CN115526542A - 一种城市抗震韧性评价方法及系统 - Google Patents

一种城市抗震韧性评价方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种城市抗震韧性评价方法及系统，为了解决现有抗震韧性评价侧重于工程系统抗震韧性评价，评价结果只反映建筑和生命线基础设施的抗震韧性，不能反映城市系统抗震韧性的全貌，导致评价结果偏向性较大，抗震韧性评价准确率不高的问题，建立城市抗震韧性指标体系，包括多个一级指标、二级指标、三级指标，一级指标包括工程系统、非工程系统、次生灾害风险系统；利用层次分析法计算工程系统中各二级指标的权重，根据权重得到各二级指标的抗震韧性；对抗震韧性和权重进行加权求和，得到工程系统的抗震韧性；利用工程系统的抗震韧性、非工程系统对工程系统抗震韧性的调整系数、次生灾害风险系统对工程系统抗震韧性的调整系数计算城市的抗震韧性。

Description

一种城市抗震韧性评价方法及系统
技术领域
本发明涉及一种评价方法及系统，属于城市抗震韧性领域。
背景技术
随着社会经济发展、城市化进程加快以及我国新型城镇化战略的实施，人口、财富和生产力将以更快的速度向城市群与经济带集中，随之也带来了城市地震风险的上升。抗震韧性为破解城市防震减灾的难题提供了解决思路，这涉及到了城市抗震韧性评价问题。现有抗震韧性评价研究侧重于工程系统抗震韧性评价，对城市抗震韧性评价较少，工程系统抗震韧性评价的评价结果只能反映建筑和生命线基础设施等工程系统的抗震韧性水平，不能反映城市系统抗震韧性的全貌，导致评价结果偏向性较大，抗震韧性评价准确率不高。目前针对城市抗震韧性评价研究还处于空白，本发明提出一种城市抗震韧性评价方法，为城市系统抗震韧性量化与决策分析提供了新的思路。
发明内容
本发明为了解决现有抗震韧性评价侧重于工程系统抗震韧性评价，对城市抗震韧性评价较少，工程系统抗震韧性的评价结果只能反映建筑和生命线基础设施等工程系统的抗震韧性，不能反映城市系统抗震韧性的全貌，导致评价结果偏向性较大，抗震韧性评价准确率不高的问题，进而提出了一种城市抗震韧性评价方法及系统。
本发明采取的技术方案是：
它包括以下步骤：
步骤一、建立城市抗震韧性指标体系，城市抗震韧性指标体系包括多个一级指标，每个一级指标对应多个二级指标，每个二级指标对应多个三级指标，一级指标包括工程系统、非工程系统、次生灾害风险系统；
步骤二、利用层次分析法计算工程系统中各二级指标的权重，根据各二级指标的权重通过评价方法得到各二级指标的抗震韧性；
步骤三、对工程系统中各二级指标的抗震韧性和权重进行加权求和，得到工程系统的抗震韧性；
步骤四、定义工程系统的抗震韧性作为城市抗震韧性的基础，非工程系统的抗震韧性和次生灾害风险系统作为工程系统抗震韧性的影响因素；
设定非工程系统对工程系统抗震韧性的调整系数，以及次生灾害风险系统对工程系统抗震韧性的调整系数；
利用工程系统的抗震韧性、非工程系统对工程系统抗震韧性的调整系数、次生灾害风险系统对工程系统抗震韧性的调整系数计算城市的抗震韧性。
进一步地，工程系统的二级指标包括建筑系统、交通系统、供水系统、排水系统、燃气系统、供热系统、供电系统、通信系统、医疗系统；
建筑系统的三级指标包括建筑结构类型、建筑尺寸、建筑整体倾斜度、建筑的框架柱变形程度；
交通系统的三级指标包括道路交通各时间段的拥堵率、社会车辆停车位数量、火车站数量、地铁数量、机场数量；
供水系统的三级指标包括供水管长度、腐蚀率、管径、管材、供水设备使用年限、运行状况、设备故障率；
排水系统的三级指标包括排水管长度、腐蚀率、管径、管材、排水设备使用年限、运行状况、设备故障率；
燃气系统的三级指标包括燃气管道长度、腐蚀率、管径、管材、燃气设备使用年限、运行状况、设备故障率；
供热系统的三级指标包括供热管道长度、腐蚀率、管径、管材、供热设备使用年限、运行状况、设备故障率；
供电系统的三级指标包括供电线路长度、直径、磨损率、供电设备使用年限、运行状况、设备故障率；
通信系统的三级指标包括通信线路长度、直径、磨损率、通信设备使用年限、运行状况、设备故障率；
医疗系统的三级指标包括医院数量、在职医务人员数量、救护车数量、病床数量、医院接待病人的最大数量、手术室数量；
