層次分析法在高速公路改擴(kuò)建機(jī)電設(shè)備再利用評價中的應(yīng)用

朱修權(quán)

(廣東飛達(dá)交通工程有限公司,廣東 廣州 510663)

0 引言

《廣東省綜合運(yùn)輸體系“十四五”發(fā)展規(guī)劃》提出,2025年全省通車?yán)锍虒⑦_(dá)到12 500km(含改擴(kuò)建里程),因此,改擴(kuò)建高速公路的機(jī)電系統(tǒng)集成項目規(guī)模會大幅度增加。在高速公路改擴(kuò)建過程中,將有大批量的機(jī)電設(shè)備需要評價判斷是否可以再利用。當(dāng)前高速公路改擴(kuò)建過程中,主要依據(jù)技術(shù)壽命和使用年限來判斷,甚至更多地憑主觀經(jīng)驗來判斷。在管理控制中未能進(jìn)行科學(xué)分析和決策,也造成了一些可利用的設(shè)備資源的浪費[1]。

基于高速公路改擴(kuò)建工程中機(jī)電設(shè)備再利用評價的現(xiàn)狀,本文旨在探討建立一套高速公路改擴(kuò)建過程中機(jī)電設(shè)備再利用的評價體系,制定合理的評價和處置方案。層次分析法能夠從技術(shù)指標(biāo)、成本、外觀、對環(huán)境影響等多因素進(jìn)行分析并根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)的處置方法,從而能夠更充分地利用現(xiàn)有的機(jī)電設(shè)備,降低造價成本,提高經(jīng)濟(jì)效益,找到節(jié)約資源和性能指標(biāo)的平衡點,為高速公路改擴(kuò)建項目機(jī)電設(shè)備的再利用提供理論依據(jù)及實施借鑒。

1 高速公路機(jī)電系統(tǒng)的構(gòu)成

高速公路機(jī)電系統(tǒng)是高速公路工程建設(shè)的重要組成部分之一,涉及的設(shè)備種類多、分布地域廣,主要包括高速公路監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和通信系統(tǒng)(簡稱三大系統(tǒng))及供配電、照明系統(tǒng)、隧道管理設(shè)施等,是涵蓋計算機(jī)、自動控制、電子、電信等技術(shù)的綜合應(yīng)用[2]。

本文主要選取三大系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行再利用評估,其中監(jiān)控系統(tǒng)以服務(wù)區(qū)誘導(dǎo)屏、氣象檢測器、存儲陣列設(shè)備;通信系統(tǒng)以骨干網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備、接入網(wǎng)光傳輸設(shè)備、管道設(shè)備;收費系統(tǒng)以費額顯示器、存儲設(shè)備、稱重設(shè)備為代表進(jìn)行分析。

2 機(jī)電設(shè)備再利用評價方法

2.1 經(jīng)驗分析法

經(jīng)驗分析法是一種定性分析與定量分析相結(jié)合的預(yù)測方法。在機(jī)電設(shè)備再利用的評價中,往往是通過專家根據(jù)設(shè)備的性能指標(biāo)或設(shè)備運(yùn)維人員根據(jù)日常維護(hù)的情況來評價是否可以再利用,它是根據(jù)企業(yè)各層次有關(guān)人員的經(jīng)驗來判斷而確定設(shè)備是否可再利用的一種方法。該方法具有一定的科學(xué)性,沒有復(fù)雜的流程,簡單高效,但定量分析不夠,容易受評估者的心理情緒、知識水平及個人素質(zhì)等因素影響,存在一定的片面性。

2.2 因素分析法

因素分析法是依據(jù)分析指標(biāo)與其影響因素的關(guān)系,從數(shù)量上確定各因素對分析指標(biāo)影響方向和影響程度的一種方法。在機(jī)電設(shè)備再利用的評價中,主要是根據(jù)某一因素如設(shè)備折舊后價值或相關(guān)聯(lián)的多因素指標(biāo)進(jìn)行評估是否可以再利用。該方法是一種客觀的、科學(xué)程度較高的評估方法,但在某種程度上來說也存在一定的局限性,未能完全擺脫主觀因素。

