基于灰色聚类的地下综合管廊项目运营风险评价研究

刘玉梅 郭海滨 张程城 孟霄 王雨

摘要： 地下综合管廊是城市基础设施建设的重要构成部分，对其运营期风险进行评价研究具有重要意义。本文通过专家调查和文献分析等方法构建了地下综合管廊项目运营风险评价指标体系，采用AHP和熵权组合赋权的方法确定了风险指标权重，运用灰色聚类法对其运营风险进行综合评价，最后以实例分析验证了此方法的可行性和适用性。

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.

关键词： 综合管廊；风险评价；灰色聚类；运营风险

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

中图分类号：TU91 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）26-0121-05

0 引言

改革开放以来，我国经济飞速增长，国民生活水平显著提升，对城市基础设施建设的要求日益增高。地下综合管廊将电力、通信、热力、给水排水、燃气等各市政管线集于一处，合理利用了地下空间，解决了“马路拉链”问题，改善了城市面貌，延长了管线的寿命。

地下综合管廊的建设由来已久，早在1833年法国巴黎建立了世界上第一条地下综合管廊，1963年日本为了维护综合管廊的建设制定了《共同沟实施法》，Canto Perello等提出了一些实用的综合管廊创新和组织方式[1]；我国对地下综合管廊的研究相对较晚，谭忠盛等对地下综合管廊建设的管理模式进行了研究[2]，何瑶等指出目前国内综合管廊相关法律法规和政策的匮乏[3]，张宏以苏南某开发区的综合管廊为例，描述了特定范围内综合管廊的市场化运营管理模式[4]，韦海民采用HHM法识别地下综合管廊建设过程中的风险[5]。现阶段对地下综合管廊的研究集中于建设、发展、运营管理、投融资等方面，对其风险管理方面的研究还处在初始阶段，针对运营期的风险管理研究则相对较少。

地下综合管廊建成后运营周期长达数十年至百年，期间参与方较多，管廊内管线较多，存在风险因素多；因此对地下综合管廊项目运营风险进行识别、评价具有重要意义。王永红等运用信心指数法和层次分析法对渤海湾海底隧道运营期风险进行评价[6]，刘沐宇等运用熵权法计算得到模糊综合评价各风险指标的权重[7]，郭鹏等提出了项目风险模糊灰色综合评价方法，利用灰色聚类理论构造项目风险模糊隶属度矩陣来综合评价风险[8]，Tunmala提出了风险管理系统的4个阶段，即风险识别、风险度量、风险评价和风险控制[9]。本文通过专家调查和文献分析等方法构建地下综合管廊项目运营风险评价指标体系，运用AHP法和熵权法组合计算风险指标权重，采用灰色聚类法对其运营风险进行评价分析，为地下综合管廊项目运营风险控制提供一定的参考依据。

1 风险评价指标体系的构建

地下综合管廊项目运营周期长、资金回收慢、参与方多、环境复杂、风险因素众多，因此选取恰当的评价指标对最终风险评价结果的可靠性和准确性具有重要意义。本文通过邀请专家进行访谈调查，阅读大量文献，并借鉴城市轨道交通项目运营风险因素的识别，从系统论的角度出发，将地下综合管廊项目运营风险因素分为：人员组织风险、设备设施风险、环境风险和管理风险四个方面，在此基础上构建风险评价指标体系，如表1所示。

2 风险指标权重的确定

风险指标权重的计算方法有很多，主要分成两类：第一类方法对权重的确定取决于专家自身的经验、知识结构和价值观，这类方法较成熟，但对专家的主观判断依赖性较强，客观性较差，易造成评价结果的不稳定，如 AHP 法、专家打分法等；第二类方法是对实际发生的信息进行综合、计算和分析后得到权重，主观色彩小，确定权重精度较高，但该方法相对主观赋权法而言形成较晚且不是很完善，如离散系数法、标准离差法、熵权法等。为更准确地确定指标权重，本文采用主客观相结合的方法确定地下综合管廊项目运营风险评价体系的指标权重。

2.1 层次分析法确定主观权重

层次分析法（AHP）是20世纪70年代由美国萨迪（T.L.Saaty）教授提出的一种对多个指标和方案进行层次化、结构化的决策分析方法，是一种定性与定量结合的分析方法，能对人的主观感觉、经验进行客观描述，对非定量的事情做出定量分析。

