公共基礎設施不可操作風險傳遞效應分析

王元明

（天津商業(yè)大學公共管理學院，天津 300134）

公共基礎設施不可操作風險傳遞效應分析

王元明

（天津商業(yè)大學公共管理學院，天津 300134）

公共基礎設施的成功對于城市規(guī)劃、社會穩(wěn)定以及國家戰(zhàn)略都具有重要意義。公共基礎設施系統(tǒng)內(nèi)各要素之間相互關聯(lián)性高，且由于其社會性和經(jīng)濟性的雙重屬性，風險因素多且影響關系錯綜復雜，形成了基礎設施不可操作性風險在系統(tǒng)內(nèi)部的傳遞效應。本研究旨在將這一復雜的風險形成過程加以描述，并對其傳遞效應進行結(jié)構化分析。首先，基于風險形成的基本原理，描述了基于公共基礎設施之間關聯(lián)性的風險傳遞現(xiàn)象，其次基于Leontief投入產(chǎn)出模型構建了公共基礎設施不可操作性風險傳遞模型，最后通過實例說明了模型的應用性。結(jié)果表明，這一方法對于管理者在公共基礎設施不可操作性風險聯(lián)動防范措施的制定方面有借鑒意義，同時對城市建設中基礎設施的可操作性改善也可以起決策性輔助作用。

公共基礎設施;不可操作風險;傳遞效應

2012年7月北京大暴雨，為北京帶來了前所未有的困難和考驗，城區(qū)多處積水嚴重，路面交通中斷，部分地鐵停運，500多架次航班取消或延誤。這說明中國城市在基礎設施建設，尤其是在道路、交通、排澇應急等公共設施方面，存在很大的短板，同時也說明公共基礎設施之間的關聯(lián)性是造成某種自然風險因素擴散性傳遞的重要載體。作為不可抗力的風險因素，管理者并不能改變其存在和發(fā)展的客觀性，但是如果能很好地預知這類風險帶給公共基礎設施的損失及其擴大路徑，對于風險發(fā)生之后的損失控制方案制定有很大意義。因此，準確把握公共基礎設施之間的關聯(lián)性與風險形成、傳遞規(guī)律，應當作為城市公共工程風險應急管理的重要內(nèi)容。目前關于基礎設施系統(tǒng)內(nèi)部關聯(lián)性的研究集中于內(nèi)部關聯(lián)性特征和基于關聯(lián)性的外界互動研究兩個方面。研究方法則以數(shù)學模型和復雜網(wǎng)絡方法為主?；跀?shù)學以及模擬仿真技術針對城市基礎設施系統(tǒng)內(nèi)部關聯(lián)狀況進行模擬的研究，基本上統(tǒng)一于對內(nèi)部關聯(lián)性存在的認可，并可以一定的方式進行描述，如Nozick等利用馬爾可夫特性描述了關鍵基礎設施網(wǎng)絡的關聯(lián)關系［1］，劉健等則采用系統(tǒng)動力學和Multi-Agents混合建模方法模擬了城市基礎設施系統(tǒng)內(nèi)部的關聯(lián)關系［2］;另一類則基于這種關聯(lián)性考慮系統(tǒng)受到外部因素影響時的效應分析，這方面研究以Haimes等將Leontief經(jīng)濟學模型應用其中，提出失效輸入/輸出模型為主要標志，提供了城市基礎設施系統(tǒng)與外界因素交互作用研究的新模式［3］。后續(xù)學者基于此模式具體分析了在特定外界因素作用下，城市基礎設施系統(tǒng)內(nèi)部的關聯(lián)性變化規(guī)律，如Garg等利用最小費用流算法模擬城市基礎設施網(wǎng)絡部分系統(tǒng)失效情況下的運行和恢復情況［4］;吳之立等在肯定城市基礎設施系統(tǒng)存在復雜關聯(lián)的前提下，建立了供需關系網(wǎng)絡模型以應對緊急狀態(tài)下備用資源的分配問題［5］;胡愛軍等以極端天氣這一自然風險因素為例說明了基礎設施在風險影響下的間接經(jīng)濟損失的評估問題［6］;除此之外，還包括了部分學者對公共基礎設施風險的定性分析［7］?？傮w而言，對城市基礎設施系統(tǒng)內(nèi)部關聯(lián)性的認識是統(tǒng)一的，但缺乏針對這一系統(tǒng)面臨風險因素的影響時基于設施關聯(lián)性發(fā)生的傳遞效應的分析，尤其是各設施本身具有的抗風險能力這一能動性要素未被考慮。因此，本文基于公共基礎設施的風險傳遞機理構建其不可操作性風險的傳遞模型，以說明基礎設施系統(tǒng)中風險的形成和擴散過程。