2.3 層次分析法

層次分析法是一種定性與定量相結(jié)合、系統(tǒng)化、層次化的分析方法。與經(jīng)驗分析法和因素分析法相比,層次分析法最重要的就是綜合了多因素且簡單明了,不僅適用于不確定性和主觀因素的情況,允許合乎邏輯的運(yùn)用經(jīng)驗、洞察力和直覺,而且適用于定量分析中的確定性和客觀因素的情況。處理復(fù)雜決策問題的基本思路與人的思維、判斷過程大體上一致,具有較強(qiáng)的實用性和有效性。在機(jī)電設(shè)備再利用的評價中采用層次分析法具有實用性和有效性,對于評估設(shè)備再利用更加科學(xué),同時也集合了經(jīng)驗分析法和因素分析法的優(yōu)點,按照思維、心理的規(guī)律將決策過程層次化、數(shù)量化。

3 層次分析法原理

本文采用層次分析法對高速公路改擴(kuò)建機(jī)電設(shè)備再利用進(jìn)行分析。

層次分析法是一種定性和定量指標(biāo)相結(jié)合的決策分析方法,是將復(fù)雜的問題分解成相關(guān)聯(lián)的幾個因素組成梯階層次結(jié)構(gòu),通過兩兩比較的方式來確定各個因素的相對重要性、求解相對重要性判斷矩陣確定權(quán)重的一種方法,包括梯階層次的建立、構(gòu)造判斷矩陣、向量權(quán)重及一致性檢驗等步驟。

3.1 梯階層次的建立

梯階層次即針對具體問題、將有關(guān)的各個因素按照不同屬性自上而下地分解成若干層次。層次分析法首先建立梯階層次,即最高層、中間層和最底層。最高層只設(shè)定一個因素,該因素一般設(shè)定為要分析問題的預(yù)定目標(biāo)或結(jié)果,稱之為目標(biāo)層;中間層包含諸多節(jié)點,節(jié)點的設(shè)定是為了實現(xiàn)上一層預(yù)定目標(biāo)或結(jié)果所涉及的節(jié)點,一般考慮的是一些指標(biāo)和準(zhǔn)則之類的因素,稱之為準(zhǔn)則層;最底層是供實現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)或結(jié)果可供選擇的不同方案或措施,稱之為措施層。層次分析法需解決的問題是求出最底層對最高層的相對權(quán)重,對最底層的方案或措施進(jìn)行排序,擇優(yōu)選擇方案或措施。

3.2 構(gòu)造判斷矩陣

在梯階層次中的中間層,也就是設(shè)定指標(biāo)和準(zhǔn)則的層級,故可稱為指標(biāo)層或準(zhǔn)則層,是對從屬于上一層每個因素的同一層一個或多個因素,以此來構(gòu)造判斷矩陣,直至最底層。

確定各層次各因素的權(quán)重時,定量指標(biāo)往往更直觀。定性指標(biāo)容易產(chǎn)生爭議,因此判斷矩陣是表示 本層所有因素對上一層某單一因素的相對重要性進(jìn)行比較,不將所有因素放在一起比較,而是兩兩相互比較,采取相對標(biāo)度,盡可能地減少性質(zhì)不同的因素造成的困難,以利于提高準(zhǔn)確度。定性判斷矩陣因素的標(biāo)度方法見表1。

表1 定性判斷矩陣因素的量化值

3.3 向量權(quán)重及一致性檢驗

單層權(quán)重向量是指對本層中的所有因素兩兩評比,并按層次排序,進(jìn)行重要順序的排列。計算權(quán)重向量有算術(shù)平均法(和積法)、幾何平均法(方根法)和特征值法三種[3]。三種算法權(quán)重向量(ω)與最大特征(λmax)的計算步驟見表2。

表2 權(quán)重向量(ω)與最大特征(λmax)的計算步驟

4 工程應(yīng)用案例分析

本文以開陽高速公路擴(kuò)建工程為應(yīng)用案例。開陽高速公路全長125km,新建時按行車速度120km/h、雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,于2003 年9 月建成通車。該路段交通量達(dá)到或接近高速公路路段所能適應(yīng)的最高通行能力,經(jīng)常出現(xiàn)通行緩慢甚至嚴(yán)重堵塞的現(xiàn)象,節(jié)假日尤為突出,服務(wù)水平嚴(yán)重下降,已不能適應(yīng)現(xiàn)狀及未來交通發(fā)展的需要,因此于2017年10月啟動擴(kuò)建工作。擴(kuò)建工程的機(jī)電部分包括監(jiān)控中心、收費和監(jiān)控及通信三大系統(tǒng)工程、通信管道工程、供配電及照明工程以及機(jī)電附屬設(shè)施的升級改造。

