基于信息熵組合賦權(quán)-可拓模型的綜合管廊項(xiàng)目運(yùn)維風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

陸 婷，姜安民,2，董彥辰,2，熊奇?zhèn)ィ瑒?霽,4

(1.湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 湖南 湘潭 411100;2.中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410004;3.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410082;4.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

地下綜合管廊又名“共同溝”，即可以將給排水、電力、燃?xì)?、通信等管網(wǎng)收納在一個(gè)共同空間[1-3]，具體示意圖見(jiàn)圖1[4]。地下綜合管廊便于統(tǒng)一管理、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題易于維修，同時(shí)節(jié)約土地資源，優(yōu)勢(shì)明顯[5-6]。目前，我國(guó)已有多個(gè)城市的地下綜合管廊在建或投入運(yùn)營(yíng)。安全問(wèn)題在綜合管廊運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中至關(guān)重要，學(xué)者們對(duì)此做出了一些相關(guān)研究。如：李芊等[7]基于DEMATEL法對(duì)綜合管廊運(yùn)行維護(hù)管理風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行研究，對(duì)識(shí)別出的22個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的重要程度進(jìn)行排序，找出了綜合管廊運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素；陳麗[8]對(duì)綜合管廊運(yùn)營(yíng)階段風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別，并運(yùn)用層次分析法對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)相對(duì)重要性進(jìn)行量化評(píng)估；和曉丹[9]建立城市綜合管廊PPP項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)管理評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用層次分析法對(duì)各要素重要程度進(jìn)行排序，并對(duì)綜合管廊PPP項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)收費(fèi)模式及信息化智能運(yùn)行維護(hù)管理技術(shù)做了深入探討；陳雍君等[10]基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了綜合管廊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，對(duì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)級(jí)；劉玉梅等[11]基于灰色聚類法構(gòu)建評(píng)價(jià)模型，對(duì)地下綜合管廊項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。同時(shí)，文獻(xiàn)[12-14]也從不同角度對(duì)地下綜合管廊運(yùn)行維護(hù)做出相關(guān)研究，涉及到了綜合管廊可視化運(yùn)營(yíng)與管理信息平臺(tái)的建設(shè)、不同地區(qū)綜合管廊運(yùn)行維護(hù)對(duì)比、及綜合管廊運(yùn)行維護(hù)災(zāi)害等一系列問(wèn)題。

圖1 綜合管廊斷面形式

對(duì)前人研究進(jìn)行總結(jié)、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(duì)綜合管廊融資、設(shè)計(jì)及施工方面的研究相對(duì)較多，著重針對(duì)綜合管廊運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)的研究相對(duì)較少；針對(duì)綜合管廊運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)的研究過(guò)程中，偏于定性分析，缺少可靠的運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)方法；對(duì)風(fēng)險(xiǎn)重要性進(jìn)行排序的過(guò)程中，多采用層次分析法等主觀賦權(quán)方法，難以充分考慮風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)所包含信息，具有一定局限性。本文對(duì)前人研究成果進(jìn)行梳理，建立地下綜合管廊項(xiàng)目運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；在評(píng)價(jià)指標(biāo)重要性判斷過(guò)程中，采用信息熵權(quán)重對(duì)主觀權(quán)重進(jìn)行修正，彌補(bǔ)了單一賦權(quán)的缺陷；基于該權(quán)重與可拓理論構(gòu)建地下綜合管廊項(xiàng)目運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，并對(duì)某市地下綜合管廊項(xiàng)目進(jìn)行多級(jí)綜合評(píng)價(jià)，對(duì)運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)級(jí)。通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了該方法的可靠性及應(yīng)用價(jià)值。

1 地下綜合管廊項(xiàng)目運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

地下綜合管廊項(xiàng)目運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)較多，較為復(fù)雜，采用不同的風(fēng)險(xiǎn)劃分方式所建立的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系也存在一定差異。本研究通過(guò)專家調(diào)查，并參考相關(guān)文獻(xiàn)[7，9-11]，結(jié)合評(píng)價(jià)需要，建立地下綜合管廊項(xiàng)目運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。本評(píng)價(jià)指標(biāo)體系將指標(biāo)劃分為管理、管廊本體及設(shè)備設(shè)施、環(huán)境因素等3大方面，擇優(yōu)選取了14項(xiàng)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，詳見(jiàn)表1。

表1 地下綜合管廊項(xiàng)目運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2 基于信息熵組合賦權(quán)與可拓理論的地下綜合管廊運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

2.1 信息熵組合賦權(quán)

(1) 層次分析法。層次分析法[15]簡(jiǎn)稱AHP(Analytic Hierarchy Process，AHP)，是20世紀(jì)70年代由美國(guó)學(xué)者T.L.Saaty提出的一種多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法。運(yùn)用層次分析法求解權(quán)重應(yīng)用較為廣泛，是一種可靠性較高的主觀賦權(quán)方法，具體操作流程如下：

