基于IAHP-SPA-GCM的城市軌道交通PPP項目脆弱性評價

洪文霞，王閃閃，薛 娜，張利源，李蓓蓓

(青島理工大學(xué) 管理工程學(xué)院，青島 266525)

隨著我國城市化進(jìn)程的加速發(fā)展，城市交通擁堵問題日益突出，城市軌道交通是解決此問題的有效措施.由于政府資金和管理經(jīng)驗方面的不足，無法滿足現(xiàn)代城市軌道交通建設(shè)的需求，將公私伙伴關(guān)系(Public-Private Partnership，PPP)模式引入城市軌道交通建設(shè)，有利于緩解政府財政壓力、提高運行質(zhì)量及效率.城市軌道交通PPP項目具有建設(shè)周期長、參與主體多、施工環(huán)境復(fù)雜多變等特征，使項目在全生命周期內(nèi)遇到突發(fā)事件導(dǎo)致項目受阻或失敗的可能性增加，因此有必要對城市軌道交通PPP項目進(jìn)行脆弱性分析，以提高項目抵抗能力，保障項目順利完成.

脆弱性研究起初應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)和自然災(zāi)害方面，已有學(xué)者對項目脆弱性進(jìn)行了研究，向鵬成等[1]基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，提出一種評估跨區(qū)域重大工程項目系統(tǒng)脆弱性的方法，分析了跨區(qū)域重大工程項目脆弱性與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的關(guān)系.常騰原等[2]提出國際承包商可以依據(jù)工程項目的脆弱評價指標(biāo)以及脆弱性與政治風(fēng)險的關(guān)系，改善和降低工程項目的脆弱性，從而更好地應(yīng)對政治風(fēng)險，并形成自身的競爭優(yōu)勢.CHEN Yan等[3]針對地鐵運營安全問題，通過本體模型建立了脆弱性管理通用知識庫，提高了漏洞管理水平.張蕾等[4]系統(tǒng)分析了隧道施工安全管理脆弱性，基于ISM法剖析了脆弱性因素間的耦合關(guān)系，構(gòu)建了脆弱性評價層級體系.上述研究脆弱性系數(shù)測算因素單一，對脆弱性缺乏定量計算，且未考慮項目特征脆弱性對項目產(chǎn)生的影響.

綜上所述，本文充分考慮城市軌道交通PPP項目脆弱性因素不確定性以及政府與社會資本方利益沖突性，采用Delphi法基于外部環(huán)境、項目特征、政府和社會資本方四維視角識別脆弱性因素，構(gòu)建城市軌道交通PPP項目脆弱性評價體系.通過IAHP-SPA法計算脆弱性評價指標(biāo)權(quán)重，從同異反三方面處理模糊性區(qū)間權(quán)重，使權(quán)重值更科學(xué)準(zhǔn)確.并改進(jìn)白化函數(shù)為指數(shù)型函數(shù)，結(jié)合集對分析理論建立SPA-GCM綜合評模型，在保證分散性數(shù)據(jù)不易丟失的同時使評價結(jié)果更客觀、全面.區(qū)間層次分析(Interval Analytic Hierarchy Process，IAHP)-集對分析(Set Pair Analysis，SPA)-灰色聚類分析(Grey Cluster Method，GCM)方法為城市軌道交通PPP項目脆弱性評價提供了理論支撐，為城市軌道交通PPP項目薄弱環(huán)節(jié)管控提供了依據(jù).

1 城市軌道交通PPP項目脆弱性分析

城市軌道交通PPP項目脆弱性指由具有暴露性和敏感性的子系統(tǒng)組成的城市軌道交通PPP項目系統(tǒng)受內(nèi)部不穩(wěn)定作用和外部環(huán)境干擾的影響而抵抗不利事件并能夠自我恢復(fù)的能力[5]，用來描述項目健康狀態(tài)，脆弱性越高，表示抵抗不利影響能力越差，后果越嚴(yán)重，損失越大，反之越好.

