路橋施工企業(yè)智能建造能力評價研究

劉世越，蘇義坤

（東北林業(yè)大學 土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040，E-mail：simonliu1066@163.com）

進入21世紀，世界已經進入信息化時代，大數據、云計算、人工智能等高新技術正在改變建筑業(yè)和建筑企業(yè)發(fā)展。2019年，國務院印發(fā)實施《交通強國建設綱要》，重點強調了基礎設施建設如高速公路、高速鐵路等的重要性，對未來路橋施工企業(yè)的建設能力要求越來越高。同樣，“新基建”概念的提出，也為建筑業(yè)智能建造的發(fā)展提供了機遇[1]。因此，在“新基建”形勢下，路橋施工企業(yè)應當加快企業(yè)智能技術的發(fā)展，將高新技術應用于實際的工程項目中，提升企業(yè)核心競爭力。

“智能建造”是近年來新提出的概念，為順應建筑業(yè)信息化與工業(yè)化的發(fā)展趨勢，許多學者對其概念進行了辨析。在理論研究方面，?tefani?等[2]通過對近些年有關智能化建造的科學論文進行總結，一方面揭示了智能化技術在建筑領域的巨大應用潛力；另一方面也揭示了其使用水平較低。尤志嘉等[3]提出智能建造是一種基于智能科學技術的新型建造方式，對其產生的內因和外因進行梳理，分析其體系結構，很大程度上豐富了智能建造的理論架構。毛超等[4]通過對建筑業(yè)向智能化轉型的現狀分析，界定了智能建造的概念并構建了智能建造理論框架，提升了人們對智能建造的認知。在交通運輸領域，尤其是道路橋梁等基礎設施建設方面，智能建造發(fā)揮了舉足輕重的作用。城際高速鐵路作為新基建建設的七大領域之一，也是未來國家在交通基礎設施建設中的重點類型項目[5]。交通運輸部也印發(fā)了《關于推動交通運輸領域新型基礎設施建設的指導意見》，作為新形勢下傳統(tǒng)基建項目與新基建的融合創(chuàng)新、推進路橋建設項目智能建造的指導性文件。祝光德[6]構建了新基建背景下智慧交通建設項目的績效評價指標體系，并分析交通運輸行業(yè)中新基建與傳統(tǒng)基建的關系，對交通運輸行業(yè)智能化發(fā)展提供了清晰目標和可靠手段。2020年我國軌道交通領域的投資額就約占整個新基建投資規(guī)模的一半[7]，可見交通運輸行業(yè)在新基建發(fā)展中的重要地位，從國家戰(zhàn)略角度反映出路橋施工企業(yè)智能建造能力建設的必要性。

目前關于路橋施工企業(yè)智能建造能力建設及評價研究較少，如何衡量施工企業(yè)的智能建造能力，有效指導施工企業(yè)進行智能化轉型發(fā)展是一個關鍵問題。因此，本文聚焦于路橋施工企業(yè)智能建造能力評價體系的構建，建立科學的評價模型對路橋施工企業(yè)的智能建造能力進行評價，并運用到實例分析中供業(yè)內參考。

1 評價指標體系的構建

傳統(tǒng)基建項目，如公路、鐵路等在技術方面已較為成熟，在國內實際施工效率很高，很難再有重大突破。新基建的誕生徹底拓寬了路橋行業(yè)的發(fā)展方向，強調利用以5G網絡、人工智能等高新技術賦能傳統(tǒng)基建，實現工程項目建造過程的信息化和智能化。這對施工企業(yè)提出了新的要求：一是對施工企業(yè)的科學技術水平有了更高的要求，新基建的核心在于以物聯網、人工智能等為代表的網絡基礎設施和新技術基礎設施的運用，對傳統(tǒng)建造過程進行技術賦能，以達成建設新型交通基礎設施如智能鐵路、智慧公路等代表性項目；二是對于施工企業(yè)的資質要求更加嚴格，新基建的加入導致多主體類型的企業(yè)參與到工程項目的建設當中，尤其是互聯網企業(yè)，路橋施工企業(yè)想要承建有關的新基建類型項目就必須增強自身企業(yè)的承包資質，并積累雄厚的企業(yè)資本，為智能建造創(chuàng)造環(huán)境；三是對施工企業(yè)的創(chuàng)新能力有了更高要求，施工企業(yè)必須在組織結構和管理方式上做出創(chuàng)新，來適應新形勢下整個行業(yè)的發(fā)展變革。目前，國內的大多數路橋施工企業(yè)還是處于相對傳統(tǒng)的管理模式，信息化建設程度較低，導致其所承建的大型工程項目在質量、進度等目標上落后于發(fā)達國家的同業(yè)單位，智能建造能力較低。

