基于ISM的大數(shù)據(jù)在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用障礙分析

紀(jì)穎波，趙子豪，姚福義

1.北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144；2.重慶大學(xué)管理科學(xué)與房地產(chǎn)學(xué)院，重慶 400044

1 引言

近年來，我國建筑業(yè)發(fā)展迅速，但存在管理方式粗放、環(huán)境污染嚴(yán)重、安全事故頻發(fā)等問題。隨著工業(yè)4.0的到來，一大批新興信息技術(shù)（如建筑信息模型（building information modeling，BIM）、物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)[1]）正沖擊著傳統(tǒng)建筑行業(yè)[2]，為高效率管控、高品質(zhì)產(chǎn)品輸出和高社會效益實(shí)現(xiàn)進(jìn)行科技賦能[3]。BIM使建筑行業(yè)由二維設(shè)計進(jìn)階到三維可視化[4]，可實(shí)現(xiàn)從工程設(shè)計到項目運(yùn)維全過程的數(shù)據(jù)集成[5]；物聯(lián)網(wǎng)通過多方網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度監(jiān)控、質(zhì)量跟蹤、安全及環(huán)保監(jiān)管[6]；云計算將各種數(shù)據(jù)進(jìn)行集成并提供虛擬化計算環(huán)境；大數(shù)據(jù)技術(shù)將實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)整理、挖掘和分析，為項目管理提供決策支持。然而，不同技術(shù)的應(yīng)用深入程度參差不齊，特別是大數(shù)據(jù)技術(shù)并沒有在建筑業(yè)中真正地應(yīng)用起來，工程數(shù)據(jù)的應(yīng)用率不足0.4%，工程數(shù)據(jù)價值遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有被挖掘出來[7]。

目前，已經(jīng)有少數(shù)學(xué)者嘗試應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)解決規(guī)劃設(shè)計及環(huán)保測評方面的建筑業(yè)問題，如王淑桃[1]提出在項目規(guī)劃階段可以根據(jù)建筑周邊人群分布及特點(diǎn)，使用大數(shù)據(jù)技術(shù)合理劃分出商業(yè)及住宅等功能區(qū)域；原雯等人[8]使用大數(shù)據(jù)技術(shù)估算北京市房屋竣工面積；史北祥等人[9]通過大數(shù)據(jù)技術(shù)對高密度建成區(qū)的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控分析。但整體來看，大數(shù)據(jù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用程度還非常低，停留在對一些宏觀統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)爬取分析的階段，推廣應(yīng)用障礙明顯。如何推動大數(shù)據(jù)在建筑業(yè)中的廣泛、深入應(yīng)用，已成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界重點(diǎn)關(guān)注的問題。障礙因素的識別與分析被廣泛認(rèn)為是解決技術(shù)推廣問題的重要技術(shù)手段，如Mao C等人[10]從開發(fā)者視角探討了裝配式建筑改革發(fā)展過程中遇到的障礙因素，并給出了相關(guān)對策建議。因此，鑒于大數(shù)據(jù)在建筑業(yè)中應(yīng)用不深入這一現(xiàn)實(shí)問題，亟須開展其應(yīng)用障礙因素的分析研究工作。

為了促進(jìn)大數(shù)據(jù)在建筑領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用，本文對其障礙因素進(jìn)行研究。使用解釋結(jié)構(gòu)模型（interpretive structural model，ISM）分析建立了障礙因素的層級關(guān)系及影響傳遞路徑，并提出了應(yīng)對策略，為促進(jìn)大數(shù)據(jù)在建筑行業(yè)的應(yīng)用推廣提供了參考。

2 大數(shù)據(jù)在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的障礙因素識別

本研究以中國知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，檢索目標(biāo)文獻(xiàn)并識別障礙因素。第一輪檢索的關(guān)鍵詞包括“大數(shù)據(jù)”“建筑產(chǎn)業(yè)”“影響因素”等，共選取23篇文章作為核心文獻(xiàn)資料，進(jìn)行障礙因素識別，并初步確定了影響大數(shù)據(jù)在建筑行業(yè)應(yīng)用的9個障礙因素，分別是基礎(chǔ)硬件設(shè)施不足、缺乏應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)量不足、大數(shù)據(jù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)未建立、大數(shù)據(jù)發(fā)展方案不系統(tǒng)、隱私保護(hù)抵觸、缺乏專業(yè)人才、部門間協(xié)調(diào)配合能力不足、企業(yè)管理人員積極性不高。

