基于物聯(lián)網(wǎng)的裝配式建筑供應(yīng)鏈風(fēng)險評估

宋建 徐玉強 左小紅 張守斌

(中國建筑第五工程局有限公司，山東 濟南 250101)

0 引言

與傳統(tǒng)建筑業(yè)相比，裝配式建筑涉及的供應(yīng)商、分包商群體更廣，工序更復(fù)雜，不確定性因素更多,由此帶來的風(fēng)險也更多。在新的模式下，新的角色和利益相關(guān)方的出現(xiàn)構(gòu)成一個不確定的環(huán)境[1]。Teng等[2]通過研究裝配式建筑供應(yīng)鏈中利益相關(guān)方的角色和共生關(guān)系，找出影響供應(yīng)鏈斷裂和不連續(xù)性的風(fēng)險因素。柳堂亮[3]首次將風(fēng)險評估方法應(yīng)用于裝配式建筑供應(yīng)鏈風(fēng)險評估，并建立了供應(yīng)鏈風(fēng)險評估指標(biāo)體系。常春光等[4]在BIM建模的基礎(chǔ)上，結(jié)合RFID技術(shù)提出了追溯性的信息共享模型，以實現(xiàn)預(yù)制施工中的實時可見性和可追溯性。

目前，對于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下供應(yīng)鏈風(fēng)險的研究主要集中在農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中。顏波等[5]根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的三個層面識別整個農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中的風(fēng)險，使用OWA算子定量評估和排列風(fēng)險因素。曹慧娟等[6]以物聯(lián)網(wǎng)層次模型為理論基礎(chǔ)確定農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈風(fēng)險因素，通過使用三角模糊數(shù)表建立了物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的風(fēng)險源分析方法。

鑒于現(xiàn)有文獻很少涉及基于物聯(lián)網(wǎng)的裝配式建筑供應(yīng)鏈風(fēng)險，本文利用故障模式和效應(yīng)分析法(Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA)評估所選風(fēng)險的相對重要性，并研究風(fēng)險之間的潛在相關(guān)性。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在裝配式建筑供應(yīng)鏈中的應(yīng)用

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與BIM技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于裝配式建筑供應(yīng)鏈管理，是目前大多數(shù)學(xué)者提倡的方法[7-8]，有三套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的服務(wù)層：基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS)層包括硬件和設(shè)備，平臺即服務(wù)(PaaS)層部署了可視性和可追溯性工具、數(shù)據(jù)源互操作性服務(wù)，軟件即服務(wù)(SaaS)層提供預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)管理服務(wù)、物流管理服務(wù)和現(xiàn)場組裝管理服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的裝配式建筑供應(yīng)鏈如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的裝配式建筑供應(yīng)鏈

在預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)廠，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)服務(wù)于生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)調(diào)度、內(nèi)部物流、生產(chǎn)執(zhí)行等階段。工人將RFID芯片嵌入預(yù)制構(gòu)件，生產(chǎn)管理者能夠從RFID反映的實時數(shù)據(jù)中了解物料交付和消耗情況。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，生產(chǎn)管理者可以清楚地監(jiān)控庫存的儲量，并決定是否需要補充某些物料以及應(yīng)該購買多少物料。生產(chǎn)調(diào)度人員可以在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的幫助下，實現(xiàn)人員、設(shè)施和材料的實時可追溯性和可見性，動態(tài)地對任務(wù)進行優(yōu)先排序。

預(yù)制構(gòu)件制作完成后，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將觸發(fā)與BIM系統(tǒng)同步的物流任務(wù)。制訂運輸計劃和物流控制時間表，并將其發(fā)布到數(shù)據(jù)庫中供交通規(guī)劃人員和調(diào)度人員使用。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)實時交通監(jiān)控服務(wù)，跟蹤整個物流中預(yù)制構(gòu)件的現(xiàn)狀和位置。該服務(wù)使用RFID和GPS技術(shù)實時跟蹤運輸車輛，并以圖形方式顯示其狀態(tài)、進度和當(dāng)前位置。通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)管理運送預(yù)制構(gòu)件的車輛，以便在預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)和運輸公司各方之間實現(xiàn)信息共享。利用RFID技術(shù)創(chuàng)建智能交通環(huán)境，在整個預(yù)制加工、裝載和運輸過程中加強實時信息共享。