一、公共基礎設施項目及其特點

公共基礎設施是指為公眾設置，公眾可以共享，不允許某個人獨占或排他的一些基礎性設施，包括具有一定規(guī)模的建筑、交通、能源、通信等服務于社會公眾，與群眾日常生活聯(lián)系緊密，具有廣泛社會影響，關系城市或者區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重大工程，通常具有重要使用功能和重大社會意義的標志性工程。除了具有一般項目的一次性、獨特性、投資周期長等特點，還具有公共性、服務性、社會關注度高、配套設施條件、安全性與關聯(lián)性要求高等特點［8］。

公共性是指公共基礎設施的需求根源以及委托方都是公眾，項目成果應當為公眾共同享用。服務性是指公共基礎設施具有為公眾的物質(zhì)文化生活提供服務的功能，是實現(xiàn)公共服務的載體。社會關注度高。一般來說公共基礎設施投資多、建設規(guī)模大、公共資源消耗多，涉及社會公眾生活的各個方面，從根本上花的是納稅人的錢，對區(qū)域經(jīng)濟文化具有戰(zhàn)略意義，因此一般會受到較高的社會關注。安全性要求高。公共基礎設施受眾面大，一旦發(fā)生安全問題，造成的損失將不可估量，因此要求公共基礎設施要保障公眾及周邊環(huán)境的安全。

需求導向明顯。相對于一般商業(yè)項目，大型公共基礎設施基本是完全需求導向型的，也就是基于公眾的需求開發(fā)建設。

關聯(lián)性高。這是公共基礎設施系統(tǒng)內(nèi)部的重要特征，一般來說可以分為四類［9］:（1）實體相依性。如果兩個關鍵基礎設施系統(tǒng)之間是實體相依性，則一系統(tǒng)依賴另一系統(tǒng)提供原料或是服務，方能運作。如供水系統(tǒng)須依賴電力系統(tǒng)所產(chǎn)出的電力才能順利提供供水服務。（2）信息相依性。透過信息的連接將關鍵基礎設施系統(tǒng)連接稱為信息相依性，如一發(fā)電廠的控制訊號通過光纖等通訊網(wǎng)絡傳遞到總控制中心，才能正確配電給服務范圍內(nèi)各項設施，故稱兩者之間具有信息相依性。（3）地理相依性。如果本地環(huán)境事件造成本地的一些關鍵基礎設施的狀態(tài)變化，則這些關鍵基礎設施系統(tǒng)具有地理上的相關性。舉例來說，輸水管線與電力配送系統(tǒng)在同一條橋上，當橋梁損毀時輸水管線與電力配送系統(tǒng)將會同時發(fā)生狀況。（4）邏輯相依性。是指不同設施所屬機關相同，當發(fā)生風險事件時可能因為資源分配問題彼此之間存在間接影響。如電力系統(tǒng)與供水系統(tǒng)都由同一家公司管理，當公司財務發(fā)生問題時對電力系統(tǒng)與供水系統(tǒng)的監(jiān)控與注意力都會下降，就會造成供水系統(tǒng)或電力系統(tǒng)破壞的可能性大幅提高。

