基于灰色聚類的地下綜合管廊項目運營風(fēng)險評價研究

劉玉梅 郭海濱 張程城 孟霄 王雨

摘要： 地下綜合管廊是城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要構(gòu)成部分，對其運營期風(fēng)險進(jìn)行評價研究具有重要意義。本文通過專家調(diào)查和文獻(xiàn)分析等方法構(gòu)建了地下綜合管廊項目運營風(fēng)險評價指標(biāo)體系，采用AHP和熵權(quán)組合賦權(quán)的方法確定了風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重，運用灰色聚類法對其運營風(fēng)險進(jìn)行綜合評價，最后以實例分析驗證了此方法的可行性和適用性。

Abstract： The underground pipe gallery is an important part of the urban infrastructures. So to evaluate its operational risk is of great significance. This paper builds an evaluation index system for operational risk of underground pipe gallery projects through experts surveys and literature analysis. And it uses AHP and entropy weight combination weighting method to determine the risk index weights， then it uses grey clustering to evaluate its operational risk. Finally， it verified the feasibility and applicability of this method with an example analysis.

關(guān)鍵詞： 綜合管廊；風(fēng)險評價；灰色聚類；運營風(fēng)險

Key words： pipe gallery；risk evaluation；grey clustering；operation risk

中圖分類號：TU91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）26-0121-05

0 引言

改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)飛速增長，國民生活水平顯著提升，對城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的要求日益增高。地下綜合管廊將電力、通信、熱力、給水排水、燃?xì)獾雀魇姓芫€集于一處，合理利用了地下空間，解決了“馬路拉鏈”問題，改善了城市面貌，延長了管線的壽命。

地下綜合管廊的建設(shè)由來已久，早在1833年法國巴黎建立了世界上第一條地下綜合管廊，1963年日本為了維護(hù)綜合管廊的建設(shè)制定了《共同溝實施法》，Canto Perello等提出了一些實用的綜合管廊創(chuàng)新和組織方式[1]；我國對地下綜合管廊的研究相對較晚，譚忠盛等對地下綜合管廊建設(shè)的管理模式進(jìn)行了研究[2]，何瑤等指出目前國內(nèi)綜合管廊相關(guān)法律法規(guī)和政策的匱乏[3]，張宏以蘇南某開發(fā)區(qū)的綜合管廊為例，描述了特定范圍內(nèi)綜合管廊的市場化運營管理模式[4]，韋海民采用HHM法識別地下綜合管廊建設(shè)過程中的風(fēng)險[5]?，F(xiàn)階段對地下綜合管廊的研究集中于建設(shè)、發(fā)展、運營管理、投融資等方面，對其風(fēng)險管理方面的研究還處在初始階段，針對運營期的風(fēng)險管理研究則相對較少。

地下綜合管廊建成后運營周期長達(dá)數(shù)十年至百年，期間參與方較多，管廊內(nèi)管線較多，存在風(fēng)險因素多；因此對地下綜合管廊項目運營風(fēng)險進(jìn)行識別、評價具有重要意義。王永紅等運用信心指數(shù)法和層次分析法對渤海灣海底隧道運營期風(fēng)險進(jìn)行評價[6]，劉沐宇等運用熵權(quán)法計算得到模糊綜合評價各風(fēng)險指標(biāo)的權(quán)重[7]，郭鵬等提出了項目風(fēng)險模糊灰色綜合評價方法，利用灰色聚類理論構(gòu)造項目風(fēng)險模糊隸屬度矩陣來綜合評價風(fēng)險[8]，Tunmala提出了風(fēng)險管理系統(tǒng)的4個階段，即風(fēng)險識別、風(fēng)險度量、風(fēng)險評價和風(fēng)險控制[9]。本文通過專家調(diào)查和文獻(xiàn)分析等方法構(gòu)建地下綜合管廊項目運營風(fēng)險評價指標(biāo)體系，運用AHP法和熵權(quán)法組合計算風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重，采用灰色聚類法對其運營風(fēng)險進(jìn)行評價分析，為地下綜合管廊項目運營風(fēng)險控制提供一定的參考依據(jù)。

