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城市防灾基础设施功能安全内涵及其影响因素分析
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内容提示：从功能安全角度出发,阐述城市防灾基础设施功能安全的内涵;以全寿命周期理念为指导,应用网络层次分析法,演绎具有复杂网络结构特征的城市防灾基础设施系统功能安全的影响因素,并依此提出构建城市防灾基础设施功能安全一体化模式的思路。
1 引 言
现代化城市具有生产集中、人口集中、建筑集中和财富集中等基本特点，城市功能表现出高相关性和依赖性，灾害危险源多，关联性强，易引发次生灾害，致使受灾持续时间和灾后恢复时间过长，综合损失快速增长。（参考《建筑中文网》）
如表 1 所示，2004～2008 年洪涝、旱灾、火灾和地震等灾害对我国造成的损失居高不下，2008 年损失更是远超常年，城市灾害凸显。提高城市防灾功能水平具有现实迫切性。能持续满足功能要求的基础设施是城市系统正常运行的基础[1]，作为城市基础设施的重要组成部分，城市防灾基础设施具有抵御突发灾害的功能，有效满足该功能要求是最经济、最安全又十分有效的防灾减灾措施，是提高城市和区域防灾水平的基础。因此，研究和评价城市防灾基础设施的功能安全，对城市防灾减灾具有重要作用。
表1 2004～2008年全国灾情比较
2 城市防灾基础设施功能安全内涵分析
2.1 功能安全相关问题研究综述
国内外学者对防灾基础设施功能安全问题研究较少，也没有明确的定义，关于功能安全（functional safety）的研究主要集中在工业工程和土木工程领域。在工业工程领域，史学玲、邓意[3]认为功能安全是以系统功能的可靠执行来保证安全，即通过合适的技术与管理措施，把安全相关系统的整体风险控制在要求的目标之内；IEC 61508 标准[4]定义功能完整性水平为一定时间、一定条件下，安全系统能执行规定的安全功能的概率；蔡天富、张景林[5]提出用安全性表示安全系统的某一安全因素在某一等级耗散结构下完成规定安全功能的能力，用完成其安全功能的概率即安全度来量化安全性，并提出以系统熵分析安全度可以解释和判定安全系统的稳定性。在土木工程领域，工程结构设计的目的是在一定经济条件下，保证结构在预定的使用期限内能满足所预期的安全性、适用性和耐久性等各种功能要求，对这些功能的度量称为结构的安全度，即结构在规定时间内、规定条件下完成预定功能的概率[6]。工程结构设计以结构抗力和荷载效应为综合基本变量建立结构功能函数，以可靠度理论综合运用概率论、数理统计和随机过程等数学方法定量计算结构安全度[7]。
综上所述，目前关于功能安全的研究仅仅关注工程领域，鲜见城市防灾基础设施功能安全研究。作为提高城市防灾水平的基础，界定防灾基础设施功能安全内涵、研究和评价全寿命周期内的功能安全问题，可以丰富和发展功能安全理论体系，也将推动城市防灾减灾策略的发展。
2.2 城市防灾基础设施功能安全内涵
同工程结构和各种安全系统一样，城市防灾基础设施建设的首要目的是保证在一定条件下，满足预定的功能要求。笔者认为，城市防灾基础设施的功能安全可以定义为：防灾基础设施建设满足规定设防标准，通过合适的技术与管理措施，有效执行系统功能，预防灾害发生或使灾害降低在预定水平之内。一旦防灾基础设施功能在任何环节上滞后或失效，一次寻常的灾害，都可能导致城市遭受巨大灾难。城市防灾基础设施功能不仅体现在具备抵御突发灾害的能力，而且在全寿命周期内，具有满足城市经济社会发展的动态需求，保障城市系统正常运转和促进城市持续发展的能力。
从系统科学角度，城市防灾基础设施主要包括城市抗震防震设施、城市防洪排涝等防汛设施、城市消防设施、城市人防战备设施[8]和城市救灾生命线工程等，是一个多要素、多层次的大系统。
