陳佳超，吳 凡，花鐵森，王松盛，陸培德

（1.上海交通大學船建學院土木工程系，上海200240；2.上?；こ碳夹g咨詢有限公司，上海200092；3.上海華鐘咨詢服務有限公司，上海200020；4.中國科學院上海技術物理研究所，上海200081）

基于層次分析法的中國各省市安全評估*

陳佳超1，吳 凡1，花鐵森2，王松盛3，陸培德4

（1.上海交通大學船建學院土木工程系，上海200240；2.上?；こ碳夹g咨詢有限公司，上海200092；3.上海華鐘咨詢服務有限公司，上海200020；4.中國科學院上海技術物理研究所，上海200081）

近年來，西方發(fā)達國家愈發(fā)重視對城市安全評價研究，并且擴展至對“國家安全度”的評價研究。在國內(nèi)，許多學者也逐漸對“安全城市”評價指標體系進行研究。然而，對于在我國的省或直轄市一級，即相當歐美的州一級地區(qū)的安全評價指標體系卻鮮有研究人員涉獵。該文基于層次分析法對中國各省市的安全評估進行研究，以定性和定量相結合、系統(tǒng)化、層次化的分析方法，結合軟件開發(fā)，實用有效地處理這類的復雜問題。通過層次分析法并運用有關的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和專家評分，初步獲得了中國各省市安全評估的基本情況，得出由于西部地區(qū)天氣干燥、現(xiàn)代化發(fā)展進程較慢，導致在火災與交通風險相對較大。由于統(tǒng)計數(shù)據(jù)有限，我們的統(tǒng)計評估是基于生產(chǎn)、交通及火災事故數(shù)據(jù)。

層次分析法；中國；各省市；安全評估，軟件開發(fā)

目前，國際上把能夠帶來安全問題的災害按組成災害系統(tǒng)的致災因子歸于三類，即自然原因、人為原因、環(huán)境原因。在聯(lián)合國開展十年減災活動和美國911事件之后，人們更為廣泛地認識到安全領域的重要性，并積極地將視野投向這些新的領域，特別是嚴峻的人口與社會、環(huán)境的風險問題?；诒O(jiān)測、描述和解釋國際社會公共安全的需要，在研究和實踐中設計了一系列公共安全評估框架，它們有力地促進了人類安全和國際社會的共同發(fā)展［1］。

在國內(nèi)，城市化過程中，人們對資源浪費、環(huán)境污染這兩大問題認識得較早，宣傳也較多。但在城市公共安全的防范和應急管理方面則相對薄弱。如今，城鄉(xiāng)公共安全的預防與應急系統(tǒng)建設已逐漸得到重視。不管是理論研究、法制建設、管理體系建設或規(guī)劃應用層面都在加強，并取得了一些成績。但也應該清醒地認識到，對于城鄉(xiāng)公共安全建設，還有許多亟待加強的方面，如缺乏綜合協(xié)調(diào)，災害種類考慮不足，管理體系不健全等。

本文的研究將在分析我國城市安全發(fā)展必要性及緊迫性的基礎上，借鑒外國管理體系與實踐經(jīng)驗，從現(xiàn)有的城市安全管理模式入手，進行可行性研究，探尋完善我國城市管理的路徑與方法，以期能夠為我國城市安全管理實踐提供指導。

現(xiàn)有的分析方法有：模糊層次分析法［2］，一種結合層次分析法以及模糊綜合評價法的分析應用；主成分分析法［3］，旨在利用降維的思想，把多指標轉化為少數(shù)幾個綜合指標；“層級疊加”原理［4］，一種將單獨評價拓展為相關耦合評價；可變模糊聚類，以動態(tài)變化的相對隸屬度概念為基礎的工程模糊集理論；Case－based reasoning思想方法［5］，一種基于經(jīng)驗知識進行推理的求解方法。

在選擇公共安全評價方法時，我們的研究原則是力求簡單適用，可操作性強，減少評價的主觀性，增加客觀性。因此，我們選擇層次分析法，它以原始數(shù)據(jù)為基礎，能克服因素權重由專家打分的弊端，得到的評價結果能夠客觀反映?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）的安全現(xiàn)狀［6－7］。