考慮到文獻(xiàn)研究的滯后性及與實(shí)際情況不完全符合性，組織行業(yè)專家進(jìn)行半結(jié)構(gòu)化訪談，對文獻(xiàn)分析獲得的初步因素進(jìn)行二次篩選補(bǔ)充。專家認(rèn)為除上述因素外，缺少資金支持、平臺數(shù)據(jù)割裂、缺少政策及法律支持也是阻礙大數(shù)據(jù)在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的因素。具體的因素來源見表1。

表1 因素來源

具體的因素解釋如下。

● 基礎(chǔ)硬件設(shè)施不足（B1）：大數(shù)據(jù)是一個不斷收集和處理海量數(shù)據(jù)的過程，不是僅靠計算機(jī)來完成的，在實(shí)際工程中還需要結(jié)合云計算、云存儲、區(qū)塊鏈等技術(shù)。數(shù)據(jù)的深度剖析和處理對基礎(chǔ)設(shè)施的要求很高。然而，目前建筑行業(yè)的綜合效益水平較低，由于不能在短時間內(nèi)獲得經(jīng)濟(jì)效益，建筑企業(yè)不愿意投入大量成本購買高水平設(shè)備，這阻礙了大數(shù)據(jù)在建筑行業(yè)更好的應(yīng)用。

● 缺乏應(yīng)用軟件（B2）：目前，大量項目管理軟件在工程項目管控中起到了一定的輔助作用，但由于數(shù)據(jù)過于分散和獨(dú)立，查詢?nèi)藛T需要獨(dú)立搜索所需的數(shù)據(jù)，記錄及整合查詢數(shù)據(jù)，查詢能力受人為因素影響較大。在實(shí)際的工程建設(shè)中，大量的數(shù)據(jù)采集和探索缺乏一個比較完善的監(jiān)測應(yīng)用軟件，包括對人機(jī)料法環(huán)的采集和記錄。對其進(jìn)行有效的檢測收集、整合分析，并將其應(yīng)用到實(shí)際工程中，還有很長一段路要走。

● 數(shù)據(jù)量不足（B3）：建筑業(yè)是數(shù)據(jù)需求和業(yè)務(wù)規(guī)模較大的行業(yè)，同時也是數(shù)據(jù)較少的行業(yè)。在傳統(tǒng)的建筑行業(yè)中，只有弱電流、交易等幾種數(shù)據(jù)可以被稱為“大數(shù)據(jù)”。市場上的“建設(shè)大數(shù)據(jù)”大多是“數(shù)據(jù)庫”或普通數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)大多未進(jìn)行電子化。

● 大數(shù)據(jù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)未建立（B4）：中國建筑業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級剛剛起步，其基礎(chǔ)是大數(shù)據(jù)應(yīng)用。然而，基于大數(shù)據(jù)應(yīng)用的建筑業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系尚未建立，導(dǎo)致現(xiàn)有體系中存在嚴(yán)重的數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象。

● 大數(shù)據(jù)發(fā)展方案不系統(tǒng)（B5）：建筑企業(yè)對大數(shù)據(jù)應(yīng)用的推廣缺乏可靠計劃，主要表現(xiàn)在企業(yè)缺乏整體戰(zhàn)略，項目實(shí)施中存在數(shù)據(jù)采集形式不標(biāo)準(zhǔn)、自動化程度低等問題。

● 隱私保護(hù)抵觸（B6）：從其他行業(yè)真實(shí)案例可知，隱私泄露可能導(dǎo)致歧視、欺詐、騷擾、人身傷害等問題，嚴(yán)重影響社會穩(wěn)定和人身安全。建筑企業(yè)的數(shù)據(jù)信息往往包含公司財務(wù)機(jī)密、核心技術(shù)成果，一旦發(fā)生泄露會對公司產(chǎn)生毀滅性打擊。

● 缺乏專業(yè)人才（B7）：在建筑業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中，人才是關(guān)鍵。2015年年初，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部提出了利用BIM等大數(shù)據(jù)手段輔助進(jìn)行工程管理，但該行業(yè)缺乏既掌握大數(shù)據(jù)技術(shù)又掌握專業(yè)施工技術(shù)的專業(yè)人才。

● 部門間協(xié)調(diào)配合能力不足（B8）：在工程領(lǐng)域，部門負(fù)責(zé)多種事務(wù)，由于整個系統(tǒng)的復(fù)雜性和數(shù)據(jù)之間的交互能力較弱，部門間無法很好地協(xié)調(diào)和共享數(shù)據(jù)，難以充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)的作用。

