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基于TOPSIS评价法的城市应急避难所选址适宜性评价研究
基于TOPSIS评价法的城市应急避难所选址适宜性评价研究
孙滢悦*, 陈鹏, 刘晓静, 刘家福
(吉林师范大学旅游与地理科学学院,吉林四平 136000)
 [收稿日期]: 2016-07-20
摘要

由于城市中人口高度聚集,一旦发生灾害需疏散受灾居民到应急避难所中,因此应急避难所选址的合理性与适宜性就成为研究的重点。本文从经济性、效率性、公平性、安全性、可达性及环境因素等6个方面出发,选取12个应急避难所选址适宜性评价因子,并构建评价指标体系;利用TOPSIS评价方法构建适宜性评价模型,对研究区42处备选应急避难所的适宜性进行评价,结果表明:优秀级别8个、良好级别10个、中等级别23个、差等级别1个。研究结果可为应急管理部门在选择应急避难所建设位置时提供决策依据。



引言

随着城市化进程的加快,城市规模、人口密度不断加大,一旦发生灾害,将会对城市居民的生命、财产安全造成严重威胁。当城市发生灾害后,需要及时疏散灾区居民到应急避难所中。因此,城市中的应急避难所建设是否合理,能否满足灾区居民避难要求就显得尤为重要。目前,针对应急避难所的空间选址或空间区位配置的相关研究较多(Aday等,1981万艳华,2003李彪,2003)。这些研究大致可分为3种,一是基于经济地理学的区位分析模型(王铮等,1994周一星,1995);二是基于运筹学规划技术的区位模型(陆大道,1988胡志毅等,2002);三是将GIS技术应用到公共服务设施的区位模型(陈忠暖等,2006周媛等,2011)。应急避难所选址的适宜性评价以区位布局原则为基础,构建一系列评价指标,对已规划或是备选点进行适宜性分析,其结果能反映区位选择模型的应用效果及责任区划分结果的合理性。城市应急避难所选址适宜性评价一般分为两步,首先筛选具有代表性且较为独立的评价指标,构建指标体系;其次确定各评价指标权重,可通过加权法得到每一应急避难所的适宜性评价值。吴宗之等(2005)强调了应急避难所的生活性,从应急避难所的规划设计、硬件设施、软件环境3个方面综合评价了其应急适应能力,但二级指标体系过于复杂,部分指标量化困难;叶明武等(2009)从安全性、收容性、可达性3个方面综合构建了应急避难所适宜性评价体系,该体系较为简洁,但忽略了对应急设施的评价;Lee等(2008)从应急避难所周边设施的连通性入手,着重考虑道路网络情况,实现了地震应急避难所区位评价;Ma等(2011)从乡村地震疏散能力入手,筛选出组织与管理系统、地震避难所、救济资源及应急设施这4个一级指标,综合构建应急避难所评价指标体系。通过已有的研究发现,应急避难所选址适宜性评价指标体系过于庞大、复杂,有些指标难于量化。因此,构建一套简单、独立的指标评价体系以及应急避难所选址模型尤为重要。

TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution),即逼近理想解排序法,是由Hwang等(1981)于1981年首次提出。该方法对数据分布及样本量、指标多少无严格限制,数学计算亦不复杂,评价对象较为广泛,且具有对原始数据利用比较充分、信息损失较少等特点(Hwang等,1981)。后由Lai等(1994)将TOPSIS应用到多目标决策问题中,随后该方法得到广泛应用。利用TOPSIS方法通过多个指标评价事物时,可将指标看成变量,则在几何上形成一个高维空间,被评价的对象即为反映它的多个指标值在该空间确定的一个点,综合评价问题就变为对这些点做出总体评价或者排序。本文以哈尔滨道里区为研究对象,选取6个一级应急避难所选址适宜性评价指标,12个二级应急避难所选址适宜性评价指标,基于TOPSIS法构建应急避难所选址适宜性评价模型,对研究区应急避难所备选点(学校、广场、体育场及图书馆)进行选址适宜性评价,并将评价结果分级,得出研究区42处备选应急避难所适宜性等级。评价结果可为应急管理部门选择应急避难所建设位置提供决策依据。