1.1 脆弱性誘發(fā)機理

城市軌道交通PPP項目脆弱性不受項目本身影響，是項目系統(tǒng)與所處環(huán)境不利事件相互作用造成項目損失的結(jié)果.某個城市軌道交通PPP項目脆弱性指標(biāo)(f1,f2,f3,…，fm)因素可能影響多個子系統(tǒng)(d1,d2,d3,…,dn)脆弱性，其誘發(fā)機理及關(guān)系見圖1.

1.2 脆弱性指標(biāo)體系構(gòu)建

Delphi法是根據(jù)專家主觀意見評價的方法，在降低專家個人偏好造成結(jié)果片面性的同時還能夠體現(xiàn)專家間的意見分歧[6].采用Delphi法，依據(jù)各專家的經(jīng)驗、知識對城市軌道交通PPP項目脆弱性影響因素進(jìn)行識別，能夠提高專家評價度和結(jié)果精確度，流程如圖2所示.選取12位具有7年以上城市軌道交通PPP項目建設(shè)經(jīng)驗的管理人員、技術(shù)人員以及8位從事城市軌道交通脆弱性領(lǐng)域的大學(xué)教授組成20人專家組對城市軌道交通PPP項目脆弱性因素進(jìn)行篩選.

圖2 城市軌道交通PPP項目脆弱性因素識別流程

圖3 城市軌道交通PPP項目脆弱性指標(biāo)體系

通過統(tǒng)計分析4輪Delphi法的調(diào)研結(jié)果，結(jié)合城市軌道交通PPP項目自身特點，從外部環(huán)境、項目特征、政府和社會資本方4個維度構(gòu)建24個城市軌道交通PPP項目脆弱性指標(biāo)體系，具體清單如圖3所示.

2 基于IAHP-SPA-GCM模型的城市軌道交通PPP項目脆弱性評價

城市軌道交通PPP項目脆弱性評價是在內(nèi)外因素脅迫下對城市軌道交通PPP項目自身結(jié)構(gòu)及抵抗、恢復(fù)功能的預(yù)測[7]，通過評價能夠度量項目發(fā)展的可持續(xù)性，識別敏感性，提高應(yīng)對性，使結(jié)構(gòu)和功能達(dá)到理想狀態(tài).IAHP-SPA-GCM模型實質(zhì)是以集對分析為核心，有機組合區(qū)間層次分析和灰色聚類分析的一種定性與定量相結(jié)合的綜合評價方法.首先建立評價指標(biāo)隸屬度標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系矩陣，其次運用IAHP-SPA法計算項目脆弱性評價指標(biāo)權(quán)重，最后通過SPA-GCM確定項目脆弱性水平，研究框架見圖4.

2.1 建立隸屬度標(biāo)準(zhǔn)矩陣

設(shè)脆弱性評價指標(biāo)集合為P={p1，p2，…，pm}，指標(biāo)評價等級分級為Q={q1，q2，…，qc}，得與的隸屬度標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系矩陣為

式中：表示評價指標(biāo)對評價等級的隸屬度.

2.2 IAHP-SPA法權(quán)重賦權(quán)

集對分析理論是從同異反三方面處理系統(tǒng)模糊和不確定問題的分析方法[8].考慮傳統(tǒng)層次分析得出的區(qū)間權(quán)重有很大的模糊性和不確定性，運用IAHP-SPA法將區(qū)間權(quán)重精確化，能夠有效解決權(quán)重模糊性且具有主客觀集合評價優(yōu)勢.

圖4 城市軌道交通PPP項目脆弱性評價研究框架

(1)

(2)

(3)

根據(jù)一致性矩陣和區(qū)間判斷矩陣計算得兩端極差矩陣Δ-m和Δ+m，計算式為

(4)

根據(jù)兩端極差矩陣計算兩端極差權(quán)重(Δ-ω*和Δ+ω*)，即

(5)

從而得評價指標(biāo)Di的區(qū)間權(quán)重值

其中，

(6)

(7)

最后根據(jù)式(8)得出城市軌道交通PPP項目脆弱性評價指標(biāo)IAHP-SPA綜合權(quán)重：ω=(ω1,ω2，…，ωm)

(8)

2.3 SPA-GCM法綜合評價

2.3.1 確定聯(lián)系度

根據(jù)項目自身特點并經(jīng)專家咨詢，將城市軌道交通PPP項目脆弱性評價等級分為極低、低、中等、高和極高5個等級，由評價等級確定采用五元聯(lián)系數(shù)：

μxy=axy+(b1)xyi1+(b2)xyi2+(b3)xyi3+cxyj，x=1，2，…，n;y=1，2，…，n

聯(lián)系度分量axy，(b1)xy，(b2)xy，(b3)xy，cxy∈[0，1]，分別表示脆弱性指標(biāo)對評價等級極低、低、中等、高和極高的偏向度.