① 建立層次結(jié)構(gòu)模型?；诒?評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，本文建立結(jié)構(gòu)模型包括三個(gè)層次(目標(biāo)層、一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)、二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo))。

② 構(gòu)造判斷矩陣。將各指標(biāo)進(jìn)行比較，比較后量化值選取1～9及其倒數(shù)，建立判斷矩陣A：

(1)

③ 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。本文選取特征向量法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，具體操作如下：

Aω=λmaxω

(2)

式中：A的最大特征根為λmax，其對(duì)應(yīng)的特征向量(歸一化處理后)即為權(quán)重向量ω。

④ 進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。首先，計(jì)算CI一致性指標(biāo)：

(3)

其次，查找隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，見(jiàn)表2。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

最后，計(jì)算一致性比率CR：

(4)

當(dāng)比值小于0.1時(shí)，一致性檢驗(yàn)通過(guò)，否則進(jìn)行修正。

(2) 熵權(quán)法。熵權(quán)法[16]是應(yīng)用較為廣泛的客觀賦權(quán)方法，通過(guò)建立原始數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)矩陣計(jì)算出各指標(biāo)權(quán)重。與主觀賦權(quán)法相比較，熵權(quán)法客觀性強(qiáng)，精度較高，熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重的具體流程如下：

① 建立原始數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)矩陣K。矩陣K表達(dá)式為：

(5)

式中：kij表示指標(biāo)初始評(píng)價(jià)值。

② 歸一化評(píng)價(jià)矩陣得到標(biāo)準(zhǔn)矩陣P。標(biāo)準(zhǔn)矩陣P的表達(dá)式為：

(6)

③ 計(jì)算信息熵ej。信息熵ej表達(dá)式為：

(7)

④ 計(jì)算熵權(quán)βj。熵權(quán)βj表達(dá)式為：

(8)

式中：βj表示第j項(xiàng)指標(biāo)的熵權(quán)。

(3) 信息熵組合賦權(quán)。為反映主客觀權(quán)重優(yōu)勢(shì)，采用熵權(quán)對(duì)主觀權(quán)重進(jìn)行修正，獲得組合權(quán)重，本文采用最小熵原理對(duì)主客觀權(quán)重進(jìn)行組合，具體操作如下[17]：

(9)

式中：ωi為評(píng)價(jià)指標(biāo)主觀權(quán)重；βi為評(píng)價(jià)指標(biāo)客觀權(quán)重；zi為評(píng)價(jià)指標(biāo)組合權(quán)重；n為系統(tǒng)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

運(yùn)用拉格朗日乘子方法求解組合權(quán)重，求得zi如下：

(10)

2.2 基于信息熵組合賦權(quán)與可拓理論的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

基于信息熵組合賦權(quán)與可拓理論，構(gòu)建地下綜合管廊項(xiàng)目運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，見(jiàn)圖2。

圖2 地下綜合管廊項(xiàng)目運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

(1) 設(shè)定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)域U和風(fēng)險(xiǎn)特征指標(biāo)集C表達(dá)式為：

U=(u1,u2,……,un)，C=(c1,c2,……,cn)

(11)

(2) 確定風(fēng)險(xiǎn)各等級(jí)的經(jīng)典域Roj和節(jié)域Rp表達(dá)式為：

(12)

式中：Noj為劃分的j個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；ci為風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)uj的特征；xoji為uj關(guān)于特征ci所規(guī)定取值范圍。

(13)

(3) 確定待評(píng)風(fēng)險(xiǎn)物元模型R表達(dá)式為：

(14)

(4) 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Z。運(yùn)用層次分析法計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)主觀權(quán)重ωi,熵權(quán)法計(jì)算客觀權(quán)重βi，基于式(9)、式(10)計(jì)算組合權(quán)重zi。

(5) 確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)與各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度Kj(xi)表達(dá)式為：

(15)

(16)

(17)

|xoji|=|aoji-boji|

(18)

式中：kj(xi)為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)屬于第j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度；ρ(xi,xoji)為點(diǎn)xi與區(qū)間xoji的距；ρ(xi,xpi)為點(diǎn)xi與區(qū)間xpi的距。

(6) 風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)。首先計(jì)算綜合關(guān)聯(lián)度Kj(N)：

(19)

式中：αi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)Xi的權(quán)重系數(shù)。

其次，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)：

B=Z·K

(20)

式中：B為U的關(guān)聯(lián)度集；Z為各級(jí)指標(biāo)權(quán)重值；K為關(guān)聯(lián)值矩陣。

3 工程算例

A市地下綜合管廊項(xiàng)目，位于解放大路(朝陽(yáng)街至和平路段)，全程長(zhǎng)2.35 km，兩艙。包括給水、電力、通訊、燃?xì)獾?，除污水雨水管外均已入廊。?duì)該項(xiàng)目運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，結(jié)合評(píng)價(jià)結(jié)果采取相應(yīng)措施，具體評(píng)價(jià)過(guò)程如下：

(1) 設(shè)定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)域U和風(fēng)險(xiǎn)特征指標(biāo)集C表示為：