1 研究思路与方法
1.1 研究思路

地震应急避难场所为应对地震等突发事件,经规划、建设,具有应急避难生活服务设施,是可供居民紧急疏散、临时生活的安全场所。本文按照“以人为本、科学规划、就近布局、平灾结合、一所多用”的规划原则,对备选应急避难所进行适宜性评价。

考虑到研究区的特点,先从经济性、效率性、公平性、安全性、可达性及环境因素6个方面筛选指标,构建城市应急避难所选址适宜性概念框架(图 1),开展基于TOPSIS方法的城市应急避难所选址适宜性评价研究。然后以哈尔滨市道里区为例,进行实证研究。最后将应急避难所备选点指标代入评价模型,得出各备选应急避难所的适宜性评价结果。


图 1 应急避难所选址适宜性评价概念框架 Fig. 1 Concept framework of suitability evaluation of emergency shelter sites
1.2 指标选取
1.2.1 经济性

经济性指标与区域经济相对应,是城市应急避难所建设过程中必须考虑的重要指标之一。应急避难所建设要做到切实可行、经济有效,须从地域经济的客观条件出发,合理建设。该指标包括设施数目和开发经费,其中设施数目是指城市应急避难所建设过程中与避难所建设相关的设施,设施数目的多少决定应急避难所的开发费用。因此,在开发经费允许的情况下,应合理地布设应急避难所中的相关设施,以满足居民应急避难需要。

1.2.2 效率性

效率性指标包括平均旅次长度与一定距离内设施服务人数两个指标,其中平均旅次是指某一区域内需避难居民发送量(即每次能够转移需避难居民的数量)与其居民总量比值(次/人),即“平均旅次”,或称为“人均旅次”,而平均旅次花费的时间即为平均旅次长度。一定距离内设施服务人数表示应急避难所服务范围内的人数,该指标表明应急避难所建设规模是否满足居民避难需要。这两个指标体现了应急避难所选址的效率性。

1.2.3 公平性

该指标包括应急避难所的覆盖率与设施负荷标准差。公平性体现了应急避难所对服务范围内居民的覆盖程度,即考虑服务范围覆盖全部居民点。但在覆盖居民点的同时,还应考虑应急避难所设施的负荷程度,即设施负荷标准差,一旦超过设施的负荷,避难所将失去应急避难功能,所以应切实考虑这两个指标,以体现应急避难所选址的公平性,合理布局应急避难所位置及数量。

1.2.4 安全性

安全性包括坡度和与危险源距离两个指标。应急避难所选址位置应考虑坡度,一般应选择相对较高、坡度较缓且基础设施较好的地区进行建设(姚新强等,2012)。同时,还应考虑到城市中的危险源,包括加油站、化工厂、油漆厂、鞭炮厂等,应选取距离危险源500m以外的区域建设应急避难所。城市中地震带(王华林等,2011)、高大建筑物(大厦、烟囱等)对城市应急避难所布局也有所影响,因此布局时应远离。

1.2.5 可达性

可达性是影响城市应急避难所选址的又一个重要因素,对应急救援与物资调运有直接影响,也标志着此应急避难所的有效辐射范围(李世雄等,2016),同时也指避难路径的通达情况,通常可以用避难疏散时间或避难距离来衡量,一般避难时间以步行10分钟之内为宜。可达性具体包括交通便利与步行可达性两个指标,其中交通便利是指城市道路的便利程度,以路网密度来度量,城市路网密度越大,便利性越好;步行可达性是指居民应急避难过程中可达到的空间范围,与应急避难所距离越小步行可达性越好。

1.2.6 环境因素

应急避难所是灾民为躲避灾害而短暂居住的场所,其环境好坏直接影响居民的身体健康。当灾害发生时,大量居民将转移到应急避难所中居住,在此过程中将产生大量垃圾、污水等。为保证良好的避难环境、减少居民的疾病传染,需及时进行垃圾与污水处理。因此,为衡量应急避难所环境因素这一指标,本文选取垃圾处理方便性与污水处理能力两个指标。

1.3 指标量化与权重计算
1.3.1 指标量化

依据城市应急避难所选址适宜性评价的概念框架,选出具了有代表性、针对性、易于量化的12个评价指标。为了消除单位的不同给计算带来的不便,对每一个指标按照公式(1)进行无量纲化处理:

$ {x'_{ij}} = \frac{{{x_{ij}}}}{{\frac{1}{n}\sum\nolimits_{i = 1}^n {{x_{ij}}} }} $ (1)