● 企業(yè)管理人員積極性不高（B9）：企業(yè)管理人員對大數(shù)據(jù)持懷疑態(tài)度，且短時間無法接受管理方式轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致其不愿意進(jìn)行管理方式改革，為大數(shù)據(jù)推廣掃除障礙。

● 缺少資金支持（B10）：科技發(fā)展的資金來源主要有3種，政府融資、企業(yè)上市融資和跨行聯(lián)盟。大數(shù)據(jù)發(fā)展前期需要大量的資金。然而，在建筑行業(yè)，社會資本較難進(jìn)入，傳統(tǒng)業(yè)務(wù)緊張，導(dǎo)致投入大數(shù)據(jù)建設(shè)的資金一直不夠充足。

● 平臺數(shù)據(jù)割裂（B11）：數(shù)據(jù)共享不僅是公共信息收集的目的，也是業(yè)務(wù)協(xié)作的前提。各部門建立的信息平臺可能會造成信用信息碎片化的現(xiàn)象，影響主要公共信用文件的完整性，導(dǎo)致大數(shù)據(jù)應(yīng)用缺乏實(shí)物支撐。

● 缺少政策及法律支持（B12）：目前，我國政策僅支持大數(shù)據(jù)的發(fā)展，未制定出詳細(xì)的推動策略和計劃。法律也未對大數(shù)據(jù)給予充分支持，不能很好地解釋和界定數(shù)據(jù)的所有權(quán)，導(dǎo)致海量數(shù)據(jù)的檢索仍然存在壁壘。

3 障礙因素層級關(guān)系構(gòu)建

ISM是沃菲爾德于1973年提出的，被用來分析復(fù)雜系統(tǒng)中各因素之間的相互作用，并確定各因素的優(yōu)先度和間接關(guān)系。在工程管理領(lǐng)域，ISM是一種常用的因素分析方法，如郭斌等人[19]使用ISM分析了BIM的協(xié)同應(yīng)用障礙。周景陽等人[20]基于ISM建模方法分析了裝配制造成本的影響因素。Tan T等人[21]使用ISM建模方法分析了在中國裝配式建筑中實(shí)施BIM的障礙。

本研究采用ISM分析來建立阻礙大數(shù)據(jù)在建筑行業(yè)應(yīng)用的各因素間的層級結(jié)構(gòu)圖。具體工作內(nèi)容說明如下。

第一步：通過問卷調(diào)查及專家打分建立相互關(guān)系結(jié)構(gòu)。

第二步：建立鄰接矩陣。

第三步：建立可達(dá)矩陣。

第四步：劃分因素層級及繪制分級結(jié)構(gòu)圖。

3.1 確定因素間的相互關(guān)系

在最終確定了12個障礙因素后，再次組織專家進(jìn)行半結(jié)構(gòu)化訪談，以確定專家對這些因素之間的關(guān)系的看法。通過回答問題“你認(rèn)為因素i是否直接影響因素j”對因素進(jìn)行配對比較。因素i和因素j之間的相互關(guān)系用4個符號表示：X指因素i可以導(dǎo)致因素j，反之不成立；Y指因素j可以導(dǎo)致因素i，反之不成立；W指因素i和因素j可以相互影響；O指因素i和因素j互不相關(guān)。通過專家打分得出12個因素的結(jié)構(gòu)自影響矩陣（見表2）。在表2～表4中，因素i為列元素，因素j為行元素。

表2 結(jié)構(gòu)自影響矩陣

3.2 建立鄰接矩陣

鄰接矩陣能夠表示因素之間存在的直接作用關(guān)系，為了進(jìn)一步得到因素之間的上下層級關(guān)系和因素之間的間接影響關(guān)系，需要將結(jié)構(gòu)自影響矩陣轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的鄰接矩陣，然后通過MATLAB進(jìn)行分析，具體的轉(zhuǎn)換規(guī)則如下。

（1）結(jié)構(gòu)自影響矩陣中的因素(i,j)的相互關(guān)系為X，則在鄰接矩陣中標(biāo)記因素i對因素j的影響為1，因素j對因素i的影響為0。

（2）結(jié)構(gòu)自影響矩陣中的因素(i,j)的相互關(guān)系為Y，則在鄰接矩陣中標(biāo)記因素i對因素j的影響為0，因素j對因素i的影響為1。

（3）結(jié)構(gòu)自影響矩陣中的因素(i,j)的相互關(guān)系為W，則在鄰接矩陣中標(biāo)記因素i對因素j的影響為1，因素j對因素i的影響為1。