1.1 評價指標體系維度

圍繞新基建對基建領域施工企業(yè)提出的3項具體要求，結合智能建造的內涵和特點選取評價維度。首先考慮科學技術水平要求，選取智能數據庫建設能力和智能建造技術應用能力兩個維度?！皵祿笔侵悄芙ㄔ斓幕締卧?，是實現智能建造的驅動條件，而智能建造技術是智能施工方式的有效手段。在對企業(yè)資質的新要求下，選取智能環(huán)境建設能力和智能施工能力兩個維度。智能環(huán)境建設為智能施工作業(yè)創(chuàng)造必要條件，而智能施工將貫穿智能建造項目完成的全過程。在創(chuàng)新能力要求下，選取組織管理智能化能力維度，以此指導在智能施工過程中的決策部署。評價體系的內在邏輯如圖1所示。

圖1 智能建造能力評價體系內在邏輯

1.2 評價指標選取

基于所選取的5個評價維度，通過相關文獻閱讀[8~15]及相關專家深度訪談初步確定了34項初選評價指標。將這些初選指標制作成調查問卷，采用五級李克特量表的方式對各指標的重要程度進行賦值設計。將制作好的調查問卷分發(fā)至高?；蜓芯克袕氖轮悄芙ㄔ旆矫嫜芯康膶＜覍W者及路橋施工企業(yè)中具有5年以上工作經驗的從事智能建造相關項目的工程師進行意見征詢。對回收到的有效問卷采用數理統(tǒng)計分析方法進行篩選，最后形成包含5個維度21個評價指標的路橋施工企業(yè)智能建造能力評價指標體系，并通過有效性和穩(wěn)定性檢驗。

經過指標篩選后最終確定的評價指標在該層次均具有一定的代表性和典型性。其中，智能數據庫建設能力維度下，圍繞對數據的處理方式，以存儲、挖掘、共享工作形成建造數據鏈，以關鍵價值數據指導施工組織管理，4項指標涵蓋了智能數據庫建設的主要工作與最終目標，為智能建造過程提供決策依據。智能環(huán)境建設能力維度下，包含企業(yè)對智能建造方面的投資力度、實施智能建造必不可少的外部條件即通信網絡建設及有形的電子設備和無形的軟件系統(tǒng)，4項指標綜合全面地覆蓋了智能環(huán)境建設的內容和要求。智能建造技術應用能力維度下，選取了當前在路橋施工項目中應用較廣泛且研究熱度較高的五類技術，以BIM技術為核心，物聯網、人工智能、3D打印、數字孿生分別在傳送信息、優(yōu)化控制、構件生產、細節(jié)調控方面發(fā)揮實效，保證智能建造項目順利完成。智能施工能力維度下，綜合考慮“人、機、料、法、環(huán)”五大要素，針對施工技術人員的從業(yè)經驗、機械設備智能化程度、新型建筑材料應用狀況、智能施工工藝的實施效果及智慧工地環(huán)境建設五方面確定評價指標，全面反映企業(yè)的智能施工能力。組織管理智能化維度下，針對企業(yè)管理模式的改革創(chuàng)新，考慮管控平臺、人才管理團隊、協(xié)同管理三方面的智能化創(chuàng)新程度制定了3項評價指標。評價指標體系及指標說明如表1所示。

表1 路橋施工企業(yè)智能建造能力評價指標體系

2 基于COWA-G1-TOPSIS的評價模型

2.1 COWA-G1賦權

2.1.1 COWA賦權方法

OWA算子是美國學者Yager[16]提出的一種強調次序的平均加權方法，隨后徐澤水[17]對該方法進行改進得到了COWA算子，將組合數引入進來，被廣泛應用于評價指標權重的確定。目前大部分施工企業(yè)對智能建造技術掌握程度不盡相同，在邀請專家對評價指標進行打分時難免出現過于極端的情況。選擇COWA算子對各二級指標進行賦權能夠更好地避免極端值對評價結果的影響。

指標賦權的步驟如下：

（1）將調查問卷分發(fā)給智能建造技術或管理領域的專家學者及路橋施工企業(yè)中從事有關智能建造項目的管理人員，依據專家的意見結合企業(yè)自身的實際狀況對各項指標的重要程度進行十分制打分，結果組成初始評價矩陣C(C1，C2，…，Ci，…，Cn)，將該評價數據以0開始編號從大到小進行排序，得到新的評價數據集：d0≥d1≥…≥dj≥…≥dn-1，即(d1，d2，…，dj，…，dn)。