二、公共基礎設施不可操作性風險的形成

（一）公共基礎設施不可操作性風險的定義

綜合各主流學說對風險的不同定義，風險的實質(zhì)就是一個事件發(fā)生某個后果的不確定性（或然性）及造成損失的嚴重程度，可用函數(shù)R=F（P，C）來表示，R代表風險，P代表事件發(fā)生的概率，C代表事件發(fā)生的結(jié)果。還有一種定義將風險情景因素考慮其中，給出了R=F（S，P，C），其中S為某種風險情景。

本文將公共基礎設施項目的不可操作風險定義為不確定性事件或條件對公共基礎設施項目期望目標值存在的影響。這種影響包含兩層含義:一是風險因素對公共基礎設施本身的直接影響;二是基于公共基礎設施系統(tǒng)的復雜性和關聯(lián)性，非直接的影響作用以設施本身為載體向其他設施進行傳遞，包括風險的放大和減弱兩種情形?；诠不A設施的主要功能要求，其不可操作性風險表現(xiàn)為設施受到內(nèi)部或者外界風險因素影響時，其部分或整體功能失效。我們將其定義為系統(tǒng)在行使其規(guī)定的功能時表現(xiàn)出來的無效，這一特征由于設施不同而有不同的表現(xiàn)形式，如交通中斷、電力系統(tǒng)癱瘓等。以概率方式可以表示為:

其中C為不可操作性風險結(jié)果，X為基礎設施要求的操作性水平，可以財富損失或者人員傷亡表示其風險后果。

以實物形態(tài)來說，公共基礎設施不可操作性風險主要表現(xiàn)為:（1）擴散效應。當一設施毀壞后，與其串聯(lián)的各個設施皆會中止服務或毀壞。如通往發(fā)電廠的道路損毀，造成電力不足，電力系統(tǒng)的中斷造成通訊中斷，進而產(chǎn)生更多問題。（2）漸升效應。當一設施毀壞后，另一設施的損毀程度增加或復原時間增加。如通訊系統(tǒng)中斷，通常將使許多設施的修復時間加長。（3）共同原因損壞。一些設施可能因同一原因，幾乎同時間一起損壞。

（二）公共基礎設施不可操作性風險傳遞

風險因素、風險事故與風險損失之間的關系是風險因素導致風險事件的發(fā)生，風險事件在一定條件下引起風險后果。也就是說，風險因素是造成損失的內(nèi)在原因，而風險事件則是造成損失的外在原因。關于風險的形成，亨利希的骨牌理論形象地說明了風險的形成要素之間的關系。在他的理論中，這些骨牌依次是:遺產(chǎn)及社會環(huán)境、人的缺點、人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)、事故與傷害。他認為風險事故的發(fā)生是一連串事件互為因果按照一定順序發(fā)生的結(jié)果［10］。也就是說，在一串骨牌中，如果一塊骨牌倒下，后面的骨牌將發(fā)生連鎖反應順序倒下。

基于骨牌理論，我們將風險分為三種類型:一是風險的直接形成，表示風險因素直接造成風險客體的風險損失;二是由于客體之間的相關性，在直接風險形成后同時形成相關性風險;三是風險的傳遞。風險的傳遞現(xiàn)象又因為載體的不同表現(xiàn)為兩種類型:一是由于項目任務之間的關聯(lián)性導致同一種風險的擴大或減弱;二是由于人為的理解或者操作導致風險的放大或減弱。前者的傳遞載體是項目任務之間的關聯(lián)性，后者的載體則主要是信息傳播。由于公共項目的屬性，經(jīng)常以基礎設施的形態(tài)出現(xiàn)，而基礎設施之間的相互依賴性和相互關聯(lián)性成為風險傳遞的載體，導致發(fā)生風險的復雜化，這種現(xiàn)象屬于第一種風險傳遞類型。因此，基礎設施實體的關聯(lián)性是風險傳遞的基礎。