層次分析法是一種將定性分析與定量分析相結合的多目標決策分析方法。運用層次分析法對一個復雜系統(tǒng)分析時，首要任務是將該問題進行層次化。

根據(jù)問題的性質和該問題所需達到的總目標，將復雜問題分解為若干因素，并按照各個因素之間的相互關聯(lián)和相互制約的從屬關系，將眾多因素按不同層次聚集組合，構成多層次的分析結構模型。然后進行排序計算，引入1～9比率標度方法，構成判斷矩陣，通過計算判斷矩陣的最大特征根及其對應的特征向量，再經(jīng)過層次單排序和層次總排序以及一致性檢驗，就能依次得到各個因素對于最高目標層的相對重要性權值。決策者可根據(jù)這些數(shù)量分析，選定最佳的決策方案［8］。

1 層次分析法簡介

層次分析法的主要過程包括以下幾個方面：建立層次結構模型；專家評分，構造判斷矩陣；層次單排序；層次單排序的一致性檢驗；層次總排序；層次總排序的一致性檢驗；最后得到總排序權值。

1.1 建立層次結構模型，構造判斷矩陣

對整個復雜問題進行深入分析之后，明確問題的范圍與該問題相關聯(lián)的各個因素，確定這些因素之間的隸屬關系和制約關系?；诖?，將問題所包含的因素根據(jù)是否共同擁有某些特性將它們聚集成組，將這種共有的特性作為系統(tǒng)新層次中的某個因素；進一步的，這些新層次中的因素也能夠按照另外一種共有特性整合成新的組，形成更高一層次的元素；以此逐層進行整合，直到最終形成單一的最高因素，即決策的目標。即整個復雜的問題就被明確地劃分為多個不同層次。而層次間的遞階結構與各個因素的從屬關系，可以通過框圖形式更清楚地顯示，可參見圖1。若某一個層次所包含的因素大于9個時，可考慮將該層次進一步劃分為若干子層次，以提高標度專家判斷的準確性［9］。

圖1 層次分析法的常用模型結構

在建立了結構層次模型后，由多名專家各自對目標層一下的所有因素逐層評價，采用1～9來表示各層因素之間的重要性等級。綜合多名專家評分的標度情況得到因素間較為準確的重要性。判斷矩陣元素的值是由同層次內(nèi)各個因素間的比值所確定的，反映了各因素相互之間的相對重要性的。在構造時，當相互比較因素的重要性能夠用具有實際意義的比值說明時，判斷矩陣相應元素的值則可以取這個比值［10］。

1.2 層次單排序及其一致性檢驗

對已知判斷矩陣A，可以通過式（1）［11］解出判斷矩陣A的特征根和特征向量W，經(jīng)歸一化后即為同一層次相應各因素對于上一層次某因素的重要性的排序權值（即權重向量），這一過程稱為層次單排序。

根據(jù)矩陣理論，當判斷矩陣不能保證具有完全一致性時，相應判斷矩陣的特征根也將發(fā)生變化，這樣就可以用判斷矩陣特征根的變化來檢查判斷矩陣的一致性程度。因此，在層次分析法中引入判斷矩陣最大特征根以外的其余特征根的負平均值，作為度量判斷矩陣偏離一致性的指標，即通過式（2）［11］進行層次單排序（或判斷矩陣）的一致性檢驗。

為了度量不同判讀矩陣是否具有滿意的一致性，引入判斷矩陣的隨即一致性指標RI值［11］。

通過式（3）［11］檢驗判斷矩陣具有滿意的一致性，可用其特征向量作為權向量。否則要重新調(diào)整判斷矩陣，使之具有滿意的一致性。

1.3 層次總排序及其一致性檢驗

計算同一層次所有因素對于最高層（總目標）相對重要性的排序權值，稱為層次總排序。這一過程是最高層次到最底層次逐層進行的，若上一層次A包含m個因素：A1，A2，…，Am，其層次總排序權值分別為a1，a2，…，am，下層次B包含n個因素B1，B2，…，Bn，他們對于因素Aj的層次單排序權值分別為b1j，b2j，…，bnj（當Bk與Aj無聯(lián)系時，bkj＝0）。由式（4）［11］可知B層次總排序權值。

