基于DEMATEL-TOPSIS法的綜合管廊施工風(fēng)險(xiǎn)決策研究

周盛世，張 寧，張曉娟，劉青云，李 夢(mèng)

(青島理工大學(xué) 管理工程學(xué)院，青島 266525)

近年來(lái)，隨著城市系統(tǒng)的不斷發(fā)展更新，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也迎來(lái)了新的變革.為簡(jiǎn)化城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)，同時(shí)方便維護(hù)及檢修工作，綜合管廊建設(shè)成為城市管理者的關(guān)注重點(diǎn).相關(guān)政策和法律規(guī)范陸續(xù)的推出，新興科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用更加有效地助力了城市綜合管廊的建設(shè).

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)綜合管廊風(fēng)險(xiǎn)有著諸多研究，朱蘭俊丹[1]以綜合管廊發(fā)展現(xiàn)狀為背景，識(shí)別分析施工中特有風(fēng)險(xiǎn)并建立風(fēng)險(xiǎn)機(jī)制.劉玄[2]、段泳仲[3]等結(jié)合PPP模式，從管廊建設(shè)全過(guò)程出發(fā)分析風(fēng)險(xiǎn)影響并提出相應(yīng)規(guī)避措施.趙玉茁[4]、商冬凡[5]等分別針對(duì)綜合管廊施工安全現(xiàn)狀、風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)別進(jìn)行全面分析，同時(shí)提出評(píng)價(jià)工作的重點(diǎn)所在.李芊等[6]圍繞管廊建設(shè)的前期、施工、運(yùn)營(yíng)3個(gè)階段的風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行識(shí)別分析，為現(xiàn)階段綜合管廊風(fēng)險(xiǎn)研究提供一定補(bǔ)充.文獻(xiàn)[7-9]分別從不同角度對(duì)綜合管廊施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，利用灰色關(guān)聯(lián)等定量模型對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算和科學(xué)評(píng)估，并針對(duì)性提出風(fēng)險(xiǎn)管控建議.

通過(guò)文獻(xiàn)研究和實(shí)際調(diào)查分析，選取應(yīng)用較為普遍的綜合管廊施工方法為研究對(duì)象，構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，采用DEMATEL方法量化指標(biāo)權(quán)重，以指標(biāo)間關(guān)聯(lián)程度確定其重要性，避免非客觀(guān)因素的干擾.利用模糊TOPSIS法對(duì)不同施工方法下的綜合管廊施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，能夠有效獲取精確結(jié)果，為最優(yōu)施工方案選擇提供一定幫助.

1 不同施工方法下的綜合管廊施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系

1.1 綜合管廊的施工方法概述

城市綜合管廊不僅能夠滿(mǎn)足民生的基本需求，還能提升城市綜合承載能力.就實(shí)際的施工狀況而言，目前綜合管廊常見(jiàn)的施工方法主要包括盾構(gòu)法、頂管法、明挖現(xiàn)澆法、明挖預(yù)制拼裝法、淺埋暗挖法5種，詳見(jiàn)表1.

表1 5種綜合管廊施工方法匯總

通過(guò)文獻(xiàn)研究對(duì)比和實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，盾構(gòu)法、頂管法、明挖現(xiàn)澆法3種綜合管廊施工方法運(yùn)用較為普遍.朱邦范[10]、方興杰[11]等對(duì)盾構(gòu)法施工在綜合管廊中的應(yīng)用進(jìn)行了研究；劉金鵬[12]、施旭升[13]等對(duì)頂管法施工在綜合管廊中的應(yīng)用進(jìn)行了諸多理論研究；劉海歌[14]、危艷[15]等在綜合管廊使用明挖現(xiàn)澆方面有著一定見(jiàn)解.本文利用知網(wǎng)選取近10年收錄的對(duì)綜合管廊3種施工方法進(jìn)行理論和應(yīng)用研究的約300篇文獻(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并采用SPSS2.0軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)匯總，繪制理論研究與實(shí)踐應(yīng)用柱狀分布圖，如圖1所示.

1.2 構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系

綜合管廊施工面臨著諸多潛在風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)直接或間接對(duì)城市整體管廊系統(tǒng)造成一定影響.通過(guò)對(duì)綜合管廊建設(shè)相關(guān)文獻(xiàn)研究和施工調(diào)查分析，不管是盾構(gòu)法、頂管法還是明挖現(xiàn)澆法，其共同的影響因素主要為安全風(fēng)險(xiǎn)、成本風(fēng)險(xiǎn)、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)、工期風(fēng)險(xiǎn)、地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn).本文從這7個(gè)角度建立綜合管廊施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，見(jiàn)表2.

表2 綜合管廊施工風(fēng)險(xiǎn)因素指標(biāo)體系

1.3 DEMATEL法確定指標(biāo)權(quán)重

由于指標(biāo)權(quán)重的確定決定評(píng)價(jià)結(jié)果的精確性和可靠性，同時(shí)為了避免主觀(guān)因素的影響以及數(shù)據(jù)信息的丟失，采用德?tīng)柗品ㄅcDEMATEL相結(jié)合的方法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行量化處理.通過(guò)利用DEMATEL方法計(jì)算各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)因素的中心度值，以中心度值為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，即得到各指標(biāo)因素權(quán)重.具體步驟如下.

