綜合管廊投資運營模式選擇模型構建研究

張淼林， 張成中

(1. 西安建筑科技大學土木工程學院， 陜西 西安 710055； 2. 陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室， 陜西 西安 710055)

0 引言

在國家政策的鼓勵下，各地區紛紛投資建設綜合管廊，但對建成后的運營階段考慮較少，不少地區出現建設完成后無法實現運營的情況，重建設輕運營已成為當前阻礙綜合管廊在我國發展的主要問題。項目投資主體的確定即確定了該項目的決策主體，一定程度上也決定了后期可采用的運營模式。在綜合管廊立項階段確定合適的投資運營模式，可以有效保證項目融資、建設和后期運營的順利進行，以充分發揮綜合管廊城市地下生命線的作用。目前，綜合管廊投資運營模式的選擇還沒有形成統一的指導意見，縱觀對綜合管廊建設運營模式方面的研究，主要集中在對PPP模式的選擇、運營模式的研究等方面。文獻[1]在初步識別7種適合綜合管廊的PPP模式的基礎上，運用OWA算子和可拓物元，確定了各PPP模式與綜合管廊項目的適用程度；文獻[2]在對不同PPP模式進行分析的基礎上，運用BP神經網絡和直覺梯形模糊TOPSIS法構建了綜合管廊PPP模式兩階段選擇模型；文獻[3]分析了綜合管廊不同運營模式的特點，運用直覺模糊集構建了綜合管廊運營模式決策模型；文獻[4]在對國內常用的3種運營模式進行案例分析的基礎上，根據現存的問題提出了基于“三級架構”的PPP和非PPP 2種模式。部分學者也對綜合管廊的投資運營模式進行了研究。文獻[5]通過對深圳市市政管道建設現狀進行分析，指出政府全額出資、管線單位租用是最適宜深圳市的模式；文獻[6]梳理了北京市綜合管廊投資運營模式存在的問題，提出引入社會資本、實行有償使用等建議。當前國內對綜合管廊投資運營模式的研究較少，且集中在根據地區的建設情況分析某種模式與該地區的契合性上，缺乏對投資運營模式通用選擇模型的研究。本文在對常用的4種投資運營模式進行分析的基礎上，構建綜合管廊投資運營模式選擇指標體系，并運用云模型對AHP-TOPSIS進行改進，構建綜合管廊投資運營模式的通用選擇模型，以期為地方政府選擇綜合管廊投資運營模式提供決策依據與方法。

1 國內常用綜合管廊投資運營模式

根據對國內相關文獻的分析和實際工程項目信息的收集，目前較為常用的投資運營模式有4種： 政府全額出資模式、政府和管線單位合資模式、股份合作制模式、特許經營模式。

1.1 政府全額出資模式

政府全額出資模式是指建設資金來源于政府部門或政府部門下轄的城市投融資平臺，建設完成后綜合管廊產權歸政府所有，管線單位無償將管線敷設其中，綜合管廊主體結構和一般附屬設施的維護由政府部門負責，各管線單位負責各自管線及相關附屬設備的維護。政府全額出資模式是基礎設施建設領域最常見的模式，在規劃階段可以節省大量與管線單位協商入廊費用和運維費用的時間；政府部門擁有綜合管廊的全部產權，避免了和其他共建單位之間的產權糾紛，能有效保障綜合管廊提供服務的穩定性；在管線單位無償使用的情況下，相比傳統的直埋敷設方式，將管線入廊沒有增加管線單位的財務負擔，保證了管線單位入廊的積極性。

1.2 政府和管線單位合資模式

政府和管線單位合資模式是指由政府和管線單位共同出資建設綜合管廊，建設完成后綜合管廊產權由政府和管線單位共同所有。綜合管廊的使用權歸管線單位所有，綜合管廊的維護方式有2種： 一種是由政府部門指定的國有企業負責管廊主體和一般附屬設施的維護，管線單位負責各自管線及相關附屬設備的維護；另一種是將綜合管廊的運營維護交與專業的運營公司，運營維護費用由政府和管線單位按一定比例分攤。采用政府和管線單位合資模式，可以緩解地方政府部門的財政壓力，由于管線單位也參與了綜合管廊的建設，可以有效保證管線單位入廊的積極性。

1.3 股份合作制模式

股份合作制模式是指地方政府授權國有企業代表政府以地下空間資源或部分資金入股吸引社會資本參與綜合管廊項目共同組建股份制項目公司，以股份制的形式進行項目的投資建設和運營維護，建成后管廊產權由政府和社會資本共同所有。股份合作制投資運營模式通過吸引社會資本參與綜合管廊項目的投資建設和運營維護，可以有效緩解政府的財政壓力，同時引入了社會資本的先進管理經驗，使綜合管廊項目各階段的工作更加高效和完善。