根据表1所示风险评价指标体系，邀请10位专家对地下综合管廊项目运营风险因素各层次指标进行两两重要性比较，以上一层次的某个元素为准则，采用1-9标度法表示隶属于它的下一层次各元素之间的相对重要程度，建立比较判断矩阵。以目标层U—准则层Ui为例，专家打分得判断矩阵，对其进行归一化处理，得一级指标权重向量W1=（0.0944，0.4564，0.1460，0.3032），計算最大特征值λ=4.0817，对其进行一致性检验得：CI=0.0272，RI=0.9，CR=0.0302？燮0.1，符合一致性检验要求。同理可得准则层下各指标的权重向量：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 熵权法确定客观权重

熵的概念源于热力学，主要反映系统的不确定性和无序程度。1948年Shannon将其引入信息论，信息熵是信息源信号不确定性的度量，如果指标信息熵越小，则其指标权重就越大。熵权法即是运用信息熵的理论评价各指标的有序性，确定各评价指标的权重。

邀请上述10位专家对各层次指标进行风险等级打分，将风险等级分为低、较低、中等、较高、高，分别对应风险值为1，2，3，4，5。根据专家打分构建原始数据矩阵A=（aij）m×n，其中m表示指标个数，n表示评价对象个数，i=1，2，3，…，m，j=1，2，3，…，n，aij表示第i个指标下第j个评价对象对应的评价值。以一级指标U1为例，原始数据为，根据公式对其进行归一化处理，得矩阵X=（xij）m×n，由公式（式中：k=1/ln（n），当xij=0时，记xijln（xij）=0）和计算各指标的熵值及熵权值，得一级指标U1下各二级指标的熵权值向量为W12=（0.2510，0.2902，0.1725，0.2863）。同理可计算其他二级指标及一级指标的熵权值，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最小相对信息熵确定组合权重

综合主观权重Wi1和客观权重Wi2可得组合权重Wi，Wi应与Wi1和Wi2尽可能接近。根据最小信息熵原理，用拉格朗日乘子法优化所得组合权重计算式（式中：i=1，2，3，…，m）计算一级指标层各指标权重，得组合权重向量：W=（0.2114，0.2411，0.2263，0.3212），同理可得二级指标层各指标组合权重向量：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），综合各层次指标权重结果如表2所示。

根据表2可知，准则层下管理风险重要性最大，权重为0.3212，而设备设施风险、环境风险、人员组织风险权重分别为：0.2411、0.2263、0.2114，重要性相对偏小，因此应重点关注地下综合管廊管理方面的问题；指标层中应急能力、组织协调性及工作人员素质水平三个指标权重相对较高，应相对重视，用户认可度、土建设施及供电系统权重排序最靠后，说明其重要性相对较低。

3 基于灰色聚类的风险评价

灰色系统即信息不确定或不完全明确的系统，具有贫信息、少数据和不具典型分布的特点。灰色系统理论由我国学者邓聚龙教授创立，主要研究不确定性系统，即通过对已知信息的研究，得出已知信息的规律，进而模拟出整个系统的规律，实现对整个系统的描述和监督。

灰色聚类是灰色系统理论中的一个重要理论，是对所评价的对象进行分类的一种方法，可以分为灰色定权聚类和灰色变权聚类。当选择的评价指标在数值、量纲和意义上的差别较大时，应选择灰色定权聚类方法。根据地下综合管廊运营风险的特点、复杂程度及评价指标情况，本文选用较适合的灰色定权聚类方法来进行研究。

3.1 聚类评价矩阵

根据风险管理中对风险度的常规划分方式，结合专家意见，本文将风险指标的评价等级划分为高、较高、中等、较低、低五类，分别对其赋值{5，4，3，2，1}。邀请数位专家同时对风险指标进行风险等级打分，得到评价矩阵如下：

其中：rijk——第k个专家对指标rij的打分；

m——一级指标的数量；

n——一级指标下的二级指标的数量；

p——专家人数。

3.2 评价灰类及白化权函数

灰类指评价指标被划分等级的不同种类，根据前文所确定的风险因素评价等级，确定对应的5个评价灰类，序号为e，则e=1，2，3，4，5，分别代表风险低、较低、中等、较高、高五个等级。各灰数及评价灰类的白化权函数分别如下：

