基于結構方程模糊評估模型的水利工程項目施工階段風險研究

劉 波， 姜一天， 張鄭賢， 金 婷， 姜新佩

(1.河北工程大學 水利水電學院， 河北 邯鄲 056000; 2.河北工程大學 土木工程學院， 河北 邯鄲 056000； 3.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京，100038； 4.武漢大學 水利水電學院，湖北 武漢430072； 5.中國農業大學 經濟管理學院，北京 100083)

1 研究背景

水利事業是保障國家快速發展的基礎性行業，水利工程項目施工階段在整個工程建設項目中位于最重要的地位，相比于立項階段和后期管理階段要復雜的多，風險事件頻頻發生[1]，因此，做好水利工程施工階段風險評估具有重要的現實意義。

近年來，對工程項目進行風險評估也成為了工程建設必不可少的環節[2]。有不少學者對水利事業的不同方面進行了風險評估。風險評估的重點和難點在于風險因子權重的確定，其計算方法較多，常用的有層次分析法[3-6]、熵值法[7-8]、模糊綜合評價法[9-10]以及模糊物元法[11-12]等。上述的研究方法中指標權重的確定均具有一定的主觀性或者客觀性[13]，忽略了指標間相互作用的復雜性。而結構方程模型是通過因子分析和驗證性因子分析來確定各指標間的路徑系數[14-15]，進而確定權重，能夠克服上述方法確定權重的不足。

本文以水利工程項目施工階段風險作為研究對象，綜合運用結構方程模型和模糊綜合評價方法，對現有項目風險評價模型進行了適應性改進，構建出結構方程模糊評估模型，進而對水利工程項目施工階段風險進行評估。

2 結構方程模糊評估模型的建立

為了對水利工程項目施工階段風險進行科學評估，本文在已有研究基礎之上，綜合運用結構方程模型與模糊綜合評價法，構建了適合水利工程項目施工階段風險評估的模型，即結構方程模糊評估模型。

結構方程模糊評估模型是運用結構方程模型確定各個風險指標的權重[16]，然后利用模糊隸屬度函數構建出模糊綜合評價模型[17]進行求解。其特點為：得到的評價結果明確，能夠更好地適用于各類評價問題中，能夠解決不確定因素的問題[18]。

2.1 建立風險評價指標體系

水利工程施工階段風險評價首先需要建立評價指標體系，然后，需要對水利工程項目施工階段收集相關指標數據。為了更充分體現風險評價信息，在制定評價指標體系時，需要考慮更多影響因素，進行篩選[19]，但是如果風險評價指標過多，容易造成風險評價體系的復雜性，復雜的評價體系又會帶來更多的不可控因素，所以多方面考慮影響指標時，應舍去影響較小的指標[20]。

本文根據強躍等[6]對中小型水利工程施工指標的選取，再結合水利工程施工階段具體情況，進行分析，可將風險評價指標分為5大類風險，其分別為質量風險B1、技術風險B2、管理風險B3、環境風險B4和其他風險B5。然后，結合水利工程實例，將各大類風險再細分為不同的小風險，即將n個風險指標設為Ci(i=1,2,…,n)。

2.2 確定模糊評價集

評語集是對每一因素所有可能評語的集合，根據水利工程項目施工階段風險評估預期結果的形式來確定出評語集，如“高，中，低”。將水利工程施工階段風險評價等級分為Ei(e1,e2,…,em)，有m個模糊評價集。

2.3 構建風險指標評判矩陣

確定模糊評價集之后，運用模糊評價集[21]對每個被評價事物從每個風險指標Xi(i=1,2,…n)上進行量化，即收集和整理各個風險指標的等級劃分數據，來確定等級模糊子集的隸屬度(R|Xi)，進而得到模糊關系矩陣:

(1)

式中：R為各個風險指標的隸屬度集合；rij為某個風險評價指標Xi對風險指標的評價等級為Ej的模糊評價子集的隸屬度。

2.4 確定評價因素的權重

確定各風險指標的權向量Wi(w1,w2,…,wn)。本文通過設計調查問卷的形式，利用結構方程模型確定風險評價指標間的路徑作用系數，并對路徑作用系數進行歸一化處理，進而確定各個風險指標的權重。

結構方程模型[15](SEM)是第二代多變量數據分析方法，通常用來測量顯變量與隱變量的關系。它可以用于測試理論支持的線性和非線性因果模型。SEM可用于處理研究性問題，處理不可觀測的、難以測量的潛在變量。聯立方程組為：

