基于灾害链理论与FAHP的灾害风险评估研究

安徽理工大学学报(自然科学版). Joarnat of Andul University of Science and Technology(Natural Science)Vol.04No.2
Sep02020
第44卷第5期
2222年9月
基于灾害链理论与fahp的灾害风险评估研究李云飞2许令顺1,张飞1，杨静0,汪炜昊s胡浩然5
(1.清华大学合肥公共安全研究院科学研究部，安徽合肥630641；2.安徽省城建设计研究总院股份有限公司技术中心,安徽合肥230051；3.合肥市城市生命线工程安全运行监测中心交通安全部，安徽合肥634641)
摘要:针对层次分析法在各层级指标权重选取上更多依赖专家主观评分的问题，采用灾害链
理论和概率分析方法，结合模糊层次分析法，构建灾害风险评估模型。

首先，通过概率分析方
法对灾害链中各灾害要素间的关系进行分析,将灾害链模型中各灾害要素及关系节点进行编
码。

根据模型致灾环、激发环、损害环间的层次关系，基于突发事件链理论和风险层次与概率
理论，形成事件表和灾害传递链条。

其次，根据灾害链中相关事件的因果关系确定灾害因素层
次划分，结合事件概率和模糊层次分析法，得到各层灾害因素权重和模糊综合评价矩阵，进而
计算得到灾害风险评估等级。

最后，通过实例来对上述计算模型进行分析说明,以验证模型的
有效性。

关键词：灾害链;灾害事件解析;事件编码;模糊层次分析法;灾害风险评估
中图分类号：622.2222文献标志码：A文章编号；1672-1098(2020)05-0036-06
Research on Disaster Rish Assessment Base)on Disaster CUain and
Fuzzy Analytic Hierarchy Process
LI Yndei1,XU Linyshnn1,ZHANG FeV,YANG Jinp0,WANG Weihoo1,HU Haoran5 (11Sciences research depaPwent of Hefet Institute of puUlic sOety,Tsinyhua University,Hefei Andul230641,Chino；2.Technolo­gy center of Andul urPav coustmct—u desiyn institute Corp.,Lth.,Hefet Andul230051,Chino；3.TranspoPat—u secaPty dep.of Hefet city lWeline project safety operaPou mouitoriny center,Hefel Andul234641,Chino)
Abstract:To solve the ppkWm that Fuzzy Analytic Hiaochy Process relies more on the suUject—e v O u OW p of expePs in the selection of indee wnghts at each level,a disaster Psh assessment mokel is estaflishe)Oy usiny disaster chain theop,ppPabiVto analysis methok,and FAHP.Fimt—,the relationship among the disaster ele­ments in the disaster chain is analyze)Oy proPabiVto analysis methok,and the disaster elements and their rela­tionship nokes are coke).AccorPiny W the hierarchical relationship among the disoter-ansWy Png,the excita­tion Png and the damaye Png of the mokel-the event table and the disaster transmission chain are fomie)Oase) on the theop of emeryeaco chain,Psh level and ppUdbiVty-SecondW,Oy determininn the level of disaster fac­tors according—the can s al relationship of the relate)events in the disaster chain and with the proPabiVto of the event and the fuzzy analytic hWmmhy process,the weight of the disaster factors at each level and the fuzzy com-preneasive vv W o W p Mat—o are oPtaine),and then the disaster Psh assessment nmfe is caWhW—).FWOly,an example is given W illustrate the vaPclito of the mokel.
Key words:disaster chain；analysis of disaster events:event coPiny；fuzzy avalytie hiemrehy process:disaster Psh assessment
收稿日期：2222-06-20
基金项目：国家重点研发计划项目资助(2617YFC1020806)
作者简介:李云飞(1985-,男j安徽望江人j高级工程师j博士j研究方向：城市公共基础设施健康状态检测与风险评估
第5期李云飞，等:基于灾害链理论与FAHP的灾害风险评估研究37
灾害可以、降低灾害系统性
，有助于人们应对更加多的灾害：类。

