基于灰色聚類的地下綜合管廊項目運營風險評價研究

劉玉梅 郭海濱 張程城 孟霄 王雨

摘要： 地下綜合管廊是城市基礎設施建設的重要構成部分，對其運營期風險進行評價研究具有重要意義。本文通過專家調查和文獻分析等方法構建了地下綜合管廊項目運營風險評價指標體系，采用AHP和熵權組合賦權的方法確定了風險指標權重，運用灰色聚類法對其運營風險進行綜合評價，最后以實例分析驗證了此方法的可行性和適用性。

Abstract： The underground pipe gallery is an important part of the urban infrastructures. So to evaluate its operational risk is of great significance. This paper builds an evaluation index system for operational risk of underground pipe gallery projects through experts surveys and literature analysis. And it uses AHP and entropy weight combination weighting method to determine the risk index weights， then it uses grey clustering to evaluate its operational risk. Finally， it verified the feasibility and applicability of this method with an example analysis.

關鍵詞： 綜合管廊；風險評價；灰色聚類；運營風險

Key words： pipe gallery；risk evaluation；grey clustering；operation risk

中圖分類號：TU91 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）26-0121-05

0 引言

改革開放以來，我國經濟飛速增長，國民生活水平顯著提升，對城市基礎設施建設的要求日益增高。地下綜合管廊將電力、通信、熱力、給水排水、燃氣等各市政管線集于一處，合理利用了地下空間，解決了“馬路拉鏈”問題，改善了城市面貌，延長了管線的壽命。

地下綜合管廊的建設由來已久，早在1833年法國巴黎建立了世界上第一條地下綜合管廊，1963年日本為了維護綜合管廊的建設制定了《共同溝實施法》，Canto Perello等提出了一些實用的綜合管廊創新和組織方式[1]；我國對地下綜合管廊的研究相對較晚，譚忠盛等對地下綜合管廊建設的管理模式進行了研究[2]，何瑤等指出目前國內綜合管廊相關法律法規和政策的匱乏[3]，張宏以蘇南某開發區的綜合管廊為例，描述了特定范圍內綜合管廊的市場化運營管理模式[4]，韋海民采用HHM法識別地下綜合管廊建設過程中的風險[5]。現階段對地下綜合管廊的研究集中于建設、發展、運營管理、投融資等方面，對其風險管理方面的研究還處在初始階段，針對運營期的風險管理研究則相對較少。

地下綜合管廊建成后運營周期長達數十年至百年，期間參與方較多，管廊內管線較多，存在風險因素多；因此對地下綜合管廊項目運營風險進行識別、評價具有重要意義。王永紅等運用信心指數法和層次分析法對渤海灣海底隧道運營期風險進行評價[6]，劉沐宇等運用熵權法計算得到模糊綜合評價各風險指標的權重[7]，郭鵬等提出了項目風險模糊灰色綜合評價方法，利用灰色聚類理論構造項目風險模糊隸屬度矩陣來綜合評價風險[8]，Tunmala提出了風險管理系統的4個階段，即風險識別、風險度量、風險評價和風險控制[9]。本文通過專家調查和文獻分析等方法構建地下綜合管廊項目運營風險評價指標體系，運用AHP法和熵權法組合計算風險指標權重，采用灰色聚類法對其運營風險進行評價分析，為地下綜合管廊項目運營風險控制提供一定的參考依據。

1 風險評價指標體系的構建

地下綜合管廊項目運營周期長、資金回收慢、參與方多、環境復雜、風險因素眾多，因此選取恰當的評價指標對最終風險評價結果的可靠性和準確性具有重要意義。本文通過邀請專家進行訪談調查，閱讀大量文獻，并借鑒城市軌道交通項目運營風險因素的識別，從系統論的角度出發，將地下綜合管廊項目運營風險因素分為：人員組織風險、設備設施風險、環境風險和管理風險四個方面，在此基礎上構建風險評價指標體系，如表1所示。