式中：i＝1，2，3……n。

這一步驟也是從高到低逐層進行的。如果B層次某些元素對于Aj單排序的一致性指標為CIj，相應的平均隨機一致性指標為CRj，則B層次總排序隨機一致性比率可通過式（5）［11］得到。

類似地，當RI＜0.10時，認為層次總排序結果具有滿意的一致性，否則需要重新調(diào)整判斷矩陣的元素取值。

2 基于Matlab編譯程序的層次分析法軟件開發(fā)

層次分析法具有將定量與定性分析相結合的優(yōu)點，是一種將思維過程數(shù)學化的方法。不僅在一定程度上簡化了系統(tǒng)分析，還有助于決策者保持其思維過程的一致性。在一般的決策問題中，決策者不可能給出精確的比較判斷，這種判斷的不一致性可以由判斷矩陣的特征根的變化反映出來。并且，通過一致性檢驗，可以檢查和保持決策者判斷思維過程的一致性。進一步確保它能為最佳方案的選擇提供科學依據(jù)，為決策層做出正確的決策提供理論參考。

然而，層次分析法的運用在一些復雜的、層次較多的系統(tǒng)中，計算量較大。尤其是要進行一致性檢驗時，如果判斷矩陣的階數(shù)較大，必定帶來龐大的計算量，使計算非常困難。因此，我們開發(fā)了相關軟件程序，用編程程序代替筆算，大大提高決策的效率。

為便于各個層次數(shù)據(jù)的輸入以及最終結果的獲取，本程序都將以Excel的形式輸入與輸出。因此運行本程序之前，首先需要將Matlab軟件與Excel軟件相關聯(lián)。在輸入過程中需注意輸入頁面的提示。

本程序擁有基于GUI的簡潔界面窗口，填入相應的輸入與輸出路徑，點擊“運行”按鈕，開始主程序。

進入主程序后，首先確認是否在程序計算過程中同時在Matlab窗口顯示運算過程并保留，該項可以通過Excel輸入時進行調(diào)整。接著通過數(shù)據(jù)處理的子程序從Excel表格中獲取數(shù)據(jù)并進行排序計算。

本程序的總流程圖可參考圖2。

圖2 程序總流程圖

針對結構模型相鄰的兩個層次，在單排序計算和總排序計算分別具有各自的共性。對指標層與要素層進行分析時，先通過式（1）、式（2）和式（3）對指標層（即較低層）進行單排序并檢驗一致性，再通過式（4）和式（5）結合要素層（即較高層）對指標層（即較低層）進行總排序并檢驗一致性。相似的，在對要素層與準則層進行分析時，要素層成為了較低層，準則層成為了較高層?；谶@一相似點，本程序以數(shù)據(jù)處理的子程序和檢驗子程序為計算基礎，通過循環(huán)子程序控制循環(huán)操作，先研究最低的兩層然后一層一層向上研究。

由于排序計算通常是自下而上的計算過程，然而最終的權重分配卻是自上而下的計算過程。所以，在進行以上程序運算的同時，每一層的特征向量（即權重向量）都會被記錄，直到最后完成所有層次的排序，將結合各層特征向量情況通過式（4）進行總的權重分配。最終在指定路徑中的Excel內(nèi)輸出整個復雜系統(tǒng)的權重分配情況。

3 基于層次分析法的中國各省市安全評估

本節(jié)意在將層次分析法實際運用在中國各省市安全評估案例中。正如上節(jié)所介紹的，分析法的第一步就是建立層次結構模型由專家進行評分。在我國各省市安全評估中，指標體系評價方法采用加權綜合評分法，即各指標均以三級計分法測評，再確定各指標在體系中的權重，最后將各指標按權重所得評分加總，得出總分［12］。

