基于贝叶斯网络的城市地震次生灾害演化机理分析

第２ ７卷第 ４期 ２１ ０ ２年 １ Ｏ月
灾
害
学
Ｖ０ ． ７ Ｎｏ ４ １２ ． ０ｅ ０ ２ Ｌ２ １
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＡＴＡＳ ＴＲＯＰ Ｈ０Ｌ０ＧＹ
基 于 贝 叶 斯 网络 的城 市 地 震 次 生 灾 害 演 化 机 理 分 析
马 祖 军 ，谢 自莉
４期
马祖军 ，等 ：基于贝叶斯 网络的城市地震次生灾害演化机理分析
３
根 据表 ３可 以计 算 出在不 同地 震烈 度情 况下 ，某 一 城市 地 区所 能 接 受 的地 震 死 亡 人 数 。在 此将 地 震 实际 死 亡 人 数 在 城 市 可 接 受 死 亡 人 数 范 围 内 ， 记为 ｉ ；大 于可 接受 死亡 人数 时记 为 ２ 。
（ 西南交通大学 经济 管理学院物流与应急管理研究所 ，四川 成都 ６ ０ ３ ） １０ １ 摘 要 ：为了解城 市地震次生灾害 的演化路径及 扩散机 理 ，进 而为城市 防震救 灾工作 提供科 学 的参 考依据 ，通
过对城市地震有关 资料 和文献的分析 ，确 定 出城市地 震次 生灾 害演化 系统 贝 叶斯 网络 的节点变 量及取 值范 围 ， 并根据节点变量之 间的因果关系构建 出贝 叶斯 网络结构 图。通过对国 内外典型震例 中的 １ ６个 受灾城市 相关数据
进行统计 ，分析获得 网络结 构各个变量的条件概率 。结合 贝叶斯 网络推 理知识 ，利 用贝 叶斯 网络 工具箱分 析 了 在相 同的地震输入 变量 、不 同的控制输入变量取值 条件 下 ，各类城 市地震 次生灾 害 的发 生概率 。算例分析 结果 表 明不 同的应 急管 理水 平对 城市地震各类次生灾害 的发 生概 率有显著影响 。
一
称 为城 市 地 震 次 生 灾 害 ，表 示 以震 动 的 破 坏 后 果
为 导 因引起 的一 系列 其 它 灾 害 。从 历 史震 例 来 看 ， 城 市地震 次 生灾 害 主 要 有 火 灾 、水 灾 、毒 气 污 染 、 细 菌 污 染 、放 射 性 污 染 、滑 坡 、海 啸 、瘟 疫 、生
强
及时得 当
弱
无有效防疫措施
Ｑ
Ｒ
Ｓ
疫情种类
环境 污染程度
生 活 物 资 缺 乏 程 度
无疫情或传染性小
正 常污染
不 缺 乏
死亡率 高的传染性疾病
严 重污染
缺 乏
Ｔ 社会公共 安全 事件 严重度 Ｕ 社会大众恐慌程度
无 无
哄抢 、抢劫等 恐 慌严 重 ，谣言
小
大半倒塌
绝大多数倒塌 抗震能力差
大
２
Ｆ
Ｇ
通讯 中断
交通 中断
没有 中断
没有 中断
中断
中断 瘫痪
Ｈ 供水 、电、气设施破坏 设施 破坏但 短时间内能恢 复
Ｉ
Ｊ Ｋ Ｌ
火灾 次数
人１ ３密度 人员死亡 危 险品泄漏
极少（ ０次 以下 ） １
收稿 日 ： ０ ２— ３— ９ 期 ２ １ ０ ２ 修 回 日 ：２ １ ０ ３ 期 ０ ２— ４— ０
命线工程破 坏 （ 通讯 、交通 、供水 、供 电等 ） 、社 会恐 慌 和动乱 （ 大规 模逃 亡 、抢劫 、哄抢 ） 。 如 等 从 系统 论 的 角 度 ，城 市 地 震 次 生 灾 害 演 化 过 程可 看作 一 个 由输 入 要 素 、状 态 要 素 和 输 出 要 素 组成 的 系统 。该 系 统 可 描 述 为 ：在 地 震 烈 度 、地 震 时间等 环 境 输 入 因素 的作 用 下 ，发 生 建 筑 物 倒 塌 、生命 线 系统破 坏等 次生 灾 害 事件 （ 状态 要 素 ） ， 并 引起 人 员 死 亡 、疫 情 （ 出要 素 ） 灾 害 ；震 后 输 等 政 府部 门 采 取 相 应 的应 急 管 理 措 施 （ 入 要 素 ） 输 ， 以控制 各 类 次 生 灾 害 的 恶 化 ，这 些 要 素 相 互 影 响 共 同形 成 了 城 市地 震 次 生灾 害 的整 体 行 为 。