基于DEMATEL-TOPSIS法的综合管廊施工风险决策研究

周盛世，张 宁，张晓娟，刘青云，李 梦

(青岛理工大学 管理工程学院，青岛 266525)

近年来，随着城市系统的不断发展更新，城市基础设施建设也迎来了新的变革.为简化城市地下管网系统，同时方便维护及检修工作，综合管廊建设成为城市管理者的关注重点.相关政策和法律规范陆续的推出，新兴科学技术的应用更加有效地助力了城市综合管廊的建设.

国内学者对综合管廊风险有着诸多研究，朱兰俊丹[1]以综合管廊发展现状为背景，识别分析施工中特有风险并建立风险机制.刘玄[2]、段泳仲[3]等结合PPP模式，从管廊建设全过程出发分析风险影响并提出相应规避措施.赵玉茁[4]、商冬凡[5]等分别针对综合管廊施工安全现状、风险类别进行全面分析，同时提出评价工作的重点所在.李芊等[6]围绕管廊建设的前期、施工、运营3个阶段的风险源进行识别分析，为现阶段综合管廊风险研究提供一定补充.文献[7-9]分别从不同角度对综合管廊施工风险进行分析，利用灰色关联等定量模型对风险进行计算和科学评估，并针对性提出风险管控建议.

通过文献研究和实际调查分析，选取应用较为普遍的综合管廊施工方法为研究对象，构建风险指标体系，采用DEMATEL方法量化指标权重，以指标间关联程度确定其重要性，避免非客观因素的干扰.利用模糊TOPSIS法对不同施工方法下的综合管廊施工风险进行分析评价，能够有效获取精确结果，为最优施工方案选择提供一定帮助.

1 不同施工方法下的综合管廊施工风险指标体系

1.1 综合管廊的施工方法概述

城市综合管廊不仅能够满足民生的基本需求，还能提升城市综合承载能力.就实际的施工状况而言，目前综合管廊常见的施工方法主要包括盾构法、顶管法、明挖现浇法、明挖预制拼装法、浅埋暗挖法5种，详见表1.

表1 5种综合管廊施工方法汇总

通过文献研究对比和实际调查数据显示，盾构法、顶管法、明挖现浇法3种综合管廊施工方法运用较为普遍.朱邦范[10]、方兴杰[11]等对盾构法施工在综合管廊中的应用进行了研究；刘金鹏[12]、施旭升[13]等对顶管法施工在综合管廊中的应用进行了诸多理论研究；刘海歌[14]、危艳[15]等在综合管廊使用明挖现浇方面有着一定见解.本文利用知网选取近10年收录的对综合管廊3种施工方法进行理论和应用研究的约300篇文献进行数据统计，并采用SPSS2.0软件对所得数据分析统计汇总，绘制理论研究与实践应用柱状分布图，如图1所示.

1.2 构建风险指标体系

综合管廊施工面临着诸多潜在风险，会直接或间接对城市整体管廊系统造成一定影响.通过对综合管廊建设相关文献研究和施工调查分析，不管是盾构法、顶管法还是明挖现浇法，其共同的影响因素主要为安全风险、成本风险、技术风险、环保风险、质量风险、工期风险、地质风险.本文从这7个角度建立综合管廊施工风险指标体系，见表2.

表2 综合管廊施工风险因素指标体系

1.3 DEMATEL法确定指标权重

由于指标权重的确定决定评价结果的精确性和可靠性，同时为了避免主观因素的影响以及数据信息的丢失，采用德尔菲法与DEMATEL相结合的方法对风险指标进行量化处理.通过利用DEMATEL方法计算各风险指标因素的中心度值，以中心度值为基础数据进行规范化处理，即得到各指标因素权重.具体步骤如下.

1.3.1 构建直接影响矩阵ψ

选取研究项目相关的专家与学者对各风险因素之间的影响关系进行统计分析，以0—1模式确定风险因素之间的影响关系，通过专家打分确定其直接影响或间接影响关联，即分值为0，则两者之间无直接影响；若分值为1，则表明两者之间相互影响，直接关联.

(1)

1.3.2 规范化矩阵β

利用和最大熵的方法对直接影响矩阵ψ进行规范化处理，将人为因素致使偏差降到最低.

(2)

式中:βij∈[0,1].

1.3.3 建立综合影响矩阵Λ

综合影响矩阵由规范化后的β矩阵进行累加得到，为了简化计算，采用极限逆矩阵的方式计算综合影响矩阵.

Λ=β·(Ε-β)-1

(3)

式中：Ε表示维度相同单位矩阵.

1.3.4 计算权重γ

在获得综合影响矩阵Λ后，以矩阵中的行或列为单位计算其行的和以及列的和，所得行和为指标因素的影响度R，列和为指标因素的被影响度P，中心度Θ为各指标因素的行和与列和的汇总.权重γ的确定，以中心度为基础对其作归一化处理获得最终赋权结果.

影响度：

(4)

被影响度：

(5)

中心度：

(6)

权重：

(7)

2 模糊TOPSIS法的综合管廊不同施工方案风险分析

不同施工方法对综合管廊产生的潜在隐患的侧重点有所不同，在评估施工方案时，需要深入研究该方法产生的风险影响，科学分析过程风险并择优决策.模糊TOPSIS法是一种逼近理想点的择优方法，能够将每一种方案或风险根据距离标准的理想点进行排序，从而达到最优决策的目的.

