基于復雜系統(tǒng)的工程項目群風險傳染網絡構建及應用

李倩，韋潔琳，劉鋒濤

(1. 中南林業(yè)科技大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2. 柳州工學院 土木建筑工程學院，廣西 柳州 545007)

目前，在城市綜合體等具有多項目協(xié)同開發(fā)屬性的建設系統(tǒng)中，項目群管理模式得到廣泛運用[1-2]。然而，項目之間的關聯關系為風險在不同項目間的擴散創(chuàng)造了路徑，風險出現傳播特性，導致項目發(fā)生連鎖失敗效應[3-4]，為項目群的風險管理工作帶來挑戰(zhàn)。因此，有必要尋求一種風險傳染分析工具來防范風險擴散，確保項目群在相互關聯的結構特征下穩(wěn)定發(fā)展。國內外學者對風險傳染的研究主要基于圖論角度，通過描繪系統(tǒng)因素相互關聯關系來構建風險傳染分析模型。研究的風險傳染關系主要涉及項目間的資源交互[5]、項目功能依賴[6]、項目流程搭接[7]、風險的邏輯關聯[8]等類型。雖然已有豐富的風險傳染研究成果，但大多數僅考慮單一類型的傳染關系，僅關注風險傳染階段的特征描述，缺乏從更加系統(tǒng)的角度對風險傳染產生及演化機制進行深入挖掘，缺少風險傳染機理的完整詮釋，并且鮮有針對工程項目群領域的研究。由于工程項目群是一個龐大和復雜的社會經濟技術系統(tǒng)，風險傳染關系的類型不止一種，只有系統(tǒng)地梳理和分析要素及其之間的復雜關系，才能揭示風險傳染機理，構建符合工程特征的風險傳染模型。鑒于此，考慮到復雜系統(tǒng)理論是揭示系統(tǒng)結構要素及其之間復雜互動行為的有效工具[9-10]，本文結合工程項目群特點，運用復雜系統(tǒng)理論分析風險傳染機制，解釋項目群系統(tǒng)中各主體以及主體間關系對于風險傳染產生和發(fā)展的影響機制，彌補圖論無法描述節(jié)點結構內在機理的局限。此外，通過超鄰接矩陣對決策實驗室法(DEMATEL)的改進，描述工程項目群中多類型風險主體及其之間的多類型風險關系。研究結果提出了一種面向工程項目群復雜系統(tǒng)的風險傳染網絡分析工具，實現了從系統(tǒng)角度來認知風險傳染機制，辨識并約束了關鍵節(jié)點以及風險傳染關鍵路徑，為項目群管理者處理風險傳染問題提供了一定的管理建議和參考。

1 基于復雜系統(tǒng)的工程項目群風險傳染機理分析

1.1 工程項目群的風險傳染關系

1.1.1 項目之間的脆性結構

脆性是系統(tǒng)中的固有屬性，其源于系統(tǒng)微觀組件之間的非線性相互作用，用以描述系統(tǒng)組件基于交互作用的連鎖崩潰的行為特征。借鑒復雜系統(tǒng)“脆性”概念，給出項目之間的風險傳染解釋。在項目群系統(tǒng)中，某項目失敗可能導致與之具有關聯關系的其他項目的有序狀態(tài)遭到破壞，也產生失敗。隨著失敗的項目數量增多，最終導致整個系統(tǒng)的崩潰。項目組件物理結構若具有從有序向無序轉變的崩潰趨勢，則被認為具有脆性結構特征。

根據項目風險傳染解釋，將項目之間存在的收益、資源、技術等交互依賴關系，或者進度搭接、功能互補等關聯關系，映射為項目組件物理結構網絡，以此作為風險在項目之間傳染的關系載體。

1.1.2 風險因素的風險涌現

涌現是一種出現在系統(tǒng)宏觀層次上的，從舊質中產生新質的過程，是系統(tǒng)微觀組分按照結構方式相互作用、相互制約而激發(fā)出來的一種組分之間的相干效應，使系統(tǒng)產生宏觀性能和機構上的突變。在此，借鑒系統(tǒng)科學“涌現”概念，給出風險因素之間的風險傳染解釋。由于內外部環(huán)境的干擾，觸發(fā)的原因風險因素依靠因果邏輯觸發(fā)結果風險因素，風險狀態(tài)的相繼觸發(fā)過程即為風險涌現。

