装配式建筑供应链韧性评估研究

马 菱,荀志远,刘清连,常海旭

(青岛理工大学 管理工程学院,山东 青岛 266520)

随着现代化技术的发展,作为新型现代化建筑模式的装配式建筑,已然成为传统建筑业实现转型的首要选择.与传统现浇建筑相比,装配式建筑是预制构件在工厂内完成生产后,将所需构件运输到施工现场,在现场进行安装与连接的建筑,具有施工速度快、劳动需求低、资源浪费少等优点[1].为进一步推动装配式建筑的大力发展,必须加强对供应链的柔性、管理一体化等方面的能力建设[2].近年来,对装配式建筑供应链上下游造成影响的因素日益增多,导致供应链存在较大风险,供应链韧性不足日渐凸显,这对工程项目建设的持续进行以及工程承包企业间的竞争优势产生重大影响.因此,有必要找出一种科学有效的方法对装配式建筑供应链韧性进行分析与评估,进一步提升装配式建筑供应链韧性水平.

1973年,加拿大生态学家Holling[3]首次提出生态系统韧性的概念,认为它是一种抵抗外界对其产生改变的能力,能够维持生物数量及其相互关系的生态系统.柯燕燕等[4]认为“韧性”是系统在受到不确定性风险冲击时具有一定空间和资源弹性容量,具有反弹、缓冲、适应的能力.廖涵等[5]认为供应链韧性是指供应链受到干扰后能够恢复到原始状态或者更加理想状态的能力.参照上述韧性相关概念,将装配式建筑供应链韧性定义为:装配式建筑供应链在应对风险时,供应链可以抵抗风险并且根据风险对供应链进行调整以迅速恢复其原始状态的能力.

通过现有研究发现,学者们对装配式建筑供应链的研究主要集中在装配式建筑供应链风险因素识别和风险评估两方面.武群丽等[6]通过构建AHP-DEMATEL-ISM组合模型对装配式建筑供应链风险关键因素进行研究,研究识别出现场管理人员水平及信息对称程度是关键风险因素.孙亚琪等[7]基于复杂网络理论分析了装配式建筑供应链风险之间的传递效应,确定出关键风险,提出四种风险免疫策略,并对风险免疫效果进行动态仿真分析.赵辉等[8]在全生命周期视角下识别出装配式建筑供应链风险因素并构建评估指标体系,基于物元可拓模型对装配式建筑供应链风险进行评估,为项目风险防控提供了理论指导.而对于装配式建筑供应链韧性的研究较少,朱蕾等[9]基于解释结构模型(ISM)对装配式建筑供应链韧性影响因素进行研究,发现提升设计单位和供应链的信息共享水平、物流企业的运输能力对增强装配式建筑供应链韧性具有直接效果.可见,对装配式建筑供应链的研究仍停留在风险层面,缺乏系统的针对装配式建筑供应链韧性进行评估的研究.

基于此将装配式建筑及其供应链的特点相结合,通过文献分析法识别出影响装配式建筑供应链韧性的因素并构建了装配式建筑供应链韧性评估指标体系;将G1和C-OWA算子结合确定指标权重,引入博弈论确定组合权重;采用向量夹角余弦法对韧性指标进行评估,确定某装配式建筑项目的具体韧性等级.

1 装配式建筑供应链韧性评估指标体系的构建

本文首先在中国知网、Web of Science等数据库中检索有关主题为“装配式建筑供应链”、“供应链韧性”的文献,共计检索出21篇文献.采用文献分析法筛选出影响装配式建筑供应链韧性的指标,形成预测、响应、适应、恢复、学习五个能力维度为一级指标,又在一级指标下细分出19个二级指标.识别出的装配式建筑供应链韧性指标,如表1所示.

表1 装配式建筑供应链韧性指标在文献中的统计

邀请15位专家以问卷调查的形式对装配式建筑供应链韧性指标进行二次筛选及识别,然后将问卷回收,总计回收了13份,其中有效问卷为11份,有效回收率为73.3%.调查结果显示参与此次问卷调查的专家主要是从事装配式建筑、供应链管理的相关人员,其中有85%具有本科及以上学历,70%具有5年及以上从事建筑行业的经验.根据问卷调查结果进行专家访谈,根据专家意见对装配式建筑供应链韧性指标名称进行整合优化,其中:将制造能力、外包数量、物流配送力分别更改为预制部品制造能力、外包预制部品数量、预制部品物流配送力.利用SPSS软件对回收的问卷进行效度检验与信度分析,计算结果均大于0.8,表明韧性指标具有较高可信度.最终确定装配式建筑供应链韧性评估指标体系,如表2所示.

