基于AHP-Fuzzy的管廊项目全寿命周期风险评价研究

张新文

中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京 100083

国务院办公厅颁布国办发[2015]61 号文,指导各地人民政府重点开展城市综合管廊建设过程中标准规划、有序建设、入廊管理、支持政策相关工作,以缓解城镇化发展带来的城市规划建设问题。综合管廊作为城市基础设施和发展新模式,已经在我国城市大量建设,截至2019年我国城市新建综合管廊已达2 226.14 km,建设投资规模约1.8 万亿元人民币。综合管廊具有减少对道路及城市空间的占用和对道路重复破坏、减少管线维护费用、保护城市环境和提高抗震减灾能力、提高城市韧性的优势,建设综合管廊符合政府工作报告中关于提高城市韧性的指示精神。然而作为城市“生命线”载体的地下综合管廊存在建设周期较长、投资大、运营期长、运营模式不成熟等问题,导致管廊建设、运营等存在较多的风险,管廊本身的风险也影响综合管廊建设和运营安全,进行综合管廊的风险评价并提出针对性的措施是有必要的。

在风险研究方面,国内学者主要集中于建设环境、运营管理、成本控制、融资以及施工等风险上。张雷等[1]参考地质灾害的风险评价模型,针对城市地下工程的地质灾害所引起的周围建筑安全事故,确定风险评价指标,给出了风险评价模型的计算方法;刘玉梅等[2]运用AHP 和熵权法计算风险指标权重,应用灰色聚类法对综合管廊运营阶段风险进行综合评价;张家颖等[3]基于熵模型对城市地下综合管廊成本风险进行了评价;赵丹等[4]建立了PPP 模式下综合管廊的风险评价指标体系,并对融资风险进行评价;张宏建[5]等探讨了在不良地质条件下管廊面临的危险;韦海民等[6]在城市综合管廊施工过程中采用等级全息建模(HHM)方法,对该阶段中的隐含风险进行科学全面、系统有效的识别,寻找出主要影响施工建造的风险因素;陈雍君等[7]运用贝叶斯网络对综合管廊运维阶段的潜在风险进行分析;王翔等[8]运用结构方程方法分析了综合管廊的火灾风险;张勇等[9]运用熵权-DEMATEL 法分析了综合管廊施工阶段安全风险的耦合作用。还有一些学者针对综合管廊采用PPP 模式的风险进行了研究。舒畅等[10]运用多级可拓模型评价综合管廊PPP 模式的融资风险;丁晓欣等[11]运用故障树模型,分析综合管廊应用PPP 模式的风险。

综上所述,国内对城市地下综合管廊的风险研究主要集中于某个阶段或某种特定情形进行分析,而针对全寿命周期风险研究相对较少。既有文献风险分析方法多采用熵权法或熵模型,对风险指标量化及指标数据收集提出了新挑战。本文在综合分析管廊建设全寿命周期各种风险因素的基础上,建立综合管廊全寿命周期风险评价指标体系和科学适用的AHP-fuzzy 评价模型;根据评价结果确定风险等级和提出有效规避风险的相关对策,对建设运营综合管廊、政府管理综合管廊以及应对潜在风险有重要参考。

1 模型建立

1.1 AHP-Fuzzy 方法的优势

层次分析法(AHP)可以细化风险评估因素,使评估模型清晰明了。它可以使人们更直观地看到同一层级的各个风险因素间相对重要性,为管理者辨识风险提供了帮助[19]。但层次分析法主观性太强、计算复杂、应用范围较窄,容易受到所选专家学者知识结构、工作经验、主观偏好等方面的主观影响。而采用模糊数学方法(Fuzzy)对其进行定量的分析,既可有效弥补AHP 法的不足,消除主观因素对数据的影响,又有利于实现在较低准确性条件下有效处理复杂问题的目的。综合管廊全寿命周期风险因素的识别分析比较复杂,且存在主观上的评判,符合AHP-Fuzzy 方法的适用范畴。

