基于信息熵組合賦權-可拓模型的綜合管廊項目運維風險評價

陸 婷，姜安民,2，董彥辰,2，熊奇偉，劉 霽,4

(1.湖南城建職業技術學院, 湖南 湘潭 411100;2.中南林業科技大學 土木工程學院, 湖南 長沙 410004;3.湖南大學 土木工程學院, 湖南 長沙 410082;4.中南大學 資源與安全工程學院, 湖南 長沙 410083)

地下綜合管廊又名“共同溝”，即可以將給排水、電力、燃氣、通信等管網收納在一個共同空間[1-3]，具體示意圖見圖1[4]。地下綜合管廊便于統一管理、發現問題易于維修，同時節約土地資源，優勢明顯[5-6]。目前，我國已有多個城市的地下綜合管廊在建或投入運營。安全問題在綜合管廊運行維護過程中至關重要，學者們對此做出了一些相關研究。如：李芊等[7]基于DEMATEL法對綜合管廊運行維護管理風險因素進行研究，對識別出的22個風險因素的重要程度進行排序，找出了綜合管廊運行維護過程中的關鍵風險因素；陳麗[8]對綜合管廊運營階段風險進行識別，并運用層次分析法對各風險指標相對重要性進行量化評估；和曉丹[9]建立城市綜合管廊PPP項目運營管理評價指標體系，運用層次分析法對各要素重要程度進行排序，并對綜合管廊PPP項目運營收費模式及信息化智能運行維護管理技術做了深入探討；陳雍君等[10]基于貝葉斯網絡構建了綜合管廊災害風險評估模型，對災害風險進行評級；劉玉梅等[11]基于灰色聚類法構建評價模型，對地下綜合管廊項目運營風險進行評價。同時，文獻[12-14]也從不同角度對地下綜合管廊運行維護做出相關研究，涉及到了綜合管廊可視化運營與管理信息平臺的建設、不同地區綜合管廊運行維護對比、及綜合管廊運行維護災害等一系列問題。

圖1 綜合管廊斷面形式

對前人研究進行總結、梳理。借鑒前人研究的寶貴成果，分析研究中存在的一些不足。如：對綜合管廊融資、設計及施工方面的研究相對較多，著重針對綜合管廊運行維護風險的研究相對較少；針對綜合管廊運行維護風險的研究過程中，偏于定性分析，缺少可靠的運行維護風險綜合評價方法；對風險重要性進行排序的過程中，多采用層次分析法等主觀賦權方法，難以充分考慮風險評價指標所包含信息，具有一定局限性。本文對前人研究成果進行梳理，建立地下綜合管廊項目運行維護風險評價指標體系；在評價指標重要性判斷過程中，采用信息熵權重對主觀權重進行修正，彌補了單一賦權的缺陷；基于該權重與可拓理論構建地下綜合管廊項目運行維護風險評價模型，并對某市地下綜合管廊項目進行多級綜合評價，對運行維護風險進行評級。通過實例驗證了該方法的可靠性及應用價值。

1 地下綜合管廊項目運行維護風險評價指標體系

地下綜合管廊項目運行維護風險較多，較為復雜，采用不同的風險劃分方式所建立的風險評價指標體系也存在一定差異。本研究通過專家調查，并參考相關文獻[7，9-11]，結合評價需要，建立地下綜合管廊項目運行維護風險評價指標體系。本評價指標體系將指標劃分為管理、管廊本體及設備設施、環境因素等3大方面，擇優選取了14項二級評價指標，詳見表1。

表1 地下綜合管廊項目運行維護風險評價指標體系

2 基于信息熵組合賦權與可拓理論的地下綜合管廊運行維護風險評價模型

2.1 信息熵組合賦權

(1) 層次分析法。層次分析法[15]簡稱AHP(Analytic Hierarchy Process，AHP)，是20世紀70年代由美國學者T.L.Saaty提出的一種多目標綜合評價方法。運用層次分析法求解權重應用較為廣泛，是一種可靠性較高的主觀賦權方法，具體操作流程如下：