在項目群層面提煉出可能造成項目脆性崩潰的風險因素，通過結構化處理揭示風險因素之間的因果邏輯“虛”關聯。由于其因果屬性不唯一，某些風險因素既可以具有原因屬性觸發(fā)其他風險因素，也可以具有結果屬性被其他風險因素觸發(fā)，所以可以將這些因果關系映射為一個風險因素邏輯結構網絡，作為風險傳染關系載體。此外，由于風險因素是項目通過映射得到且具有高度聚類特性的元素，在風險傳染網絡中體現這些映射關系，可以將分析得到的高危風險因素快速回溯定位到具體項目，實現項目層級的風險管控，提高管理工作的針對性。

1.2 工程項目群的風險傳染概念模型

風險傳染關系可以是有形介質，或者是無形效應[11-12]。綜上，工程項目群的風險傳染機制包含項目和風險因素2種類型的風險傳染主體，以及項目脆性結構連鎖崩潰、風險因素的風險涌現2種類型的風險傳染關系。基于此，給出工程項目群風險傳染概念模型，如圖1所示，以此來描述風險傳染過程。

在風險產生階段，由于系統(tǒng)復雜性帶來的項目結構抗脆性能力衰退，或者外界不確定性的干擾和沖擊，項目群中某一或少數幾個項目組件失效，或者某一或少數幾個風險因素被觸發(fā)，項目群的穩(wěn)定狀態(tài)被打破，產生風險傳染發(fā)生源。

在風險積累階段，項目組件物理結構中的少數項目失效后，失效項目會根據交互關系將失敗風險傳染給相鄰項目。若相鄰項目執(zhí)行有效的風險應對措施，風險會在少數項目組件中聚集而不發(fā)生大范圍的傳染，或者在少數風險因素被觸發(fā)后，與其有因果關系的風險因素也被觸發(fā)，若采取得當的風險管控，可以避免大規(guī)模的風險涌現現象。該階段未超過系統(tǒng)風險傳染的閾值，未發(fā)生大范圍的風險傳染效應，即為局部的風險積累。

風險傳染階段，當系統(tǒng)的安全閾值被突破時，項目組件的脆性結構發(fā)生連鎖崩潰或者風險因素之間相繼觸發(fā)，產生風險傳染效應，進而導致項目群系統(tǒng)的崩潰。

2 工程項目群風險傳染網絡模型的構建

2.1 基于改進決策實驗室法的構建步驟

決策實驗室法運用管理者或專家的知識經驗對各元素之間的關聯程度進行量化，可以實現系統(tǒng)結構關系由數學表達到網絡建模的轉化，并通過計算評價指標得到關鍵要素[13]。然而，該方法多用來描繪單一網絡，難以處理多層網絡關系。因此，本文基于風險傳染概念模型，運用超鄰接矩陣對決策實驗室方法進行改進，具體網絡模型的構建步驟如下。

第1步：確定網絡結構要素。

在項目群中確定具有脆性特征的項目，設項目為p1，p2，…，pn，pi∈P(i=1，2，…，n)，確定項目組件物理結構。識別和聚類處理風險因素，設風險因素為r1，r2，…，rm，ri∈R(i=1，2，…，m)，確定風險因素邏輯結構。其中，n和m均為因素的數目。

第2步：確定初始直接影響矩陣。

第3步：規(guī)范化直接影響矩陣。

根據式(2)計算規(guī)范化的項目物理結構直接影響矩陣C(C=[cij]n×n)，同理可得風險因素邏輯結構直接影響矩陣D(D=[dij]m×m)。

第4 步：構建風險傳染超鄰接矩陣和傳染網絡。

基于直接影響矩陣C和D，首先給定閾值λ(可根據經驗取值)對矩陣中的元素進行過濾，見式(3)。據此得到項目物理結構矩陣C'(C'=[c′ij]n×n)以及風險因素邏輯結構矩陣D'(D'=[d′ij]m×m)。同時，利用專家打分法(賦值：極可能發(fā)生=1，較大可能發(fā)生=0.8，有可能發(fā)生=0.6，不太可能發(fā)生=0.4，極小可能發(fā)生=0.2)計算項目可能發(fā)生的風險概率，得到項目對應風險發(fā)生概率矩陣。然后，將上述3 個矩陣集成一個超鄰接矩陣(見圖2(b))。最后，以結構因素為網絡節(jié)點，因素間的關系為網絡邊，關系的強弱為邊權重，2 個網絡之間的映射關系為各項目對應風險因素發(fā)生概率，由此構建出風險傳染網絡，如圖2(c)所示。