1 風(fēng)險評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

地下綜合管廊項目運營周期長、資金回收慢、參與方多、環(huán)境復(fù)雜、風(fēng)險因素眾多，因此選取恰當(dāng)?shù)脑u價指標(biāo)對最終風(fēng)險評價結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性具有重要意義。本文通過邀請專家進(jìn)行訪談?wù){(diào)查，閱讀大量文獻(xiàn)，并借鑒城市軌道交通項目運營風(fēng)險因素的識別，從系統(tǒng)論的角度出發(fā)，將地下綜合管廊項目運營風(fēng)險因素分為：人員組織風(fēng)險、設(shè)備設(shè)施風(fēng)險、環(huán)境風(fēng)險和管理風(fēng)險四個方面，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建風(fēng)險評價指標(biāo)體系，如表1所示。

2 風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重的確定

風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重的計算方法有很多，主要分成兩類：第一類方法對權(quán)重的確定取決于專家自身的經(jīng)驗、知識結(jié)構(gòu)和價值觀，這類方法較成熟，但對專家的主觀判斷依賴性較強(qiáng)，客觀性較差，易造成評價結(jié)果的不穩(wěn)定，如 AHP 法、專家打分法等；第二類方法是對實際發(fā)生的信息進(jìn)行綜合、計算和分析后得到權(quán)重，主觀色彩小，確定權(quán)重精度較高，但該方法相對主觀賦權(quán)法而言形成較晚且不是很完善，如離散系數(shù)法、標(biāo)準(zhǔn)離差法、熵權(quán)法等。為更準(zhǔn)確地確定指標(biāo)權(quán)重，本文采用主客觀相結(jié)合的方法確定地下綜合管廊項目運營風(fēng)險評價體系的指標(biāo)權(quán)重。

2.1 層次分析法確定主觀權(quán)重

層次分析法（AHP）是20世紀(jì)70年代由美國薩迪（T.L.Saaty）教授提出的一種對多個指標(biāo)和方案進(jìn)行層次化、結(jié)構(gòu)化的決策分析方法，是一種定性與定量結(jié)合的分析方法，能對人的主觀感覺、經(jīng)驗進(jìn)行客觀描述，對非定量的事情做出定量分析。

根據(jù)表1所示風(fēng)險評價指標(biāo)體系，邀請10位專家對地下綜合管廊項目運營風(fēng)險因素各層次指標(biāo)進(jìn)行兩兩重要性比較，以上一層次的某個元素為準(zhǔn)則，采用1-9標(biāo)度法表示隸屬于它的下一層次各元素之間的相對重要程度，建立比較判斷矩陣。以目標(biāo)層U—準(zhǔn)則層Ui為例，專家打分得判斷矩陣，對其進(jìn)行歸一化處理，得一級指標(biāo)權(quán)重向量W1=（0.0944，0.4564，0.1460，0.3032），計算最大特征值λ=4.0817，對其進(jìn)行一致性檢驗得：CI=0.0272，RI=0.9，CR=0.0302？燮0.1，符合一致性檢驗要求。同理可得準(zhǔn)則層下各指標(biāo)的權(quán)重向量：W11=（0.2812，0.0669，0.5149，0.1379），W21=（0.3296，0.0521，0.0744，0.1235，0.2137，0.1712， 0.0355），W31=（0.3207，0.4504，0.1420，0.0869），W41=（0.1473，0.0792，0.2848，0.4887）。

2.2 熵權(quán)法確定客觀權(quán)重

熵的概念源于熱力學(xué)，主要反映系統(tǒng)的不確定性和無序程度。1948年Shannon將其引入信息論，信息熵是信息源信號不確定性的度量，如果指標(biāo)信息熵越小，則其指標(biāo)權(quán)重就越大。熵權(quán)法即是運用信息熵的理論評價各指標(biāo)的有序性，確定各評價指標(biāo)的權(quán)重。