2 風險指標權重的確定

風險指標權重的計算方法有很多，主要分成兩類：第一類方法對權重的確定取決于專家自身的經驗、知識結構和價值觀，這類方法較成熟，但對專家的主觀判斷依賴性較強，客觀性較差，易造成評價結果的不穩定，如 AHP 法、專家打分法等；第二類方法是對實際發生的信息進行綜合、計算和分析后得到權重，主觀色彩小，確定權重精度較高，但該方法相對主觀賦權法而言形成較晚且不是很完善，如離散系數法、標準離差法、熵權法等。為更準確地確定指標權重，本文采用主客觀相結合的方法確定地下綜合管廊項目運營風險評價體系的指標權重。

2.1 層次分析法確定主觀權重

層次分析法（AHP）是20世紀70年代由美國薩迪（T.L.Saaty）教授提出的一種對多個指標和方案進行層次化、結構化的決策分析方法，是一種定性與定量結合的分析方法，能對人的主觀感覺、經驗進行客觀描述，對非定量的事情做出定量分析。

根據表1所示風險評價指標體系，邀請10位專家對地下綜合管廊項目運營風險因素各層次指標進行兩兩重要性比較，以上一層次的某個元素為準則，采用1-9標度法表示隸屬于它的下一層次各元素之間的相對重要程度，建立比較判斷矩陣。以目標層U—準則層Ui為例，專家打分得判斷矩陣，對其進行歸一化處理，得一級指標權重向量W1=（0.0944，0.4564，0.1460，0.3032），計算最大特征值λ=4.0817，對其進行一致性檢驗得：CI=0.0272，RI=0.9，CR=0.0302？燮0.1，符合一致性檢驗要求。同理可得準則層下各指標的權重向量：W11=（0.2812，0.0669，0.5149，0.1379），W21=（0.3296，0.0521，0.0744，0.1235，0.2137，0.1712， 0.0355），W31=（0.3207，0.4504，0.1420，0.0869），W41=（0.1473，0.0792，0.2848，0.4887）。

2.2 熵權法確定客觀權重

熵的概念源于熱力學，主要反映系統的不確定性和無序程度。1948年Shannon將其引入信息論，信息熵是信息源信號不確定性的度量，如果指標信息熵越小，則其指標權重就越大。熵權法即是運用信息熵的理論評價各指標的有序性，確定各評價指標的權重。

邀請上述10位專家對各層次指標進行風險等級打分，將風險等級分為低、較低、中等、較高、高，分別對應風險值為1，2，3，4，5。根據專家打分構建原始數據矩陣A=（aij）m×n，其中m表示指標個數，n表示評價對象個數，i=1，2，3，…，m，j=1，2，3，…，n，aij表示第i個指標下第j個評價對象對應的評價值。以一級指標U1為例，原始數據為，根據公式對其進行歸一化處理，得矩陣X=（xij）m×n，由公式（式中：k=1/ln（n），當xij=0時，記xijln（xij）=0）和計算各指標的熵值及熵權值，得一級指標U1下各二級指標的熵權值向量為W12=（0.2510，0.2902，0.1725，0.2863）。同理可計算其他二級指標及一級指標的熵權值，如下：W22=（0.0797，0.0941，

0.2277，0.2277，0.0816，0.1153，0.1739），W32=（0.1645，

0.1126，0.3535，0.3694），W42=（0.2270，0.3926，0.1963，

0.1841），W2=（0.3662，0.0988，0.2716，0.2634）。

2.3最小相對信息熵確定組合權重

綜合主觀權重Wi1和客觀權重Wi2可得組合權重Wi，Wi應與Wi1和Wi2盡可能接近。根據最小信息熵原理，用拉格朗日乘子法優化所得組合權重計算式（式中：i=1，2，3，…，m）計算一級指標層各指標權重，得組合權重向量：W=（0.2114，0.2411，0.2263，0.3212），同理可得二級指標層各指標組合權重向量：W1=（0.2948，0.1546，0.3308，0.2198），W2=（0.1839，0.0795，0.1477，0.1903，0.1499，0.1595，

0.0892），W3=（0.2677，0.2624，0.2611，0.2088），W4=（0.2042，0.1969，0.2640，0.3349），綜合各層次指標權重結果如表2所示。