非工程系统的二级指标包括人口信息系统、保险覆盖率系统、地震经验系统、城市经济系统、政府防震系统
人口数量及基本信息的三级指标包括人口数量、年龄分布、人口密度、残疾人比例；
保险覆盖率的三级指标包括拥有医疗保险与地震保险的人口数量、比例、覆盖率；
地震经验系统的三级指标包括城市过去固定时间内发生地震的数量及地震后城市的损失及伤亡情况、在职救援人员的数量；
城市经济系统的三级指标包括人均GDP值；
政府防震系统的三级指标包括地震预警系统的数量、准确率、安装位置、覆盖范围、预警速度、地震应急预案的保护范围、颁布时间；城市举办地震应急演练和防震减灾宣传与培训的数量、间隔时间、举办位置、参与人数、普及覆盖率；防震减灾支出占政府财政支出比例；
次生灾害风险系统的二级指标包括地质灾害风险系统和其他灾害风险系统；
地质灾害风险系统的三级指标包括年降雨量；
其他灾害风险系统的三级指标包括大型化工厂数量、水库数量。
进一步地，步骤二中利用层次分析法计算工程系统中各二级指标的权重，根据各二级指标的权重通过评价方法得到各二级指标的抗震韧性，具体过程为：
根据层次分析法将工程系统分为目标层和准则层，目标层为工程系统，准则层为各二级指标，利用成对比较矩阵对准则层的各二级指标之间进行比较，得到比较结果，利用1-9标度法对比较结果进行打分，得到准则层的各二级指标之间的最终比较结果，即打分结果，根据最终比较结果计算工程系统中各二级指标的权重，根据各二级指标的权重通过评价方法得到各二级指标的抗震韧性。
进一步地，根据最终比较结果计算工程系统中各二级指标的权重，具体过程为：
Figure BDA0003920578380000031
其中，Wi表示工程系统中第i个系统的权重；
Figure BDA0003920578380000034
表示第i行打分结果乘积的n次方根，n表示总行数。
进一步地，在利用成对比较矩阵对准则层的各二级指标之间进行比较后，检验成对比较矩阵的一致性：
Figure BDA0003920578380000032
Figure BDA0003920578380000033
式中，CR表示成对比较矩阵的随机一致性比率；CI表示成对比较矩阵偏离一致性的指标；RI表示同阶平均随机一致性指标；λmax表示成对比较矩阵的最大特征根；n表示成对比较矩阵的阶数；
当CR＜0.1时，则认为成对比较矩阵满足一致性要求，否则，对成对比较矩阵进行修正，直至满足一致性要求。
进一步地，步骤三中对工程系统中各二级指标的抗震韧性和权重进行加权求和，得到工程系统的抗震韧性，具体过程为：
Figure BDA0003920578380000041
其中，REN表示工程系统的抗震韧性；Ri EN表示工程系统中第i个二级指标的抗震韧性。
进一步地，步骤四中利用工程系统的抗震韧性、非工程系统对工程系统抗震韧性的调整系数、次生灾害风险系统对工程系统抗震韧性的调整系数计算城市的抗震韧性，具体过程为：
Rcs＝wnewsdREN
其中，Rcs表示城市的抗震韧性；wne表示非工程系统对工程系统抗震韧性的调整系数；wsd表示次生灾害风险系统对工程系统抗震韧性的调整系数。
进一步地，非工程系统对工程系统抗震韧性的调整系数为0.8或0.9或1.0或1.1或1.2；次生灾害风险系统对工程系统抗震韧性的调整系数为0.8或1.0或1.2。
一种城市抗震韧性评价系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如一种城市抗震韧性评价方法的任一步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如一种城市抗震韧性评价方法的任一步骤。
有益效果：
本发明将城市划分为工程系统、非工程系统、次生灾害风险系统三个维度；将工程系统的抗震韧性作为城市抗震韧性评价的基础，非工程系统的抗震韧性和次生灾害风险系统作为工程系统抗震韧性的影响因素；利用层次分析法计算工程系统的权重，通过评价方法得到工程系统各二级指标的抗震韧性，对各二级指标的抗震韧性和权重进行加权求和，得到工程系统的抗震韧性；再设定非工程系统对工程系统抗震韧性的调整系数，以及次生灾害风险系统对工程系统抗震韧性的调整系数；利用工程系统的抗震韧性、非工程系统对工程系统抗震韧性的调整系数、次生灾害风险系统对工程系统抗震韧性的调整系数计算得到城市的抗震韧性。