① 建立層次結構模型。基于表1評價指標體系，本文建立結構模型包括三個層次(目標層、一級評價指標、二級評價指標)。

② 構造判斷矩陣。將各指標進行比較，比較后量化值選取1～9及其倒數，建立判斷矩陣A：

(1)

③ 計算指標權重。本文選取特征向量法計算指標權重，具體操作如下：

Aω=λmaxω

(2)

式中：A的最大特征根為λmax，其對應的特征向量(歸一化處理后)即為權重向量ω。

④ 進行一致性檢驗。首先，計算CI一致性指標：

(3)

其次，查找隨機一致性指標RI，見表2。

表2 平均隨機一致性指標

最后，計算一致性比率CR：

(4)

當比值小于0.1時，一致性檢驗通過，否則進行修正。

(2) 熵權法。熵權法[16]是應用較為廣泛的客觀賦權方法，通過建立原始數據評價矩陣計算出各指標權重。與主觀賦權法相比較，熵權法客觀性強，精度較高，熵權法計算權重的具體流程如下：

① 建立原始數據評價矩陣K。矩陣K表達式為：

(5)

式中：kij表示指標初始評價值。

② 歸一化評價矩陣得到標準矩陣P。標準矩陣P的表達式為：

(6)

③ 計算信息熵ej。信息熵ej表達式為：

(7)

④ 計算熵權βj。熵權βj表達式為：

(8)

式中：βj表示第j項指標的熵權。

(3) 信息熵組合賦權。為反映主客觀權重優勢，采用熵權對主觀權重進行修正，獲得組合權重，本文采用最小熵原理對主客觀權重進行組合，具體操作如下[17]：

(9)

式中：ωi為評價指標主觀權重；βi為評價指標客觀權重；zi為評價指標組合權重；n為系統指標個數。

運用拉格朗日乘子方法求解組合權重，求得zi如下：

(10)

2.2 基于信息熵組合賦權與可拓理論的風險評價模型

基于信息熵組合賦權與可拓理論，構建地下綜合管廊項目運行維護風險評價模型，見圖2。

圖2 地下綜合管廊項目運行維護風險評價模型

(1) 設定風險等級域U和風險特征指標集C表達式為：

U=(u1,u2,……,un)，C=(c1,c2,……,cn)

(11)

(2) 確定風險各等級的經典域Roj和節域Rp表達式為：

(12)

式中：Noj為劃分的j個風險等級；ci為風險等級uj的特征；xoji為uj關于特征ci所規定取值范圍。

(13)

(3) 確定待評風險物元模型R表達式為：

(14)

(4) 確定評價指標權重Z。運用層次分析法計算評價指標主觀權重ωi,熵權法計算客觀權重βi，基于式(9)、式(10)計算組合權重zi。

(5) 確定各評價指標與各風險等級的關聯度Kj(xi)表達式為：

(15)

(16)

(17)

|xoji|=|aoji-boji|

(18)

式中：kj(xi)為第i個評價指標屬于第j個評價等級的關聯度；ρ(xi,xoji)為點xi與區間xoji的距；ρ(xi,xpi)為點xi與區間xpi的距。

(6) 風險綜合評價。首先計算綜合關聯度Kj(N)：

(19)

式中：αi為第i個評價指標Xi的權重系數。

其次，進行綜合評價：

B=Z·K

(20)

式中：B為U的關聯度集；Z為各級指標權重值；K為關聯值矩陣。

3 工程算例

A市地下綜合管廊項目，位于解放大路(朝陽街至和平路段)，全程長2.35 km，兩艙。包括給水、電力、通訊、燃氣等，除污水雨水管外均已入廊。對該項目運行維護風險進行評價研究，結合評價結果采取相應措施，具體評價過程如下：

(1) 設定風險等級域U和風險特征指標集C表示為：

U=(u1,u2,u3,u4,u5)=(低，較低，中等，較高，高)