2.3.2 改進(jìn)灰色聚類白化函數(shù)

灰色聚類是在n個聚類對象，m個聚類指標(biāo)，c個不同灰類中，根據(jù)第i(i=1，2，…，n)個對象關(guān)于j(j=1，2，…，m)指標(biāo)的樣本值xij將第i個對象歸入第y(y∈(1，2，…，c))灰類之中[9]，是一個確定白化函數(shù)和灰數(shù)類別的過程.但傳統(tǒng)灰類不相鄰級別白化值為0，若數(shù)據(jù)信息呈非線性化極易丟失，導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確[10-11].因此，改進(jìn)白化函數(shù)為指數(shù)型白化函數(shù)，將梯形結(jié)構(gòu)修改成曲邊梯形結(jié)構(gòu)，平滑的函數(shù)曲線擴大了涵蓋范圍，使結(jié)果更精確.指數(shù)型白化函數(shù)計算模型見表1.

表1 城市軌道交通PPP項目脆弱性評價指數(shù)型白化函數(shù)

2.3.3 綜合評價

根據(jù)式(9)歸一化處理脆弱性指標(biāo)不同灰類下的評價系數(shù).

(9)

取axy=μxy1，(b1)xy=μxy2，(b2)xy=μxy3，(b3)xy=μxy4，cxy=μxy5.由灰類評價系數(shù)確定各脆弱性指標(biāo)聯(lián)系數(shù)，總指標(biāo)聯(lián)系數(shù)由一級指標(biāo)聯(lián)系度平均加權(quán)得到，如式(10)所示.

(10)

式中：u為調(diào)節(jié)系數(shù).

表2 聯(lián)系數(shù)μ評判標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)μxy=1時，表示處于同一等級；當(dāng)μxy=-1時，表示處于相隔等級；μxy∈[-1,1]時，表示處于相鄰等級.則確定聯(lián)系數(shù)的取值范圍為[-1，1]，將區(qū)間[-1，1]劃分成5等份，依次將從左到右的劃分點值作為j,i3,i2,i1的值，同樣，各評價等級范圍按照均分原則將區(qū)間[-1,1]劃分為5等份，綜合評判標(biāo)準(zhǔn)見表2.

3 案例分析

3.1 工程概況

為驗證IAHP-SPA-GCM評價模型的合理性和有效性，選取青島地鐵2號線實施脆弱性驗證分析.青島地鐵2號線全長25.2 km，自泰山路站，止于李村公園站，途經(jīng)市北區(qū)、市南區(qū)、嶗山區(qū)、李滄區(qū)4個區(qū)，是該市重要線路之一，共設(shè)車站22座，均為地下站，該市毗鄰海域，施工難度大，不確定因素多，遭遇突發(fā)事故使項目受阻或失敗的可能性大，因此，需要對其脆弱性做出評價.

3.2 脆弱性指標(biāo)權(quán)重計算

邀請5位熟悉城軌PPP項目且對脆弱性問題深入研究的專家對識別出的脆弱性指標(biāo)體系采用1—9標(biāo)度法以區(qū)間數(shù)的形式兩兩比較，給出判斷矩陣，以外部環(huán)境為例得出各專家比較結(jié)果：

專家權(quán)重ω=(0.25,0.10,0.30,0.15,0.20)，依據(jù)專家權(quán)重得出區(qū)間性判斷矩陣，根據(jù)式(2)計算出一致性矩陣：

根據(jù)式(3)計算一致性矩陣權(quán)重，由區(qū)間判斷矩陣和一致性矩陣得出兩端極差矩陣，根據(jù)式(5)計算得兩端極差矩陣權(quán)重.