第5步：計算綜合影響矩陣。

直接影響矩陣只表示因素間的直接影響，在實際問題中因素之間的間接影響同樣不可以忽略。因此，通過計算綜合影響矩陣T(T=[tij]n×n)來表示項目物理結構中因素直接和間接影響的綜合累加，見式(4)。同理可計算風險因素邏輯結構中的綜合影響矩陣G(G=[gij]m×m)。

2.2 工程項目群風險傳染網絡評價指標計算

2.2.1 基于綜合影響矩陣因素的傳染度和被傳染度計算

在項目物理結構中，設μi表示因素i對其他所有因素的傳染程度，包括直接和間接傳染，見式(5)；設ωi表示因素i被其他因素傳染的程度，包括直接和間接傳染，見式(6)。同理可計算風險因素邏輯結構的傳染度和被傳染度。

2.2.2 基于綜合影響矩陣因素的重要度和原因度計算

重要度Hi由傳染度和被傳染度相加得到，表示因素i對其他因素的傳染程度以及被其他因素傳染程度，體現因素的重要性，見式(7)。

原因度Ei由傳染度和被傳染度相減得到，表示因素i對其他因素的因果屬性程度，見式(8)。若為正，表示該因素主要影響其他因素，稱為原因元素；若為負，表示該因素主要受其他因素的影響，稱為結果因素。風險因素邏輯結構的重要度和原因度同理可計算得到。

2.2.3 基于風險傳染網絡的關鍵傳染路徑識別

在傳染網絡考慮節(jié)點聯系的權重是必要的，邊權值越高表示節(jié)點聯系越緊密，節(jié)點之間越容易產生傳染。h指數算法[14]中的h-strength是基于邊權強度提出的一種邊全局重要性的測度方法，因符合風險傳染網絡的邊權特征而用于傳染關鍵路徑的識別中。在此給出h-strength(hs)定義[15]：在加權網絡中，加權邊中至少有hs條邊的邊權值至少等于hs。

風險傳染關鍵路徑識別過程：根據hs定義計算得出單層網絡的hs值，提取網絡中邊權值大于hs的點和邊的合集，構建核心子網絡，即為單網絡的風險傳染關鍵路徑。通過網絡層間的映射關系集成風險傳染關鍵路徑的雙層網絡，詳細過程見第3部分模型驗證。

3 模型驗證

BY 建筑工程有限公司中標某市LD 站TOD 綜合開發(fā)一期施工總承包工程，實行該工程的施工總承包管理。一期工程由6個項目組成項目群，項目之間的脆性關系見表1。此外，通過專家調查法，對可能造成該項目群脆性崩潰的風險因素進行識別，見表2。

表1 工程項目群的項目編號及其脆性關聯描述Table 1 Project number and the description of the brittle associations in the engineering project group

表2 工程項目群的風險因素編號及其描述Table 2 Number and description of risk factors of the engineering project group

3.1 構造風險傳染網絡

根據2.1 節(jié)的方法，首先計算項目物理結構直接影響矩陣C、風險因素邏輯結構直接影響矩陣D和各項目風險因素的發(fā)生概率，構建初始超鄰接矩陣，見圖2(a)，為簡化模型計算，假設專家評分的權重均為1。然后，項目群管理者根據項目實際情況評估后設定可控關系閾值λc=0.11，λd=0.08，根據式(3)計算得到項目物理結構C'以及風險因素邏輯結構D′，見圖2(b)，C′和D′的數值單位為10-2。最后，按照網絡構建規(guī)則構建風險傳染網絡，通過可視化軟件Gephi進行展示，見圖2。

3.2 風險傳染網絡因素分析

根據式(5)和式(6)計算風險傳染網絡上各因素的傳染度和被傳染，見表3。

表3 風險傳染網絡因素的傳染度和被傳染度指標Table 3 Contagion degree index of risk contagion network factors

在項目物理結構中，p1具有最大的傳染度，是項目物理結構中的核心風險傳染源。傳染度高的項目在執(zhí)行過程中容易影響其他項目的順利實施，其穩(wěn)定性對于項目群至關重要，除了在項目管理過程中進行適當的資源傾斜和密切的流程管控，還需要關注與其他項目的聯系。被傳染度高的項目則可以把管理重點放在自身上。

在風險因素邏輯結構中，r2，r4，r7，r11和r1具有較高的傳染性而應進行重點管控，獲取更高比例的風險成本和精力投入，同時要加強被傳染度高的風險(r8，r2，r10，r11和r9)觸發(fā)監(jiān)控，以此實現降低風險控制成本，提高風險管理效率。