①第一灰类低风险（e=1），灰数？塥1∈[0，1，2]，对应白化权函数为：

（1）

②第二灰类较低风险（e=2），？塥2∈[0，2，4]，对应白化权函数为：（2）

③第三灰类中等风险（e=3），？塥3[0，3，6]，对应白化权函数为：（3）

④第四灰类较高风险（e=4），？塥4[0，4，8]，对应白化权函数为：（4）

⑤第五灰类高风险（e=5），？塥5[0，5，10]，对应白化权函数为：（5）

3.3 建立灰色评价权矩阵

将专家赋值带入各白化权函数计算得各评价灰类的灰色評价数，总灰色评价数；评价指标Uij属于第e个灰类的灰色评价权记为cije，，指标Uij属于各灰类的灰色评价权向量为cij=（cij1，cij2，，cij3，cij4，cij5），则指标层Ui下各指标对各评价灰类的灰色评价权矩阵为：

3.4 综合评价分析

首先，对准则层Ui做综合评价，结果记为Di，则有Di=Wi×Ci；进而得到目标层U所含准则层Ui对于各评价灰类的灰色评价权矩阵D=（D1，D2，D3，…，Dm）；其次对目标层U做综合评价，评价结果记为F，则有F=W×D；最后根据风险等级值向量λ=（1，2，3，4，5），计算准则层各指标风险评价值：Mi=Di×λT，计算目标层指标风险评价值：Z=F×λT，得地下综合管廊项目运营风险综合评价结果，根据计算结果确定风险等级。

4 实例分析

青岛高新区某地下综合管廊项目位于滨海大道至凤凰山路段，项目投资估算总值约1.76亿元，管廊总长约1.63km，为支线双舱管廊。管廊内包含给水、电力、热力、通讯、再生水等5类管线，其中通讯管线包含广电、移动、电信、联通等4类管线，附属系统主要有通风系统、监控与报警系统、消防系统、标识系统、供电与照明系统、排水系统等。

采用灰色聚类法对该项目运营风险进行评价分析。邀请10位专家对该项目运营期风险指标进行等级打分，得到评价矩阵：

根据评价灰类及白化权函数公式（1）-（5），计算评价指标U11属于各评价灰类的灰色评价数，结果如下：

则指标U11的总灰色评价数，根据公式计算指标U11属于各评价灰类的灰色评价权，得向量c11=（0，0.2322，0.2252，0.3061，0.2365），同理可计算指标U12，U13，U14的灰色评价权向量，从而得指标U1下各指标U1j对所有评价灰类的灰色评价权矩阵为：

同理可计算指标U2，U3，U4下各指标对所有评价灰类的灰色评价权矩阵分别如下：

根据公式Di=Wi×Ci对指标U1做综合评价，评价过程如下：

同理可得对指标U2，U3，U4的评价结果：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），进而得到目标层U下各准则层指标Ui对所有评价灰类的灰色评价权矩阵：

根据公式F=W×D对目标层U做综合评价，评价结果为：

最后依据公式Mi=Di×λT，风险等级值向量λ=（1，2，3，4，5），计算各准则层指标风险评价值，得M1=3.4930，M2=3.4957，M3=3.4024，M4=3.4896，则风险值排序为M3

由上述计算结果可知，该项目风险指标体系准则层下各指标风险等级均为中等，风险大小依次为设备设施风险、人员组织风险、管理风险、环境风险，四者风险值都较接近，没有特别大的差异，但还是应加强设备设施风险、人员组织风险、管理风险方面的防范工作，环境风险虽然风险值相对较低，但也属于中等风险，同样应予以重视。该项目运营期综合风险等级为中等，虽不属于高风险范畴，但风险等级也不低，在其运营期间应做好各方面的风险预防工作，加强风险防范意识。

5 结论

本文依据专家访谈、文献参考等方法构建了地下综合管廊项目运营风险评价指标体系；采用层次分析法和熵权法组合计算得到了各层次指标风险权重的大小，从而确定了其重要性排序；运用灰色聚类法对风险指标进行评价分析，以青岛高新区某地下综合管廊项目为例，得到其风险等级为中等，由此验证了该方法的可行性，为地下综合管廊项目运营风险方面的研究提供了一定的参考。但本文在研究上尚存在风险评价指标不够完善、运用的方法相对简单、专家调查人数偏少等方面的不足，在今后的研究中可以进一步改善，以取得更好的研究成果。

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