3.1 確定三級指標權重評分，建立層次結構模型

基于“安全第一，以人為本”理念，3個層次三級指標選取的基本原則，均以人為本的價值體系，物質損失其次的價值觀。根據(jù)各項指標在評價指標體系中的重要性，確定各級指標如表1所示［13－14］。

對于以上兩層指標選定后，由專家細分第三層指標的選取情況，并根據(jù)專家對城市風險的各個因素進行重要性評分，構造安全因子層次結構模型。

以生存環(huán)境這一項指標為例。它由自然環(huán)境與工業(yè)化環(huán)境兩大要素組成。

在構成自然環(huán)境各要素中，包括空氣、廢水、廢物、綠化、生態(tài)和土壤，其中生態(tài)作為可持續(xù)性環(huán)境工程中的重要組成部分，其權重分值較高，其他五要素權重同等。

在工業(yè)化環(huán)境（城鎮(zhèn)）中，（供）水、電、氣（燃氣和北方取暖熱氣）與排水均為居民必需品，故權重分值同等；然而（公共設施和住宅）電梯投入運行量與日俱增，與前者四要素不同，一旦停用帶來諸多不便，而后者將是一個潛在的風險源，出現(xiàn)故障會造成人員傷亡，故權重分值較高。上述屬建筑內(nèi)設施，而公共環(huán)境（城鎮(zhèn)）中，樓、路和橋因各種因素造成倒塌和塌陷事故迭起，防不勝防，政府作為社會管理機構負有不可推諉責任，故權重分值較高于上述屬建筑內(nèi)設施要素。

類似地，依次討論研究其余的一級指標，得到層次結構模型如圖3所示。

表1 城市安全一、二級指標

根據(jù)指標層、要素層、準則層、目標層構造判斷矩陣，通過編寫的Matlab程序依次進行層次單排序及其一致行檢驗，以及層次總排序及其一致行檢驗。即通過層次分析法，結合要素層與指標層總排序權值，對專家評分權重由上而下重新分配，經(jīng)過一致性檢驗，消除了人為因素的偏差，得到圖4、圖5、圖6各個加權分圖。

圖4 加權后生存環(huán)境層次分圖

圖5 加權后治安層次分圖

3.2 建立?。ㄖ陛犑校┌踩琶?/p>

根據(jù)2012年全國各省（直轄市）的交通及火災的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，結合以上由層次分析法得到的權重，得出下列的基于交通與火災數(shù)據(jù)的省市安全風險排名表（表2），以權重分值最大為最不安全。

最終，通過層次分析法，我們可以獲得中國各省市安全評估情況，由排名可見，西部地區(qū)由于天氣干燥、現(xiàn)代化發(fā)展進程較慢，導致在火災與交通風險相對較大。西部共有6個省（直轄市）風險得分排在全國前10位，其中西北地區(qū)有4個?。ㄖ陛犑校?，西南地區(qū)有2個?。ㄖ陛犑校晃鞑抗灿?個?。ㄖ陛犑校┡旁谌珖?位，其中西北有3個?。ㄖ陛犑校┡旁谌珖?位，西南地區(qū)有1個省（直轄市）。

圖6 加權后火災、交通、生產(chǎn)事故和自然災害層次分圖

表2 基于交通與火災數(shù)據(jù)的省市安全風險排名表

4 結論

基于層次分析法，我們獲得了中國各省市安全評估情況，我們發(fā)現(xiàn)，西部共有6個省（直轄市）風險得分排在全國前十位。我們認為西部地區(qū)由于天氣干燥、現(xiàn)代化發(fā)展進程較慢，是導致在火災與交通風險相對較大的主要原因。