U=(u1,u2,u3,u4,u5)=(低，較低，中等，較高，高)

C=(c1,c2)=(發(fā)生概率，損失程度)

參考相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)c1、c2進(jìn)行賦值，詳見(jiàn)表3。

(2) 確定風(fēng)險(xiǎn)各等級(jí)的經(jīng)典域Roj和節(jié)域Rp。根據(jù)表2，確定各級(jí)經(jīng)典域、節(jié)域如下：

各等級(jí)的經(jīng)典域物元如下：

(3) 確定待評(píng)風(fēng)險(xiǎn)物元模型R。邀請(qǐng)對(duì)本項(xiàng)目較為熟悉的工程技術(shù)人員、行業(yè)專家10人，對(duì)各二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生概率c1及損失程度c2進(jìn)行打分(打分取0～10)，具體見(jiàn)表4。

表4 風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率及損失程度打分表

基于表3，整理待評(píng)物元如下：

(4) 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Z。征求上述10位專家意見(jiàn)(結(jié)合專家意見(jiàn)，第一輪確定評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)重要性，第二輪確定評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)重要程度，如出現(xiàn)不一致現(xiàn)象則及時(shí)進(jìn)行調(diào)整)，根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)重要程度，建立成對(duì)比較矩陣，見(jiàn)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(yùn)用前式，計(jì)算主觀權(quán)重ωi、客觀權(quán)重βi及組合權(quán)重zi，見(jiàn)表9。

表9 主、客觀權(quán)重及組合權(quán)重表

(5) 計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)關(guān)聯(lián)度。評(píng)價(jià)指標(biāo)與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)關(guān)聯(lián)度可表示為：

① 確定風(fēng)險(xiǎn)因素特征權(quán)重值。聽(tīng)取專家意見(jiàn)，取風(fēng)險(xiǎn)特征權(quán)重αc1=0.4，αc2=0.6。

② 綜合關(guān)聯(lián)度計(jì)算。基于式(15)—式(19)，計(jì)算各二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)綜合關(guān)聯(lián)度，見(jiàn)表10。

表10 評(píng)價(jià)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)綜合關(guān)聯(lián)度

(6) 多級(jí)可拓綜合評(píng)價(jià)。多級(jí)可拓綜合評(píng)價(jià)為：

① 一級(jí)可拓綜合評(píng)價(jià)?；谑?20)，表9、表10內(nèi)容進(jìn)行一級(jí)可拓綜合評(píng)價(jià)，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(jí)可拓綜合評(píng)價(jià)?；患?jí)可拓綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，進(jìn)行二級(jí)可拓綜合評(píng)價(jià)，具體如下：

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

(7) 結(jié)果分析。根據(jù)最大隸屬度原則可知，一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)管理風(fēng)險(xiǎn)X1、管廊本體及設(shè)備設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)X2、環(huán)境因素風(fēng)險(xiǎn)X3分別隸屬于u4級(jí)、u4級(jí)、u5級(jí)，即：風(fēng)險(xiǎn)分別為較高、較高、高；項(xiàng)目總體運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)為u4級(jí)，即：風(fēng)險(xiǎn)較高。

4 結(jié)論與建議

(1) 地下綜合管廊項(xiàng)目運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中存在的風(fēng)險(xiǎn)因素較多、較為復(fù)雜，除考慮管廊本體及入廊設(shè)備設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)外，還要考慮環(huán)境及管理等方面的潛在風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)主要風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)所處安全等級(jí)有針對(duì)性的采取應(yīng)對(duì)措施，可以大大降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率，減少風(fēng)險(xiǎn)帶來(lái)的損失。

(2) 本文運(yùn)用層次分析法對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)重要性做初始判斷，進(jìn)行量化處理，獲得指標(biāo)主觀權(quán)重值。運(yùn)用信息熵權(quán)重對(duì)主觀權(quán)重值進(jìn)行修正，獲得最終權(quán)重?；谛畔㈧氐慕M合賦權(quán)兼顧了主、客觀賦權(quán)的優(yōu)勢(shì)，充分考慮了專家經(jīng)驗(yàn)及評(píng)價(jià)指標(biāo)所包含信息，提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(3) 基于信息熵組合賦權(quán)與可拓理論構(gòu)建地下綜合管廊項(xiàng)目運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，運(yùn)用該模型對(duì)A市地下綜合管廊項(xiàng)目運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行實(shí)例研究，得出一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)管理風(fēng)險(xiǎn)、管廊本體及設(shè)備設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境因素風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)分別為較高、較高、高，項(xiàng)目總體運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)較高的結(jié)論。該項(xiàng)目運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)較高，建議建立完善的管廊管理規(guī)章制度，加強(qiáng)管理人員組織協(xié)調(diào)及應(yīng)急能力，對(duì)管廊本體、設(shè)備設(shè)施及環(huán)境中存在的風(fēng)險(xiǎn)制定相應(yīng)措施加以應(yīng)對(duì)。