本发明的目的在于提供一种城市抗震韧性评价方法对城市抗震韧性进行量化，方法包括了城市中与抗震韧性相关的所有部分，即工程系统、非工程系统和次生灾害风险系统，通过加入非工程系统和次生灾害风险系统从多方面对城市抗震韧性进行评价，解决了评价结果偏向性较大的问题，同时提高了抗震韧性评价的准确率，为城市各要素抗震韧性评价提供了参考。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是经过层次分析法处理工程系统示意图；
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种城市抗震韧性评价方法，它包括以下步骤：
步骤一、建立城市抗震韧性指标体系，城市抗震韧性指标体系包括多个一级指标，每个一级指标对应多个二级指标，每个二级指标对应多个三级指标，一级指标包括工程系统、非工程系统、次生灾害风险系统；
城市作为一个复杂的系统，包括诸如建筑和生命线基础设施的工程系统，也包括诸如经济、社会此类的非工程系统，地震的发生还会诱发各类次生灾害，对城市造成不利影响。所以本发明将城市分为工程系统、非工程系统和次生灾害风险系统三个维度。工程系统包括建筑群系统、交通系统、供水系统、排水系统、燃气系统、供热系统、供电系统、通信系统和医疗系统；工程系统共同构成了城市的骨架，维持日常中城市各类功能的运行，是人们进行生产生活的必要条件。非工程系统影响城市在地震中遭受的人员伤亡、经济损失和震后的恢复时间。工程系统的二级指标如表1所示。
表1
Figure BDA0003920578380000051
Figure BDA0003920578380000061
Figure BDA0003920578380000071
步骤二、利用层次分析法计算工程系统中各二级指标的权重，根据各二级指标的权重通过评价方法得到各二级指标的抗震韧性，具体过程为：
如图2所示，根据层次分析法将城市工程系统分为目标层和准则层，目标层为城市工程系统，准则层分别为各二级指标；再利用成对比较矩阵对准则层的各二级指标之间进行比较，利用1-9标度法对比较结果进行打分，如表2所示。1-9标度法如表3所示，得到准则层的各二级指标之间的最终比较结果，即打分结果，根据最终比较结果计算工程系统中各二级指标的权重。
表2
Figure BDA0003920578380000081
表3
Figure BDA0003920578380000082
Figure BDA0003920578380000091
为了保证利用层次分析法得到的结果符合常理，本发明对成对比较矩阵的一致性进行如下检验：
Figure BDA0003920578380000092
Figure BDA0003920578380000093
式中，CR表示成对比较矩阵的随机一致性比率；
CI表示成对比较矩阵偏离一致性的指标；
RI表示同阶平均随机一致性指标，取值参考表4；
λmax表示成对比较矩阵的最大特征根；
n表示成对比较矩阵的阶数；
当CR＜0.1时，则认为成对比较矩阵满足一致性要求，否则，需要征询专家意见，对成对比较矩阵进行修正，直至满足一致性要求。
Figure BDA0003920578380000094
成对比较矩阵通过一致性检验后，即可计算工程系统中各系统的权重：
计算成对比较矩阵(表2)中每一行打分值的乘积Mi：
Figure BDA0003920578380000095
式中，bij表示成对比较矩阵中各打分值，i是打分值所在的行，j是打分值所在的列；n表示总行数。
计算Mi的n次方根
Figure BDA0003920578380000097
Figure BDA0003920578380000096
对
Figure BDA0003920578380000101
归一化处理：
Figure BDA0003920578380000102
Wi表示工程系统中第i个系统的权重；则W＝[W1,W2,...,Wn]T即为所求的工程系统中各系统的权重，如表5所示。