通過本次對中國各省市進行安全評估后，有效解決了在城鄉(xiāng)公共安全評估時遇到的復雜問題，如缺乏綜合協(xié)調(diào)，災害種類考慮不足，管理體系不健全等。本研究借鑒了外國管理體系與實踐經(jīng)驗，從現(xiàn)有的城鄉(xiāng)安全管理模式入手，完善了我國城鄉(xiāng)管理的路徑與方法，綜合城鄉(xiāng)管理各方面的因素，為我國城鄉(xiāng)安全管理實踐提供指導。此外，在我們的研究過程中，我們開發(fā)了層次分析法的軟件應用，由此能有效地進行大量龐雜的計算過程，彌補了層次分析法原有的計算復雜的困難。

在選擇層次分析法作為公共安全評價方法時，其可操作性強，簡單實用，在擁有足夠原始統(tǒng)計數(shù)據(jù)的情況下，能減少評價的主觀性，增加客觀性，并且克服因素權重由專家打分的弊端。因此這種評價方法更適合?。ㄖ陛犑校┌踩u價，評價結果能夠客觀反映出?。ㄖ陛犑校┑陌踩F(xiàn)狀。

然而，在研究進行過程中，我們發(fā)現(xiàn)，在原有的結構模型下，仍然有許多原始數(shù)據(jù)未能從相關政府部門獲得，因此，我們僅能通過已公開的統(tǒng)計數(shù)據(jù)對各省市安全進行評估。由于數(shù)據(jù)的缺乏，導致了本次結果的局限性。今后，我們認為，增加評分專家的數(shù)量能減少個人主觀性的誤差，從而得到更準確的因素權重；有關政府職能部門對于各類原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計的準確性、公開性、時效性，也將是進一步完善城市安全評估體系的另一個重要思路。

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Safety Evaluation on Provinces and Cities in China by Analytic Hierarchy Process

Chen Jiachao1，Wu Fan1，Hua Tiesen2，Wang Songshen3and Lu Peide4
（1．Department of Civil Engineering，School of Naval Architecture，Ocean and Civil Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China；2．Shanghai Huamao Engineering and Technology Consulting Company，Shanghai200092，China；3．Shanghai Huazhong Consulting Corporation，Shanghai200020，China；4．Shanghai Institute of Technical Physics of the Chinese Academy of Science，Shanghai200081，China）

In recent years，the western developed countries pay more attentions on urban safety evaluation studies.They further extend the studies into the field of national safety.In China，many scholars gradually focus on the research of safe city index evaluation system.However，few researchers do the similar studies on the level of provinces ormegacitieswhich is equivalent to the state in Europe and America.Our study proposes amethod based on AHP（Analytic Hierarchy Process）to evaluate the safety of China province and megacity.By using AHP and software developed，this kind of complex problems can be handled practicably and effectively by using a combination of qualitative and quantitative analysismethod.Through the use of AHP with the relevant statistical data and expert ratings，the basic results of Chinese provinces’safety evaluation are preliminarily achieved.We get the conclusion that the dry weather and the poormodernization in thewestern region result in a high risk of fire and traffic. Because of the limited statistical data，the evaluation result is based on the data in fields of production，traffic and fire.

Analytic Hierarchy Process；China；provinces and cities；safety evaluation；software development

X43

A

1000－811X（2014）04－0198－06

10.3969／j.issn.1000－811X.2014.04.036

陳佳超，吳凡，花鐵森，等.基于層次分析法的中國各省市安全評估［J］.災害學，2014，29（4）：198－203.［Chen Jiachao，Wu Fan，HuaTiesen，etal.Evaluation of Chinese Provinces’Safety by the Analytic Hierarchy Process［J］.Journal of Catastrophology，2014，29（4）：198－203.］*

2014－04－28 修回日期：2014－06－20

國家自然科學面上基金（NSFC－51278300）；國家自然科學重點基金（NSFC－61227017）

陳佳超（1992－），男，浙江鎮(zhèn)海人，大學本科生，主要從事災害風險評估與管理、風險評估軟件開發(fā)的研究.

E-mail：chenjc369＠gmail.com.cn

吳凡（1963－），女，上海人，博士，副教授，主要從事建筑結構災害風險評估與管理、結構健康監(jiān)測的研究.

E-mail：fanwu＠sjtu.edu.cn