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為現(xiàn)場施工和監(jiān)督提供服務(wù)，使用RFID數(shù)據(jù)反映預(yù)制部件的現(xiàn)場狀態(tài)(待組裝、組裝中、組裝完成)，實時展現(xiàn)建造進度。項目各參建方都可以了解當(dāng)前的施工情況，協(xié)同制定有效的決策。管理者可以從大量數(shù)據(jù)中找出有用的RFID數(shù)據(jù)，以便提取有價值的信息。施工班組長利用有價值的信息協(xié)調(diào)不同參建方完成整個項目，加強各方協(xié)調(diào)，提升決策的準(zhǔn)確度。

2 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的裝配式建筑部件供應(yīng)鏈風(fēng)險識別

裝配式建筑供應(yīng)鏈?zhǔn)侵笍臉I(yè)主有效需求出發(fā)，以承包商為核心，以預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)廠為主要材料供應(yīng)商，多種預(yù)制構(gòu)件按一定比例協(xié)調(diào)供應(yīng)、安裝形成最終產(chǎn)品。在此過程中，企業(yè)通過對信息流、物流和資金流的控制，將項目相關(guān)參與方連成一個整體的建設(shè)網(wǎng)絡(luò)[9]。

為了識別物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下裝配式建筑供應(yīng)鏈的主要風(fēng)險，對預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)、運輸企業(yè)、施工企業(yè)進行訪談。在企業(yè)的選取條件中加上已部署物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的限制，保證受訪者對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有充分的認識。受訪者被要求寫出其認為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用下的供應(yīng)鏈風(fēng)險因素，在用詞描述上沒有限制，后期對語言進行處理，再反饋給受訪者以確保語意符合他們的觀點。

通過與相關(guān)企業(yè)的管理人員進行面對面的半結(jié)構(gòu)化訪談，進一步探索相關(guān)風(fēng)險的潛在原因和影響。這些企業(yè)在裝配式建筑供應(yīng)鏈中擁有生產(chǎn)預(yù)制部件和現(xiàn)場組裝的業(yè)務(wù)，在供應(yīng)鏈的配置和資源分配中發(fā)揮核心作用，并建立了風(fēng)險管理和供應(yīng)鏈可持續(xù)性計劃。

結(jié)合管理人員的訪談結(jié)果，通過對學(xué)術(shù)論文、行業(yè)報告和白皮書進行分析，制定相關(guān)風(fēng)險的初始清單。對初始清單按照三套服務(wù)體系和用戶層進行歸類，結(jié)合受訪管理人員意見完成最終的風(fēng)險清單，見表1。

表1 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下裝配式建筑供應(yīng)鏈風(fēng)險清單

(1)基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)層。基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)層將工具、機械設(shè)備和材料通過綁定到不同的RFID設(shè)備轉(zhuǎn)換成智能對象，目的是在工廠、倉庫、物流以及建筑工地等典型的裝配式建筑供應(yīng)鏈內(nèi)創(chuàng)建一個智能的建筑環(huán)境。在一個典型的預(yù)制生產(chǎn)工廠中，生產(chǎn)設(shè)備都配有RFID閱讀器，因為它們是增值點，必須實時監(jiān)控其工作狀態(tài)?；A(chǔ)設(shè)施即服務(wù)層面臨的風(fēng)險包括生產(chǎn)設(shè)備故障風(fēng)險、運輸設(shè)備故障風(fēng)險、信息采集設(shè)備故障、GPS定位失敗風(fēng)險等。