1.2 模型建立过程

AHP-Fuzzy 模型首先运用层次分析法确定指标权重值,其次进行专家打分并汇总计算得出模糊矩阵值,最后进行模糊综合评判并对评判结果进行分析。

1.2.1 建立评价指标体系

1.2.2 确定指标权重

(1) 构造判断矩阵。运用层次分析法分析确定各风险指标上下层级之间的关系。根据每一层指标的相互重要性程度,运用李克特量表法进行赋值,并构造判断矩阵。

(2) 计算权重值。判断矩阵构造完成后,根据判断矩阵计算各指标的权向量。

(3) 一致性检测。在判断矩阵的建立中,专家打分的主观性或许不能很好地满足风险的一致性,因此有必要对最终结果的一致性进行检验。可以通过随机一致性比率来衡量,其计算公式为

式中,λmax为最大特征值;N为判断矩阵的阶数;CI为判断矩阵一致性指标;RI为判断矩阵的平均随机一致性指标。

当CR＜0.1 时,则认为判断矩阵一致性较好。

MRI增强扫描：采用3.0T全身核磁共振扫描仪(美国 GE)，选择体线圈。采用自旋回波序列(SE)、短时间反转恢复序列(STIR)横断位、冠状位和矢状位。T1WI扫描参数TR：350～400 ms，TE：10～20 ms，层厚6 mm，间隔1.5 mm；T2WI采用快速自旋回波序列(FSE)，扫描参数TR：3 800～4 000 ms，TE：100～110 ms，激励次数2次，FOV30～35 cm，层厚6 mm，间隔1.5 mm。对比剂为Gd-DTPA，剂量0.1 mol/kg，注射对比剂5 min后，采集增强T1WI。

1.2.3 进行综合评价

通过专家打分的方式建立各阶段风险模糊矩阵Ri,结合层次分析法得到各风险因素的权重Ai。对矩阵Ri进行运算,得到模糊综合评价结果Di:

进一步对Di各行组成的综合模糊矩阵R进行计算,得到最终的评判结果B:

2 模型应用

2.1 工程概况

北京市某管廊总长11.3 km,覆盖9 条街道。设计形式有一层3 舱、一层5 舱、三层6 舱等多种形式,其中包含全球最大断面三层管廊1.6 km,工程具备供水、供电、燃气、通信、供冷/供热、地源热泵、再生水、有线电视共计8 大类18 种管线入廊运行条件。管廊穿3 条地铁线,施工环境复杂,紧邻有办公楼等工程同期施工,场地十分狭小,交通运输、施工组织极为困难。施工方为北京建工集团、北京城建集团、中建一局等7 家施工单位,主要采用暗挖形式,工程量大,开挖土方及回填约3×106m3,使用钢筋约2×105t,浇筑混凝土约1.08×106m3。

2.2 风险评价指标的选取

综合管廊是由政府直接投资或以政府代理公司为载体,将综合管廊作为公益性市政基础设施移交给政府的管理机构经营。全寿命周期理论广泛应用于工程项目管理中,管廊项目同属于工程类别,具备全寿命周期管理的特点,其全寿命周期可以按照项目建设时间流程划分为决策、设计、招投标、施工竣工、运营、报废处理6 个阶段。

本文从参与管廊建设及运营的相关主体角度考虑风险因素,全寿命周期视角来分析各个阶段风险因素。

(1) 决策阶段是按照法定程序进行管廊项目可行性研究分析,科学决策进行立项,确定是否开展该项目的最前期工作阶段。其风险主要是对未来事件发生的不确定性,包括:项目审批风险、项目融资风险、环境风险、项目公司风险、管理理念风险等[12-15]。

(2) 设计阶段是确定项目正式立项后依托建设方的项目设计委托书以及主管部门批复等支撑文件,开展管廊项目方案设计、初步设计及管廊施工图设计的阶段。风险包括:设计任务规划、设计成果拖延交付、设计单位采用的技术、设计变更风险、综合管廊节点设计合理性、节点处逃生口的设计科学性、人员通行的设计合理性等[13-14,16]。