（4）結(jié)構(gòu)自影響矩陣中的因素(i,j)的相互關(guān)系為O，則在鄰接矩陣中標(biāo)記因素i對因素j的影響0，因素j對因素i的影響為0。

轉(zhuǎn)換后形成的鄰接矩陣見表3。

表3 鄰接矩陣

3.3 建立可達(dá)矩陣

通過應(yīng)用上述變換規(guī)則得到了二進(jìn)制值的鄰接矩陣。借助計算工具M(jìn)ATLAB進(jìn)行冪迭代分析，得到最終的可達(dá)矩陣（見表4），驗證了傳遞性規(guī)則。表4中的1表示因素i的影響直接可達(dá)因素j，1*表示因素i的影響間接可達(dá)因素j。

表4 可達(dá)矩陣

3.4 建立層級關(guān)系

根據(jù)最終的可達(dá)矩陣可以確定每一個因素的可達(dá)集以及先行集，形成層次劃分。可達(dá)集表述了每個因素能直接或者間接影響的其他因素，先行集表述了每個因素能被直接或者間接影響的因素。若可達(dá)集和先行集的交集與可達(dá)集所含的因素相同，則交集中的因素將位于整個結(jié)構(gòu)的最上層，表明這些因素很可能受到其他因素影響。頂層的障礙因素一旦被確定，它將從其他障礙因素的可達(dá)集中移除。然后，重復(fù)上述過程以獲得下一層的障礙因素，直到所有因素都被放置在層次結(jié)構(gòu)中。障礙因素層級劃分結(jié)果見表5。

表5 障礙因素層級劃分結(jié)果

障礙因素層級關(guān)系如圖1所示。由圖1可知，最終確定的大數(shù)據(jù)應(yīng)用的12個障礙因素被分為6層，其中 大數(shù)據(jù)發(fā)展方案不系統(tǒng)（B5）、 缺乏專業(yè)人才（B7）、缺少資金支持（B10）、缺少政策及法律支持（B12）是基礎(chǔ)因素，位于第六層；隱私保護(hù)抵觸（B6）和基礎(chǔ)硬件設(shè)施不足（B1）位于第五層；企業(yè)管理人員積極性不高（B9）位于第四層；大數(shù)據(jù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)未建立（B4）和部門間協(xié)調(diào)配合能力不足（B8）位于第三層；缺乏應(yīng)用軟件（B2）及平臺數(shù)據(jù)割裂（B11）位于第二層；數(shù)據(jù)量不足（B3）位于第一層。

圖1 障礙因素層級關(guān)系

4 大數(shù)據(jù)在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的障礙因素ISM分析

大數(shù)據(jù)發(fā)展方案不系統(tǒng)（B5）、缺乏專業(yè)人才（B7）、缺少資金支持（B10）、缺少政策及法律支持（B12）位于層級關(guān)系的最底層，是基礎(chǔ)因素，反映出建筑領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)應(yīng)用處于缺人、缺錢、缺政策的狀態(tài)，并且建筑領(lǐng)域?qū)Υ髷?shù)據(jù)的推廣尚無完善的發(fā)展計劃。這些是導(dǎo)致大數(shù)據(jù)應(yīng)用不順暢的根本原因。這4個因素沒有受到其他因素的干擾，但互相之間具有緊密的影響關(guān)系，每一個因素都可對其他3個因素產(chǎn)生直接或間接的影響，這意味著對其中一個因素單獨(dú)管控會受到其他3個因素的牽掣，難有很大改善。因此需要制定綜合方案，同時對這4個因素進(jìn)行管控。

隱私保護(hù)抵觸（B6）和基礎(chǔ)硬件設(shè)施不足（B1）受到了底層因素的影響。隱私保護(hù)抵觸產(chǎn)生的原因是大數(shù)據(jù)會對各個平臺間的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)通，可能導(dǎo)致工程隱私泄露，如投標(biāo)報價、材料進(jìn)價、核心施工技術(shù)等信息一旦泄露就會造成巨大損失。因此需要對工程數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，具有商業(yè)隱私性質(zhì)的數(shù)據(jù)應(yīng)被保護(hù)加密，但保密數(shù)據(jù)的劃分工作任務(wù)量極大，不僅需要政策支持，還需要人力財力的投入?；A(chǔ)硬件設(shè)施是實(shí)現(xiàn)軟件需求的基礎(chǔ)，配備硬件設(shè)施不僅需要專業(yè)人才和資金投入，更需要制定詳細(xì)的發(fā)展計劃，從而實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)施可根據(jù)大數(shù)據(jù)的發(fā)展需求逐漸升級。