根據表2可知，準則層下管理風險重要性最大，權重為0.3212，而設備設施風險、環境風險、人員組織風險權重分別為：0.2411、0.2263、0.2114，重要性相對偏小，因此應重點關注地下綜合管廊管理方面的問題；指標層中應急能力、組織協調性及工作人員素質水平三個指標權重相對較高，應相對重視，用戶認可度、土建設施及供電系統權重排序最靠后，說明其重要性相對較低。

3 基于灰色聚類的風險評價

灰色系統即信息不確定或不完全明確的系統，具有貧信息、少數據和不具典型分布的特點。灰色系統理論由我國學者鄧聚龍教授創立，主要研究不確定性系統，即通過對已知信息的研究，得出已知信息的規律，進而模擬出整個系統的規律，實現對整個系統的描述和監督。

灰色聚類是灰色系統理論中的一個重要理論，是對所評價的對象進行分類的一種方法，可以分為灰色定權聚類和灰色變權聚類。當選擇的評價指標在數值、量綱和意義上的差別較大時，應選擇灰色定權聚類方法。根據地下綜合管廊運營風險的特點、復雜程度及評價指標情況，本文選用較適合的灰色定權聚類方法來進行研究。

3.1 聚類評價矩陣

根據風險管理中對風險度的常規劃分方式，結合專家意見，本文將風險指標的評價等級劃分為高、較高、中等、較低、低五類，分別對其賦值{5，4，3，2，1}。邀請數位專家同時對風險指標進行風險等級打分，得到評價矩陣如下：

其中：rijk——第k個專家對指標rij的打分；

m——一級指標的數量；

n——一級指標下的二級指標的數量；

p——專家人數。

3.2 評價灰類及白化權函數

灰類指評價指標被劃分等級的不同種類，根據前文所確定的風險因素評價等級，確定對應的5個評價灰類，序號為e，則e=1，2，3，4，5，分別代表風險低、較低、中等、較高、高五個等級。各灰數及評價灰類的白化權函數分別如下：

①第一灰類低風險（e=1），灰數？塥1∈[0，1，2]，對應白化權函數為：

（1）

②第二灰類較低風險（e=2），？塥2∈[0，2，4]，對應白化權函數為：（2）

③第三灰類中等風險（e=3），？塥3[0，3，6]，對應白化權函數為：（3）

④第四灰類較高風險（e=4），？塥4[0，4，8]，對應白化權函數為：（4）

⑤第五灰類高風險（e=5），？塥5[0，5，10]，對應白化權函數為：（5）

3.3 建立灰色評價權矩陣

將專家賦值帶入各白化權函數計算得各評價灰類的灰色評價數，總灰色評價數；評價指標Uij屬于第e個灰類的灰色評價權記為cije，，指標Uij屬于各灰類的灰色評價權向量為cij=（cij1，cij2，，cij3，cij4，cij5），則指標層Ui下各指標對各評價灰類的灰色評價權矩陣為：

3.4 綜合評價分析

首先，對準則層Ui做綜合評價，結果記為Di，則有Di=Wi×Ci；進而得到目標層U所含準則層Ui對于各評價灰類的灰色評價權矩陣D=（D1，D2，D3，…，Dm）；其次對目標層U做綜合評價，評價結果記為F，則有F=W×D；最后根據風險等級值向量λ=（1，2，3，4，5），計算準則層各指標風險評價值：Mi=Di×λT，計算目標層指標風險評價值：Z=F×λT，得地下綜合管廊項目運營風險綜合評價結果，根據計算結果確定風險等級。

4 實例分析

青島高新區某地下綜合管廊項目位于濱海大道至鳳凰山路段，項目投資估算總值約1.76億元，管廊總長約1.63km，為支線雙艙管廊。管廊內包含給水、電力、熱力、通訊、再生水等5類管線，其中通訊管線包含廣電、移動、電信、聯通等4類管線，附屬系統主要有通風系統、監控與報警系統、消防系統、標識系統、供電與照明系統、排水系統等。