1.4 特許經營模式

特許經營模式是指社會資本與政府部門通過簽訂特許經營協議，在特許經營期內建設、運營綜合管廊，待特許經營期滿將綜合管廊無償轉交與指定的政府管理機構。社會資本與政府部門成立項目公司，社會資本部分出資，其余建設資金以項目融資的方式通過金融機構貸款，在特許經營期內項目公司擁有綜合管廊的產權，待特許經營期滿，產權歸政府所有。綜合管廊的維護可以由項目公司自行組建運營并負責管理，也可以分包給專業的運營公司負責管理，維護費用由項目公司負責。項目公司的主要收入來源包括管線單位繳納的一次入廊費、運營維護費和政府的可行性缺口補助。采用特許經營模式建設綜合管廊可以有效地緩解政府財政壓力，引入社會資本的先進管理手段，建設效率和運營效率都能大幅提升。

當前常用的4種投資運營模式具有不同的特點，是各地區在建設綜合管廊項目的過程中不斷摸索總結出來的階段性成果。4種投資運營模式對比分析見表1。

表1 投資運營模式對比分析

2 綜合管廊投資運營模式選擇模型構建

2.1 構建投資運營模式選擇指標體系

綜合管廊投資運營模式選擇指標體系的確定對投資運營模式的選擇具有決定性的作用，選擇的指標不同，可能帶來截然不同的結果，因此指標體系的選擇應該遵循合理性、科學性、針對性等原則。本文對綜合管廊4種投資運營模式的本質區別進行分析，在考慮綜合管廊現存問題、建設意義、專家建議等方面內容的基礎上，從項目特征、抗風險能力、工作效能、經濟效益和社會效益等5方面初選了24個指標。聚類分析[7]可以使相關性高的指標歸為一類，降低指標間的相關性； 灰色關聯分析[8]則可以保留關聯度大的指標，剔除關聯度小的指標。為保證各指標之間的相關性及指標的重要性，本文將采用聚類分析和灰色關聯分析相結合的方法，對指標進行篩選，最終確定綜合管廊投資運營模式選擇指標體系，見表2。

表2綜合管廊投資運營模式選擇指體系

Table 2 Selection index system of investment and operation mode of utility tunnel

準則層編號指標 指標編號管廊項目特征C1管廊建設規模C11入廊管線種類C12管廊需求程度C13當地政府財政支付能力C14項目風險C2政治風險C21市場風險C22資金風險C23項目內生風險C24工作效能C3規劃設計工作效能C31建設工作效能C32運營工作效能C33協調工作效能C34經濟效益C4政府收益C41管線單位收益C42社會資本收益C43社會效益C5管廊空間利用率C51城市環境影響C52經濟增長貢獻C53

2.2 構建投資運營模式選擇模型

2.2.1 基于云模型改進層次分析法確定權重

層次分析法由Saaty教授在20世紀80年代初提出，是一種系統的評價方法，在因素之間進行對比形成判斷矩陣，因素之間的相對重要性通過評價尺度“同等重要”“稍微重要”“相當重要”“明顯重要”“絕對重要”來表述，Saaty等學者提出了采用1—9標度法來表示評價尺度(見表3)，實現了定性指標向定量指標的轉化。層次分析法(AHP)的評價尺度實際是屬于模糊數學的范疇，采用精確的整數來表示模糊的概念未必符合實際。有學者指出，重要性的大小實際上是一個具有穩定傾向的隨機數，為解決這一矛盾，王洪利[9]提出了通過在層次分析法中引入隸屬云的概念，以此來通過定性的概念去描述因素間的重要性。

表3 1—9標度法

(1)

(2)

(3)

第3步，進行層次單排序及其一致性檢驗。經過第2步后，將專家對每一層次各個因素兩兩對比后形成的判斷矩陣轉化為基于云模型判斷標度的判斷矩陣：

表4 隨機一致性指標

第4步，進行層次總排序及其一致性檢驗。經過層次單排序之后，可以得到對于某一層次所有因素相對于上一層某因素的權重向量，采用云模型數字特征的乘法運算法則計算最底層因素相對于目標層的權重，即層次總排序。同樣的，對層次總排序也需要進行一致性檢驗。

本文通過問卷調查的方式邀請62位綜合管廊投資運營領域的專家和學者對指標進行重要性打分，最終收回55份有效問卷。經過步驟1至步驟4的數據分析，最終各指標的隸屬云權重見表5。

表5 指標權重隸屬云

2.2.2 基于云模型改進TOPSIS法構建選擇模型

TOPSIS(technique for order preference by similarity to an ideal solution)法由C.L.Hwang和K.Yoon于1981年首次提出，又稱為理想解排序法、理想點法等，是一種根據現有評價對象與理想化指標接近程度進行排序的多目標綜合評價方法[14-15]。其評價原理是選取待評價對象指標值中的所有最優值和最劣值組成最優解和最劣解，計算待評價對象與最優解和最劣解的相對距離。當評價對象最靠近最優解且最遠離最劣解即為最優，根據相對距離來進行方案的排序。

第1步，邀請專家針對各選擇指標確定各評價方案的得分，采用逆向云發生器得到決策隸屬云矩陣。

第2步，將指標權重隸屬云與指標評價值隸屬云按照云模型數字特征的乘法法規進行集結得到加權決策隸屬云矩陣Z=(zij)m×n。設權重隸屬云特征值為ωj=(Exj,Enj,Hej)，決策隸屬云矩陣為B=(bij)m×n，其中bij=(Exij,Enij,Heij)，則

zij=ωjbij=(Exj,Enj,Hej)(Exij,Enij,Heij)。

(4)