(2)平臺即服務(wù)層。平臺即服務(wù)層作為連接基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)層和軟件即服務(wù)層之間的橋梁，由一個支持物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)計算機、可視性和可追蹤性工具(BIM軟件)以及數(shù)據(jù)存儲器組成。利用該層定期從項目的不同運營數(shù)據(jù)源中提取數(shù)據(jù)，如生產(chǎn)計劃、運輸過程、組裝任務(wù)管理等，通過整合來自不同視角和不同細節(jié)層面的項目數(shù)據(jù)展示項目建設(shè)階段的全貌。平臺即服務(wù)層面臨的風(fēng)險包括計算機技術(shù)風(fēng)險、RFID數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險、網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、BIM信息與實際不符等。

(3)軟件即服務(wù)層。軟件即服務(wù)層主要包含為生產(chǎn)計劃、物料計劃、計劃運輸和調(diào)度、現(xiàn)場資產(chǎn)管理等服務(wù)的ERP、SCM等軟件。供應(yīng)商通過租賃的方式提供軟件服務(wù)，供應(yīng)商負責(zé)對企業(yè)數(shù)據(jù)的保存以及對軟件的維護。軟件即服務(wù)層面臨的主要風(fēng)險包括服務(wù)器不穩(wěn)定風(fēng)險、供應(yīng)商中斷服務(wù)的風(fēng)險、租賃費用提高的風(fēng)險等。

(4)用戶層及其他風(fēng)險。除了上述三個服務(wù)層的風(fēng)險外，還會面臨用戶層的技術(shù)問題、工人隊伍不穩(wěn)定、人為失誤等帶來的人為風(fēng)險。自然災(zāi)害等不可抗力可能造成貨物損壞以及供應(yīng)中斷，企業(yè)信譽受損會帶來客戶的流失，因此加入了自然災(zāi)害和企業(yè)信譽風(fēng)險。

3 基于FMEA的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的裝配式建筑供應(yīng)鏈風(fēng)險評估

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)的裝配式建筑質(zhì)量追溯系統(tǒng)在雄安新區(qū)某項目得到應(yīng)用。針對該項目的參與者共發(fā)放問卷220份，發(fā)放對象包括裝配式建筑質(zhì)量追溯系統(tǒng)研發(fā)企業(yè)，以及預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)、運輸企業(yè)、施工企業(yè)。收到可用答卷95份，回收率為43.2%，其中系統(tǒng)研發(fā)企業(yè)22份，占比23%；預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)35份，占比37%；運輸企業(yè)17份，占比18%；施工企業(yè)21份，占比22%。

3.1 FMEA應(yīng)用介紹

與目前廣泛應(yīng)用的模糊層次分析法、OWA算子等風(fēng)險評估方法相比，F(xiàn)MEA是一種成熟的分析方法，用于研究信息系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的故障。它可以用來系統(tǒng)評估和衡量風(fēng)險因素，而不需要復(fù)雜的統(tǒng)計方法[10]。FMEA的應(yīng)用如下：受訪者被要求對風(fēng)險的嚴(yán)重程度(S)、發(fā)生頻度(O)和檢測容易度(D)進行評估，從1到7的等級中進行打分。為了方便受訪者回答和避免對數(shù)字混淆，提供每個風(fēng)險等級的定義，風(fēng)險等級見表2。FMEA方法中使用的風(fēng)險后果可檢測性，是本研究中的一個重要因素。通過檢測能夠改變風(fēng)險后果發(fā)生的可能性，并采取措施以防止負面影響的產(chǎn)生，有助于后續(xù)的風(fēng)險處理。

表2 風(fēng)險等級

在對S、O、D三個維度進行評估后，F(xiàn)MEA根據(jù)風(fēng)險的三個維度計算風(fēng)險系數(shù)(Risk Priority Number，RPN)，并根據(jù)風(fēng)險系數(shù)確定風(fēng)險因素的優(yōu)先級，計算公式如式(1)所示

RPNi=Si×Oi×Di，?i

(1)

