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 長沙 410004;3.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長沙 410082;4.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院, 湖南 長沙 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)收納在一個共同空間[1-3]，具體示意圖見圖1[4]。地下綜合管廊便于統(tǒng)一管理、發(fā)現(xiàn)問題易于維修，同時節(jié)約土地資源，優(yōu)勢明顯[5-6]。目前，我國已有多個城市的地下綜合管廊在建或投入運(yùn)營。安全問題在綜合管廊運(yùn)行維護(hù)過程中至關(guān)重要，學(xué)者們對此做出了一些相關(guān)研究。如：李芊等[7]基于DEMATEL法對綜合管廊運(yùn)行維護(hù)管理風(fēng)險因素進(jìn)行研究，對識別出的22個風(fēng)險因素的重要程度進(jìn)行排序，找出了綜合管廊運(yùn)行維護(hù)過程中的關(guān)鍵風(fēng)險因素；陳麗[8]對綜合管廊運(yùn)營階段風(fēng)險進(jìn)行識別，并運(yùn)用層次分析法對各風(fēng)險指標(biāo)相對重要性進(jìn)行量化評估；和曉丹[9]建立城市綜合管廊PPP項(xiàng)目運(yùn)營管理評價指標(biāo)體系，運(yùn)用層次分析法對各要素重要程度進(jìn)行排序，并對綜合管廊PPP項(xiàng)目運(yùn)營收費(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)險評估模型，對災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行評級；劉玉梅等[11]基于灰色聚類法構(gòu)建評價模型，對地下綜合管廊項(xiàng)目運(yùn)營風(fēng)險進(jìn)行評價。同時，文獻(xiàn)[12-14]也從不同角度對地下綜合管廊運(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)營與管理信息平臺的建設(shè)、不同地區(qū)綜合管廊運(yùn)行維護(hù)對比、及綜合管廊運(yùn)行維護(hù)災(zāi)害等一系列問題。

圖1 綜合管廊斷面形式

對前人研究進(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：對綜合管廊融資、設(shè)計及施工方面的研究相對較多，著重針對綜合管廊運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險的研究相對較少；針對綜合管廊運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險的研究過程中，偏于定性分析，缺少可靠的運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險綜合評價方法；對風(fēng)險重要性進(jìn)行排序的過程中，多采用層次分析法等主觀賦權(quán)方法，難以充分考慮風(fēng)險評價指標(biāo)所包含信息，具有一定局限性。本文對前人研究成果進(jìn)行梳理，建立地下綜合管廊項(xiàng)目運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險評價指標(biāo)體系；在評價指標(biāo)重要性判斷過程中，采用信息熵權(quán)重對主觀權(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)險評價模型，并對某市地下綜合管廊項(xiàng)目進(jìn)行多級綜合評價，對運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險進(jìn)行評級。通過實(shí)例驗(yàn)證了該方法的可靠性及應(yīng)用價值。

1 地下綜合管廊項(xiàng)目運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險評價指標(biāo)體系

地下綜合管廊項(xiàng)目運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險較多，較為復(fù)雜，采用不同的風(fēng)險劃分方式所建立的風(fēng)險評價指標(biāo)體系也存在一定差異。本研究通過專家調(diào)查，并參考相關(guān)文獻(xiàn)[7，9-11]，結(jié)合評價需要，建立地下綜合管廊項(xiàng)目運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險評價指標(biāo)體系。本評價指標(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)二級評價指標(biāo)，詳見表1。

表1 地下綜合管廊項(xiàng)目運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險評價指標(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)險評價模型

2.1 信息熵組合賦權(quán)

(1) 層次分析法。層次分析法[15]簡稱AHP(Analytic Hierarchy Process，AHP)，是20世紀(jì)70年代由美國學(xué)者T.L.Saaty提出的一種多目標(biāo)綜合評價方法。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?評價指標(biāo)體系，本文建立結(jié)構(gòu)模型包括三個層次(目標(biāo)層、一級評價指標(biāo)、二級評價指標(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 計算指標(biāo)權(quán)重。本文選取特征向量法計算指標(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，計算CI一致性指標(biāo)：

(3)

其次，查找隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，見表2。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

最后，計算一致性比率CR：

(4)

當(dāng)比值小于0.1時，一致性檢驗(yàn)通過，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，通過建立原始數(shù)據(jù)評價矩陣計算出各指標(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)法計算權(quán)重的具體流程如下：

① 建立原始數(shù)據(jù)評價矩陣K。矩陣K表達(dá)式為：

(5)

式中：kij表示指標(biāo)初始評價值。

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

(6)

③ 計算信息熵ej。信息熵ej表達(dá)式為：

(7)

④ 計算熵權(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，采用熵權(quán)對主觀權(quán)重進(jìn)行修正，獲得組合權(quán)重，本文采用最小熵原理對主客觀權(quán)重進(jìn)行組合，具體操作如下[17]：

(9)

式中：ωi為評價指標(biāo)主觀權(quán)重；βi為評價指標(biāo)客觀權(quán)重；zi為評價指標(biāo)組合權(quán)重；n為系統(tǒng)指標(biāo)個數(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)險評價模型