第3步，構造正、負理想解隸屬云。設評價指標中效益型指標集合為T1，成本型指標集合為T2，效益型指標表示屬性值越大越優，成本型指標表示屬性值越小越優。

(5)

(6)

第4步，計算待評價模式指標評價隸屬云與正、負理想解隸屬云的距離。本文擬采用隸屬云的相似性概念來計算評價方案與正、負理想解隸屬云的距離。設2朵隸屬云分別為A1=(Ex1,En1,He1)、A2=(Ex2,En2,He2)，通過正向隸屬云發生器生成n個云滴，保留落在[Ex-3n,Ex+3n]內的云滴。若2朵云落在范圍內的云滴數n1≠n2，取其中較小值的云滴數，以橫坐標值進行排序，依次計算2朵云相鄰云滴的距離，則2朵云的距離[16]可定義為：

(7)

3 案例分析

3.1 項目概況

陜西省西安市某地下綜合管廊建設項目囊括了西安市主城區及周邊區縣的地下管廊建設，項目分為2個標段。西安市某地下綜合管廊建設PPP項目Ⅰ標段包括新建干線、支線管廊72 230 m，纜線管廊182 500 m，靜態投資估算為745 259.55萬元； 未來需回購幸福路、萬壽路干支線管廊10 670 m，靜態投資估算87 862.00萬元。

3.2 實例分析

邀請22位綜合管廊投資運營領域相關專家和學者根據項目工程資料和所在地情況按照1—5標度法對指標體系進行打分。在項目特征這一準則層中，1—5標度分別表示當前項目特征條件下采用各模式的適合程度，屬于效益型指標；在項目風險這一準則層中，1—5標度分別表示各模式下發生此類風險的可能性大小，屬于成本型指標；在工作效能這一準則層中，1—5標度分別表示各模式下工作效能的高低，屬于效益型指標；在經濟效益這一準則層中，1—5標度分別表示各模式下參與各方獲取收益的可能性大小，屬于效益型指標；在社會效益這一準則層中，1—5標度分別表示各模式下可能獲得的社會效益的大小，屬于效益型指標。

將原始數據按式(1)至式(3)進行處理，得到各模式加權決策隸屬云，并從加權決策隸屬云中篩選出正、負理想解隸屬云。利用Matlab軟件分別計算各模式下指標評價隸屬云與正、負理想解隸屬云的距離，并根據隸屬云的特征值生成云滴，對落在[Ex-3n,Ex+3n]內的云滴依次排序后兩兩云滴進行計算。由于此時云滴的生成具有隨機性，最終2個隸屬云之間的距離也具有隨機性，因此在確定距離時，本文將程序運行10次后得出的距離值的平均值作為最終計算結果。以規劃設計工作效能指標為例，各模式下該指標的評價隸屬云與正、負理想解隸屬云在論域[0,1]中的映射見圖1和圖2，圖中不同顏色的點分別代表規劃設計工作效能指標正、負理想解隸屬云和各模式的規劃設計工作效能評價隸屬云。

圖1規劃設計工作效能指標評價隸屬云與正理想解隸屬云的映射關系

Fig. 1 Mapping relationship between membership cloud and positive ideal solution membership cloud of planning and design work efficiency indices

圖2規劃設計工作效能指標評價隸屬云與負理想解隸屬云的映射關系

Fig. 2 Mapping relationship between membership cloud and negative ideal solution membership cloud of planning and design work efficiency indices

利用Matlab軟件計算各模式下管廊建設規模指標評價隸屬云與正、負理想解隸屬云的平均距離如下：

dC31(A,P1)=0.046 3；

dC31(A,P2)=0.260 3；

dC31(A,P3)=0.276 1；

dC31(A,P4)=0.239 0；

dC31(B,P1)=0.262 0；

dC31(B,P2)=0.064 2；

dC31(B,P3)=0.064 9；

dC31(B,P4)=0.060 4。

各投資運營模式的評價隸屬云與正、負理想解隸屬云的Euclid距離分別為：

4 結論與討論

1)構建了投資運營模式選擇指標體系，運用AHP和TOPSIS相結合的方法克服了TOPSIS無法確定指標權重的缺點，充分考慮了模式選擇過程中專家評價語言的不確定性，引入云模型分別對AHP-TOPSIS加以改進，最終構建了綜合管廊投資運營模式選擇模型，并通過案例驗證了該模型具有較好的擬合度，可以為地方政府選擇綜合管廊投資運營模式提供決策依據與方法。

2)當前國內綜合管廊正處于建設的高峰期，鮮有項目實現成功運營。本文所選擇定量指標的數據難以獲取，因此僅能依據專家打分的形式得出，缺乏可靠性，待日后多數綜合管廊進入運營階段，可以通過實際數據來進行模式的選擇，進一步完善投資運營模式選擇模型。