基于DEA-AHP法城市地下综合管廊施工风险研究

蒲李莉 王丁，2 王月明

（1.西南科技大学 土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010；2.四川真尚安全科学技术研究院，成都 610000）

0 引言

近年来，现代化城市建设迈向了新的征程，各地区都在加快推进新型城市建设，伴随着国家政策的出台和现代化管理的需要，城市地下综合管廊迎来了高潮，地下管线里程快速增长，成为了新兴城市建设和现代智慧城市建设中不可或缺的一部分［1］。当下城市地下综合管廊的建设正在加快开展，但也面临着许多复杂的困难，主要包括涉及面广、项目多元化、技术复杂、投资额巨大、建设与运营经验不足等诸多问题，这也导致了城市地下综合管廊项目存在着不可预测的风险。其导致发生风险的原因错杂，相互交织，风险因素间存在着交互关系，导致施工管理问题频出。本文通过对城市地下综合管廊施工中的风险进行分析，构建风险评价等级，明确各风险因素之间的相对重要度，根据结果排序提出风险防范应对管理方法。众多学者主要集中在投资和运维阶段等方面，而缺少施工阶段的大量研究，综合管廊施工阶段却是整个工程的重点部分，采用不同的施工方法对整个工程的影响较大，施工中出现的各种风险因素将影响施工效率，并对周围环境产生影响。因此对综合管廊施工中可能出现的各种风险因素进行预测并判断应该是关注的焦点。本文利用系统分析的方法对城市地下综合管廊的施工风险进行了研究，通过阅读国内外文献采用文献分析法确定综合管廊在施工过程中存在的风险因素，并通过行业专业人员评判的方法初步确定各因素的相对重要度，然后运用层次分析法确定各个风险的权重。其次再运用数据包络分析法进行风险效率评价，得到综合管廊在施工阶段的风险状况。与单纯的层次分析法不同，通过DEA法对各风险因素进行排序，并进行客观分析，避免了层次分析法中参杂了过多的主观判断和人为思想，导致风险因素权重有所偏差，也综合了数据包络分析法数据太客观实际的缺点，使两者的结合在风险评价的运用上更加合理。

1 风险管理及基本理论

1.1 风险管理概念

风险就是指事件本身所造成的一切可能性及其产生的不确定因素的组合，它是项目建设中需要引起重视的地方，也是在进行实际工程之前需要预测评价的因素，只有正确对待风险才能使建设项目达到预期的效果。城市地下综合管廊属于地下作业，施工难度大，对技术要求较高，因此需要建立一套较为完善的城市地下综合管廊施工风险分析与评价方法，对施工过程中可能出现的各种风险进行预测，提前做好风险预防和规避措施，减少综合管廊施工中风险发生的次数，降低其发生所带来的不良后果。

1.2 风险管理程序

受城市地下综合管廊项目特殊性的影响，施工管理人员对于综合管廊施工中出现的风险很难进行有效的控制，必须建立一套完整高效的风险管理流程来对综合管廊项目进行科学、合理、有效的风险管理，使风险保持在可控范围内。城市地下综合管廊的风险分析过程可总结为风险识别—风险权重分析—风险改进规避。根据已有的工程案例中发生的工程风险和行业相关专家的评价罗列出施工过程中综合管廊可能发生的一系列风险情况，并根据具体工程案例进行删减合并得到最终的风险评价体系。随后通过系统工程的方法对风险权重进行计算，本文采用的是层次分析法计算初始权重，数据包络分析法计算最终权重并进行风险重要性排序。最后通过风险权重的大小进行风险规避改进，为类似工程提供相应的风险防范依据。

2 风险评价指标模型构建

2.1 原理与方法

本文主要通过层次分析法和数据包络分析法相结合进行风险权重计算并排序。层次分析法（AHP法）可以将统计出的施工阶段相应风险因素分级处理，将复杂的问题分级分解为不同的隶属关系，又将这些关系分组形成不同的层次结构并在此基础上对每一层的影响因素进行综合比较相关重要性构成判断矩阵，并对构成的关系矩阵进行一致性检验，由此确定各因素的权重大小。层次分析法根据评判者对问题的主观认识进行分析判断，得出相应的目标结果，整个分析过程存在着较大的主观因素。而数据包络分析法（DEA法）是以相对效率为基础来评价决策单元间效率的一种有效统计方法，与传统的评价方法相比，数据包络分析法面对有多个输入、输出数据的评价模型具有相对优势，它不直接对数据进行综合，也不用确定输入指标与输出指标之间是否存在某种联系。与层次分析法相比，它能避免层次分析法中依靠专家打分或调研得到权重的主观性，使各因素指标更加真实有效，得到的数据结果更实际客观。由此将2种方法结合评价综合管廊在施工阶段的风险因素能很好的避免层次分析法中人的思维模式，也能综合数据包络分析法使用过程中较强的客观具体性，使评价结果更加符合实际情况。

2.2 建立综合管廊施工阶段风险指标体系

根据城市地下综合管廊的施工特点及风险管理现状，通过对近5年来国内外文献分析，得出综合管廊施工阶段的风险主要分为土石方开挖风险、防水风险、管线风险、设备风险4个准则层风险指标，再对准则层指标进行分解为12个因素层指标，建立风险评价指标体系如表1。

2.3 风险评价系统模型构建

利用层次分析法建立比较矩阵比较相对重要度，初略得到各指标因素的权重，由此得到数据包络分析法的输入输出指标及其权重，并对各指标因素进行效率评价，得到风险层次排序，并对风险权重高的因素进行分析，找出影响风险发生的原因，有效解决城市地下综合管廊在施工中所遇到的的困难，规避各风险的发生。