式中,Xij为第i个对象的第j项指标值,$ {x'_{ij}} $为无量纲化处理后第i个对象的第j项指标值。${x'_{ij}} $形成的i×j矩阵为比较矩阵,用于权重计算。

1.3.2 权重计算

在进行评价的过程中,需要一个描述指标相对重要程度的权的估价,即权重。本文使用层次分析法(AHP)计算权重。层次分析法把复杂问题分解成组成因素,并按支配关系形成层次结构,然后用两两比较的方法确定决策方案的相对重要性,其常用来解决综合评价、选择决策方案、估计和预测等问题。使用层次分析法计算权重步骤如下:

(1)建立层次结构模型,包括目标层、准则层和方案层。

(2)构造成对比较矩阵,即从第二层开始用比较矩阵和值1—9评价尺度。

(3)计算单排序权向量并做一致性检验,即对每个比较矩阵计算最大特征值及其对应的特征向量,再利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率进行一致性检验。若检验通过,归一化后的特征向量即为权向量;若不通过,须重新构造成对比较矩阵。

(4)计算最下层对最上层总排序的权向量,利用总排序一致性比率CR进行检验:

$ CR = \frac{{{a_1}C{I_1} + {a_2}C{I_2} + \cdots + {a_m}C{I_m}}}{{{a_1}R{I_1} + {a_2}R{I_2} + \cdots + {a_m}R{I_m}}} $ (2)

式中,CIm为一致性检验指标,am为待评目标的总排序结果。当CR<0.1时,则通过一致性检验,可按照总排序权向量表示的结果进行决策,否则需要重新考虑模型或重新构造那些CR较大的成对比较矩阵。根据城市应急避难所选址适宜性评价概念框架及权重计算方法,建立城市应急避难所选址适宜性评价指标体系及权重,如表 1所示。

表 1 应急避难所选址适宜性评价指标与权重 Table 1 Indexes and weights of suitability evaluation of emergency shelter sites
2 城市应急避难所选址适宜性评价模型构建

TOPSIS法,即逼近理想解排序法,是有限方案多目标决策分析的一种常用方法,可用于效益评价、卫生决策和卫生事业管理等多个领域。本方法对资料无特殊要求,使用灵活简便,应用广泛。其基本思想是:基于归一化后的原始数据矩阵,采用余弦法找出有限方案中的最优方案和最劣方案(分别用最优向量和最劣向量表示),然后分别计算各评价对象与最优方案和最劣方案间的距离,获得各评价对象与最优方案的相对接近程度,以此作为评价优劣的依据。模型建立与计算步骤如下:

(1)设有m个目标(有限个目标),n个属性,专家对其中第i个目标的第j个属性的评估值为xij,则初始判断矩阵V为:

$ {\bf{V}} = \left| {\begin{array}{*{20}{c}} {{x_{11}}}&{{x_{12}}}& \cdots &{{x_{1n}}}\\ {{x_{21}}}&{{x_{22}}}& \cdots &{{x_{2n}}}\\ \vdots & \vdots & \vdots & \vdots \\ {{x_{i1}}}& \cdots &{{x_{ij}}}& \cdots \\ \vdots & \vdots & \vdots & \vdots \\ {{x_{m1}}}&{{x_{m2}}}& \cdots &{{x_{mn}}} \end{array}} \right| $ (3)

(2)趋同化数据归一化:

$ {z_{ij}} = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {\frac{{{x_{ij}}}}{{\sqrt {\sum\nolimits_{i = 1}^n {{{({x_{ij}})}^2}} } }}原高优指标}\\ {\frac{{{{x'}_{ij}}}}{{\sqrt {\sum\nolimits_{i = 1}^n {{{({{x'}_{ij}})}^2}} } }}原低优指标或中性指标} \end{array}} \right. $ (4)

式中指标的数值越大越理想,则为高优指标;如果某个指标的数值越小越理想,则为低优指标;中性指标是指位于高优指标与低优指标之间的指标。“原”是指原始指标中未进行归一化处理的数值。

由此得到归一化处理后的矩阵Z

$ {\bf{Z}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{z_{11}}}&{{z_{12}}}& \cdots &{{z_{1m}}}\\ {{z_{21}}}&{{z_{22}}}& \cdots &{{z_{2m}}}\\ \vdots & \vdots & \vdots & \vdots \\ {{z_{n1}}}&{{z_{n2}}}& \cdots &{{z_{nm}}} \end{array}} \right] $ (5)

