基于組合賦權(quán)-改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)法的架橋機(jī)配置評(píng)價(jià)

郭 斌

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

0 引 言

隨著國(guó)家鐵路的大量建設(shè)，工程也越來越大型化和復(fù)雜化。鋪架作為鐵路建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)，如何制定施工方案以適應(yīng)工程需求、保證工期，顯得十分重要。而架橋機(jī)作為鋪架施工方案確定的重點(diǎn)之一，其選擇會(huì)直接影響鋪架工程的順利進(jìn)行和鋪架工期[1]。架橋機(jī)分類繁雜、種類眾多，各有優(yōu)劣[2]，且鋪架工程作業(yè)場(chǎng)地、起重量、過孔過隧、調(diào)頭轉(zhuǎn)場(chǎng)等限制和功能需求繁多。如何針對(duì)復(fù)雜鋪架工程選擇適宜的鋪架設(shè)備，既適應(yīng)工程需求，又保證工期，并兼顧成本，是一個(gè)十分值得研究的問題。

現(xiàn)有研究大多集中于架橋機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化及施工技術(shù)，以滿足各種工程需求。通過建立層次分析法模型[3]或針對(duì)特殊環(huán)境需求[4]、針對(duì)繁雜工況需求[5]等進(jìn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化、選型及改造；或?qū)J180[6]、TJ165[7]、DJ180[8]等具體架橋機(jī)的施工技術(shù)進(jìn)行研究，以滿足各種工程需求。而對(duì)于如何選擇架橋機(jī)的研究較少，且缺乏一定的系統(tǒng)性。目前的研究要么簡(jiǎn)單地建立選型原則匹配環(huán)境與機(jī)型[9]，要么針對(duì)某個(gè)施工困難點(diǎn)的架橋機(jī)選擇[10-11]進(jìn)行簡(jiǎn)要探討，缺乏環(huán)境與機(jī)型匹配的系統(tǒng)分析。

因此，本文針對(duì)具體鋪架工程，對(duì)架橋機(jī)的限制和功能需求進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究，從而建立兼顧工程適應(yīng)性和效用性的指標(biāo)評(píng)價(jià)體系和架橋機(jī)配置評(píng)價(jià)模型，進(jìn)行復(fù)雜工程和架橋機(jī)的匹配。綜合考慮指標(biāo)信息的利用率和指標(biāo)本身的重要性，采用主客觀組合賦權(quán)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。針對(duì)信息的主觀性和不確定性，采用模糊層次分析法(Fuzzy Analytical Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱FAHP)確定主觀權(quán)重；針對(duì)指標(biāo)間灰色關(guān)系和數(shù)據(jù)樣本差異，采用CRITIC法(Criteria Importance Through Inter-criteria Correlation，簡(jiǎn)稱CRITIC)確定客觀權(quán)重。最后，考慮評(píng)價(jià)體系的灰色性和不確定性，建立起基于逼近理想解(Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution，TOPSIS)的灰色關(guān)聯(lián)投影法的架橋機(jī)配置評(píng)價(jià)模型，對(duì)重慶樞紐改造鋪架工程架橋機(jī)進(jìn)行選擇，并結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行佐證，為實(shí)際鋪架工程架橋機(jī)的選擇提供參考。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

架橋機(jī)評(píng)價(jià)指標(biāo)分為適應(yīng)性指標(biāo)和效用性指標(biāo)，適應(yīng)性指標(biāo)確定架橋機(jī)的選擇范圍，效用性指標(biāo)評(píng)價(jià)具體工程中架橋機(jī)的使用情況。架橋機(jī)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 架橋機(jī)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.1 適應(yīng)性指標(biāo)

架橋機(jī)的選擇范圍受到鋪架方式、梁型、作業(yè)場(chǎng)地等因素限制，因此選取適應(yīng)梁型、鋪架方式、作業(yè)坡度、曲線半徑、起重量、場(chǎng)地限制6個(gè)限制因素作為鋪架工程適應(yīng)性指標(biāo)，用0、1進(jìn)行量化。若該架橋機(jī)適應(yīng)性指標(biāo)滿足鋪架工程要求則取1，否則取0。當(dāng)且僅當(dāng)所有適應(yīng)性指標(biāo)均為1時(shí)，架橋機(jī)才算通過鋪架工程適應(yīng)性檢驗(yàn)，能在工程中使用，否則從選擇范圍內(nèi)淘汰。