(3) 招投标阶段主要是围绕管廊工程建设标的,通过政府公开招投标平台选定适宜工程建设和运营的合作单位,并依据招采平台的中标通知书及双方关切展开双方的合同谈判事宜,并签订综合管廊项目合同。风险包括:招标单位暗定中标单位、透露标底及暗箱操作、招标失败、合同文件漏洞、招标文件漏洞、招投标竞争不充分、投标单位串标、围标等风险[17]。

(4) 施工及竣工阶段是施工单位获得综合管廊施工设计蓝图进行开工建设到建设单位组织项目参建方开展竣工验收,直至管廊质量合格,参建方同意签收工程实体的全过程,涉及工程建设人员、管廊建设材料、施工机械、施工方法、施工现场环境等方面的管理工作。风险包括:施工质量控制、施工安全、财务(成本控制)、不可抗力、材料供应及质量、材料价格上涨、工程延期交付、工地安全隐患、环境破坏、施工技术先进性、不可预见地质条件、竣工验收不合格等风险[7-14]。

(5) 运营阶段是施工单位交付工程实体后由专业单位开展长周期运营管理工作,以保障管廊在设计有效期内正常运转。风险包括:入廊单位入廊意愿、入廊收费定价高低、经营管理经验及水平、运营责任不清、管线间协调管理、运营成本控制、管廊环境、人为破坏、日常维护费支付、政府补贴支付延迟或撤销等风险[16-19]。

(6) 报废阶段是超出设计使用年限并且经具有相应工程检测资质单位出具工程检测报告明确显示难以维系其正常运转的阶段。风险包括:报废资产核算准确、变卖价格合理性、国有资产流失等风险。

2.3 计算风险权重值

通过文献研究及调查问卷和德尔菲法,本研究最终确定该综合管廊全寿命周期风险评价指标体系,全寿命周期6 个阶段(表1)为准则层1,每个阶段对应的风险指标为准则层2,准则层共计43 项。

表1 最终风险清单表Table 1 Final risk checklist

邀请与项目相关的施工单位、建设单位、运营单位具备高级职称的管理人员6 名以及风险管理专家4 名共10 位,对风险指标体系按1～9 标尺进行打分,根据打分取算术平均值并四舍五入取整,构造判断矩阵,对各个阶段以及整体风险的判断矩阵进行层次单排序一致性检验,CR值分别是0.086 4、0.011 5、0.003 8、0.011 5、0.034 6、0.022 0、0.018 1,一致性检验符合要求,得到全寿命周期各个阶段的风险权重(表2)。

表2 一级指标及二级指标权重Table 2 Weight of the first-level and second-level risk indicator

2.4 进行模糊综合评价

参考已有风险划分原则,将全寿命周期风险根据风险重要程度划分为5 个等级,分别为低风险、较低风险、中等风险、较高风险、高风险。风险指标属于低风险赋值1 分,较低风险赋值2 分,中等风险赋值3 分,较高风险赋值4 分,高风险赋值5 分。10 位专家对综合管廊全寿命周期各个阶段风险指标进行打分,最后根据每一风险隶属度,得出各阶段风险隶属度矩阵,建立各阶段风险模糊矩阵Ri。

根据上述模糊综合评判算法步骤,依次计算出各阶段的模糊评判矩阵,最后得到综合模糊矩阵R和综合评判结果B。

2.5 评判结果分析

为更好地对全寿命周期各个阶段提出更加具有针对性的措施,本文采用如下两种方法对其评价结果进行更准确的分析。

(1) 最大隶属度法。从综合评价结果B=(0.203,0.261,0.380,0.122,0.035)中,其最大值为0.380,根据最大隶属度原则,属于中等风险,即得出该综合管廊全寿命周期风险等级为中等风险。