Figure BDA0003920578380000103
步骤三、在得到各工程系统的抗震韧性后，对工程系统中各二级指标的抗震韧性和权重进行加权求和，得到城市工程系统的抗震韧性，具体过程为：
Figure BDA0003920578380000104
式中，REN表示工程系统的抗震韧性评价结果；Ri EN表示工程系统中第i个系统的抗震韧性评价结果，Wi是第i个工程系统的权重。
步骤四、定义工程系统的抗震韧性作为城市抗震韧性的基础，非工程系统的抗震韧性和次生灾害风险系统作为工程系统抗震韧性的影响因素；
设定非工程系统对工程系统抗震韧性的调整系数，以及次生灾害风险系统对工程系统抗震韧性的调整系数；
利用工程系统的抗震韧性、非工程系统对工程系统抗震韧性的调整系数、次生灾害风险系统对工程系统抗震韧性的调整系数计算城市的抗震韧性，具体过程为：
Figure BDA0003920578380000111
式中，Rcs表示城市的抗震韧性评价结果；wne表示非工程系统对工程系统抗震韧性的调整系数，取表6中各指标的平均值；wsd表示次生灾害风险系统对工程系统抗震韧性的调整系数，取表7中各指标的平均值。
表6
Figure BDA0003920578380000112
Figure BDA0003920578380000121
Figure BDA0003920578380000131
Figure BDA0003920578380000132
具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种城市抗震韧性评价系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如一种城市抗震韧性评价方法的任一步骤。
具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如一种城市抗震韧性评价方法的任一步骤。

Claims (10)

1.一种城市抗震韧性评价方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一、建立城市抗震韧性指标体系，城市抗震韧性指标体系包括多个一级指标，每个一级指标对应多个二级指标，每个二级指标对应多个三级指标，一级指标包括工程系统、非工程系统、次生灾害风险系统；
步骤二、利用层次分析法计算工程系统中各二级指标的权重，根据各二级指标的权重通过评价方法得到各二级指标的抗震韧性；
步骤三、对工程系统中各二级指标的抗震韧性和权重进行加权求和，得到工程系统的抗震韧性；
步骤四、定义工程系统的抗震韧性作为城市抗震韧性的基础，非工程系统的抗震韧性和次生灾害风险系统作为工程系统抗震韧性的影响因素；
设定非工程系统对工程系统抗震韧性的调整系数，以及次生灾害风险系统对工程系统抗震韧性的调整系数；
利用工程系统的抗震韧性、非工程系统对工程系统抗震韧性的调整系数、次生灾害风险系统对工程系统抗震韧性的调整系数计算城市的抗震韧性。
2.根据权利要求1中所述的一种城市抗震韧性评价方法，其特征在于：
工程系统的二级指标包括建筑系统、交通系统、供水系统、排水系统、燃气系统、供热系统、供电系统、通信系统、医疗系统；
建筑系统的三级指标包括建筑结构类型、建筑尺寸、建筑整体倾斜度、建筑的框架柱变形程度；
交通系统的三级指标包括道路交通各时间段的拥堵率、社会车辆停车位数量、火车站数量、地铁数量、机场数量；
供水系统的三级指标包括供水管长度、腐蚀率、管径、管材、供水设备使用年限、运行状况、设备故障率；
排水系统的三级指标包括排水管长度、腐蚀率、管径、管材、排水设备使用年限、运行状况、设备故障率；
燃气系统的三级指标包括燃气管道长度、腐蚀率、管径、管材、燃气设备使用年限、运行状况、设备故障率；
供热系统的三级指标包括供热管道长度、腐蚀率、管径、管材、供热设备使用年限、运行状况、设备故障率；
供电系统的三级指标包括供电线路长度、直径、磨损率、供电设备使用年限、运行状况、设备故障率；
通信系统的三级指标包括通信线路长度、直径、磨损率、通信设备使用年限、运行状况、设备故障率；
医疗系统的三级指标包括医院数量、在职医务人员数量、救护车数量、病床数量、医院接待病人的最大数量、手术室数量；