2.1 建立模糊评价集

以风险因素指标体系为基础，建立模糊评价集合.确定因素集W={w1,w2,w3,w4,w5,w6,w7}={安全风险，成本风险，技术风险，环保风险，质量风险，工期风险，地质风险}.根据风险因素对评价对象的影响程度，设其评判指标等级分为影响程度很大、大、较大、一般、较小、小、很小，转化为模糊语言即影响程度集合为S={s1,s2,s3,s4,s5,s6,s7}={影响很大，影响大，影响较大，影响一般，影响较小，影响小，影响很小}.

2.2 计算加权规范化模糊矩阵

选取综合管廊施工相关的实际实施者与研究工作者分别对风险因素进行影响度评分，主要包括技术人员、施工人员、管理人员、高校研究员和学者等7位专家，分别整理分析各施工方法评价结果，并构建矩阵.

1) 根据评价结果构建初始模糊矩阵A：

(8)

式中：aij为第i个风险因素的第j个评价指标.

2) 采用向量变化法对初始矩阵进行规范化处理，得到矩阵B：

(9)

3) 根据各指标因素权重与规范化矩阵B，构建加权模糊矩阵Q.由式(7)得权重矩阵γ=(γ1,γ2,…,γn)Τ，则Q=γ×B，即

(10)

2.3 计算指标因素到理想点的距离及贴近度

1) 确定指标因素的正负理想解.

设正理想解为

(11)

负理想解为

(12)

2) 风险指标因素到正负理想点的距离分别为

(13)

(14)

3) 各风险指标因素与正负理想目标因素的贴近度为

(15)

根据贴近度λ的计算结果大小对风险因素进行排序，通过各风险因素的排序情况分别分析不同施工方法下所面临的风险影响程度，综合评估，为综合管廊施工方案择优决策提供借鉴.

3 实例分析

本文选取青岛西海岸新区贡北路地下综合管廊项目为研究对象，对综合管廊施工风险进行评估，选取最优施工方法.项目位于青岛市西海岸新区董家口经济区贡北路，主要是平行道路中心线敷设，位于道路红线外北侧20 m绿化带内.干支线主管廊全长12.8 km，支线管廊长395 m.规划入廊管线有给水、再生水、污水、热力、天然气、110 kV电力、10 kV电力、通信等8种管线.以盾构法、顶管法、明挖现浇法3种施工方法为选择方案，通过评估分析进行最优决策.

图2 综合管廊施工风险指标体系

3.1 指标体系构建

根据表2和贡北路综合管廊实际施工情况，以安全、成本、技术、环保、质量、工期、地质为风险源，建立综合管廊施工风险指标体系，如图2所示.

3.2 确定指标权重

3.2.1 构造直接影响矩阵和规范化矩阵

选取综合管廊施工相关的建设方、施工方以及专家、高校研究者共20人对风险因素进行评分，采用0—1的标度进行因素之间的关联度划分，0为无影响，1为有影响.对所有专家组成员的打分结果进行处理归纳(见表3)，得到各因素之间直接影响程度，构造直接影响矩阵.

表3 综合管廊施工风险直接影响评分

由表3数据通过式(1)可得直接影响矩阵ψ，由式(2)得到规范化矩阵β，即

3.2.2 计算中心度

通过计算得到的规范化矩阵，利用式(3)进行矩阵可逆运算，合成综合影响矩阵Λ，即

表4 综合管廊风险因素直接影响汇总

利用式(4)—(6)计算风险指标因素之间的影响度、被影响度和中心度值，如表4所示.

3.2.3 确定指标权重

由表4中中心度数据通过式(7)计算各指标因素权重，可得

γ=(0.134,0.204,0.162,0.095,0.173,0.139,0.092)Τ

3.3 基于模糊TOPSIS法的综合管廊不同施工方案风险评价

根据实际工程施工要求，选取与综合管廊施工相关的技术人员、施工人员、管理人员、高校研究员和学者共5位评分专家，对每个风险指标因素打分后，汇总统计并进行规范化处理，见表5.

表5 专家评分汇总

对表5中专家汇总数据进行处理并构建初始模糊矩阵，通过式(9)对初始模糊矩阵进行规范化处理，为统一量化标准，盾构法、顶管法、明挖现浇法采用相同指标权重进行风险因素的赋权，即

γ=(0.134,0.204,0.162,0.095,0.173,0.139,0.092)Τ

根据式(10)计算得到盾构法、顶管法、明挖现浇法3种施工方法的加权模糊矩阵，即

通过式(11)、式(12)分别计算各指标因素的正负理想解，同时利用式(13)—(15)计算各风险指标因素到理想点的距离和贴近度，见表6.

表6 不同施工方法风险指标正负理想解和贴近度

4 结论

1) 通过采用DEMATEL方法确定风险指标权重，解决了人为因素的臆断和主观偏差造成数据信息的遗漏或丢失，保证风险评价及方案决策结果的全面准确.

2) 结合模糊TOPSIS法，对综合管廊不同施工方案的风险进行评价分析，计算指标贴近度值并对风险影响程度排列，确定施工方案优劣.

3) 从评价结果可以看出，目前影响管廊施工的主要隐患为地质风险和技术风险，就总体风险影响而言，明挖现浇法是最优施工方案，同时对于盾构法和顶管法，技术和勘测方面需加强改善力度.