(2) 加权分布法。将全寿命周期各阶段模糊矩阵评判结果与风险等级的打分[1,2,3,4,5]分别对应到相应阶段,结果见表3。

表3 全寿命周期风险值表Tab.3 Life cycle risk value table

综上,应用最大隶属度法和加权分布法得出的结论相同,即该管廊的整体风险数值介于[2,3]之前,属于低风险与中等风险之间,且更倾向于中等风险。同时通过加权分布法可得出报废阶段风险值最高,其次为施工与竣工阶段、运营阶段、设计阶段、招投标阶段和决策阶段。

3 管廊高风险阶段应对策略

下面仅针对风险等级较高的设计阶段、施工阶段、运营阶段和报废阶段提出应对措施,供决策者参考。

(1) 设计阶段。要进行充分的调研,充分了解用户的入廊需求,建立和完善标准的管线数据标准和技术标准;加强技术管理,充分分析综合管廊可能出现的各种风险,通过技术设计进行风险断链管理,减少施工和运营阶段的风险。

(2) 施工及竣工阶段。在施工准备、施工建设和竣工验收阶段,都需建立相应的风险管理体系,围绕双重预防体制,开展风险因素识别和分级,进行施工隐患排查。尤其是针对施工过程中的危、大、深工程,重点开展风险排查及隐患治理;在治理工程中充分利用信息技术的优势,进行风险隐患的识别及预警,充分体现人防和技防的综合优势。

(3) 运营阶段。管廊正式运营前应制定科学合理的管理制度,明确运营方、入廊单位责任与义务,政府相关管理部门如质监站、城管部门应随时对运营单位进行监督检查,规范综合管廊管理工作。在进行综合管廊招商费用谈判时应充分考虑相关单位所属管线截面占比、管线风险系数、管线维修难易程度等,以便合理设置管廊入廊费用,按实际需求设计管廊体量确保管廊管线入廊率合理可行。考虑管廊运营期长的特点以及考量利率及通货膨胀等因素,为了降低综合管廊运营成本,政府应在必要时向主要管道单位提供必要的政策激励和政府补贴,保障运维费收取,杜绝运营成本过高的风险。运营单位要保障管廊安全运营环境、检修、尽可能降低不可抗力、人为破坏等对管廊运营安全造成的威胁。

(4) 报废阶段。目前,我国管廊报废阶段的管理文件制定滞后,尤其是管廊报废缺乏强制性的法律法规。管廊报废后的处理更是缺乏相应的政策指导。要加强相应的指导政策制定;报废拆除工作应在专门管理部门的监督和指导下进行,按照不影响地上建筑物和居民生活的原则完成;加强对废弃管廊的监管,各种管线、器件等登记造册、变卖应由相应的部门执行;若将废弃物再利用,则需要明确规定废弃物回收、利用处置的方式和方法,收益分配制度等,做好废弃管廊的拆除和安置工作。

4 结 论

以某综合地下综合管廊项目为背景,综合运用层次分析法和模糊综合评价法,对管廊进行了风险评价,得出以下结论:

(1) 立足全寿命周期理论,结合既有文献和管廊开发特点,将管廊项目划分为决策、设计、招标投标、施工及竣工、运营、报废6 个阶段,并对各阶段进行系统性分析,辨识43 个潜在风险指标,构建出综合管廊全寿命周期风险清单表。

(2) 邀请综合管廊开发管理人员与风险管理专家进行评估,并采用层次分析法科学准确得出运营阶段与施工及竣工阶段风险权重相对较大。通过风险评判并依据最大隶属度法和加权分布法得出,某综合管廊项目属于中等风险,其中报废阶段风险值最高,其余依次为施工与竣工阶段、运营阶段、设计阶段、招投标阶段和决策阶段,有效实现了指标风险值的量化。

(3) 针对较高风险建设阶段分别提出了管控措施。设计阶段要建立技术标准和数据收集标准进行设计优化;施工及竣工阶段要建立相应的风险管理体系,充分利用信息技术进行风险排查;运营阶段要明确各参与方的责任与义务,制定合理的收费标准及政府提供必要的补贴,以提高管理效率;报废阶段要加强政策文件的制定。