對于給定的風(fēng)險因子i，RPNi越高，該事件的風(fēng)險就越大。計算RPN后，主要風(fēng)險通過Pareto圖進行識別。識別主要風(fēng)險因素后，要求受訪者確定所有與供應(yīng)鏈主要風(fēng)險相關(guān)的潛在原因和影響，并為他們提到的每種潛在原因或影響指定一定程度的分值(1—極不可能，2—不可能，3—中等，4—可能，5—極可能)。調(diào)研數(shù)據(jù)將用以相關(guān)性分析，以確定主要風(fēng)險因素之間潛在的相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)在[-1，1]之間變化，以反映風(fēng)險因子間的相關(guān)關(guān)系：正相關(guān)(+1)、負相關(guān)(-1)或無相關(guān)性(0)。相關(guān)性分析反映了管理者對主要風(fēng)險因素之間關(guān)系程度的看法，不涉及財務(wù)或其他績效評估數(shù)據(jù)。

3.2 風(fēng)險評估與分析

使用FMEA方法計算每種潛在風(fēng)險的RPN。將調(diào)查問卷中關(guān)于嚴(yán)重性、發(fā)生頻度和檢測容易度的每個答案乘以選擇它的受訪者數(shù)量，并將數(shù)據(jù)總和除以參與的總?cè)藬?shù)。以嚴(yán)重性為例，計算公式見式(2)。將RPN計算為每種風(fēng)險因素的嚴(yán)重性、發(fā)生概率和檢測容易度的乘積，計算公式見式(3)。最終結(jié)果見表3。

表3 風(fēng)險因素的風(fēng)險系數(shù)

(2)

式中，xis為對風(fēng)險i嚴(yán)重性打s分的人數(shù)。

(3)

結(jié)果的描述性統(tǒng)計表明，與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的風(fēng)險被認為對供應(yīng)鏈有中等偏上的影響(平均=4.89)，它們偶爾會發(fā)生(平均值=4.11)，并且難以檢測(平均值=4.24)。三套服務(wù)系統(tǒng)之間的比較表明，與基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)和軟件即服務(wù)相比，平臺即服務(wù)相關(guān)風(fēng)險被視為“風(fēng)險略高”。

使用Pareto圖分析確定7個重要風(fēng)險因素，風(fēng)險因子RPN的Pareto圖如圖2所示。由風(fēng)險因子RPN的排序和累計百分比可知，帕累托規(guī)則(80/20效率法則)并不適用于本研究，因為總風(fēng)險因子的約2/3占累積百分比的80%。鑒于與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用下的裝配式建筑供應(yīng)鏈相關(guān)風(fēng)險來自不同的建筑行業(yè)，所選風(fēng)險的重要性分布更加均勻。

圖2 風(fēng)險因子RPN的Pareto圖

從圖2可知，生產(chǎn)設(shè)備故障、核心數(shù)據(jù)安全、計算機技術(shù)、信息與實際不符、工人隊伍不穩(wěn)定、企業(yè)信譽、服務(wù)器不穩(wěn)定7個風(fēng)險因子RPN分值均在100分以上，7個風(fēng)險因子的RPN的累計百分比占總數(shù)的70%，表明這7個風(fēng)險因子是物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下裝配式建筑供應(yīng)鏈風(fēng)險的主要因素。

與顏波[5]、曹慧娟等[6]基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈風(fēng)險研究相比，本研究的主要風(fēng)險因素中增加了生產(chǎn)設(shè)備故障和工人隊伍不穩(wěn)定風(fēng)險因子，去除了自然災(zāi)害和傳感設(shè)備故障風(fēng)險因素。在裝配式建筑預(yù)制部件生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，設(shè)備故障會導(dǎo)致制造延遲和影響預(yù)制部件成品的質(zhì)量，預(yù)制部件是裝配式建筑的主要組成部分，關(guān)系到整體結(jié)構(gòu)的安全，因此該風(fēng)險因素在整個供應(yīng)鏈風(fēng)險中占據(jù)主宰地位。工人隊伍不穩(wěn)定將導(dǎo)致生產(chǎn)進度和施工進度延遲，裝配式建筑需要成熟穩(wěn)定的施工隊伍，由于我國建筑施工企業(yè)長期習(xí)慣勞務(wù)外包，人員流動性大[11]。預(yù)制部件生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)在大部分也是仿照施工企業(yè)進行勞務(wù)外包，導(dǎo)致工廠工人隊伍不穩(wěn)定。與農(nóng)產(chǎn)品相比，預(yù)制部件由鋼筋和混凝土組成，具有很強的抗壓能力和耐久性，并且其組裝生產(chǎn)過程主要在廠房車間進行，因此運輸和生產(chǎn)過程受自然災(zāi)害的影響相對較小。在裝配式建筑供應(yīng)鏈中傳感設(shè)備的使用較少，因此其影響也較小。