1.2 效用性指標(biāo)

根據(jù)適應(yīng)性指標(biāo)確定架橋機(jī)的選擇范圍后，需對(duì)架橋機(jī)在具體鋪架工程中的效用情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。架橋機(jī)技術(shù)參數(shù)能直觀地反映架橋機(jī)的最大效用，但架橋機(jī)的使用程度還會(huì)受到鋪架工程特點(diǎn)、鋪架人員作業(yè)能力、作業(yè)環(huán)境等因素影響，因此技術(shù)參數(shù)不能完全準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)設(shè)備效用。故選取具有差異性且與工期成本相關(guān)的技術(shù)參數(shù)作為定量指標(biāo)，選取鋪架工程對(duì)架橋機(jī)主要功能的需求作為定性指標(biāo)，一方面對(duì)定量指標(biāo)的不確定性進(jìn)行完善，另一方面體現(xiàn)具體工程需求。

(1)定量指標(biāo)：架橋效率、成本(機(jī)械、人工)、吊梁橫移能力(速度、偏移量)、吊梁縱移速度、運(yùn)梁速度。

(2)定性指標(biāo)：轉(zhuǎn)場(chǎng)能力、調(diào)頭能力、過孔能力、過隧能力、養(yǎng)護(hù)維修。

2 組合賦權(quán)-改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)法模型

2.1 FAHP-CRITIC法賦權(quán)

目前常用的賦權(quán)法分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法：主觀賦權(quán)法能充分利用專家經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象自身信息缺乏利用；客觀賦權(quán)法能充分利用樣本信息，但忽視了指標(biāo)本身的重要性[12]。若只利用架橋機(jī)效用性評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)信息確定客觀權(quán)重，只能反映各架橋機(jī)的性能差異，不能反映具體鋪架工程對(duì)架橋機(jī)功能的側(cè)重性。因此，為兼顧工程需求和設(shè)備差異，采用主客觀組合賦權(quán)。

層次分析法簡(jiǎn)潔、實(shí)用，在主觀賦權(quán)法中應(yīng)用最為廣泛。但專家判斷具有模糊性和不確定性，因此引入模糊概念，采用模糊層次分析法[13]確定主觀權(quán)重，提高評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性。常用客觀賦權(quán)法有變異系數(shù)法、熵權(quán)法和CRITIC法。對(duì)于架橋機(jī)效用性指標(biāo)間的灰色關(guān)系和樣本數(shù)據(jù)差異性，變異系數(shù)法和熵權(quán)法缺乏指標(biāo)間的橫向比較，而CRITIC法更能體現(xiàn)指標(biāo)數(shù)據(jù)差異和指標(biāo)間的差異性[14]，故采用CRITIC法確定客觀權(quán)重。

FAHP-CRITIC法賦權(quán)步驟如下。

(1)數(shù)據(jù)規(guī)范化。將指標(biāo)分為成本型指標(biāo)和效益型指標(biāo)，通過公式將其歸一化為隸屬于[0,1]區(qū)間的極大型指標(biāo)。

成本型：

(1)

效益型：

(2)

(2)FAHP主觀權(quán)重。由專家給出模糊互補(bǔ)判斷矩陣。

A=(aij)m×m

(3)

式中：標(biāo)度aij取0.5、0.6、0.7、0.8、0.9，分別表示指標(biāo)Xi相對(duì)于指標(biāo)Xj的重要程度，分別對(duì)應(yīng)同等重要、稍微重要、明顯重要、重要得多、極端重要，且滿足aii=0.5，aij+aji=1。

計(jì)算主觀權(quán)重，指標(biāo)Xj的主觀權(quán)重值

(4)

一致性檢驗(yàn)，若滿足式(5)，則模糊互補(bǔ)判斷矩陣滿足一致性。

(5)

wFij=wFi-wFj+0.5 (?i,j=1,2,…,m)