关政已经把灾害
点关注问题，相关领域的研究也受到越来越多国内外研究机构和学者的关注孙了一系列的研究，取得了很大的［］。

基于灾害耦合相关性孙灾害概率结综合叠加计算，是实现灾害的经典方法宀2。

而学者Menosi S提出用灾害损失的概念替代简单的灾害耦合关联损失观念⑷，Burkholder等人也提出灾害受自然：系统内用,并与人互影响，认存在纯粹的灾害，进一步指出不断的扩散是现实灾害具有的重要J］。

随着针对灾害链式规律断深入的探讨，以及针对式构建，从了系统的灾
式及应用体系®7］。

近些年，灾式在灾害方用较多，包大地震灾害链［］、基于灾害市多灾种综合防灾预［］以及区域灾害等［4］。

研究步了灾式和应用，但这些评估要向于定性研究。

在灾害 方面，模糊层次分析法已的方法J1］。

Yan等道路塌陷灾害的和主要影响，采用多层次综合法，建立了道路塌陷性［14］0等采用层次分析法，结合TOPSIS法提出了
件应急的［5］。

另外，模层次分析法也在区震风险评估］，危学［15］孙区［14］等方很好的应用。

然而,层次分析法在各层级取多人工的主观评分，多的评分可在较大差异孙寸后续的相关风
带来困扰。

基于以上分析，本文采用灾害和层次分析法相结合的方法,基于事件链和统计概率的灾害可以针对灾害层级的灾害进分析，从层次分析法取的主观性，以灾害环安全技术的研究，为灾害提供一种思路和技术手段，也关研究提供参鉴。

1基本原理
从灾害中的致灾因子与情景分析为出发点孙寸灾害事件作用解析,基于灾害事件，形件表和灾害孙艮据灾害关事件的关系灾害层次划分,结合事件概率和层次分析孙层灾害和综合，进而计灾害等级。

基本5所示。

图1基本原理框图
2灾害事件链构建
2.2灾害事件作用过程解析
灾害孙件的以及衍次件链的多种自然人类
互作用的结果。

，现有灾害认灾害层孕灾环境、致灾和承灾
者互作用的综合。

，灾害事件的发、发展和具有显著的，该过程取决于事件的内在作用。

从承灾体的度、事件的作用强度和承灾体的恢方面，在承灾体对用形式响性的基，建关事件作用过程的分析孙口图2所示。

图2灾害事件作用过程的分析模型
•
灾
体
是
否
在
致
灾
一
范
围
^
>
汕
用
参
数
/*
否
达
到
阈
值
\?
根
据
承
灾
体
脆
弱
性
函
数
计
算
灾
害
事
件
发
生
概
率
38安徽理工大学学报（自然科学版）第44卷
上述模型通过针对灾害事件作用过程的建模，充分件的共性，提供了统一的分析技术。

基于技术现灾害场
承灾体的响应特性，从而将作为本项目中进行灾害机理分析和推演的重要基础o
的观事物都是可细分的，所以非常规突发事件中的致灾因子、承灾体与孕灾环境也可分的。

对于承灾体，由于事件人们的关注点不同，承灾体的选择会有所不同。

例如，当地震事件，将城市承灾体；当关注于城市内的，将各工厂、学校、社区分别作为承灾体；当关注于石工厂受到的，将、管道、生产设施分承灾体；当关震后病的流，将人承灾体。