ω*=(0.065，0.035，0.092，0.133，0.378，0.045，0.238);

Δ-ω*=(0.003，0.002，0.004，0.062，0.044，0.003，0.020);

Δ+ω*=(0.012，0.004，0.022，0.024，0.031，0.004，0.074)

根據(jù)式(6)經(jīng)計算得，金融與經(jīng)濟市場穩(wěn)定性A11、公眾對項目的支持度A12、交叉作業(yè)管理A13、生態(tài)環(huán)境破壞性A14、工程外部條件完備性A15、法律法規(guī)體系完善度A16、地質(zhì)水文日條件A17的區(qū)間權(quán)重分別為：[0.062，0.077]、[0.034，0.039]、[0.088，0.114]、[0.072，0.157]、[0.335，0.409]、[0.042，0.049]、[0.216，0.312].運用SPA將區(qū)間權(quán)重精確化，以區(qū)間權(quán)重表達(dá)的指標(biāo)聯(lián)系度表達(dá)式為

表3 城市軌道交通PPP項目脆弱性指標(biāo)權(quán)重

μ11=0.0620 +0.0147i+0.9234j；

μ12=0.0337 +0.0052i+0.9611j；

μ13=0.0878+ 0.0259i+0.8864j；

μ14= 0.0716 +0.0856i+0.8428j；

μ15= 0.3346 +0.0747i+0.5907j；

μ16=0.0415 +0.0077i+0.9508j；

μ17=0.2159 +0.0961i+0.6880j

根據(jù)式(7)計算歸一化處理后確定性和不確定性權(quán)重：

ω1ce=(0.069,0.036,0.101,

0.114,0.371,0.045,0.263);

ω1unce=(0.147,0.149,0.146,0.137,0.138,0.148,0.135)

根據(jù)式(8)得外部環(huán)境脆弱性指標(biāo)的綜合權(quán)重：

ω1=(0.073,0.037,0.105,

0.112,0.368,0.048,0.255).

論文篇幅有限，其他指標(biāo)結(jié)果見表3.

3.3 白化函數(shù)確定聯(lián)系度

邀請10位熟悉青島地鐵2號線的相關(guān)人員對脆弱性指標(biāo)按照評分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打分，評分標(biāo)準(zhǔn)采用0—9打分法：[0，1]、(1，3]、(3，5]、(5，7]、(7，9]分別表示脆弱性評價等級極低、低、中等、高、極高.依據(jù)指數(shù)型白化函數(shù)公式計算五元聯(lián)系數(shù)，借助MATLAB仿真，見表4和圖5、圖6.

3.4 評價結(jié)果對比與分析

3.4.1 評價結(jié)果分析

IAHP-SPA-GCM評價模型能準(zhǔn)確掌控各指標(biāo)的脆弱性情況，分析表4和圖5、圖6得：

1) 生態(tài)環(huán)境破壞性(A14)、工程外部條件完備性(A15)、城市路網(wǎng)安全性(A23)、項目現(xiàn)場人員教育程度(A25)、政府PPP項目經(jīng)驗度(A32)、運營能力(A41)、管理能力(A43)指標(biāo)的總體水平μxy>0.2，均處于高脆弱性狀態(tài)，應(yīng)采取加強生態(tài)保護(hù)、增加城軌路網(wǎng)安全性檢測、加強人員管理和培訓(xùn)、引進(jìn)先進(jìn)運營經(jīng)驗等措施以降低脆弱性，減少外界因素干擾，保障項目順利實施.

表4 城市軌道交通PPP項目脆弱性評價結(jié)果

表5 各模型評價結(jié)果對比

2) 公眾對項目的支持度(A12)、交叉作業(yè)管理(A13)、工程外部條件完備性(A15)、設(shè)備可靠性(A26)指標(biāo)處于高脆弱狀態(tài).但總體水平μxy>0.4；A13最高，達(dá)0.5554，具有極高脆弱性趨勢，該項目極易受這些因素的影響造成工期延誤、成本超支和質(zhì)量缺陷，需采取調(diào)整補償方式.統(tǒng)一現(xiàn)場作業(yè)管理模式，在空間上合理安排、時間上嚴(yán)格控制作業(yè)順序；制定設(shè)備管理制度，加強設(shè)備巡檢、消缺、維護(hù)和檢修工作，避免隱患發(fā)生造成不必要的損失.