我們考慮由n項彼此關聯(lián)的基礎設施組成一個公共基礎設施系統(tǒng)，每個基礎設施可以作為一個實體，其可操作性水平取決于其他基礎設施所提供資源的可用性。那么這個系統(tǒng)中的要素可能遭受外界風險事件或者內(nèi)部自身功能失效的影響，造成這一要素的不可操作性風險。由于不同基礎設施之間的直接依賴關系導致循環(huán)和相互依存關系等形式的關聯(lián)性關系的存在，即一個事件降低了第i項基礎設施的可操作性，還可能引發(fā)與第i項基礎設施關聯(lián)的其他基礎設施的可操作性水平的變化。這些變化將以關聯(lián)性的物質(zhì)載體傳遞到其他基礎設施。當然基礎設施的不可操作性狀況在一定時間內(nèi)是穩(wěn)定的，即不考慮其自我恢復性。在這樣的系統(tǒng)中，某種風險因素可能直接影響單個的基礎設施，再在關聯(lián)性系統(tǒng)中進行傳遞;也有可能是風險因素同時影響多個基礎設施，并發(fā)生傳遞，擴大影響的范圍。需要說明的是風險傳遞只能說明風險影響結(jié)果的擴散性，但不一定是風險的增大。

這一傳遞過程機理如圖1所示。圖中基礎設施系統(tǒng)由n項相關聯(lián)的要素構成，R表示基礎設施受到的外界風險因素的影響，一般以概率分布描述;Z表示基礎設施內(nèi)部任務結(jié)構，也可以看作其抗風險能力;aij是內(nèi)部風險響應狀態(tài)，表示第j項基礎設施對第i項基礎設施不可操作性的貢獻;Ci表示第i項基礎設施在受到風險沖擊之后表現(xiàn)出來的不可操作性風險結(jié)果，是風險傳遞的階段性產(chǎn)物;基于基礎設施之間的關聯(lián)性，Ci以傳遞的形式對系統(tǒng)中的其他基礎設施的可操作性造成沖擊，各自形成了一定的不可操作性風險結(jié)果，最終形成了公共基礎設施的另一種操作性均衡水平［］。

圖1 基于關聯(lián)性的公共基礎設施不可操作性風險傳遞

三、基于關聯(lián)性的公共基礎設施不可操作風險傳遞模型

（一）公共基礎設施不可操作性風險傳遞模型

美國經(jīng)濟學家瓦西里·列昂惕夫在《美國經(jīng)濟結(jié)構，1919－1929》一書中詳細介紹了“投入產(chǎn)出分析”的基本內(nèi)容［11］。這一方法是研究經(jīng)濟體中均衡行為的框架，促進了對一個經(jīng)濟體中不同部分之間的互聯(lián)性的理解，同時說明了某部分的變化對其他部分帶來的影響的預測。投入產(chǎn)出（IO）模型已被高度多樣化地應用，包括評估經(jīng)濟的相互依存關系［12］、環(huán)境建模［13］以及災害影響分析［14］。隨后，Haimes［15］與Santos［16］等在Leontief的投入產(chǎn)出模型基礎上，提出了不可操作投入產(chǎn)出模型（Inoperability input－output modeling，IIM）。IIM模型是Leontief投入產(chǎn)出（IO）模型的延伸，是各種故障來源包括恐怖主義、自然災害和意外事故引發(fā)的基礎設施的級聯(lián)效應評估的分析工具。

基礎設施面臨的第三種風險傳遞是基于基礎設施之間的關聯(lián)性而導致的設施不可操作風險的擴大或減弱的結(jié)果，表現(xiàn)為外力作用下關聯(lián)性系統(tǒng)的風險投入和產(chǎn)出的問題。因此，我們可以基于Leontief的IO模型建立公共基礎設施面臨風險時由于內(nèi)部設施關聯(lián)性導致的實體不可操作風險傳遞的模型。

