资金的监督与保管，将资金的使用落到实处。

3.加大防灾教育宣传，做好防灾应急演练

提高公众的防灾意识与应灾技能是降低人员损失最直接有效的方法，因此应加大防灾减灾教育宣传力度，首先应在城市突出位置拉防灾标语横幅或绘制知识教育展板，提升城市整体的防灾氛围感；其次是举办“防灾减灾”系列主题的公共教育活动，发放防灾知识宣传材料，举办相关的知识竞赛和演讲活动，定期举行应急救援展示，普及互救自救技能等；学校或社区等人员密集场所管理部门应高度重视灾害防范工作，定期举办防灾应急演练，合理安放防灾应急物资或消防设施，切实提高公众的防灾意识与应灾技能。

4.加强城市管治能力，提高灾害救援技术

加强城市管治能力，首先要做到未灾先防，落实各层政府管理责任，提高建成区绿化覆盖率并做好废弃物处理，减少有害气体的排放，有关部门应积极推动实施防灾减灾规划，建立灾害应急指挥中心，以人民的利益为根本；其次在灾害发生时，政府应根据灾情启动相应级别响应政策，并层层落实救援计划，积极组织灾害应急救援队伍；最后在灾后恢复阶段，相关部门应尽快做好城市治理工作以使城市系统各功能正常运转；同时更要注重提高灾害救援能力，航空应急救援体系是高效地实现自然灾害救援的重要手段，有关部门应尽快健全完善，同时救灾组织应合理使用现代化智能科技，如机器人或无人机探测仪等代替人工进入废墟探测生存气息，避免二次灾害对救援人员带来的威胁，使用先进的灾害医疗救援技术，最大程度降低人员伤亡风险。

四、结论

本文通过大量的文献分析并结合专家的指导建议建立了包括经济韧性、基础设施韧性、组织韧性、生态环境韧性、社会韧性等5个维度的16个指标在内的城市灾害韧性影响因素指标体系。

通过三角模糊数改进的DEMATEL法对各影响因素间的相互影响关系及影响程度进行系统分析计算，并找出应急保障资源与设施占比、基础设施稳定性等多个关键影响因素，同时结合分析结果从应急资源与基础设施、经济、防灾教育与应急演练、城市管治等4方面提出了具有针对性的城市灾害韧性提升建议，为城市管理者切实提高城市灾害韧性提供了科学的理论依据。

然而，影响城市灾害韧性的因素较为复杂，而本文所构建的是具有代表性和易于理解的指标体系，缺少作用微小但同样有影响的因素指标，因此在后续研究中应进一步完善指标体系，使其更全面完整。