測量方程

x=Λxξ+δ

(2)

y=Λyη+ε

(3)

結構方程

η=Ψη+Γξ+ζ

(4)

式中：x、y為觀測變量；Λx、Λy、Ψ和Γ為系數矩陣;η、ξ為潛在變量；ε、δ、ζ為誤差項。

本文將目標層(A)和風險層(Bi,i=1,2,…,5)作為潛在變量，子風險層(Ci,i=1,2,…,19)作為觀測變量。

一般運用Amos軟件對結構方程模型進行計算，得到每個風險指標的協方差矩陣作用系數，即可得到各風險指標間的路徑作用系數，即為協方差作用系數。然后根據公式(5)對協方差作用系數進行歸一化處理，進而得到相應指標的權重系數[16]，其各個風險指標的權重組合記為W。

(5)

式中:WXi為風險因素X的第i個指標權重系數；λxi為風險因素B的第i個指標作用路徑系數；X為風險因素(Bi,i=1,2,…,5)和子風險(Ci,i=1,2,…,5)；Xi為第i個指標的實際值；i為風險指標序號。

2.5 合成模糊綜合評判結果向量

將水利工程項目風險指標的權向量W與各個風險指標的模糊隸屬度關系矩陣R進行乘積，進而構建各風險指標的評判結果向量D即：

D=W×R

=(d1,d2,…,dn)

(6)

式中：di為被評價的水利工程風險評價指標對工程風險等級。

2.6 對評判結果分析

在工程風險評價算例中，最大隸屬度原則是主要的參考依據，但由于水利工程項目在施工階段的風險評估難以構成明顯的數學函數關系，從而造成普通的最低隸屬度原則難以合理評估出評價結果，因此本文提出運用加權平均的方法來求隸屬度風險評價等級。

3 實例應用——M水庫工程

M水庫工程建于2016年，主要以防洪發電、節水灌溉等為主要任務，其最大壩高36.8 m，水庫總庫容為1.15×108m3，工程總投資18×108元，電站裝機容量為7 MW。

3.1 建立風險評價指標體系

根據上述指標選取原則，結合該水庫工程實例，將項目施工階段的主要流程進行詳細分析。本次具體從質量風險、技術風險、管理風險、環境風險和其他風險5大類中細分為表1所示的19個子風險指標，并對每個風險指標進行編號，將風險層編號為B，子風險層編號為C。

3.2 建立風險指標評價集

根據M水庫工程實例，將風險評價等級分為3個等級[9]，分別為高、中和低。根據專家經驗給出了各子風險3種等級的分數值的判斷矩陣，各個風險指標風險等級評判矩陣見表1。

表1 各個風險指標風險等級評判矩陣

3.3 子風險層指標綜合評價

(1)確定評價指標集。由表1可知，風險層評價指標有5個，即W={質量風險B1，技術風險B2，管理風險B3，環境風險B4，其他風險B5}；風險指標評價集有3個，即E={高，中，低}。

(2)確定各風險指標隸屬度。以質量風險類為例，施工材料質量不合格風險隸屬度為(R|X1)=(0.182, 0.273, 0.545)；施工質量問題返修補修風險隸屬度為(R|X2)=(0.182, 0.364, 0.455)；施工質量問題工期延誤風險隸屬度為(R|X3)=(0.091, 0.273, 0.636)；施工質量問題經濟損失風險隸屬度為(R|X4)=(0.091, 0.364, 0.545)。在質量風險中各個風險因子的評價集為：

其他所有子風險層風險因子評價集為：

圖1 各個風險指標路徑系數

(3)確定各風險因子權重。在水利工程項目施工階段風險評價研究中，按照表1中所羅列的指標對M水庫工程的專家進行了問卷調查。為了保證數據的有效性，需要對調查的數據進行一系列的數據檢驗[22]。首先對數據進行信度檢驗，本次利用SPSS 22.0軟件對M水庫工程風險評估專家訪談表進行信度檢驗，α系數等于0.7352，表明風險指標數據可以接受，即信度檢驗效果較好。對數據進行KMO檢驗，檢驗值為0.8261；對數據進行Bartlett檢驗，得到的統計量sig值為0.00。因此本組數據可以用于研究分析。

利用Amos 22.0軟件對結構方程進行了求解，求解時，首先將每一組的其中一個指標的路徑系數設為1.0，進行運算求解得到其他所有指標的路徑系數，選擇標準化的路徑系數如圖1所示，圖1中ei為誤差項；λbi、λci分別為風險因素B、C的第i個指標作用路徑系數；λbibj(i=1,2,…,5;j=1,2,…,5;i≠j)為協方差作用系數。