城 市 地震 次 生 灾 害 演 化 系统 的 贝 叶 斯 网络 由若 干子 网络构成 ，每 个 子 网 络 都 有 特 定 的输 入 变 量 、输 出变量 和状 态变量 （ １ ，将 输入 变量 和输 出变量 表 ） 相同的子网络进行合并 ，即得到整个 网络。 １ ２ 网络节 点变 量值 域 的确定 ． 城 市地 震 次 生 灾 害 演 化 系统 贝 叶 斯 网络 节 点 变量 的取值范围如表 ２ 所示 ，其 中部分变量的取值 说 明如下 。 （） １ 地震 烈度 ：地 震 烈度 大 小 决定 了灾 害 的严 重程 度 。按 照各 多震 国家 的建 筑物标 准 ，烈度 较小 （ Ⅷ度 以下 ） 的地震 造成 房屋严 重 破坏 或者倒 塌 的 可
稀少 在可接受 死亡人数范围内 没有泄漏
次数多或发生大规模火灾
密集 大 于可接受死亡人数 泄漏
３ ３２
２ ２
２ ２ ２ ２
Ｍ
Ｎ
道路抢修能力
灾情 透明度
强
透明
弱
封锁
０
Ｐ
政府治安管理能力
卫生 防疫 措施
一
有 空 间 的集 中性 、人 口 的密 集 性 以及 经 济 的 多 样
性等特点 ，由此导致 城市地震 次生灾害具 有连锁 性¨ ¨。但 现有 研 究 主 要 针 对 单 一 类 型 的城 市 地 震 次 生灾 害 发 生 和发 展 过 程 及 机 理 ，缺 乏 对 城 市 地
震及 其 次生灾 害之 间关 系 的 深入分 析 。 贝叶斯网络作为一种强有力的不确定性知识表 示和概 率推理 工 具 ，适 合对 突 发事 件 的发 生 发展 过 程进行 建模分 析 ，能够 对 突发 事件 的 整个 发 生发 展 过程进 行分 析预 测 。为此 ，本文 基 于 贝 叶斯 网 络工 具对城 市地震及 其 次生 灾 害之 间 的演 化机 理进 行 分 析 ，以期 为城市 防震 减灾工作 提供一些参 考 。
旦 遭受 破 坏 性 地 震 ，不 仅 会 造 成 直 接 的 巨大 破
坏 ，还会诱 发 多 种 次 生 灾 害 ，其 造 成 的损 失 有 时 甚至 超过 了 地 震 造 成 的直 接 损 失 。为 此 ，国 内外 些 学者 分别对 不 同类 型 的城 市 地 震 次生 灾 害 （ 尤 其 是城 市 地震 次生 火灾 ） 行 了研 究 Ｈ 。 进 。。城 市具
基金项 目：国家 自然科学基金项 目（０ ７ ０ ４ ０ ２ ０ ２ ；高等学校博 士学科点专 项科研基金项 目（ ０ ９ １４ １０９ ；教育部新世 ７ ７ １９ ，９９ ４ １ ） ２０ ０８ １０ ２ ）
纪优秀人才支持计划资助项 目（ Ｃ Ｔ一１ ０ ０ ） ＮＥ ０～ ７ ６ ；教育部人文社会科学研究项 目（８Ｃ ３ ０７ ０ Ｊ ６ ０６ ） 作者简介 ：马祖军 （９ ４一） １７ ，男 ，浙江开化人 ，博士 ，教授 ，博士生导师 ，主要研究方 向为应急管理 、物流与供应链 管理 ．
（） ９ 建筑 物抗 震能 力 ：我 国建筑 物 的抗 震 设 防 标 准一 般 设 在 Ⅵ 度 到 Ⅸ 度 ，对 于 一 般 地 震 而 言 ， Ⅶ度 抗震 能 力 的建 筑 物 抗 震 能 力 较 好 ，低 于 Ⅶ 度 的抗震能力差 ，因而将抗震能力变量取值记为 １ 、 ２，分别 表示抗 震性 能好 与差 。 １３ 贝 叶斯 网络 的建立 ． 确定 了节 点 变 量 之 后 ，可 根 据 节 点 变 量 之 间 的因果关 系建 立 贝 叶 斯 网络 拓 扑 结 构 。 贝 叶斯 网 络构 造方 法 一般 有 两 种 ：根 据 领 域 专 业 知 识 进 行 网络 构造 ；通 过 数 据 分 析 来 获 得 。 由于 城 市 地 震 次生 灾 害 的量 化 数 据 不 易 获 得 ，本 文 采 用 前 一 种 方法 ，根 据 典 型 震 例 数 据 资 料 及 相 关 文 献 分 析 ， 确定 出表 １所示 ８个 城市 地震 次生 灾害子 网络 的结 构 ，再按照相互 间 的耦合关 系进行合 并 ，形成城 市 地震 次 生灾 害演化 系统 的贝叶斯 网络 （ １ 。 图 ）
Ｅ ｍ ｉ ｊ ａ ｓｊ ．ｎ － ａｌ ｍ ＠ ｗｔ ｅ ：ｚ ｕ
２
灾
害
学
２ ７卷