企業(yè)管理人員積極性不高（B9）位于中間層，會受到下面兩層所有因素直接或間接的影響。并且該層僅有一個因素，說明下級因素的影響在該層匯集，若無法調(diào)動管理人員的積極性，下級因素的一切改進(jìn)都會在此被削弱。

大數(shù)據(jù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)未建立（B4）、部門間協(xié)調(diào)配合能力不足（B8）分別受到第五層和第四層因素的影響，并會對第二層的因素（缺乏應(yīng)用軟件（B2）及平臺數(shù)據(jù)割裂（B11））產(chǎn)生影響。但大數(shù)據(jù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)未建立（B4）與部門間協(xié)調(diào)配合能力不足（B8）之間不存在影響關(guān)系，在進(jìn)行大數(shù)據(jù)推廣時，可作為兩條并行線開展。

頂層的因素是數(shù)據(jù)量不足（B3）。建筑行業(yè)具有大量的數(shù)據(jù)使用需求，但現(xiàn)在的數(shù)據(jù)大多依托數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，數(shù)據(jù)體量遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到“大數(shù)據(jù)”規(guī)格。該因素受到全部下級因素的直接影響，說明僅針對該因素進(jìn)行改善的難度極大，需要通過下層因素的改善帶動數(shù)據(jù)量的收集。

5 結(jié)束語

大數(shù)據(jù)對于建筑工業(yè)化發(fā)展具有重要意義，但目前大數(shù)據(jù)在建筑行業(yè)的應(yīng)用微乎其微。本文構(gòu)建了大數(shù)據(jù)在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的障礙因素的解釋結(jié)構(gòu)模型，明確了障礙因素間的相互關(guān)系，分析了因素層級結(jié)構(gòu)中的上層、中層、底層因素?；诖耍疚奶岢隽艘粋€三級應(yīng)對策略以解決這些障礙。

（1）第一級應(yīng)對策略旨在改善第五層及第六層障礙因素。針對這兩層障礙因素影響關(guān)系交織復(fù)雜的情況，該級策略分為3個方向：一是增加底層投入力度，包括資金支持、人才培養(yǎng)、基礎(chǔ)硬件設(shè)施生產(chǎn)三方面；二是發(fā)揮上層引導(dǎo)作用，不僅是政策上支持，更要制定系統(tǒng)合理的發(fā)展方案；三是通過立法規(guī)范大數(shù)據(jù)的應(yīng)用行為，進(jìn)一步明確數(shù)據(jù)隱私邊界的法律定義，規(guī)范大數(shù)據(jù)應(yīng)用的行為，既要避免隱私保護(hù)成為大數(shù)據(jù)在建筑領(lǐng)域進(jìn)一步推廣的借口，也要防止不法分子借機(jī)竊取他人技術(shù)成果、商業(yè)機(jī)密。

（2）第二級應(yīng)對策略主要針對第四層因素。首先可以對企業(yè)管理人員制定績效考核及獎勵制度，調(diào)動管理人員推進(jìn)大數(shù)據(jù)應(yīng)用的積極性；其次，由于大數(shù)據(jù)應(yīng)用存在一定的技術(shù)門檻，企業(yè)可以注重培養(yǎng)與大數(shù)據(jù)相關(guān)的專業(yè)領(lǐng)域的人才成為管理人員。

（3）第三級應(yīng)對策略主要針對前三層因素。該級策略主要是為了應(yīng)對數(shù)據(jù)量不足的問題，從數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)應(yīng)用兩個方面開展，一是要形成便于數(shù)據(jù)交流的制度，應(yīng)在不同部門間建立聯(lián)系機(jī)制，避免同一數(shù)據(jù)的調(diào)用需經(jīng)多個部門審批，導(dǎo)致數(shù)據(jù)應(yīng)用效率降低；二是解決軟件支持不足的問題，增加大數(shù)據(jù)采集及應(yīng)用軟件的開發(fā)，破除各平臺、各數(shù)據(jù)庫間的信息壁壘，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)量的迅速增長。

應(yīng)用大數(shù)據(jù)是促進(jìn)建筑領(lǐng)域變革的重要方式，無論從政府層面還是企業(yè)層面，都應(yīng)當(dāng)充分認(rèn)識到大數(shù)據(jù)技術(shù)的推廣是一個長期的過程，應(yīng)該采取合理的措施促進(jìn)大數(shù)據(jù)在建筑領(lǐng)域的推廣及應(yīng)用。