邀請上述10位專家對各層次指標(biāo)進(jìn)行風(fēng)險等級打分，將風(fēng)險等級分為低、較低、中等、較高、高，分別對應(yīng)風(fēng)險值為1，2，3，4，5。根據(jù)專家打分構(gòu)建原始數(shù)據(jù)矩陣A=（aij）m×n，其中m表示指標(biāo)個數(shù)，n表示評價對象個數(shù)，i=1，2，3，…，m，j=1，2，3，…，n，aij表示第i個指標(biāo)下第j個評價對象對應(yīng)的評價值。以一級指標(biāo)U1為例，原始數(shù)據(jù)為，根據(jù)公式對其進(jìn)行歸一化處理，得矩陣X=（xij）m×n，由公式（式中：k=1/ln（n），當(dāng)xij=0時，記xijln（xij）=0）和計算各指標(biāo)的熵值及熵權(quán)值，得一級指標(biāo)U1下各二級指標(biāo)的熵權(quán)值向量為W12=（0.2510，0.2902，0.1725，0.2863）。同理可計算其他二級指標(biāo)及一級指標(biāo)的熵權(quán)值，如下：W22=（0.0797，0.0941，

0.2277，0.2277，0.0816，0.1153，0.1739），W32=（0.1645，

0.1126，0.3535，0.3694），W42=（0.2270，0.3926，0.1963，

0.1841），W2=（0.3662，0.0988，0.2716，0.2634）。

2.3最小相對信息熵確定組合權(quán)重

綜合主觀權(quán)重Wi1和客觀權(quán)重Wi2可得組合權(quán)重Wi，Wi應(yīng)與Wi1和Wi2盡可能接近。根據(jù)最小信息熵原理，用拉格朗日乘子法優(yōu)化所得組合權(quán)重計算式（式中：i=1，2，3，…，m）計算一級指標(biāo)層各指標(biāo)權(quán)重，得組合權(quán)重向量：W=（0.2114，0.2411，0.2263，0.3212），同理可得二級指標(biāo)層各指標(biāo)組合權(quán)重向量：W1=（0.2948，0.1546，0.3308，0.2198），W2=（0.1839，0.0795，0.1477，0.1903，0.1499，0.1595，

0.0892），W3=（0.2677，0.2624，0.2611，0.2088），W4=（0.2042，0.1969，0.2640，0.3349），綜合各層次指標(biāo)權(quán)重結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2可知，準(zhǔn)則層下管理風(fēng)險重要性最大，權(quán)重為0.3212，而設(shè)備設(shè)施風(fēng)險、環(huán)境風(fēng)險、人員組織風(fēng)險權(quán)重分別為：0.2411、0.2263、0.2114，重要性相對偏小，因此應(yīng)重點關(guān)注地下綜合管廊管理方面的問題；指標(biāo)層中應(yīng)急能力、組織協(xié)調(diào)性及工作人員素質(zhì)水平三個指標(biāo)權(quán)重相對較高，應(yīng)相對重視，用戶認(rèn)可度、土建設(shè)施及供電系統(tǒng)權(quán)重排序最靠后，說明其重要性相對較低。

3 基于灰色聚類的風(fēng)險評價

灰色系統(tǒng)即信息不確定或不完全明確的系統(tǒng)，具有貧信息、少數(shù)據(jù)和不具典型分布的特點?；疑到y(tǒng)理論由我國學(xué)者鄧聚龍教授創(chuàng)立，主要研究不確定性系統(tǒng)，即通過對已知信息的研究，得出已知信息的規(guī)律，進(jìn)而模擬出整個系統(tǒng)的規(guī)律，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的描述和監(jiān)督。

灰色聚類是灰色系統(tǒng)理論中的一個重要理論，是對所評價的對象進(jìn)行分類的一種方法，可以分為灰色定權(quán)聚類和灰色變權(quán)聚類。當(dāng)選擇的評價指標(biāo)在數(shù)值、量綱和意義上的差別較大時，應(yīng)選擇灰色定權(quán)聚類方法。根據(jù)地下綜合管廊運營風(fēng)險的特點、復(fù)雜程度及評價指標(biāo)情況，本文選用較適合的灰色定權(quán)聚類方法來進(jìn)行研究。