非工程系统的二级指标包括人口信息系统、保险覆盖率系统、地震经验系统、城市经济系统、政府防震系统
人口数量及基本信息的三级指标包括人口数量、年龄分布、人口密度、残疾人比例；
保险覆盖率的三级指标包括拥有医疗保险与地震保险的人口数量、比例、覆盖率；
地震经验系统的三级指标包括城市过去固定时间内发生地震的数量及地震后城市的损失及伤亡情况、在职救援人员的数量；
城市经济系统的三级指标包括人均GDP值；
政府防震系统的三级指标包括地震预警系统的数量、准确率、安装位置、覆盖范围、预警速度、地震应急预案的保护范围、颁布时间；城市举办地震应急演练和防震减灾宣传与培训的数量、间隔时间、举办位置、参与人数、普及覆盖率；防震减灾支出占政府财政支出比例；
次生灾害风险系统的二级指标包括地质灾害风险系统和其他灾害风险系统；
地质灾害风险系统的三级指标包括年降雨量；
其他灾害风险系统的三级指标包括大型化工厂数量、水库数量。
3.根据权利要求2中所述的一种城市抗震韧性评价方法，其特征在于：步骤二中利用层次分析法计算工程系统中各二级指标的权重，根据各二级指标的权重通过评价方法得到各二级指标的抗震韧性，具体过程为：
根据层次分析法将工程系统分为目标层和准则层，目标层为工程系统，准则层为各二级指标，利用成对比较矩阵对准则层的各二级指标之间进行比较，得到比较结果，利用1-9标度法对比较结果进行打分，得到准则层的各二级指标之间的最终比较结果，即打分结果，根据最终比较结果计算工程系统中各二级指标的权重，根据各二级指标的权重通过评价方法得到各二级指标的抗震韧性。
4.根据权利要求3中所述的一种城市抗震韧性评价方法，其特征在于：根据最终比较结果计算工程系统中各二级指标的权重，具体过程为：
Figure FDA0003920578370000031
其中，Wi表示工程系统中第i个系统的权重；
Figure FDA0003920578370000032
表示第i行打分结果乘积的n次方根，n表示总行数。
5.根据权利要求4中所述的一种城市抗震韧性评价方法，其特征在于：在利用成对比较矩阵对准则层的各二级指标之间进行比较后，检验成对比较矩阵的一致性：
Figure FDA0003920578370000033
Figure FDA0003920578370000034
式中，CR表示成对比较矩阵的随机一致性比率；CI表示成对比较矩阵偏离一致性的指标；RI表示同阶平均随机一致性指标；λmax表示成对比较矩阵的最大特征根；n表示成对比较矩阵的阶数；
当CR＜0.1时，则认为成对比较矩阵满足一致性要求，否则，对成对比较矩阵进行修正，直至满足一致性要求。
6.根据权利要求5中所述的一种城市抗震韧性评价方法，其特征在于：步骤三中对工程系统中各二级指标的抗震韧性和权重进行加权求和，得到工程系统的抗震韧性，具体过程为：
Figure FDA0003920578370000035
其中，REN表示工程系统的抗震韧性；Ri EN表示工程系统中第i个二级指标的抗震韧性。
7.根据权利要求6中所述的一种城市抗震韧性评价方法，其特征在于：步骤四中利用工程系统的抗震韧性、非工程系统对工程系统抗震韧性的调整系数、次生灾害风险系统对工程系统抗震韧性的调整系数计算城市的抗震韧性，具体过程为：
Rcs＝wnewsdREN
其中，Rcs表示城市的抗震韧性；wne表示非工程系统对工程系统抗震韧性的调整系数；wsd表示次生灾害风险系统对工程系统抗震韧性的调整系数。
8.根据权利要求7中所述的一种城市抗震韧性评价方法，其特征在于：
非工程系统对工程系统抗震韧性的调整系数为0.8或0.9或1.0或1.1或1.2；
次生灾害风险系统对工程系统抗震韧性的调整系数为0.8或1.0或1.2。
9.一种城市抗震韧性评价系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-8任一所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-8任一所述方法的步骤。
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