(3)CRITIC客觀權(quán)重。計(jì)算m個(gè)指標(biāo)n個(gè)樣本的標(biāo)準(zhǔn)差，指標(biāo)Xj的標(biāo)準(zhǔn)差為

(6)

計(jì)算指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣

(7)

計(jì)算客觀權(quán)重，指標(biāo)Xj的客觀權(quán)重值

(8)

(4)綜合權(quán)重。將FAHP所得主觀權(quán)重與CRITIC所得客觀權(quán)重綜合，得指標(biāo)Xj的綜合權(quán)重為

(9)

2.2 基于TOPSIS的灰色關(guān)聯(lián)投影法

工期和成本是選擇架橋機(jī)的決定性因素，而鋪架工程設(shè)備選擇對(duì)工期成本的影響復(fù)雜，評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇具有灰色性和不確定性。此外，指標(biāo)之間也存在灰色關(guān)系，并非絕對(duì)獨(dú)立。而鋪架工程的作業(yè)場(chǎng)地、鋪設(shè)梁型、起重量需求等因素會(huì)直接限制鋪架設(shè)備的選擇范圍，從而使各指標(biāo)樣本數(shù)量減少。以上特點(diǎn)說明架橋機(jī)配置評(píng)價(jià)體系實(shí)際是一個(gè)灰色系統(tǒng)，其貧信息環(huán)境適合使用灰色關(guān)聯(lián)法進(jìn)行評(píng)價(jià)。灰色關(guān)聯(lián)法雖能詳細(xì)反映備選方案各指標(biāo)與理想方案的區(qū)別，但在整體評(píng)價(jià)上存在缺陷；而TOPSIS法不能詳細(xì)反映各方案內(nèi)部變化趨勢(shì)，但是能很好地評(píng)價(jià)備選方案與理想方案的整體相似度[15]。故結(jié)合兩者，采用基于TOPSIS的灰色關(guān)聯(lián)投影法對(duì)架橋機(jī)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

基于TOPSIS的灰色關(guān)聯(lián)投影評(píng)價(jià)模型計(jì)算步驟如下。

(1)規(guī)范化決策矩陣。根據(jù)式(3)得到規(guī)范化決策矩陣

X=(xij)m×n

(10)

(11)

(12)

其中：ξ取0.5。

(5)FAHP-CRITIC法確定指標(biāo)權(quán)重W。

(13)

(7)架橋機(jī)灰色關(guān)聯(lián)投影系數(shù)。架橋機(jī)灰色關(guān)聯(lián)投影系數(shù)為

(14)

其中：0<γi<1。按照γi值從小到大排序，其結(jié)果表明γi值越大，對(duì)應(yīng)的設(shè)備越好。

3 實(shí)例分析

渝黔鐵路重慶樞紐改造鋪架工程北至成渝代建童西聯(lián)絡(luò)線、童西線路所，南至新白沙沱長(zhǎng)江特大橋，線路長(zhǎng)約38 km，涉及橋梁52座、路基60段、隧道10座，共制架梁2 017片，鋪軌187.9 km。線路上下交叉，沿線橋梁密布，交叉作業(yè)多，接口界面多，受制因素多，轉(zhuǎn)線調(diào)頭頻繁，因此鋪架工期保證困難。其工程架橋機(jī)適應(yīng)性指標(biāo)要求如表1所示。

表1 鋪架工程適應(yīng)性指標(biāo)要求

常用T梁架橋機(jī)有TJ180步履式公鐵兩用架橋機(jī)、TJ165走行式鐵路專用架橋機(jī)和DJ180步履式公鐵兩用架橋機(jī)。對(duì)這3種架橋機(jī)進(jìn)行適應(yīng)性和效用性評(píng)價(jià)，選擇最優(yōu)機(jī)型作為鋪架設(shè)備。采取專家咨詢法對(duì)定性指標(biāo)進(jìn)行量化，則3種架橋機(jī)的指標(biāo)量化結(jié)果如表2所示。