假設:xj表示第j個基礎設施面臨的整體風險。xij表示系統(tǒng)中第j項基礎設施受到風險因素的影響造成不可操作性對第i個基礎設施不可操作性的影響。aij為第j項基礎設施對第i項基礎設施貢獻的不可操作性概率，表示第i項基礎設施對第j項基礎設施的依賴程度。aij=1表示兩個基礎設施之間有明確的關聯(lián)性，即第i項基礎設施的不可操作風險一定會導致j項基礎設施的故障;而aij=aji=0表示在第i項基礎設施和基礎設施j之間不存在物理性連接。Ci表示第i項基礎設施受到風險因素的影響，即不可操作性風險。

需要說明的是，aij表示基礎設施不可操作性風險的傳遞系數(shù)，因此A矩陣數(shù)值的確定應當是這一模型精確性的關鍵所在。很多學者用專家調(diào)查法、模糊法來確定［17－18］。但是主觀判斷與客觀存在之間難免存在誤差，如果不能很好地描述公共基礎設施系統(tǒng)的內(nèi)部關聯(lián)性，那么對于整個系統(tǒng)的不可操作性風險的預測將會不可避免地出現(xiàn)誤差。相比而言，公開的投入產(chǎn)出表比實際領域的調(diào)查和訪談更為優(yōu)越，因此本文應用投入產(chǎn)出表中的數(shù)據(jù)作為基礎數(shù)據(jù)來獲得這一依賴性關系矩陣。另外，在以前IIM的應用中，經(jīng)常假設向量C由常量元素組成。例如，電力系統(tǒng)為第i項基礎設施，是唯一直接受影響的部門，如果20%的電力服務能力下降，將對應Ci=0．2，所有其他元素都是零。事實上，自然災害類的風險因素很多情況下不只對一項基礎設施產(chǎn)生直接影響，而是同時直接影響多項基礎設施的可操作性。而且風險因素的不確定性導致了基礎設施面臨不可操作性風險損失的不確定性，應考慮其以某種概率分布情況存在，而不是常量，且一般情況下，自然災害的發(fā)生屬于極端事件。

（二）模型應用

為說明公共基礎設施系統(tǒng)不可操作性風險傳遞模型的應用，本文選擇5項基礎設施:（1）電力、熱力系統(tǒng); （2）燃氣供應系統(tǒng);（3）供水系統(tǒng);（4）城市公共交通;（5）信息傳輸系統(tǒng)。j=1，2，3，4，5分別表示這5項基礎設施。這些子系統(tǒng)之間的關聯(lián)系數(shù)矩陣（A）如表1－表3所示，根據(jù)中國2007年投入產(chǎn)出表中數(shù)據(jù)計算得出。

表1 基礎設施關聯(lián)系數(shù)矩陣

表2 （I－A）系數(shù)矩陣

表3 （I－A）－1系數(shù)矩陣

在基礎數(shù)據(jù)確定的情況下，本文假定基礎設施受到風險因素影響后在一定時間內(nèi)的不可操作性不變，來說明這一模型的應用過程。

假設第一種情況，只有供水系統(tǒng)受到襲擊，導致其可操作性降低了30%，即C3=0．3，其他4項基礎設施不受風險的直接影響，有C=［000.300］T。根據(jù)式（4）可求得由于供水系統(tǒng)受到風險直接影響后，相互關聯(lián)的基礎設施系統(tǒng)不可操作風險向量為:X=［0.0920.0010.30100.001］T

這說明在供水子系統(tǒng)可操作性降低30%之后，由于基礎設施的關聯(lián)性，其他設施也不可避免地受到這一風險的影響，不可操作性風險傳遞結(jié)果顯示供電和熱力子系統(tǒng)是僅次于供水系統(tǒng)本身的受害體。