3.1 聚類評價矩陣

根據(jù)風(fēng)險管理中對風(fēng)險度的常規(guī)劃分方式，結(jié)合專家意見，本文將風(fēng)險指標(biāo)的評價等級劃分為高、較高、中等、較低、低五類，分別對其賦值{5，4，3，2，1}。邀請數(shù)位專家同時對風(fēng)險指標(biāo)進(jìn)行風(fēng)險等級打分，得到評價矩陣如下：

其中：rijk——第k個專家對指標(biāo)rij的打分；

m——一級指標(biāo)的數(shù)量；

n——一級指標(biāo)下的二級指標(biāo)的數(shù)量；

p——專家人數(shù)。

3.2 評價灰類及白化權(quán)函數(shù)

灰類指評價指標(biāo)被劃分等級的不同種類，根據(jù)前文所確定的風(fēng)險因素評價等級，確定對應(yīng)的5個評價灰類，序號為e，則e=1，2，3，4，5，分別代表風(fēng)險低、較低、中等、較高、高五個等級。各灰數(shù)及評價灰類的白化權(quán)函數(shù)分別如下：

①第一灰類低風(fēng)險（e=1），灰數(shù)？塥1∈[0，1，2]，對應(yīng)白化權(quán)函數(shù)為：

（1）

②第二灰類較低風(fēng)險（e=2），？塥2∈[0，2，4]，對應(yīng)白化權(quán)函數(shù)為：（2）

③第三灰類中等風(fēng)險（e=3），？塥3[0，3，6]，對應(yīng)白化權(quán)函數(shù)為：（3）

④第四灰類較高風(fēng)險（e=4），？塥4[0，4，8]，對應(yīng)白化權(quán)函數(shù)為：（4）

⑤第五灰類高風(fēng)險（e=5），？塥5[0，5，10]，對應(yīng)白化權(quán)函數(shù)為：（5）

3.3 建立灰色評價權(quán)矩陣

將專家賦值帶入各白化權(quán)函數(shù)計算得各評價灰類的灰色評價數(shù)，總灰色評價數(shù)；評價指標(biāo)Uij屬于第e個灰類的灰色評價權(quán)記為cije，，指標(biāo)Uij屬于各灰類的灰色評價權(quán)向量為cij=（cij1，cij2，，cij3，cij4，cij5），則指標(biāo)層Ui下各指標(biāo)對各評價灰類的灰色評價權(quán)矩陣為：

3.4 綜合評價分析

首先，對準(zhǔn)則層Ui做綜合評價，結(jié)果記為Di，則有Di=Wi×Ci；進(jìn)而得到目標(biāo)層U所含準(zhǔn)則層Ui對于各評價灰類的灰色評價權(quán)矩陣D=（D1，D2，D3，…，Dm）；其次對目標(biāo)層U做綜合評價，評價結(jié)果記為F，則有F=W×D；最后根據(jù)風(fēng)險等級值向量λ=（1，2，3，4，5），計算準(zhǔn)則層各指標(biāo)風(fēng)險評價值：Mi=Di×λT，計算目標(biāo)層指標(biāo)風(fēng)險評價值：Z=F×λT，得地下綜合管廊項目運營風(fēng)險綜合評價結(jié)果，根據(jù)計算結(jié)果確定風(fēng)險等級。

4 實例分析

青島高新區(qū)某地下綜合管廊項目位于濱海大道至鳳凰山路段，項目投資估算總值約1.76億元，管廊總長約1.63km，為支線雙艙管廊。管廊內(nèi)包含給水、電力、熱力、通訊、再生水等5類管線，其中通訊管線包含廣電、移動、電信、聯(lián)通等4類管線，附屬系統(tǒng)主要有通風(fēng)系統(tǒng)、監(jiān)控與報警系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、標(biāo)識系統(tǒng)、供電與照明系統(tǒng)、排水系統(tǒng)等。