由此可以看出，承灾体具有可分性、层次性的特点。

系统工程的特点，可将承灾系统，系统具有可分解性。

即任意承灾可分解为不同的子承灾体，子承灾体又可继续分解为不同的次一级子承灾体，如此可进行多级分解，直到组成承灾体的最小单元为止。

2.2灾害事件链
灾害事件，尤其是严重事件，其在发生过程中往往诱发多个或多级次件,因而普遍具有链式规律。

基于分析对事件对象的转了分析，建灾害链结构分析和演推。

重大灾害场景由存在偶合、次生、衍生和异变等关系的灾害事件，各事件在作用形式的驱动
灾害。

关场、件基于灾、承灾、灾和用式要分析2示出灾害链的，构灾害推的基。

以上对灾害链模型进行了描述与定性的分析。

下面通过概率分析方法对灾害事件链中各灾害要素间的依赖关系分析,2对致灾
关系解析，进而对灾害分析与构建[I6]o首先,将灾害经作用过程解析后的各个灾害要素所对应关系节点编码,用p血表示;其次，将灾害链模型中各个灾害要素及各节点间的作用关系用叫表示；最后，根据灾害链模型中致灾环、激发环和损害环三者之间的层次关系，得到编码后的灾害3所示。

图3概率编码灾害链
从概率分析理论角度来看，图3中所示编码P血表示灾害链中各灾害要素所对应的事件节点所的概率2P,编示灾害链中各灾害要素所对应事件节点联系关系的条件概率，从而可得到灾害每层灾害要素及关系节点概率的计式
p p（mj>=6-n（1ip%,）%叭，⑴式中:P d（l+1为灾害链中当前层次各灾害要素所对应事件节点发生的概率；pPg为与该灾害要素所对件节点关联的层次灾害要所对应事件节点发生的概率；Pig为上一层次各灾害要件节点当前层次灾害要件节点的件概。

2模糊层次分析
3.3灾害风险层次划分与权重分配
针对灾害件每灾害要件节点，按照其所在灾害的层次划分。

把灾害所有灾害节点整集合
U={"1,2,"3,…9”}
其中：为灾害所有灾害因素节点的个数，由具体的需求和场景决定。

灾害灾害节点所在层次,把灾害因素分为多个层次。

第5期李云飞，等:基于灾害链理论与FAHP的灾害风险评估研究39
每层灾害因素集为:S={%1孙,0,…孙^J
其中为总层数，《为每层灾害集元。

根据每个灾害因素节点的发生概率大小，应用层次分析法来层次集的分配集。

通过比较灾害节点概率孙的两两重要程度，采用5~9标度法层次因素集的权重矩阵43=5孙，•••,),其中g为各层次灾害因素集总数目。

3.2评价集确定和模糊评判矩阵构建
评价集是对灾害链中各层次灾害因素评价指标的性式。

在，其灾害区和意见对各层次灾害指所给出的的集合。

记为
V={"l,《0,《3,…,《/J
模糊综合十分有效的多因素综合决策方法，其结对的或否定,而是以一个模糊集合来表示，从而可以对多种影响的事件做出全面综合。

模糊评判矩综合方法的核心概念，其本灾害集u集V的映射。

在进综合需要判，通常可以采用、隶属度函数等方法
确定。

其度函于函的概念，隶属度取值区间为[9,],当某个隶属度q取值越于5,表示灾害"，对等级兮的隶程度越高。

以灾害第i层，假设此层级灾害集元请若干对各灾害因素分别就上述评价集中的P个评价指标通过投票进行评价孙卩可&,己为
口0…r lp~
L r fl r fl…6」
3.3模糊综合评判
根据模糊层次分析法计算流程,应用线性加权综合判出层次所灾害集的综合向量5”,计算方法
5=w-•R.(2)其中：5W i W g,《为最低层次灾害因素集个数,w”为最低层次第i个灾害因素集的权重矩阵4”的最大向量R综合。

在基层次的灾害集的
B“_1=(5“,5“，…，5“)，结合
层次灾害因素集权重矩阵4”_1的大特征向量w”_1求得再上一个层B”_0,按照计算流程通过不断迭代计算，最后高层次灾害向量5={久孙0,…孙」，也就糊综合评价向量，其中最大元0,所对应评价集中第jV v的灾害等级。