（2）按照組合數設計dj的權重計算加權向量：

式中，j= 0,1,2,…n-1。

（3）利用加權向量w對決策數據加權，計算指標Ci的絕對權重

n

（4）計算指標Ci的相對權重值wi：

2.1.2 G1賦權方法

G1賦權方法（序關系法）是一種無需一致性檢驗即可真實、唯一地體現出指標間的序關系，確定指標權重的方法[18]。該方法計算簡單方便，操作性強，對于指標個數無限制，選取此方法確定一級指標的指標權重，具體步驟如下：

（1）專家根據同一級指標層下不同要素之間的重要性程度進行排序，得到指標間的序關系。如A1，A2，…，Am具有關系式則稱評價指標A1，A2，…，Am間確定了序關系。

（2）各專家對相鄰指標Ak-1和Ak間的相對重要程度進行比較判斷，并用比值rk判斷，由下式表示：

式中，wk-1和wk分別表示第k-1、k項指標的權重值；當m較大時，可取rm=1。rk的賦值可參考表2。

表2 取值參考表

（3）進行權重系數wk計算，公式如下：

式中，wk-1=rkwk,k=m- 1 ,m- 2,… ,3,2；各指標權重值可以經式（5）依次推出。

2.2 理想解（TOPSIS）綜合評價

通過COWA算子及G1法對各層級指標進行權重計算，選取TOPSIS方法建立評價模型。TOPSIS中文名為優(yōu)劣解距離法，是一種基于理想解的有效的多指標決策方法，適用于智能建造能力的多指標綜合評價[19]。使用該方法能根據各評價對象實際值與正負理想解的距離測度進行排序，得到良好的評價結果。

記決策矩陣X=(xij)m×n，指標的權重向量為w=(w1，w2，…，wn)T。TOPSIS方法構建評價模型的步驟如下：

（1）對決策矩陣做標準化處理：

式中，i=1,2,… ,m;j=1,2,… ,n。得到標準化矩陣Y=(yij)m×n。

（2）計算加權標準化矩陣：

（3）確定正負理想解：

（4）計算到正理想解和負理想解的距離。分別為：

（5）計算各評價對象的相對貼進度確定指標得分：

從回歸結果的系數可以看出，現金支付方式和混合支付方式對收購方績效有負效應，但是從回歸結果看都不顯著。相對于現金支付和混合支付，股票支付更能提高收購公司的短期績效。其中的原因可能是通過股票支付可以從一定程度上反映了公司控股股東對上市公司的信心并且改善了公司治理結構,因此采用股票支付方式的并購具有相對較高的短期績效。

其中，Fi∈[0，1]，Fi的值越大則表明該評價對象的智能建造能力越強，越接近于最優(yōu)狀況，通過該值界定企業(yè)的智能建造能力等級。

由于智能建造領域尚未有相關評價標準發(fā)布，現參照制造行業(yè)發(fā)布的《智能制造能力成熟度評估方法》（GB/T39117-2020）將智能建造能力評級分為5個等級，具體評級標準如表3所示。

表3 企業(yè)智能建造能力評價等級

3 實例應用

本文針對研究對象的特點，選定廣東省某智慧高速公路建設項目的4個標段，分別由A、B、C、D 4家路橋施工企業(yè)承建。該項目位于廣東省中部地區(qū)，全長125.28 km，全線采用雙向六車道建設標準，設計時速100 km/h，預算總投資約207.9億元。該項目所處地質條件復雜，橋隧占比為48.8%，多家承建單位采用了智能化手段進行施工與管理，依托該工程項目對這4家路橋施工企業(yè)的智能建造能力進行評價。

3.1 評價指標權重的確定

3.1.1 基于COWA算子的二級指標賦權

首先邀請行業(yè)內8名智能建造研究領域的相關專家學者組成評審小組，對同一層級指標的重要程度進行10分制打分，為保證數據的規(guī)范性，打分值定為0.5的整數倍。專家組成員當中，2位為重點高校智能建造專業(yè)教師，2位為研究所中從事智能施工相關研究的研究員，這4位專家在科研專業(yè)性層面為評價指標的賦分權威性提供保障。另外4位專家為路橋施工企業(yè)中的高級工程師，在路面智能攤鋪與壓實、橋梁預應力智能張拉、預制梁板智能生產、智能施工監(jiān)測等方面具有豐富的從業(yè)經驗，從實踐性角度確保各評價指標賦分的合理性。依據式（1）~式（3）結合專家對評價指標的打分數據得到各二級評價指標的權重，以智能數據庫建設能力指標層的各評價指標的權重確定為例，闡明權重計算過程，其余二級指標類似，不再贅述。該層級的專家打分原始數據如表4所示。