采用灰色聚類法對該項目運營風險進行評價分析。邀請10位專家對該項目運營期風險指標進行等級打分，得到評價矩陣：

根據評價灰類及白化權函數公式（1）-（5），計算評價指標U11屬于各評價灰類的灰色評價數，結果如下：

則指標U11的總灰色評價數，根據公式計算指標U11屬于各評價灰類的灰色評價權，得向量c11=（0，0.2322，0.2252，0.3061，0.2365），同理可計算指標U12，U13，U14的灰色評價權向量，從而得指標U1下各指標U1j對所有評價灰類的灰色評價權矩陣為：

同理可計算指標U2，U3，U4下各指標對所有評價灰類的灰色評價權矩陣分別如下：

根據公式Di=Wi×Ci對指標U1做綜合評價，評價過程如下：

同理可得對指標U2，U3，U4的評價結果：D2=W2×C2=（0.0163，0.1774，0.3204，0.2659，0.2200），D3=W3×C3=（0.0261，0.2140，0.2969，0.2572，0.2057），D4=W4×C4=（0.0152，0.1940，0.2985，0.2707，0.2216），進而得到目標層U下各準則層指標Ui對所有評價灰類的灰色評價權矩陣：

根據公式F=W×D對目標層U做綜合評價，評價結果為：

最后依據公式Mi=Di×λT，風險等級值向量λ=（1，2，3，4，5），計算各準則層指標風險評價值，得M1=3.4930，M2=3.4957，M3=3.4024，M4=3.4896，則風險值排序為M3

由上述計算結果可知，該項目風險指標體系準則層下各指標風險等級均為中等，風險大小依次為設備設施風險、人員組織風險、管理風險、環境風險，四者風險值都較接近，沒有特別大的差異，但還是應加強設備設施風險、人員組織風險、管理風險方面的防范工作，環境風險雖然風險值相對較低，但也屬于中等風險，同樣應予以重視。該項目運營期綜合風險等級為中等，雖不屬于高風險范疇，但風險等級也不低，在其運營期間應做好各方面的風險預防工作，加強風險防范意識。

5 結論

本文依據專家訪談、文獻參考等方法構建了地下綜合管廊項目運營風險評價指標體系；采用層次分析法和熵權法組合計算得到了各層次指標風險權重的大小，從而確定了其重要性排序；運用灰色聚類法對風險指標進行評價分析，以青島高新區某地下綜合管廊項目為例，得到其風險等級為中等，由此驗證了該方法的可行性，為地下綜合管廊項目運營風險方面的研究提供了一定的參考。但本文在研究上尚存在風險評價指標不夠完善、運用的方法相對簡單、專家調查人數偏少等方面的不足，在今后的研究中可以進一步改善，以取得更好的研究成果。

參考文獻：

[1]Canto Perello，Curiel Esparza，Calvo. Analysing utility tunnels and highway networks coordination dilemma[J]. Tunneling and Underground Space Technology，2009，24（2）： 185-189.

[2]譚忠盛，陳雪瑩，王秀英，黃明利. 城市地下綜合管廊建設管理模式及關鍵技術[J]. 隧道建設. 2016，36（10）： 1177-1188.

[3]何瑤，劉應明，張華.深州市共同溝建設和運營與管理問題研究[J].給水排水，2012，38（4）： 108-113.

[4]張宏. 特定區域綜合管廊的市場化運營管理模式——以蘇南某開發區綜合管廊項目為例[J]. 建筑設計與規劃，94-96.

[5]韋海民，劉武巖. 城市綜合管廊施工過程中的風險識別過濾研究[J]. 建筑技術. 2017，48（9）： 927-930.

[6]王永紅，劉兵，張永剛. 渤海灣海底隧道運營風險評估分析[J]. 中國工程科學，2013，15（12）： 107-112.

[7]劉沐宇，李海洋，田偉. 基于熵權模糊綜合評價的橋梁汽車燃燒風險分析[J].土木工程與管理學報. 2014，31（2）： 51-61.

[8]郭鵬，施品貴.項目風險模糊灰色綜合評價方法研究[J].西安理工大學學報. 2005，21（1）.

[9]VM Rao，Tunmala. APPlying a Risk Management process （RMP） to Manage cost risk of EHV transmission line Project. l999，4： 223-235.