首先進(jìn)行架橋機(jī)適應(yīng)性評(píng)價(jià)，將表2中3種架橋機(jī)的適應(yīng)性指標(biāo)與表1中的工程要求進(jìn)行對(duì)比，可見3種架橋機(jī)的適應(yīng)性指標(biāo)均滿足工程需求，其值均為1，通過適應(yīng)性評(píng)價(jià)。故將3種架橋機(jī)作為備選方案，進(jìn)行效用性評(píng)價(jià)。

為實(shí)現(xiàn)工期目標(biāo)并結(jié)合工程實(shí)際，架橋機(jī)選擇應(yīng)著重考慮架橋效率、調(diào)頭轉(zhuǎn)場(chǎng)、過孔能力等對(duì)工期影響大的指標(biāo)，并盡可能控制成本。咨詢專家意見，比較指標(biāo)相對(duì)重要度，確定模糊判斷矩陣，結(jié)果如表3所示。

采用FAHP-CRITIC法計(jì)算效用性指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果如表4所示。

采用基于TOPSIS的灰色關(guān)聯(lián)投影評(píng)價(jià)法，計(jì)算3種架橋機(jī)的灰色關(guān)聯(lián)投影系數(shù)，如表5所示。

可見，TJ180、TJ165、DJ180三種架橋機(jī)的灰色關(guān)聯(lián)投影系數(shù)依次減小，TJ180架橋機(jī)關(guān)聯(lián)系數(shù)最大，說明其工程效用最高，應(yīng)選擇它作為鋪架設(shè)備。

由工程實(shí)際可知，3種架橋機(jī)均滿足適應(yīng)性指標(biāo)，故均適用于該鋪架工程，但是該工程橋梁密布，調(diào)頭轉(zhuǎn)線頻繁，嚴(yán)重影響工期，因此對(duì)架橋機(jī)的過孔能力、架橋效率、調(diào)頭轉(zhuǎn)場(chǎng)提出更高要求。TJ180架橋機(jī)性能略優(yōu)于DJ180架橋機(jī)，且成本更低；TJ165架橋機(jī)過孔能力、架橋效率均優(yōu)于TJ180架橋機(jī)，但是調(diào)頭轉(zhuǎn)場(chǎng)能力弱于TJ180架橋機(jī)，且成本遠(yuǎn)高于TJ180架橋機(jī)?？梢奣J180、TJ165、DJ180三種架橋機(jī)的效用性依次減小，為保證工期兼顧成本，應(yīng)選擇TJ180架橋機(jī)作為鋪架設(shè)備，符合模型評(píng)價(jià)結(jié)果。因此，基于組合賦權(quán)-改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)法的架橋機(jī)評(píng)價(jià)模型符合工程實(shí)際，具有指導(dǎo)意義。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過建立基于組合賦權(quán)-改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)法的架橋機(jī)配置評(píng)價(jià)模型，為具體的工程選擇架橋機(jī)，結(jié)果表明以下幾點(diǎn)。

(1)采用鋪架工程架橋機(jī)限制因素和工期成本影響因素建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，可通過適應(yīng)性指標(biāo)確定架橋機(jī)的選擇范圍，通過效用性指標(biāo)評(píng)價(jià)架橋機(jī)與工程的匹配度。

表2 架橋機(jī)指標(biāo)量化

表3 效用性指標(biāo)模糊判斷矩陣

(2)采用FAHP-CRITIC組合賦權(quán)法對(duì)效用性指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，能充分兼顧工程需求和設(shè)備差異，考慮評(píng)價(jià)系統(tǒng)模糊性，提高評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性。

(3)基于TOPSIS-灰色關(guān)聯(lián)投影評(píng)價(jià)模型確定最優(yōu)設(shè)備方案，能充分兼顧方案整體性和內(nèi)部變化，提高方案排序的準(zhǔn)確性。

(4)通過工程實(shí)例分析，確定了最佳鋪架設(shè)備，其結(jié)果與工程實(shí)際相符，表明該評(píng)價(jià)模型具有可行性和可靠性，可為鋪架工程架橋機(jī)的選擇提供實(shí)際參考。

表4 適應(yīng)性指標(biāo)權(quán)重

表5 鋪架設(shè)備灰色關(guān)聯(lián)投影系數(shù)