城市抗震防震设施功能安全，应指建筑物或其他构筑物的抗震设防满足该地要求，避震疏散通道和疏散场所等切实可用，当遭遇小震影响时，城市功能正常，建筑风貌保持完好，建设工程一般不发生破坏，人民生产和生活基本不受影响；当遭遇中震影响时，城市生命线工程系统和重要设施基本正常，一般建设工程可能发生破坏但基本不影响城市整体功能；当遭遇大震影响时，重要建筑、大型公共设施和学校等人员密集建筑基本不发生危及生命安全的破坏，要害系统和城市生命线工程系统不遭受严重破坏，不发生严重的次生灾害，城市功能基本不瘫痪。
城市防汛设施功能安全，应指水库、堤防、蓄滞洪区、排洪沟渠、防洪闸和排涝设施等防汛工程设施符合规定设防标准，汛期来临时，能有效提供抵御灾害的功能，减少洪涝灾害给人民的生命财产、社会经济、生态环境等方面带来的损失，充分发挥水利工程的保障作用。
城市消防设施功能安全，应指城市总体布局、功能分区、消防站设置、消防车通道、消防给水和消防通讯等方面符合消防安全的要求，排除隐患，当发生火灾时，能迅速控制并尽可能排除事故造成的危害，为城市人民的生产创造良好的安全环境。
城市人防战备设施功能安全，应指已修建或使用的人防工程设施保持良好状态，平时能满足城市动态需求，在灾害来临时能有效掩蔽人员和提供物资等，增强城市防备自然灾害和突发事故灾害的能力，减少对城市生活生产造成的损失，确保城市正常运行。
城市救灾生命线工程设施功能安全，应指电、水和气等生命线和设备系统后备充足，具有一定自我保障能力，不因灾害影响而导致整个城市功能瘫痪。
城市防灾基础设施系统是一个多要素、多层次的复杂大系统，在高度集中的城市化区域里，各要素的功能安全严重影响整个体系的功能安全。只要各要素都能有效满足其功能安全，发生灾害或引发次生灾害时，整个系统仍能满足防灾要求，城市安全就有了保障。
3 基于 ANP 的城市防灾基础设施功能安全影响因素分析
3.1 城市防灾基础设施功能安全的ANP结构
城市基础设施包括城市能源动力系统、城市水资源系统、城市道路交通系统、城市邮电通信系统、城市生态环境系统和城市防灾系统。人们通常只重视能直接带来经济效益的项目，如道路、能源等，轻视防灾基础设施的建设，导致我国城市整体防灾抗灾能力不强、防灾基础设施功能安全存在问题。影响城市防灾基础设施系统功能安全的因素众多，这些因素具有随机性、模糊性和动态性特征，必须系统全面地加以考虑，进而合理选取一些相互联系的指标作为综合分析的依据。对于大型建设工程项目，从全寿命周期角度考虑问题具有整体性、全面性、系统性的优点[9]，因此，应以全寿命周期管理理念为指导，分析城市防灾基础设施在规划、设计、建设、运营和维护过程中影响其功能安全的因素。由于防灾基础设施大系统中各要素在全寿命周期的每一阶段都存在影响其功能安全的因素，各内部元素之间可能是依存的，相互影响、相互支撑，低层元素对高层元素亦有支配作用，即存在反馈，因此整个防灾基础设施系统的功能安全问题具有复杂的网络结构特征。
常规的层次分析法 （AHP，Analytical HierarchyProcess）在系统决策分析中得到了广泛应用，其核心是将系统划分层次，综合运用定性和定量指标，集成专家的知识和经验，但是只考虑了上层元素对下层元素的支配作用，认为同一层次中的元素彼此独立，这种递阶层次结构给处理系统问题带来了方便，却限制了它在复杂决策问题中的应用；网络分析法（ANP，Analytic Network Process）在 AHP 的基础上充分考虑系统内部诸要素的层次性、依赖性、反馈性及完整性，利用“超矩阵”对各相互影响的因素进行综合分析得出其混合权重，这种网络结构给处理复杂问题带来了方便，可以利用它来准确描述城市防灾基础设施功能安全的层次结构。
ANP 法将系统元素划分为两大部分[10]。第一部分为控制层，包括问题目标及决策准则。所有的决策准则均被认为是彼此独立，只受目标元素支配，每个准则的权重均可用传统 AHP 法获得。第二部分为网络层，由受控制层支配的所有元素组成，内部是互相影响的网络结构。
以城市防灾基础设施功能安全为目标，基于系统构成分析，整个防灾基础设施大系统的功能安全由五个子系统的功能安全构成，包括城市抗震防震设施系统 B1、城市防汛设施系统 B2、城市消防设施系统 B3、城市人防战备设施系统 B4 和城市救灾生命线工程系统 B5，五个子系统之间相对独立、协调运作，共同影响城市防灾基础设施大系统的功能安全和城市防灾功能安全水平。