(3)确定最优方案和最劣方案

最优方案由上述确定的方案中的最大值构成,而最劣方案由方案中的最小值构成,记为Z+Z,Z+与Z形成新的向量,表达方式如下:

$ {{\bf{Z}}^ + } = (\max {z_{i1}}, \max {z_{i2}}, \cdots, \max {z_{im}}) $ (6)
$ {{\bf{Z}}^ - } = (\min {z_{i1}}, \min {z_{i2}}, \cdots, \min {z_{im}}) $ (7)

(4)计算每一个评价对象与Z+Z的欧式距离$D_i^ + $$ D_i^ - $

$ D_i^ + = \sqrt {{{\sum\nolimits_{i = 1}^m {(\max {z_{ij}} - {z_{ij}})} }^2}}, D_i^ - = \sqrt {{{\sum\nolimits_{i = 1}^m {(\min {z_{ij}} - {z_{ij}})} }^2}} $ (8)

(5)计算各评价对象与最优方案的接近程度Ci

$ {C_i} = \frac{{D_i^ - }}{{D_i^ + + D_i^ - }}, 0 \le {C_i} \le 1 $ (9)

Ci越趋近于1,表明评价对象越优。

(6)按照接近程度Ci的大小排序,形成决策依据。

3 实证研究
3.1 研究区概况

哈尔滨市位于44°04′—46°40′N,125°42′—130°10′E,是中国东北北部的政治、经济、文化中心。全市总面积约为5.384万平方千米,共有9个市辖区、7个县,代管2个县级市,其中市辖区面积10198km2。市区规划各类面积为1000—50000m2的紧急避难场所共831处,固定及中心级避震疏散场所64处,洪水淹没线以外地区的固定避难疏散场所共51处。由于全市避难所较多,篇幅有限,仅以道里区42处备选应急避难所作为研究区进行实证研究。

3.2 TOPSIS评判矩阵构建

为了对研究区42处备选应急避难所选址适宜性进行评价,从经济性、效率性、公平性、安全性、可达性及环境因素等6个方面共12个指标构建应急避难所适宜性评价方案,即$ a{\rm{ }} = {\rm{ }}({a_1}, {a_2}, \cdots, {a_{12}}) $,评价42处应急避难所选址的适宜性程度。依据TOPSIS方法解决问题的步骤如下:

(1)构建决策矩阵。按照公式(3)构建应急避难所选址适宜性评价决策矩阵V。由于矩阵中数据较多,仅列出部分数据:

$ {\bf{V}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {1154}&{500}&{25}&{1200}&{45}&{15}&{15}&{1000}&{15}&3&2&2\\ {3517}&{654}&{19}&{1500}&{40}&7&{14}&{1200}&{15}&2&2&3\\ \vdots & \vdots & \vdots & \vdots & \vdots & \vdots & \vdots & \vdots & \vdots & \vdots & \vdots & \vdots \\ {2291}&{673}&{15}&{2400}&{47}&{12}&{15}&{1300}&{10}&1&2&3 \end{array}} \right] $

(2)规范化决策矩阵。用公式(4)和公式(5)求得规范化决策矩阵Z,计算结果如下:

$ \begin{array}{l} {\bf{Z}} = \left[ \begin{array}{l} 3.63\;\;\;\;\;30.67\;\;\;\;37.88\;\;\;\;225.61\;\;\;\;143.57\;\;\;\;217.71\\ 11.07\;\;\;40.11\;\;\;\;\;28.79\;\;\;\;282.01\;\;\;\;127.62\;\;\;\;101.6\\ \;\;\; \vdots \;\;\;\;\;\;\;\;\;\; \vdots \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\; \vdots \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\; \vdots \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\; \vdots \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\; \vdots \\ 7.21\;\;\;\;\;41.28\;\;\;\;451.22\;\;\;149.95\;\;\;\;174.17\;\;\;\;239.34 \end{array} \right.\\ \;\;\;\;\;\left. \begin{array}{l} \;\;239.34\;\;\;\;69.47\;\;\;\;141.04\;\;\;\;65.81\;\;\;\;\;184.62\;\;\;\;\;181.59\\ \;\;223.39\;\;\;\;83.37\;\;\;\;141.04\;\;\;\;43.88\;\;\;\;\;184.62\;\;\;\;\;272.39\\ \;\;\;\;\;\;\; \vdots \;\;\;\;\;\;\;\;\; \vdots \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\; \vdots \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\; \vdots \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\; \vdots \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\; \vdots \\ \;\;239.34\;\;\;\;90.31\;\;\;\;\;94.03\;\;\;\;\;43.88\;\;\;\;\;184.62\;\;\;\;\;272.39 \end{array} \right] \times {10^{ - 4}} \end{array} $