3) 根據(jù)式(10)將表4中μxy值結(jié)合IAHP-SPA法得出的權(quán)重計算得外部環(huán)境、項目特征、政府和社會資本方的聯(lián)系數(shù)μx(x=1,2,3,4)分別為：0.3028,0.2224,0.1833,0.1924，青島地鐵2號線總聯(lián)系數(shù)為0.2513，脆弱性等級為高，表明該項目存有隱患，遭遇突發(fā)事件和不利影響時難以調(diào)整，易造成較大損失，管理者應(yīng)針對薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行管控.

3.4.2 評價結(jié)果對比

為驗證模型的有效性和精確性，將所構(gòu)建的IAHP-SPA-GCM模型與層次分析法和傳統(tǒng)灰色聚類模型的評價結(jié)果進(jìn)行對比分析，見表5.

由表5可知，層次分析法的評價結(jié)果具有模糊性，計算過程簡單，考慮因素較少，結(jié)果可信度較低；雖然傳統(tǒng)灰色聚類模型的評價結(jié)果能夠具體到某一等級，但按最大隸屬度所得評價結(jié)果的區(qū)分度不高，甚至存在隸屬度向量分量接近的情況，且單一方法無法涵蓋和體現(xiàn)各指標(biāo)的客觀重要性，從而影響評價結(jié)果；IAHP-SPA-GCM模型較好地量化了主客因素對評價系統(tǒng)的綜合效應(yīng)，使評價結(jié)果更科學(xué)、準(zhǔn)確.

綜上所述，青島地鐵2號線項目分析驗證了所構(gòu)建的IAHP-SPA-GCM評價模型具有精確性、合理性和有效性，能有效幫助參與方對項目脆弱性準(zhǔn)確評價，提出針對性管理控制措施，增強項目抵抗風(fēng)險的能力，保障項目按計劃順利完成.

4 結(jié)論

本文引入IAHP-SPA法確定脆弱性評價指標(biāo)權(quán)重，結(jié)合SPA-GCM模型完成了城市軌道交通PPP項目脆弱性科學(xué)有效評價，并對青島地鐵2號線項目脆弱性等級進(jìn)行判定，得出以下結(jié)論：

1) 采用IAHP-SPA法確定脆弱性指標(biāo)權(quán)重，解決了傳統(tǒng)區(qū)間層次分析在計算權(quán)重方面的不確定性問題，并且削弱了專家組主觀意見對脆弱性指標(biāo)權(quán)重評分造成的不利影響，使指標(biāo)權(quán)重計算更加科學(xué)準(zhǔn)確；

2) 將集對分析與灰類分析法相結(jié)合，并引入指數(shù)型白化函數(shù)，彌補了傳統(tǒng)灰類評價分散性數(shù)據(jù)易丟失導(dǎo)致評價結(jié)果不準(zhǔn)確的缺陷，使得聯(lián)系數(shù)的計算更為合理；

3) 青島地鐵2號線總聯(lián)系數(shù)為0.2513，脆弱性等級為高，表明該項目存有隱患，遭遇突發(fā)事件和不利影響時難以調(diào)整，易造成較大損失，管理者應(yīng)針對薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行管理控制；

4) 針對城市軌道交通PPP項目而構(gòu)建的脆弱性評價指標(biāo)體系以及本文所提出的IAHP-SPA-GCM模型具有科學(xué)性和有效性，在保證評價全面合理性的同時，可為今后城市軌道交通PPP項目脆弱性評價研究提供參考.

本文構(gòu)建的城軌PPP項目脆弱性評價體系所涉及影響因素眾多，有待在實際應(yīng)用中進(jìn)一步補充完善，對于具體脆弱性應(yīng)對措施的研究還不夠全面，需在以后的研究中補充更具針對性的脆弱性應(yīng)對措施，以便提供更科學(xué)和準(zhǔn)確的決策.