表2 装配式建筑供应链韧性评估指标体系Table 2 The index system for assessing the resilience of the supply chain of prefabricated building

2 装配式建筑供应链韧性评估模型的建立

2.1 基于博弈论的G1法与C-OWA算子组合赋权

2.1.1 G1法确定指标主观权重

G1法最早是由郭亚军在2002年提出,此方法能避免层次分析法中存在的计算量大、演算过程复杂、进行一致性检验等的缺点.且特别适合于像装配式建筑供应链韧性评估这样因素众多的问题.G1法评估指标主观赋权的具体步骤如下:

1)专家根据评估指标间的相对重要度对指标排序,并给出相邻指标xj-1,xj(j=2,3,…,n)之间的重要程度比值rj.rj赋值如表3所示.

表3 rj赋值表Table 3 rj assignment table

2)根据式(1)计算第n个评估指标的主观权重wn:

(1)

3)根据式(2)计算其他(n-1)个评估指标的主观权重:

wj-1=rjwj

(2)

2.1.2 C-OWA算子确定指标客观权重

OWA算子(Ordered Weighted Averaging)被称为有序加权平均算子,此方法在1988年被Yager教授提出,随后众多学者对OWA算子不断改进及深入研究后形成了基于组合数的有序加权平均C-OWA算子来对评估指标进行科学赋权,有利于后续的韧性评估工作,使得评估结果具有较高的准确性和可信性.C-OWA算子对评估指标客观赋权的具体步骤如下:

1)邀请相关领域内的n位专家,组成供应链韧性评估指标重要度评分组.

2)专家根据十分制打分法对同一供应链韧性评估指标按照指标重要程度打分,构成该供应链韧性评估指标重要程度初始评分集合A=(a1,a2,…,an).将该供应链韧性评估指标重要程度初始评分依据数值由大到小进行排序,从0开始进行编号,得到新编号后的供应链韧性评估指标重要程度评分集合B=(b0,b1,…,bn-1).

(3)

4)对供应链韧性评估指标重要程度评分集合B加权,根据式(4)计算供应链韧性评估指标的绝对权重wi.

(4)

其中:m为指标个数.

5)根据式(5)计算供应链韧性评估指标的相对权重λi.

(5)

2.1.3 博弈论计算指标组合权重

利用博弈论计算指标的组合赋权能够将获得的主客观权重进行线性组合,以此确定最优指标权重的过程[18].采用G1法和C-OWA算子相结合的方式,可有效避免单一赋权存在的不足,使评估指标权重更加准确、合理.博弈论组合赋权的具体步骤如下:

1)假设采用L种赋权方法对评估指标进行赋权获得k种权重值,其中任一赋权方法所得向量为wk={wk1,wk2,…,wkn}故L个向量的线性组合为:

(6)

2)为对线性组合系数进行优化,采用博弈集结模型理论优化L个线性组合系数β=[β1,β2,…,βn],使得w与每个wk的离差达到最小,以此来获取w*中最优的权重.构造的目标函数为:

(7)

3)根据矩阵微分性质对式(7)进行等价变换所得线性方程组为:

(8)

根据式(8)便可求出最优线性组合系数β*=[β1,β2,…,βk](k-1,2,…,L),将最优线性组合系数进行归一化处理:

(9)

4)计算最终组合权重矩阵

(10)

2.2 基于向量夹角余弦的韧性评估模型的建立

传统评估方法如灰色聚类、模糊综合评估等在进行评估时存在较主观性及较多定性成分,且对评估目标的影响程度也是不明确的.装配式建筑供应链韧性评估的本质就是以一种方法在几何空间中通过识别两向量夹角余弦值大小来评判目标数值与理想数值的区别,向量夹角余弦法常在多属性决策中被用到.

1)计算标准加权评估向量U.研究发现,指标体系中的19项指标均属于效益型指标,因此假设1～9为韧性评估中各指标的值域,指标数值越大表示指标越优.每一指标的权重值乘以值域中最优值的绝对值,构成标准加权评估向量U.

U=(9×w1,9×w2,…,9×wn)n=19

(11)

2)构建加权待评估向量V.邀请相关领域m位专家,根据韧性评估指标体系对待评估对象指标按照1～9进行打分,以同一指标评估分数的平均值作为最终分数,对最终分数进行整理得到初始待评估向量I.