(3)确定Z+Z

$ \begin{array}{l} {{\bf{Z}}^ + } = (605.13, 49.07, 45.45, 1071.26, 242.47, 275.76, 382.95, \\ 245.89, 141.04, 65.81, 276.92, 272.39) \times {10^{ - 4}} \end{array} $
$ \begin{array}{l} {{\bf{Z}}^ - } = (2.02, 11.04, 15.15, 178.61, 95.71, 58.06, \\ 79.78, 55.58, 75.22, 21.94, 92.31, 90.8) \times {10^{ - 4}} \end{array} $

(4)根据公式(8)和公式(9)计算各方案到Z+Z的距离与评价结果的Ci值,计算出的Ci值越大,说明该处应急避难所选址适宜性越高,反之越低。对Ci值采用等差数列分级方法,分级标准与结果见表 2表 3

表 2 应急避难所选址适宜性分级标准 Table 2 The classification standard of suitability of emergency shelter sites
表 3 应急避难所选址适宜性评价结果 Table 3 The evaluation results of emergency shelter site suitability
4 结论与讨论
4.1 结论

本文利用TOPSIS方法,从经济性、效率性、公平性、安全性、可达性及环境因素等6个方面12个指标构建城市应急避难所选址适宜性评价指标体系,并对研究区42处备选点进行适宜性评价。评价结果为优秀的应急避难备选场所有8个,为良好的有10个、中等23个,差等1个。城市应急避难所选址可从学校、广场、图书馆及体育场等中选择,但不是每个场所都适合作为应急避难所。按照本文所得评价结果,优秀与良好等级的可作为城市应急避难所的首选地点,处于中等级别的可次选作为应急避难所的备选地点,而处于差等级的则不适宜作为应急避难所。评价地点中,哈尔滨第七十六中学位置较为靠近河流,且周围道路通达性相对较差,因此该处适宜性评价结果为差等级。研究结果可为城市应急避难所选址提供依据,亦可为已建好的应急避难所适宜性评价提供参考。

4.2 讨论

TOPSIS方法对数据样本分布、样本含量指标多少均无严格限制,既适用于小样本资料,也适用于多评价单元,既可用于横向对比分析,也可用于纵向对比分析。利用该方法对城市应急避难所选址适宜性进行评价,其适用性较好。但在指标体系构建过程中对于权重的计算采用层次分析法,具有一定的主观性,对研究结果的精度有一定影响。另外,本研究中对应急避难所选址适宜性分级采用等差数列分级法,其分级结果的合理性还有待进一步研究。

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Suitability Evaluation of Urban Emergency Shelter Site Based on TOPSIS Evaluation Method
Sun Yingyue*, Chen Peng, Liu Xiaojing, Liu Jiafu
(Jilin Normal University School of Tourism and Geography Sciences, Siping 136000, Jilin, China)
Abstract

During the emergency, for the high concentration of population in the city, there is a need to evacuate the residents to the emergency shelter at once. Therefore, the rationality and suitability of the site selection should be the focus of the study. Taking six aspects of consideration, such as the economy, efficiency, equity, safety, accessibility and environmental factors, we selected 12 emergency shelter site suitability evaluation factors, and built the evaluation index system. TOPSIS evaluation method was applied to construct the suitability evaluation model and evaluate the suitability of 42 alternative emergency shelters in the study area. The results show that among 42 shelter sites in the study area there were 8 excellent, 10 good, 23 fair and 1 poor grades. The results of the study can provide the basis for the emergency management department to choose the location of emergency shelter.



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基于TOPSIS评价法的城市应急避难所选址适宜性评价研究
孙滢悦*, 陈鹏, 刘晓静, 刘家福
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20170325