此外，通過式(7)和式(8)計算得到因素的重要度和原因度，并以重要度為橫坐標，原因度為縱坐標繪制因素間的因果關系圖，見圖3。

由圖3可知，在項目的物理結構中，項目的重要度比較集中的分布在3～4 之間，說明項目之間的重要性差別不大，且項目之間具有明顯的脆性關聯。p1和p2為原因因素，p3，p4，p5和p6為結果因素。其中，p1遠離橫坐標軸，p2和p3比較靠近橫坐標軸，說明p1對其余項目的影響程度最大，p2和p3在影響其他項目的同時也較容易受其他項目的影響。

在風險因素邏輯結構中，r1，r4和r7為主要的原因因素，對其余風險因素的影響比較大。r2，r3，r5，r6，r9和r11分布在橫坐標軸附近，說明這些風險因素容易受其他風險因素影響的同時也容易影響其他因素。r8和r10作為主要的結果因素容易受其他風險因素影響。

3.3 風險傳染網絡中傳染路徑分析

考慮到風險管理工作的關聯性，為制定整體協(xié)同的風險防范策略，運用hs指標提取風險傳染關鍵路徑。首先，根據hs定義對項目物理結構網絡的邊權值(圖2 中C')進行計算，得到該網絡hs為7，邊 權 不 小 于7 的 邊 為p1-p3，p1-p4，p1-p2，p1-p6，p2-p5，p2-p6，p6-p5，提取這些邊及其關聯節(jié)點的核心子網絡。其次，同理計算得到風險因素邏輯結構網絡的hs為6，提取邊權不小于6 的邊及其關聯節(jié)點得到核心子網絡。最后，根據風險發(fā)生概率(圖2 中C-D矩陣)，集成提取的2 個核心子網絡，得到風險傳染關鍵路徑網絡，見圖4。

圖4(b)和4(c)展示了p1-p3-p4和p1-p2-p5-p6項目連鎖崩潰關鍵路徑以及所對應的關鍵風險因素涌現路徑。其中，r2和r4因具有較高的傳染性而需要重點防治，r8因具有較高的被傳染性而需要重點監(jiān)控，這一結論與上述的風險因素傳染度和被傳染度的分析結論一致。此外，通過項目風險發(fā)生的概率，可以將高危風險因素的分析回溯定位到具體項目。例如在圖4(c)中，p1，p2，p5和p6發(fā)生r2的概率分別為0.9，0.9，0.8，0.8，表明了這4個項目均有較大可能發(fā)生r2，并且一旦r2觸發(fā)將可能傳染至r6和r8，即r2可傳染使p1有0.8 的概率發(fā)生r6或者0.6的概率發(fā)生r8，也可能使p2有0.7概率發(fā)生r6或者0.6 的概率發(fā)生r8。由此條風險傳染路徑可知，p1，p2，p5和p6都需要重點防控相關方協(xié)調風險，并且p1和p2還需要防范由相關方協(xié)調風險引發(fā)的社會關系風險和項目進度風險。此外，當該條風險傳染路徑中某一項目發(fā)生失效，位于傳染路徑下游的項目需要警惕受到負面影響的牽連，關注與風險感染項目的脆性關系，及時做好防范策略和應對預案。

綜上，通過風險傳染關鍵節(jié)點以及關鍵路徑的識別，有利于工程項目群管理者風險策略的制定和風險傳染環(huán)境的改善。同時，協(xié)同分析項目、風險因素以及二者之間的映射關系，驗證了整體考慮多類型傳染主體、多類型傳染關系并存的風險傳染模型的有效性和實用性。

4 結論

1) 基于復雜系統(tǒng)角度，指出項目群脆性結構特征，給出風險因素的風險涌現解釋，以及提出工程項目群中項目和風險因素雙傳染關系并存的風險傳染機制，并構建相應的風險傳染概念模型用于描述風險傳染的產生、積累和傳染過程。

2) 運用超鄰接矩陣改進的決策實驗室方法，給出工程項目群風險傳染網絡的構建步驟。通過計算各風險主體的傳染度、重要度和原因度，以及運用hs值識別風險傳染關鍵路徑，得到風險傳染過程項目和風險因素的核心關系。通過針對性的約束多風險傳染主體以及加強管控風險傳染關鍵路徑，可以改善風險傳染環(huán)境，提高工程項目群系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

3) 通過實例驗證了模型的有效性和適用性。相比已有的風險傳染單層網絡模型，基于復雜系統(tǒng)的風險傳染網絡模型可以綜合刻畫項目和風險因素在風險傳染過程中的整體特征及結構形態(tài)，實現風險傳染的分析從“割離式”向“系統(tǒng)整體式”的轉變。