I=(i1,i2,…,in)n=19

(12)

对初始待评估向量I加权处理,得到加权待评估向量V.

V=I×w=(i1×w1,i2×w2,…,in×wn)n=19

(13)

3)计算向量夹角余弦值r.对标准加权评估向量U和加权待评估向量V两向量进行计算,所得向量夹角余弦值即为韧性评估值.

(14)

4)确立评估等级标准.r的取值在-1～1之间,r越接近1,代表被评估对象韧性同理想韧性越接近,韧性越强;反之韧性越差.当目标值和实际值满足统计学中P=0.05原则,即认为目标一致.由此确定装配式建筑供应链韧性评估标准,具体标准划分如表4所示.

表4 装配式建筑供应链韧性评估标准Table 4 Prefabricated building supply chain resilience assessment criteria

3 案例分析

以青岛市某装配式建筑项目为实际案例进行分析.该建筑主体结构采用装配整体式剪力墙结构,建筑项目总投资10 165.3万元,占地面积为9 264 m2,建筑面积约4.92×104m2,地下面积约1.68×104m2,预制装配率达40%以上.因项目体量大,且在建设过程中涉及众多参与方,建筑供应链上存在诸多潜在风险因素,容易出现断链的风险.为此,邀请了建筑供应链领域的专家形成专家评分组,对此项目供应链韧性进行评估.

3.1 计算指标权重

邀请5位专家形成专家评分组,专家小组成员根据丰富的工作经验及专业知识等分别对各个供应链韧性评估指标进行打分,得到原始评分数据.根据式(1)～(5)分别计算各个韧性指标的主观权重及客观权重,如表5所示.

表5 装配式建筑供应链韧性评估指标权重Table 5 Weighting of indicators for assessing the resilience of the supply chain of prefabricated building

3.2 基于向量夹角余弦法的韧性评估

邀请6名专业知识丰富的专家形成专家打分组按照19项指标对供应链韧性进行1～9打分,最终各指标评分以专家打分结果的平均值为准,评分结果汇总如表6所示.

表6 专家评分结果汇总Table 6 Summary of expert scoring results

3.2.1 模型构建

1)根据式(11)计算标准加权评估向量U.

U=(0.387,0.567,0.531,0.873,0.297,0.207,0.270,0.450,0.702,1.161,1.053,0.648,0.180,0.090,0.315,0.225,0.162,0.126,0.756)

2)由式(12)得到初始待评估向量I.

I=(5,6,4,7,6,5,4,5,4,7,6,5,4,4,6,5,6,4,7)

3)根据式(13)计算得加权待评估向量V.

V=(0.215,0.378,0.236,0.679,0.198,0.115,0.120,0.250,0.312,0.903,0.702,0.360,0.080,0.040,0.210,0.125,0.108,0.056,0.588)

4)由式(14)计算标准加权评估向量U与加权待评估向量V两向量的夹角余弦值r.

3.2.2 评估结果及分析

根据上文可知,r越接近1,代表被评估对象韧性同理想韧性越接近,韧性越强,由表4的装配式建筑供应链韧性评估标准可知,此项目综合供应链韧性为“良好”等级,但仍有可以提升的空间.利用标准加权评估向量U及加权待评估向量V两者评估数据绘制出装配式建筑供应链韧性评估指标数据对比图,如图1所示.

通过评估指标数据对比图可以清晰地看出该项目供应链韧性同标准韧性数据之间有较为明显的差距,同时也可发现各韧性评估指标的优劣程度,评估指标数值越大代表越优.图1可以直观地发现被评估对象的不足之处,进一步明确自身需要改进的方面.

4 结 语

装配式建筑供应链上下游扰动因素的增加,导致装配式建筑供应链存在较大风险,供应链韧性不足的问题日益凸显,合理进行供应链韧性评估能够有效提升项目供应链韧性水平,结合基于博弈论思想的G1和C-OWA算子以及向量夹角余弦法构建了韧性评估模型.通过文献分析和专家调查,从预测能力、响应能力、适应能力、恢复能力、学习能力5个维度建立韧性评估指标体系;考虑专家打分存在较强的主观性,分别采用G1法和C-OWA算子法计算评估指标的主观权重及客观权重,利用博弈论思想计算指标的最终组合权重,使所得指标权重更加科学合理;运用向量夹角余弦法确定装配式建筑项目的综合韧性等级,为有效提升供应链韧性水平提供新的思路,有助于推动装配式建筑全面快速发展.