C=(c1,c2)=(發生概率，損失程度)

參考相關文獻，對c1、c2進行賦值，詳見表3。

(2) 確定風險各等級的經典域Roj和節域Rp。根據表2，確定各級經典域、節域如下：

各等級的經典域物元如下：

(3) 確定待評風險物元模型R。邀請對本項目較為熟悉的工程技術人員、行業專家10人，對各二級風險的發生概率c1及損失程度c2進行打分(打分取0～10)，具體見表4。

表4 風險發生概率及損失程度打分表

基于表3，整理待評物元如下：

(4) 確定評價指標權重Z。征求上述10位專家意見(結合專家意見，第一輪確定評價指標相對重要性，第二輪確定評價指標相對重要程度，如出現不一致現象則及時進行調整)，根據各評價指標相對重要程度，建立成對比較矩陣，見表5—表8。

表5 X—Xi判斷矩陣

表6 X1—X1i判斷矩陣

表7 X2—X2i判斷矩陣

表8 X3—X3i判斷矩陣

運用前式，計算主觀權重ωi、客觀權重βi及組合權重zi，見表9。

表9 主、客觀權重及組合權重表

(5) 計算各評價指標與風險等級關聯度。評價指標與風險等級關聯度可表示為：

① 確定風險因素特征權重值。聽取專家意見，取風險特征權重αc1=0.4，αc2=0.6。

② 綜合關聯度計算。基于式(15)—式(19)，計算各二級評價指標風險綜合關聯度，見表10。

表10 評價指標風險綜合關聯度

(6) 多級可拓綜合評價。多級可拓綜合評價為：

① 一級可拓綜合評價。基于式(20)，表9、表10內容進行一級可拓綜合評價，具體如下：

B1=Z1·K1=(-0.5267，-0.3297，-0.2984，-0.2144，-0.2881)

B2=Z2·K2=(-0.5307，-0.2133，-0.3929，-0.1677，-0.2708)

B3=Z3·K3=(-0.5355，-0.3208，-0.4569，-0.2796，-0.2004)

② 二級可拓綜合評價?；患壙赏鼐C合評價結果，進行二級可拓綜合評價，具體如下：

B=Z·K=(-0.5305，-0.2900，-0.3746，-0.2185，-0.2570)

(7) 結果分析。根據最大隸屬度原則可知，一級評價指標管理風險X1、管廊本體及設備設施風險X2、環境因素風險X3分別隸屬于u4級、u4級、u5級，即：風險分別為較高、較高、高；項目總體運營風險為u4級，即：風險較高。

4 結論與建議

(1) 地下綜合管廊項目運行維護過程中存在的風險因素較多、較為復雜，除考慮管廊本體及入廊設備設施風險外，還要考慮環境及管理等方面的潛在風險。對主要風險進行識別，構建數學模型對風險進行準確的評價，根據風險所處安全等級有針對性的采取應對措施，可以大大降低風險發生概率，減少風險帶來的損失。

(2) 本文運用層次分析法對各風險評價指標相對重要性做初始判斷，進行量化處理，獲得指標主觀權重值。運用信息熵權重對主觀權重值進行修正，獲得最終權重?；谛畔㈧氐慕M合賦權兼顧了主、客觀賦權的優勢，充分考慮了專家經驗及評價指標所包含信息，提高了評價結果的準確性。

(3) 基于信息熵組合賦權與可拓理論構建地下綜合管廊項目運行維護風險評價模型，運用該模型對A市地下綜合管廊項目運行維護風險進行實例研究，得出一級評價指標管理風險、管廊本體及設備設施風險、環境因素風險狀態分別為較高、較高、高，項目總體運營風險較高的結論。該項目運行維護風險較高，建議建立完善的管廊管理規章制度，加強管理人員組織協調及應急能力，對管廊本體、設備設施及環境中存在的風險制定相應措施加以應對。