采用灰色聚類法對該項目運營風(fēng)險進(jìn)行評價分析。邀請10位專家對該項目運營期風(fēng)險指標(biāo)進(jìn)行等級打分，得到評價矩陣：

根據(jù)評價灰類及白化權(quán)函數(shù)公式（1）-（5），計算評價指標(biāo)U11屬于各評價灰類的灰色評價數(shù)，結(jié)果如下：

則指標(biāo)U11的總灰色評價數(shù)，根據(jù)公式計算指標(biāo)U11屬于各評價灰類的灰色評價權(quán)，得向量c11=（0，0.2322，0.2252，0.3061，0.2365），同理可計算指標(biāo)U12，U13，U14的灰色評價權(quán)向量，從而得指標(biāo)U1下各指標(biāo)U1j對所有評價灰類的灰色評價權(quán)矩陣為：

同理可計算指標(biāo)U2，U3，U4下各指標(biāo)對所有評價灰類的灰色評價權(quán)矩陣分別如下：

根據(jù)公式Di=Wi×Ci對指標(biāo)U1做綜合評價，評價過程如下：

同理可得對指標(biāo)U2，U3，U4的評價結(jié)果：D2=W2×C2=（0.0163，0.1774，0.3204，0.2659，0.2200），D3=W3×C3=（0.0261，0.2140，0.2969，0.2572，0.2057），D4=W4×C4=（0.0152，0.1940，0.2985，0.2707，0.2216），進(jìn)而得到目標(biāo)層U下各準(zhǔn)則層指標(biāo)Ui對所有評價灰類的灰色評價權(quán)矩陣：

根據(jù)公式F=W×D對目標(biāo)層U做綜合評價，評價結(jié)果為：

最后依據(jù)公式Mi=Di×λT，風(fēng)險等級值向量λ=（1，2，3，4，5），計算各準(zhǔn)則層指標(biāo)風(fēng)險評價值，得M1=3.4930，M2=3.4957，M3=3.4024，M4=3.4896，則風(fēng)險值排序為M3

由上述計算結(jié)果可知，該項目風(fēng)險指標(biāo)體系準(zhǔn)則層下各指標(biāo)風(fēng)險等級均為中等，風(fēng)險大小依次為設(shè)備設(shè)施風(fēng)險、人員組織風(fēng)險、管理風(fēng)險、環(huán)境風(fēng)險，四者風(fēng)險值都較接近，沒有特別大的差異，但還是應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備設(shè)施風(fēng)險、人員組織風(fēng)險、管理風(fēng)險方面的防范工作，環(huán)境風(fēng)險雖然風(fēng)險值相對較低，但也屬于中等風(fēng)險，同樣應(yīng)予以重視。該項目運營期綜合風(fēng)險等級為中等，雖不屬于高風(fēng)險范疇，但風(fēng)險等級也不低，在其運營期間應(yīng)做好各方面的風(fēng)險預(yù)防工作，加強(qiáng)風(fēng)險防范意識。

5 結(jié)論

本文依據(jù)專家訪談、文獻(xiàn)參考等方法構(gòu)建了地下綜合管廊項目運營風(fēng)險評價指標(biāo)體系；采用層次分析法和熵權(quán)法組合計算得到了各層次指標(biāo)風(fēng)險權(quán)重的大小，從而確定了其重要性排序；運用灰色聚類法對風(fēng)險指標(biāo)進(jìn)行評價分析，以青島高新區(qū)某地下綜合管廊項目為例，得到其風(fēng)險等級為中等，由此驗證了該方法的可行性，為地下綜合管廊項目運營風(fēng)險方面的研究提供了一定的參考。但本文在研究上尚存在風(fēng)險評價指標(biāo)不夠完善、運用的方法相對簡單、專家調(diào)查人數(shù)偏少等方面的不足，在今后的研究中可以進(jìn)一步改善，以取得更好的研究成果。

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