4实例分析
4.3灾害链构建
地震作为破坏性较大的自然灾害，其会引发一系列次生、、件,如滑坡、建筑物坍塌、危化品泄漏、地面塌陷、管网破损等。

所以,地震作用于承灾体属于一对多件。

当承灾 网、电厂与道路设，可引网受损、电力中断和交通瘫痪等次生衍生事件。

根据灾害链，得出用于本文的具层等震灾害链孙口图4所示。

本文以来说明与验证提出的计算模型，对于地震引发的其件以及更深层次灾害链也适用于本文上述计算方法，这里不进行分析与探讨。

在对危险性进行评估时，釆用5级以上地震次
数占总地震次数的百分比来表示某一地区的地震
44安徽理工大学学报（自然科学版）第44卷
危险性。

根据文献［18］中的数据，以江西省为例，率,如表1所示。

根据灾害链计算模型，可计算得9级以上地震发生为9%,即认为发生地震概率到每层次灾害因素节点概率,如表2所示。

pdu为0.1,同时评估灾害链中每条灾害传递概
表1灾害传递概率
d£l d12d13d21d22d23d24d25d26Pl20P2
0080020090020060040050010010.20005
表2灾害因素节点概率
P d01卩522P d23P d31P d32P d33P d34P d35P d35P d32P d35
00080.020009000600048000320001000020000200063000045
4.2灾害风险因素集权重矩阵
由pd21、0d22和P d25进行两两比较分析，根据数值比例关系确定因素间重要关系，根据采用1~ 9标度法得到地震灾害一级风险因素集的权重矩阵4/如下所示。

一141/2_
411=1/411/5
_251_
计算可得A1最大特征值和特征向量为儿广3.03,^1={5.52,0.12,0.55}。

同理,由d51、o d32和pd35得到地下管网地震灾害风险因素集的权重矩阵421,由P d34>0d35和pd39得到发电厂地震灾害因素集权重矩阵如,由pd52和pd32得到路设施地震灾害风险因素集权重矩阵和425。

_11/31/2「
401=311/2
一221_
_155_
422=1/511
一1/511_
19
425=
2511/92
计算421、422和425最大特征值和特征向量分别为
入21=3.14,w21={0.22,0.56,0.78},
入20=3-0,“20={0.96,0.12,0.12},
入25=2.0,w25={0.294,0.11}o
4.3模糊综合评价
本例中对地震灾害风险等级划分为四个等级,即卩={低,较低，中,高}。

本例侧重对本文灾害风险评价计算模型进行重点说明和讨论,为了简化问题,在单因素模糊评价矩阵方面,依据当地现场情况和专家经验,采用定性评价方式对单因素模糊评价矩阵进行确定,得到地下管网、发电厂和道路设施等地震灾害因素集的等。

_0.500500一
R21=0.10050040
-00.100504
■0.10020060.1■
R22=0.40030020.1
_0.60030.10-
0040040000
R23=00500200200
由叫1与R01各列进行点积计算可得地下管网地震灾害风险等级模糊评价向量為,如下所示。

B01=w21•R01={0.19,0.04,0.01,0.81}
同理,可得％={0.29,0.31,0.03,0.12}, B25={0.05,0.02,0.12,0.11}。

由向量^21、20和B25组成地震灾害风险综合模糊评价矩阵51,由“1与51各列作点积运算可得地震灾害风险综合评价向量5={0.52,0.65, 0.52,0.02}o向量5中最大元素值为0.65,其所
第5期李云飞，等:基于灾害链理论与FAHP的灾害风险评估研究41
对应的地震灾害风险等级为“较低”。

5结论
在承灾体对不同作用形式响应特性的基础上，建立起相关事件作用过程的所形成的灾害链。

通过概率分析方法对灾害链中各灾害要素间的关系进行定量分析。

针对灾害事件链中每个灾害要素节点，按照其所在灾害链中的层次进行划分。

根据灾害因素节点的概率数值比例关系确定因素间重要关系，构建各层次因素集的权重矩阵，结合模糊层次分析法,可计算得到灾害风险综合评价向量,进而得出最终的灾害风险评估等级。

以地震灾害为例,针对地下管网、发电厂与道路设施等承灾体,构建具有三层等级地震灾害链，并以此为例来说明与验证本文提出的灾害风险评估模型。

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(责任编辑：丁寒)。