1.3.1 構(gòu)建直接影響矩陣ψ

選取研究項(xiàng)目相關(guān)的專(zhuān)家與學(xué)者對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)因素之間的影響關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以0—1模式確定風(fēng)險(xiǎn)因素之間的影響關(guān)系，通過(guò)專(zhuān)家打分確定其直接影響或間接影響關(guān)聯(lián)，即分值為0，則兩者之間無(wú)直接影響；若分值為1，則表明兩者之間相互影響，直接關(guān)聯(lián).

(1)

1.3.2 規(guī)范化矩陣β

利用和最大熵的方法對(duì)直接影響矩陣ψ進(jìn)行規(guī)范化處理，將人為因素致使偏差降到最低.

(2)

式中:βij∈[0,1].

1.3.3 建立綜合影響矩陣Λ

綜合影響矩陣由規(guī)范化后的β矩陣進(jìn)行累加得到，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，采用極限逆矩陣的方式計(jì)算綜合影響矩陣.

Λ=β·(Ε-β)-1

(3)

式中：Ε表示維度相同單位矩陣.

1.3.4 計(jì)算權(quán)重γ

在獲得綜合影響矩陣Λ后，以矩陣中的行或列為單位計(jì)算其行的和以及列的和，所得行和為指標(biāo)因素的影響度R，列和為指標(biāo)因素的被影響度P，中心度Θ為各指標(biāo)因素的行和與列和的匯總.權(quán)重γ的確定，以中心度為基礎(chǔ)對(duì)其作歸一化處理獲得最終賦權(quán)結(jié)果.

影響度：

(4)

被影響度：

(5)

中心度：

(6)

權(quán)重：

(7)

2 模糊TOPSIS法的綜合管廊不同施工方案風(fēng)險(xiǎn)分析

不同施工方法對(duì)綜合管廊產(chǎn)生的潛在隱患的側(cè)重點(diǎn)有所不同，在評(píng)估施工方案時(shí)，需要深入研究該方法產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)影響，科學(xué)分析過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)并擇優(yōu)決策.模糊TOPSIS法是一種逼近理想點(diǎn)的擇優(yōu)方法，能夠?qū)⒚恳环N方案或風(fēng)險(xiǎn)根據(jù)距離標(biāo)準(zhǔn)的理想點(diǎn)進(jìn)行排序，從而達(dá)到最優(yōu)決策的目的.

2.1 建立模糊評(píng)價(jià)集

以風(fēng)險(xiǎn)因素指標(biāo)體系為基礎(chǔ)，建立模糊評(píng)價(jià)集合.確定因素集W={w1,w2,w3,w4,w5,w6,w7}={安全風(fēng)險(xiǎn)，成本風(fēng)險(xiǎn)，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)，質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，工期風(fēng)險(xiǎn)，地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)}.根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的影響程度，設(shè)其評(píng)判指標(biāo)等級(jí)分為影響程度很大、大、較大、一般、較小、小、很小，轉(zhuǎn)化為模糊語(yǔ)言即影響程度集合為S={s1,s2,s3,s4,s5,s6,s7}={影響很大，影響大，影響較大，影響一般，影響較小，影響小，影響很小}.

2.2 計(jì)算加權(quán)規(guī)范化模糊矩陣

選取綜合管廊施工相關(guān)的實(shí)際實(shí)施者與研究工作者分別對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行影響度評(píng)分，主要包括技術(shù)人員、施工人員、管理人員、高校研究員和學(xué)者等7位專(zhuān)家，分別整理分析各施工方法評(píng)價(jià)結(jié)果，并構(gòu)建矩陣.

1) 根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果構(gòu)建初始模糊矩陣A：

(8)

式中：aij為第i個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo).

2) 采用向量變化法對(duì)初始矩陣進(jìn)行規(guī)范化處理，得到矩陣B：

(9)

3) 根據(jù)各指標(biāo)因素權(quán)重與規(guī)范化矩陣B，構(gòu)建加權(quán)模糊矩陣Q.由式(7)得權(quán)重矩陣γ=(γ1,γ2,…,γn)Τ，則Q=γ×B，即

(10)

2.3 計(jì)算指標(biāo)因素到理想點(diǎn)的距離及貼近度

1) 確定指標(biāo)因素的正負(fù)理想解.

設(shè)正理想解為

(11)

負(fù)理想解為

(12)

2) 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)因素到正負(fù)理想點(diǎn)的距離分別為

(13)

(14)

3) 各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)因素與正負(fù)理想目標(biāo)因素的貼近度為

(15)

根據(jù)貼近度λ的計(jì)算結(jié)果大小對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行排序，通過(guò)各風(fēng)險(xiǎn)因素的排序情況分別分析不同施工方法下所面臨的風(fēng)險(xiǎn)影響程度，綜合評(píng)估，為綜合管廊施工方案擇優(yōu)決策提供借鑒.