现代化城市具有生产集中、人口集中、建筑集中和财富集中等基本特点，城市功能表现出高相关性和依赖性，灾害危险源多，关联性强，易引发次生灾害，致使受灾持续时间和灾后恢复时间过长，综合损失快速增长。（参考《建筑中文网》）
如表 1 所示，2004～2008 年洪涝、旱灾、火灾和地震等灾害对我国造成的损失居高不下，2008 年损失更是远超常年，城市灾害凸显。提高城市防灾功能水平具有现实迫切性。能持续满足功能要求的基础设施是城市系统正常运行的基础[1]，作为城市基础设施的重要组成部分，城市防灾基础设施具有抵御突发灾害的功能，有效满足该功能要求是最经济、最安全又十分有效的防灾减灾措施，是提高城市和区域防灾水平的基础。因此，研究和评价城市防灾基础设施的功能安全，对城市防灾减灾具有重要作用。
表1 2004～2008年全国灾情比较
2 城市防灾基础设施功能安全内涵分析
2.1 功能安全相关问题研究综述
国内外学者对防灾基础设施功能安全问题研究较少，也没有明确的定义，关于功能安全（functional safety）的研究主要集中在工业工程和土木工程领域。在工业工程领域，史学玲、邓意[3]认为功能安全是以系统功能的可靠执行来保证安全，即通过合适的技术与管理措施，把安全相关系统的整体风险控制在要求的目标之内；IEC 61508 标准[4]定义功能完整性水平为一定时间、一定条件下，安全系统能执行规定的安全功能的概率；蔡天富、张景林[5]提出用安全性表示安全系统的某一安全因素在某一等级耗散结构下完成规定安全功能的能力，用完成其安全功能的概率即安全度来量化安全性，并提出以系统熵分析安全度可以解释和判定安全系统的稳定性。在土木工程领域，工程结构设计的目的是在一定经济条件下，保证结构在预定的使用期限内能满足所预期的安全性、适用性和耐久性等各种功能要求，对这些功能的度量称为结构的安全度，即结构在规定时间内、规定条件下完成预定功能的概率[6]。工程结构设计以结构抗力和荷载效应为综合基本变量建立结构功能函数，以可靠度理论综合运用概率论、数理统计和随机过程等数学方法定量计算结构安全度[7]。
综上所述，目前关于功能安全的研究仅仅关注工程领域，鲜见城市防灾基础设施功能安全研究。作为提高城市防灾水平的基础，界定防灾基础设施功能安全内涵、研究和评价全寿命周期内的功能安全问题，可以丰富和发展功能安全理论体系，也将推动城市防灾减灾策略的发展。
2.2 城市防灾基础设施功能安全内涵
同工程结构和各种安全系统一样，城市防灾基础设施建设的首要目的是保证在一定条件下，满足预定的功能要求。笔者认为，城市防灾基础设施的功能安全可以定义为：防灾基础设施建设满足规定设防标准，通过合适的技术与管理措施，有效执行系统功能，预防灾害发生或使灾害降低在预定水平之内。一旦防灾基础设施功能在任何环节上滞后或失效，一次寻常的灾害，都可能导致城市遭受巨大灾难。城市防灾基础设施功能不仅体现在具备抵御突发灾害的能力，而且在全寿命周期内，具有满足城市经济社会发展的动态需求，保障城市系统正常运转和促进城市持续发展的能力。
从系统科学角度，城市防灾基础设施主要包括城市抗震防震设施、城市防洪排涝等防汛设施、城市消防设施、城市人防战备设施[8]和城市救灾生命线工程等，是一个多要素、多层次的大系统。
城市抗震防震设施功能安全，应指建筑物或其他构筑物的抗震设防满足该地要求，避震疏散通道和疏散场所等切实可用，当遭遇小震影响时，城市功能正常，建筑风貌保持完好，建设工程一般不发生破坏，人民生产和生活基本不受影响；当遭遇中震影响时，城市生命线工程系统和重要设施基本正常，一般建设工程可能发生破坏但基本不影响城市整体功能；当遭遇大震影响时，重要建筑、大型公共设施和学校等人员密集建筑基本不发生危及生命安全的破坏，要害系统和城市生命线工程系统不遭受严重破坏，不发生严重的次生灾害，城市功能基本不瘫痪。