表1 综合管廊施工阶段风险指标体系

2.3.1 层次分析法建立判断矩阵

首先对准则层的B1、B2，…，个元素进行两两比较，用1-9标度法判断其对影响因素的重要性，并赋以指标值，因素B1、B2同样重要就记为1，因素B1比B2稍微重要就记为3，因素B1比B2明显重要就记为5，因素B1比B2强烈重要就记为7，因素B1比B2极端重要就记为9。用表示元素和元素两两比较的结果，可得到比较矩阵，不难发现aji=1/aij，故该矩阵又称为正互反矩阵，即：

对判断矩阵利用几何平均法或算术平均法计算其对应的特征根和特征向量，所得向量即为相应风险因素的权重。本文采用几何平均法进行矩阵计算，所得向量W=［W1，W2，...，Wn］T即为所求的风险权重向量，即为权重向量所对应的特征根。由于在建立判断矩阵时，采用专家个人感觉、经验进行主观判断，会存在指标值不一致的情况，因此需要对判断矩阵的一致性进行验证，得到一致性指标，同时根据表2查找相应的平均随机一致性指标RI，并计算一致性比例，当CI/RI<0时，可认为经过行业专家评判得到的判断矩阵满足要求，否则需要重新评分建立，通过上述步骤可以得到二级指标层中各因素的权重。

同理，根据准则层中各元素与因素层中各元素的关系，分别建立一级指标与二级指标间的比较矩阵B-C，计算相应矩阵的权重向量并进行一致性检验，最终得到各准则层中的因素权重。

表2 平均随机一致性指标取值

2.3.2 数据包络分析法计算评价指标权重并排序

将层次分析法建立的评价指标体系中的每一个因素作为决策单元，输入值定义为1，判断矩阵中的每一列作为对应决策单元的输出值。运用数据包络分析法的CCR模型求解最优值hij，以评价各单元的相对有效性，也就是指标的权重值。风险评价模型（D）为

式中，yrj表示第j个评价单元相对输出指标i的产出量，由于式（1）为分式规划模型，不能直接计算，故令，将式（1）化为线性规划模型：

式中，由于输入指标将其定为了1，故xj表示输入值，yj=（y1j，y2j，...，ysj）表示输出值，由于各个输入输出指标地位不同，故需要赋予每个输入和输出恰当的权重。设输入权向量为，输出权向量为，通过线性规划模型可以求出各指标参数的权重值。

本文将输入指标取了固定值方便计算比较，故上式DEA模型还可转换为：

表示所有评价指标的判断矩阵集合，即该模型的输出指标集合，yir表示第r个被评价对象对应第i种输出的量，为第r个被评价对象的输入量，为第r个评价指标对应输出指标i的输出权重。将每个评价指标所对应的输出值和权重分别带入简化线性规划模型中，即可评价因素指标的总体输出量W=（W1，W2，...，Wn）［2］，即各风险因素的权重。

3 工程实例分析

3.1 工程概况

本文基于绵阳科技城集中发展区综合管廊项目进行研究。该项目采用分片预制装配式，全长33.654 km，整个发展区里涵盖了4条综合管廊项目，入廊管线包含电力电缆、通信光缆线、给水管、中水管和燃气管线，其中污水管和燃气管采用局部入廊的方式。

3.2 绵阳科技城综合管廊项目施工阶段风险评估

根据专家对风险因素的判断，采用1-9标度法对一级指标因素进行相互评价比较，建立一级指标评分矩阵：

再通过准则层与因素层的关系，分别构造判断矩阵B1-C、B2-C、B3-C、B4-C：

以B2C矩阵为例，带入简化线性规划模型中求解模型的最优解，即各评价指标的权重值：

表3 各评价指标权重

由表3可知，在综合管廊项目施工阶段准则层的风险等级排序由高到低依次是B3（管线风险）、B1（土石方开挖风险）、B2（防水风险）、B4（设备风险）。

4 结论

基于层次分析法AHP 和数据包络分析DEA对绵阳科技城综合管廊项目施工阶段的风险进行综合分析，得到以下结论：

1）从风险权重来看，管线风险是综合管廊施工阶段的最大风险因素，其次是土石方开挖风险，再是防水风险，最后是设备风险。通过数据可以看出管线风险中管线存在可燃气体泄露或漏电导致火灾、爆炸的风险权重是最大的，是整个风险管理中要引起重视的部分。同时，虽然土石方开挖风险和防水风险占比不大，但也要对其引起注意，是不可忽略的一部分。

2）在12个指标因素中，管廊渗水所占总权重最高，说明在综合管廊的施工阶段要对管廊的渗水做好处理，防止高风险的因素发生，产生严重的后果。其次，管线中可燃气体泄露或漏电导致火灾、爆炸的风险权重排序第二，这也是我们在施工过程中应该着重考虑的地方，一旦发生这样的危险，将带来不可估量的损失。此外，管线阀门、管件安装不合理所占权重最低，这同时也是综合管廊施工阶段应该最先也是最容易解决的问题。

3）通过2种分析方法的结合，可以有效避免层次分析法中专家主观因素的影响，以最客观的方式对综合管廊施工阶段的风险进行评价，同时也改善了传统DEA方法无法考虑决策者偏好的弊端。运用该模型可以找到施工过程中影响最大的风险因素，并对其进行预防，找到风险管理中的侧重点，有针对性的预防规避风险。