3 實(shí)例分析

本文選取青島西海岸新區(qū)貢北路地下綜合管廊項(xiàng)目為研究對(duì)象，對(duì)綜合管廊施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，選取最優(yōu)施工方法.項(xiàng)目位于青島市西海岸新區(qū)董家口經(jīng)濟(jì)區(qū)貢北路，主要是平行道路中心線(xiàn)敷設(shè)，位于道路紅線(xiàn)外北側(cè)20 m綠化帶內(nèi).干支線(xiàn)主管廊全長(zhǎng)12.8 km，支線(xiàn)管廊長(zhǎng)395 m.規(guī)劃入廊管線(xiàn)有給水、再生水、污水、熱力、天然氣、110 kV電力、10 kV電力、通信等8種管線(xiàn).以盾構(gòu)法、頂管法、明挖現(xiàn)澆法3種施工方法為選擇方案，通過(guò)評(píng)估分析進(jìn)行最優(yōu)決策.

圖2 綜合管廊施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系

3.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)表2和貢北路綜合管廊實(shí)際施工情況，以安全、成本、技術(shù)、環(huán)保、質(zhì)量、工期、地質(zhì)為風(fēng)險(xiǎn)源，建立綜合管廊施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，如圖2所示.

3.2 確定指標(biāo)權(quán)重

3.2.1 構(gòu)造直接影響矩陣和規(guī)范化矩陣

選取綜合管廊施工相關(guān)的建設(shè)方、施工方以及專(zhuān)家、高校研究者共20人對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行評(píng)分，采用0—1的標(biāo)度進(jìn)行因素之間的關(guān)聯(lián)度劃分，0為無(wú)影響，1為有影響.對(duì)所有專(zhuān)家組成員的打分結(jié)果進(jìn)行處理歸納(見(jiàn)表3)，得到各因素之間直接影響程度，構(gòu)造直接影響矩陣.

表3 綜合管廊施工風(fēng)險(xiǎn)直接影響評(píng)分

由表3數(shù)據(jù)通過(guò)式(1)可得直接影響矩陣ψ，由式(2)得到規(guī)范化矩陣β，即

3.2.2 計(jì)算中心度

通過(guò)計(jì)算得到的規(guī)范化矩陣，利用式(3)進(jìn)行矩陣可逆運(yùn)算，合成綜合影響矩陣Λ，即

表4 綜合管廊風(fēng)險(xiǎn)因素直接影響匯總

利用式(4)—(6)計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)因素之間的影響度、被影響度和中心度值，如表4所示.

3.2.3 確定指標(biāo)權(quán)重

由表4中中心度數(shù)據(jù)通過(guò)式(7)計(jì)算各指標(biāo)因素權(quán)重，可得

γ=(0.134,0.204,0.162,0.095,0.173,0.139,0.092)Τ

3.3 基于模糊TOPSIS法的綜合管廊不同施工方案風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

根據(jù)實(shí)際工程施工要求，選取與綜合管廊施工相關(guān)的技術(shù)人員、施工人員、管理人員、高校研究員和學(xué)者共5位評(píng)分專(zhuān)家，對(duì)每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)因素打分后，匯總統(tǒng)計(jì)并進(jìn)行規(guī)范化處理，見(jiàn)表5.

表5 專(zhuān)家評(píng)分匯總

對(duì)表5中專(zhuān)家匯總數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并構(gòu)建初始模糊矩陣，通過(guò)式(9)對(duì)初始模糊矩陣進(jìn)行規(guī)范化處理，為統(tǒng)一量化標(biāo)準(zhǔn)，盾構(gòu)法、頂管法、明挖現(xiàn)澆法采用相同指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因素的賦權(quán)，即

γ=(0.134,0.204,0.162,0.095,0.173,0.139,0.092)Τ

根據(jù)式(10)計(jì)算得到盾構(gòu)法、頂管法、明挖現(xiàn)澆法3種施工方法的加權(quán)模糊矩陣，即

通過(guò)式(11)、式(12)分別計(jì)算各指標(biāo)因素的正負(fù)理想解，同時(shí)利用式(13)—(15)計(jì)算各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)因素到理想點(diǎn)的距離和貼近度，見(jiàn)表6.

表6 不同施工方法風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)正負(fù)理想解和貼近度

4 結(jié)論

1) 通過(guò)采用DEMATEL方法確定風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重，解決了人為因素的臆斷和主觀(guān)偏差造成數(shù)據(jù)信息的遺漏或丟失，保證風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及方案決策結(jié)果的全面準(zhǔn)確.

2) 結(jié)合模糊TOPSIS法，對(duì)綜合管廊不同施工方案的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，計(jì)算指標(biāo)貼近度值并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)影響程度排列，確定施工方案優(yōu)劣.

3) 從評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，目前影響管廊施工的主要隱患為地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，就總體風(fēng)險(xiǎn)影響而言，明挖現(xiàn)澆法是最優(yōu)施工方案，同時(shí)對(duì)于盾構(gòu)法和頂管法，技術(shù)和勘測(cè)方面需加強(qiáng)改善力度.