城市防汛设施功能安全，应指水库、堤防、蓄滞洪区、排洪沟渠、防洪闸和排涝设施等防汛工程设施符合规定设防标准，汛期来临时，能有效提供抵御灾害的功能，减少洪涝灾害给人民的生命财产、社会经济、生态环境等方面带来的损失，充分发挥水利工程的保障作用。
城市消防设施功能安全，应指城市总体布局、功能分区、消防站设置、消防车通道、消防给水和消防通讯等方面符合消防安全的要求，排除隐患，当发生火灾时，能迅速控制并尽可能排除事故造成的危害，为城市人民的生产创造良好的安全环境。
城市人防战备设施功能安全，应指已修建或使用的人防工程设施保持良好状态，平时能满足城市动态需求，在灾害来临时能有效掩蔽人员和提供物资等，增强城市防备自然灾害和突发事故灾害的能力，减少对城市生活生产造成的损失，确保城市正常运行。
城市救灾生命线工程设施功能安全，应指电、水和气等生命线和设备系统后备充足，具有一定自我保障能力，不因灾害影响而导致整个城市功能瘫痪。
城市防灾基础设施系统是一个多要素、多层次的复杂大系统，在高度集中的城市化区域里，各要素的功能安全严重影响整个体系的功能安全。只要各要素都能有效满足其功能安全，发生灾害或引发次生灾害时，整个系统仍能满足防灾要求，城市安全就有了保障。
3 基于 ANP 的城市防灾基础设施功能安全影响因素分析
3.1 城市防灾基础设施功能安全的ANP结构
城市基础设施包括城市能源动力系统、城市水资源系统、城市道路交通系统、城市邮电通信系统、城市生态环境系统和城市防灾系统。人们通常只重视能直接带来经济效益的项目，如道路、能源等，轻视防灾基础设施的建设，导致我国城市整体防灾抗灾能力不强、防灾基础设施功能安全存在问题。影响城市防灾基础设施系统功能安全的因素众多，这些因素具有随机性、模糊性和动态性特征，必须系统全面地加以考虑，进而合理选取一些相互联系的指标作为综合分析的依据。对于大型建设工程项目，从全寿命周期角度考虑问题具有整体性、全面性、系统性的优点[9]，因此，应以全寿命周期管理理念为指导，分析城市防灾基础设施在规划、设计、建设、运营和维护过程中影响其功能安全的因素。由于防灾基础设施大系统中各要素在全寿命周期的每一阶段都存在影响其功能安全的因素，各内部元素之间可能是依存的，相互影响、相互支撑，低层元素对高层元素亦有支配作用，即存在反馈，因此整个防灾基础设施系统的功能安全问题具有复杂的网络结构特征。
常规的层次分析法 （AHP，Analytical HierarchyProcess）在系统决策分析中得到了广泛应用，其核心是将系统划分层次，综合运用定性和定量指标，集成专家的知识和经验，但是只考虑了上层元素对下层元素的支配作用，认为同一层次中的元素彼此独立，这种递阶层次结构给处理系统问题带来了方便，却限制了它在复杂决策问题中的应用；网络分析法（ANP，Analytic Network Process）在 AHP 的基础上充分考虑系统内部诸要素的层次性、依赖性、反馈性及完整性，利用“超矩阵”对各相互影响的因素进行综合分析得出其混合权重，这种网络结构给处理复杂问题带来了方便，可以利用它来准确描述城市防灾基础设施功能安全的层次结构。
ANP 法将系统元素划分为两大部分[10]。第一部分为控制层，包括问题目标及决策准则。所有的决策准则均被认为是彼此独立，只受目标元素支配，每个准则的权重均可用传统 AHP 法获得。第二部分为网络层，由受控制层支配的所有元素组成，内部是互相影响的网络结构。
以城市防灾基础设施功能安全为目标，基于系统构成分析，整个防灾基础设施大系统的功能安全由五个子系统的功能安全构成，包括城市抗震防震设施系统 B1、城市防汛设施系统 B2、城市消防设施系统 B3、城市人防战备设施系统 B4 和城市救灾生命线工程系统 B5，五个子系统之间相对独立、协调运作，共同影响城市防灾基础设施大系统的功能安全和城市防灾功能安全水平。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201011/14489.htm
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