表4 指標原始打分數據

以指標B1為例，運用COWA算子進行賦權，具體過程如下：

（1）將B1的初始決策數據由大到小排列得：d=（8.5，8.0，8.0，7.5，7.0，6.0，6.0，5.5），根據式（1）計算加權向量為（0.0078，0.0547，0.1641，0.2734，0.2734，0.1641，0.0547，0.0078）。

（2）由式（2）可得出指標B1的絕對權重為：

（3）由式（3）計算指標的相對權重值，組成二級指標層內部的權重向量為：

其余各指標層的二級指標權重可同理計算，分別為：

3.1.2 基于G1賦權法的維度層指標賦權

維度層一級指標權重的確定將采用序關系分析法與專家打分數據相結合的方法。為科學合理地確定維度層各指標的權重，請8位專家對5個一級指標進行重要性程度排序并打分，依據式（4）和式（5）計算相關參數，通過加權平均決策修正得出最終權重值，計算過程如表5所示，可知維度層各一級指標的權重為W=（0.2025，0.1961，0.1909，0.2150，0.1955）。

表5 一級指標權重計算

3.2 智能建造能力綜合評價

3.2.1 TOPSIS模型計算

從上述8位專家中邀請1位教師、1位研究員、2位高級工程師對A、B、C、D 4個標段進行實地調研，各專家根據調研結果為每個標段的各項指標進行打分，取其平均值作為該標段該指標的最終得分。維度層指標的專家打分數據依據不同標段不同維度中二級指標得分的平均值確定，每個標段一級指標的最后得分采用4位專家最終打分數據的平均值。結合權重計算結果，運用式（6）~式（12）計算出各標段的不同維度及智能建造綜合能力的相對貼進度。

不同維度的相對貼進度如下：智能數據庫建設能力FA1= [0.4526,0.4625,0.7335,0.5335]；智能環(huán)境建設能力FA2= [0.9084,0.5021,0.3568,0.2916]；智能建造技術應用能力FA3= [0.3503,0.3685,0.3932,0.6834]；智能施工能力FA4= [0.6066,0.3660,0.3934,0.3550]；組織管理智能化能力FA5= [0.4422,0.3880,0.6145,0.4346]。智能建造能力綜合評價相對貼進度為FA=[0.5013，0.1773，0.5765，0.3754]。

3.2.2 結果分析

通過不同層級不同指標的相對貼進度計算結果，可以分析4個公司的智能建造能力狀況。A企業(yè)在智能環(huán)境建設能力和智能施工能力上表現突出，其余3項能力得分較低，綜合得分為0.5013，在4家企業(yè)當中排名第二，屬中等水平。B企業(yè)只有智能環(huán)境建設能力一項的相對貼進度大于0.5，其余4項能力表現較差，綜合得分為0.1773，排名最后，屬差水平。C企業(yè)智能數據庫建設能力和組織管理智能化能力表現相對突出，其他3項表現一般，綜合得分為0.5765，排名第一，屬中等水平。D企業(yè)在智能建造技術應用能力和智能數據庫建設能力表現較好，其余3項得分較差，綜合得分為0.3754，排名第三，屬較差水平?？梢园l(fā)現目前路橋施工企業(yè)的智能建造能力普遍偏低，有的企業(yè)仍達不到承建智能建造項目的能力要求，降低了企業(yè)的核心競爭力。

4 結語

為衡量路橋施工企業(yè)在“新基建”潮流下的智能建造能力水平，基于新基建發(fā)展趨勢下對路橋施工企業(yè)提出的新要求和路橋施工企業(yè)的發(fā)展現狀，構建了一套包含5個評價維度、21項評價指標的路橋施工企業(yè)智能建造能力評價指標體系，同時選用TOPSIS方法構建了評價模型，并以廣東省某智慧高速公路建設項目為實例評價了4家企業(yè)的智能建造能力，驗證了評價指標體系的有效性與實用性。應用此評價體系，能有效識別路橋施工企業(yè)在不同評價維度之間的長處或短板，并能綜合評價企業(yè)的智能建造能力等級，為路橋施工企業(yè)在智能建造領域發(fā)展的側重點及戰(zhàn)略方向提供意見。同時，在評價過程中應注重企業(yè)與具體項目的結合，根據項目特點及企業(yè)的發(fā)展現狀靈活賦權，以得到客觀、合理的評價結果。另外，隨著科學技術的發(fā)展和行業(yè)的進步，可在此評價體系的基礎上進行改進與創(chuàng)新，便于更好地在未來更高標準的智能建造項目中應用，最大限度發(fā)揮評價體系的作用與價值。