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)險評價模型，見圖2。

圖2 地下綜合管廊項(xiàng)目運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險評價模型

(1) 設(shè)定風(fēng)險等級域U和風(fēng)險特征指標(biāo)集C表達(dá)式為：

U=(u1,u2,……,un)，C=(c1,c2,……,cn)

(11)

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

(12)

式中：Noj為劃分的j個風(fēng)險等級；ci為風(fēng)險等級uj的特征；xoji為uj關(guān)于特征ci所規(guī)定取值范圍。

(13)

(3) 確定待評風(fēng)險物元模型R表達(dá)式為：

(14)

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

(5) 確定各評價指標(biāo)與各風(fēng)險等級的關(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個評價指標(biāo)屬于第j個評價等級的關(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)險綜合評價。首先計算綜合關(guān)聯(lián)度Kj(N)：

(19)

式中：αi為第i個評價指標(biāo)Xi的權(quán)重系數(shù)。

其次，進(jìn)行綜合評價：

B=Z·K

(20)

式中：B為U的關(guān)聯(lián)度集；Z為各級指標(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(朝陽街至和平路段)，全程長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。對該?xiàng)目運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險進(jìn)行評價研究，結(jié)合評價結(jié)果采取相應(yīng)措施，具體評價過程如下：

(1) 設(shè)定風(fēng)險等級域U和風(fēng)險特征指標(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c1、c2進(jìn)行賦值，詳見表3。

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

各等級的經(jīng)典域物元如下：

(3) 確定待評風(fēng)險物元模型R。邀請對本項(xiàng)目較為熟悉的工程技術(shù)人員、行業(yè)專家10人，對各二級風(fēng)險的發(fā)生概率c1及損失程度c2進(jìn)行打分(打分取0～10)，具體見表4。

表4 風(fēng)險發(fā)生概率及損失程度打分表

基于表3，整理待評物元如下：

(4) 確定評價指標(biāo)權(quán)重Z。征求上述10位專家意見(結(jié)合專家意見，第一輪確定評價指標(biāo)相對重要性，第二輪確定評價指標(biāo)相對重要程度，如出現(xiàn)不一致現(xiàn)象則及時進(jìn)行調(diào)整)，根據(jù)各評價指標(biāo)相對重要程度，建立成對比較矩陣，見表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，計算主觀權(quán)重ωi、客觀權(quán)重βi及組合權(quán)重zi，見表9。

表9 主、客觀權(quán)重及組合權(quán)重表

(5) 計算各評價指標(biāo)與風(fēng)險等級關(guān)聯(lián)度。評價指標(biāo)與風(fēng)險等級關(guān)聯(lián)度可表示為：

① 確定風(fēng)險因素特征權(quán)重值。聽取專家意見，取風(fēng)險特征權(quán)重αc1=0.4，αc2=0.6。

② 綜合關(guān)聯(lián)度計算?；谑?15)—式(19)，計算各二級評價指標(biāo)風(fēng)險綜合關(guān)聯(lián)度，見表10。

表10 評價指標(biāo)風(fēng)險綜合關(guān)聯(lián)度

(6) 多級可拓綜合評價。多級可拓綜合評價為：

① 一級可拓綜合評價?；谑?20)，表9、表10內(nèi)容進(jìn)行一級可拓綜合評價，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 二級可拓綜合評價?；患壙赏鼐C合評價結(jié)果，進(jìn)行二級可拓綜合評價，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，一級評價指標(biāo)管理風(fēng)險X1、管廊本體及設(shè)備設(shè)施風(fēng)險X2、環(huán)境因素風(fēng)險X3分別隸屬于u4級、u4級、u5級，即：風(fēng)險分別為較高、較高、高；項(xiàng)目總體運(yùn)營風(fēng)險為u4級，即：風(fēng)險較高。

4 結(jié)論與建議

(1) 地下綜合管廊項(xiàng)目運(yùn)行維護(hù)過程中存在的風(fēng)險因素較多、較為復(fù)雜，除考慮管廊本體及入廊設(shè)備設(shè)施風(fēng)險外，還要考慮環(huán)境及管理等方面的潛在風(fēng)險。對主要風(fēng)險進(jìn)行識別，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型對風(fēng)險進(jìn)行準(zhǔn)確的評價，根據(jù)風(fēng)險所處安全等級有針對性的采取應(yīng)對措施，可以大大降低風(fēng)險發(fā)生概率，減少風(fēng)險帶來的損失。

(2) 本文運(yùn)用層次分析法對各風(fēng)險評價指標(biāo)相對重要性做初始判斷，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，充分考慮了專家經(jīng)驗(yàn)及評價指標(biāo)所包含信息，提高了評價結(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)險評價模型，運(yùn)用該模型對A市地下綜合管廊項(xiàng)目運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險進(jìn)行實(shí)例研究，得出一級評價指標(biāo)管理風(fēng)險、管廊本體及設(shè)備設(shè)施風(fēng)險、環(huán)境因素風(fēng)險狀態(tài)分別為較高、較高、高，項(xiàng)目總體運(yùn)營風(fēng)險較高的結(jié)論。該項(xiàng)目運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險較高，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，對管廊本體、設(shè)備設(shè)施及環(huán)境中存在的風(fēng)險制定相應(yīng)措施加以應(yīng)對。