能性 较小 ；烈度 过大 （ 如Ⅻ度 ） 则将 造成毁灭性 破坏 ， 任何一个城市可能都无法承受。故在此只考虑烈度
表 ｌ
为 Ⅷ 一Ⅺ 度 的地 震 ，并 将 Ⅷ 一Ⅸ 度 、 Ⅸ ～Ｘ度 、 Ｘ度 以上 的地震 烈度值 分别 记作 １ 、３ 、２ 。
关键词 ：地震 ；次生灾 害；演化 机理 ；贝叶斯 网络 ；城市 中图分类号 ：Ｘ ３ ４ 文献标志码 ：Ａ 文章编号 ：１０ ８ １ ２ １ ）４— ０ １ ０ ０ ０— １Ｘ（ ０２ ０ ００ — ６
城市 作 为所 属 地 区 的政 治 、经 济 、文化 中 心 ， 人 口密 集 、工 商 业 发 达 、生 命 线 工 程 高 度 集 中 ，
做饭高峰期 ，火灾发生 的可能性会 增大。在 此将 地 震 时 间 分 为 ３个 时 间 段 ，即 人 员 易 伤 亡 时 间 （２ ０至 凌晨 ０ ：０ ） ２ ：０ ６ ０ ，记 为 ３ ；火 灾 易 发 生 时
发生时间 、人员 易伤 亡时 间 以外 的时间段 ） ，记 为 １ 。 （ ） 员 死亡 ：具有 不 同经 济发 展 水平 的城 市 ３人 对 于不 同 烈 度 导致 死 亡 人 数 的 接 受 率 也 不 一 样 。
表 ３ 不 同 城 市 或 地 区可 接 受 死 亡 率 的统 计 平 均值 （０ ） １“
一
氯 气 、液氨 、石 油等 危 险 品 的泄 漏 会 使 空 气 恶 化 ， 严 重时 造成 人员 伤亡 ，环 境污染 严 重 ，记 为 ２ 。
（） ７ 疫情种类 ：无疾病流行或者发生传染性小 的疾 病 ，记 为 １ ；发 生死 亡 率 高 的传染 性 疾 病 ，记
城市地震次生灾害各子 网络说 明
序 号
网络节点变量名称
实 际取值
网络结构 中对应 的数值
Ａ
Ｂ
地震时间
地震烈度
相对安全时间
Ⅷ ～Ⅸ度
火灾易发 时间
Ⅸ 一Ｘ度
人员易伤亡时 间
Ｘ度 以上
２
２
Ｃ Ｄ
Ｅ
建筑物倒塌量 建筑物抗震能力
建 筑 密 度
极少倒塌 抗震 能力好
１ 城 市 地震 次 生 灾 害 演 化 系统 的贝 叶 斯 网络模 型
１ １ 贝 叶斯 网络节 点变 量 的确定 ．
城 市地 震导 致 的灾 害 包 括 直接 灾 害 （ 建筑 物 如 倒 塌 、城 市生命 线 系 统破 坏 ） ，以及 由直接 灾 害 引 起 的次 生 灾 害 和衍 生 灾 害 。 在 此 将 后 两 类 灾 害 统
为 ２ 。
般城市或地 区
重要大城市或经济发 达地区
（ ） 口密度 ：将 人 口密度 在 ２ ０人／ ｍ ８人 ０ ｋ 以下 的城 市 人 口密度定 义 为人 口稀少 ，记 为 １ ；人 口密 度 在 ２ ０人／ ｉ ０ ｋ 以上 的记 为 ２ ｎ 。
（） ４ 建筑物倒塌量 ：由于收集到的震例数据指 标不 太 统 一 ，在 此 将 城 市 建 筑 物 倒 塌 量 分 为 极 少 量倒 塌或 者 没 倒 塌 、城 市 建 筑 物 倒 塌 大 半 、大 部 分或 全部 建筑 物倒 塌 ，分别 记 为 １ 、３ 、２ 。 （ ） 灾次 数 ：房屋 倒 塌 面 积 与火 灾 发 生 次数 ５火 的比值（ 火灾密度 ） 相对较稳定 ，即建筑物倒塌量 越 大 ，火 灾次 数越 大 。在此 将火 灾次 数极 少 （０ １ 次 以下 ） 者 没有 记 为 １ 或 ；火 灾 次 数 多 或 发 生 大 规 模 火 灾 ，记为 ２ 。 （ ） 境污染 ：Ⅷ度 及 以上烈 度 的地 震一 般 会 ６环 造 成 建筑 物 、城 市 生 命 线 系 统 的破 坏 ，致 使 尘 土 弥 漫 ，空气 受 到污染 ，这属 于正 常污染 ，记为 １ ；
（ ） 震发 生时 间 ：地 震 发生 时 间 的不 同 也会 ２地 影 响地震 灾 情 的 严 重 程 度 。若 地 震 发 生 在 深 夜 等 休息 时 间 ，地 震 死 亡 人 数 会 大 大 增 加 ；若 发 生 在
间 （ 火 、 用 气 高 峰 时 间 ，１ ：０ 至 １ ：０ ， 用 １ ０ ３ ０ １ ７：Ｏ 至 １ ：０ ） ０ ９ ０ ，记 为 ２ ；相 对 安 全 时 间 （ 灾 火