3.3 風(fēng)險因子之間的相關(guān)性

相關(guān)性分析采用雙變量相關(guān)分析研究主要風(fēng)險因素(RPN超過100)的潛在關(guān)系。相關(guān)性分析對風(fēng)險管控階段至關(guān)重要，如果兩個風(fēng)險因素之間存在正相關(guān)關(guān)系，則可以同時實現(xiàn)對兩種風(fēng)險的管控；如果存在負相關(guān)關(guān)系，則對一種風(fēng)險的管控可能會對其他風(fēng)險造成相反的影響。運用SPSS軟件的Pearson分析功能對主風(fēng)險因素進行相關(guān)性分析，分析結(jié)果見表4。相關(guān)性判別標(biāo)準(zhǔn)如下：0—不相關(guān)；±0.1～±0.4—弱；±0.4～±0.7—中等；±0.7～±1.0—強相關(guān)性。

結(jié)果支持對風(fēng)險因素之間相關(guān)性的一些預(yù)期。分析顯示屬于同一類別的因素之間具有強相關(guān)性，風(fēng)險管理者對于三者的風(fēng)險管控既可以協(xié)同推進，也可以優(yōu)先集中管理核心數(shù)據(jù)安全風(fēng)險，以緩解其他兩種風(fēng)險因素產(chǎn)生的不良后果。值得關(guān)注的是相關(guān)性的一些額外觀察結(jié)果。首先，結(jié)果顯示企業(yè)信譽和工人隊伍不穩(wěn)定之間存在顯著的相關(guān)性(0.750；P<0.01)，一個信譽良好的企業(yè)更能贏得工人的信賴，工人隊伍就會愈加穩(wěn)定；其次，生產(chǎn)設(shè)備故障與企業(yè)信譽之間存在顯著的相關(guān)性(0.603；P<0.05)，設(shè)備故障發(fā)生率越高，產(chǎn)品的質(zhì)量越會受到影響，進而導(dǎo)致企業(yè)信譽受損。

表4 主要風(fēng)險之間的相關(guān)性

4 結(jié)語

本文依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)識別裝配式建筑供應(yīng)鏈風(fēng)險因素，建立包含4個層次、共計18個因素的供應(yīng)鏈風(fēng)險框架，采用FMEA分析方法確定各層次風(fēng)險因素的相對重要度，通過Pearson分析法對主要風(fēng)險因素之間的相關(guān)性進行分析，得出以下結(jié)論：物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下裝配式建筑供應(yīng)鏈的主要風(fēng)險因素包括生產(chǎn)設(shè)備故障、核心數(shù)據(jù)安全、計算機技術(shù)、BIM信息與實際不符、工人隊伍不穩(wěn)定、企業(yè)信譽、服務(wù)器不穩(wěn)定。這些風(fēng)險因素大多與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)，說明物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在降低傳統(tǒng)裝配式建筑供應(yīng)鏈風(fēng)險的同時，也給供應(yīng)鏈帶來新的風(fēng)險因素。服務(wù)器不穩(wěn)定與核心數(shù)據(jù)安全、計算機技術(shù)之間存在強相關(guān)性，企業(yè)信譽與工人隊伍不穩(wěn)定之間存在強相關(guān)性。根據(jù)風(fēng)險之間的相關(guān)性，有助于管理者制定整體的風(fēng)險管控策略，提升風(fēng)險的可控性。本文的局限性在于主要分析集中于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用帶來的新風(fēng)險，沒有考慮政策法規(guī)、消費者認識、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等風(fēng)險因素，這也是未來研究的方向。