根據圖1中各風險指標之間的路徑作用系數，運用公式(5)進行標準化處理，得到風險層和子風險層的各個指標的權重，見表2。

表2 各個指標計算權重(結構方程模型)

以表2中質量風險為例，由4個權重因子組成的一個向量，WB1=(0.207,0.344,0.188,0.261)，采用加權平均算法計算質量風險等級的綜合評價結果為：

D1=WB1RB1=[0.141,0.328,0.531]其中，0.141+0.328+0.531=1，說明該風險評價類型為歸一的結果。

同理可得，技術風險、管理風險、環境風險和其他風險類的風險因子綜合評價結果為：

D2=WB2RB2=[0.228，0.288，0.484]

D3=WB3RB3=[0.150，0.330，0.520]

D4=WB4RB4=[0.052，0.239，0.709]

D5=WB5RB5=[0.124，0.205，0.671]

3.4 風險層風險指標綜合評價

風險層的風險指標為質量風險、技術風險、管理風險、環境風險和其他風險，其模糊權向量W=(0.272,0.242,0.193,0.165,0.128)，則風險指標綜合評價結果為：

由以上結果可以得到，評定為高風險的比重為14.7%，評定為中等風險的比重為28.8%，評定為低風險的比重為56.5%。所以該水利工程施工階段風險評價等級為低，該結果與實際評價結果一致。

3.5 層次分析模糊綜合評價對比分析

利用層次分析法(AHP)[3-4]，建立與上述相同的評價指標體系，利用MATLAB 2014軟件計算得到各個指標權重如表3所示。

表3 各個指標計算權重(層次分析法)

運用AHP求解出了各個風險因子權重，下面結合模糊綜合評價法對風險層的風險因子評估，其評估結果(計算方法同上，不再贅述)為：

D1=WB1RB1=[0.141，0.328，0.531]

D2=WB2RB2=[0.224，0.290，0.486]

D3=WB3RB3=[0.150，0.329，0.521]

D4=WB4RB4=[0.050，0.238，0.712]

D5=WB5RB5=[0.126，0.204，0.670]

最終，風險層的模糊權向量為：W=(0.328, 0.276, 0.150, 0.157, 0.089)，綜合評價結果為：D*=[0.150, 0.292, 0.558]。

由上述計算結果得到該工程的施工階段評定為低風險的比重為55.8%，所以該工程風險評價等級為低，與結構方程模糊評估模型結果一致。進一步驗證了結構方程模糊評估模型可以應用在水利工程建設項目的風險評估領域。

通過結構方程模糊評估模型計算不僅得到了水利工程施工階段各風險指標權重，而且得到了風險層風險指標Bi(i=1,2,…,5 )之間的協方差作用系數λbibj(i=1,2,3,4,5;j=1,2,3,4,5;i≠j)。由λb1b2=0.18、λb1b3=0.13可見技術風險對質量風險影響較大，管理風險對質量風險影響也相對較大；λb3b5=0.02表明管理風險對其他風險影響相對很小。所以在加強質量風險管理的同時也應加強技術風險和管理風險的管理。

在子風險層模糊綜合評價時，發現新工藝及方法使用不當風險和施工質量問題經濟損失風險的綜合評價值最高，可見工藝方法和質量問題在施工階段的重要性；在風險層模糊綜合評價時，發現質量風險的綜合評價值最大，說明質量風險造成的損失可能是最大的。因此，在水利工程項目施工階段，應重點加強技術建設和質量建設，降低其風險影響程度。

4 結 論

本文運用結構方程模糊評估模型對水利工程施工階段的風險進行了評估，并應用到M水庫工程的施工階段，得到以下結論：

(1)整個M水庫工程的施工階段風險評價等級為低，模型結果與實際工程和層次分析模糊綜合評價結果一致，說明該模型可以較好地運用到水利工程項目施工階段。

(2)根據模型計算得到風險層指標之間的協方差作用系數，能夠發現指標間的相互影響程度，進而找到指標間的內在聯系，為制定合適的規避方案提供依據。

(3)結構方程模型確定指標權重簡單方便，比層次分析法節省大量計算步驟，從而可提高水利工程項目管理水平。對結構方程模糊評估模型在水利工程中的運用僅進行了初步探討，在未來需要進行進一步研究。