如果多項基礎設施同時遭受風險，則基礎設施系統(tǒng)不可操作性風險傳遞的結(jié)果也可用同樣方法得到。

第二種情況，基礎設施面臨的風險因素發(fā)生服從某種概率分布，因此只能得到某項基礎設施遭受的不可操作風險的概率分布，而不是點估計值，即自然風險發(fā)生的概率分布假設為g，則基礎設施不可操作性風險發(fā)生的概率分布為f（g）。這種情況下，其他基礎設施的不可操作性風險水平也以一種新的概率分布發(fā)生。

假設供水子系統(tǒng)受到風險因素影響之后不可操作性風險降低f1，其他設施不受風險因素的直接影響，則同理可得，基礎設施系統(tǒng)的不可操作性水平變?yōu)?X=［0.307f10.003f11.004f100.004f1］T

同時可知f1的取值范圍是0≤f1≤0.996，因為f1＞0.996，在f1＞0.996的情形下，供水子系統(tǒng)將全面崩潰。

如果多項以上基礎設施同時受到風險因素的直接影響，在一定時間內(nèi)不考慮恢復效應，假定供水子系統(tǒng)和通信子系統(tǒng)同時受到侵襲，這種侵襲的風險來源可能是相同的一種，也可能是不同的風險因素，其各自的不可操作性向量分別為f1和f2，同樣可以得到整個基礎設施系統(tǒng)的不可操作性風險向量為:

此時由于風險因素的組合效應，f1和f2的取值范圍為:0≤f1≤0.994，0≤f2≤0.988。

這一方法除了能有效預測基礎設施系統(tǒng)不可操作性風險的傳遞效應之外，還可以逆向考慮，即可獲知當某幾項基礎設施性能水平提高的情況下整個基礎設施系統(tǒng)性能的改善情況。如要求提升某城市整體基礎設施系統(tǒng)的穩(wěn)定性水平20%，那么基于這種關聯(lián)性的傳遞效應，我們可以用同樣的方法獲知在基礎設施系統(tǒng)內(nèi)部，各項基礎設施功能可操作性的有效提升空間。

四、結(jié)論

系統(tǒng)內(nèi)部的關聯(lián)性對基礎設施面臨的風險形成和發(fā)展造成了更大的傳遞性和復雜性。本文在分析了公共基礎設施風險傳遞的特性之后，基于Leontief投入產(chǎn)出模型，構建了基礎設施系統(tǒng)不可操作風險的傳遞模型，并以實例說明模型的應用性。公共基礎設施的不可操作性風險傳遞模型為管理者提供了一個框架，幫助管理者分析如何對存在關聯(lián)性的基礎設施（或部門）系統(tǒng)進行有效的風險管理，尤其是為建立基礎設施之間的風險聯(lián)動防范機制提供了參考依據(jù)，同時也為基礎設施改善性功能分配建設提供了借鑒。

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（責任編輯 傅旭東）

Analysis of Public Infrastructure Inoperability Risk Transmission Effect

WANG Yuanming

（School of Public Management，Tianjin University of Commerce，Tianjin 300134，P．R．China）

The success of public infrastructure has great significance in terms of urban planning，social stability and national strategies．Interconnectedness between the various elements within the public infrastructure system is high，and its society and economy attributes and the complexity of the system risk lead to the risk transmission effect within the public infrastructure system．This study aims to describe the formation of risk transmission effect．Based on the basic principles of risk formation，this paper describes the public infrastructure inoperability risk transmission effect，then build public infrastructure inoperability risk transmission model based on the Leontief input－output model，and finally shows the application of this model by example．This method has meaning for managers to learn in public infrastructure inoperability risk linkage formulation，at the same time，can play the same decision-making support role in improving the operability of public infrastructure in urban construction．

public infrastructure;inoperability risk;transmission effect

F272.3

A

1008-5831（2014）05-0064-06

10．11835/j．issn．1008－5831．2014．05．009

2013－09－26

教育部人文社會科學研究青年基金項目“大型公共項目風險傳遞機制及其防控研究”（10YJC630264）

王元明（1980－），女，山西沁縣人，天津商業(yè)大學公共管理學院講師，博士，主要從事公共項目風險管理研究。