在開陽高速公路擴(kuò)建工程動工前,建設(shè)單位、設(shè)計單位、施工單位共同研究并確定舊機(jī)電設(shè)備再利用的評估原則、評估因素、處置方式、評估流程等。

4.1 機(jī)電設(shè)備再利用評估原則

(1)絕對淘汰判斷因素:在機(jī)電設(shè)備中存在一些政策導(dǎo)向如不滿足節(jié)能環(huán)保要求的設(shè)備,按絕對淘汰或“一票否決”處理。

(2)臨時使用判斷因素:在機(jī)電設(shè)備中存在一些因技術(shù)發(fā)展因素如網(wǎng)速不能達(dá)到改擴(kuò)建要求的交換機(jī)設(shè)備,按臨時使用處理。

(3)層次分析判斷因素:對滿足政策、技術(shù)發(fā)展影響因素的設(shè)備,按層次分析法評估因素進(jìn)行評估后處理[4]。

4.2 機(jī)電設(shè)備再利用評估因素

評估因素指的是在進(jìn)行評估過程中需要考慮的各種因素。在開陽高速公路擴(kuò)建工程中,確定評估因素包括但不限于政策允許、技術(shù)狀況、成本效益、外觀結(jié)構(gòu)等。政策允許評估主要是設(shè)備再利用是否符合相關(guān)政策和規(guī)定,對環(huán)境和安全是否有影響,該因素為“一票否決”因素;技術(shù)狀況評估主要是設(shè)備是否處于正常的工作狀態(tài),是否存在故障或損壞現(xiàn)象;成本效益評估主要是設(shè)備再利用與新購置的成本進(jìn)行比較,是否存在經(jīng)濟(jì)合理性;外觀結(jié)構(gòu)評估主要是外觀是否存在變形或生銹等,結(jié)構(gòu)是否符合再利用的要求[5]。

除政策允許因素外,將評估因素的數(shù)組對象定義為:P={技術(shù)狀況,成本收益,外觀結(jié)構(gòu)}。

4.3 機(jī)電設(shè)備再利用的處置方式

處置方式指的是設(shè)備經(jīng)過評估后對設(shè)備進(jìn)行處置的一種方式。在開陽高速公路擴(kuò)建工程中,對舊機(jī)電設(shè)備再利用的處置方式分為直接利用、翻新利用、降級利用和處置回收等。直接利用是對于能夠正常工作的機(jī)電設(shè)備,可以直接重新使用,不需要進(jìn)行任務(wù)處置;翻新利用是對于存在一些小問題的機(jī)電設(shè)備,可以通過翻新或者更新部分部件以提高其性能和效率;降級利用是對于設(shè)備的性能指標(biāo)不能適合新要求,但可以滿足其它要求不高的場合使用,如交換機(jī)的網(wǎng)速指標(biāo);處置回收是對設(shè)備無法再利用的舊設(shè)備,可按照國家相關(guān)規(guī)定進(jìn)行環(huán)保處理,如分類回收、廢棄物處置等。

將處置方式的數(shù)組對象定義為:V={直接利用,翻新利用,降級利用,處置回收}。

4.4 機(jī)電設(shè)備再利用評估程序

4.4.1 建立設(shè)備的梯階層次

在高速公路機(jī)電設(shè)備再利用過程中,影響再利用的因素較多。開陽高速公路擴(kuò)建工程將舊設(shè)備再利用的評估體系劃分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和措施層,針對舊機(jī)電設(shè)備的典型特點,選取關(guān)鍵影響因素進(jìn)行層次分析。目標(biāo)層是對高速公路機(jī)電設(shè)備再利用的設(shè)備進(jìn)行層次分析后的評估判斷,判斷的結(jié)果在處置方式數(shù)組對象中選擇,目標(biāo)層的評估因素設(shè)定為設(shè)備再利用;準(zhǔn)則層針對機(jī)電設(shè)備再利用的評估目標(biāo),按照機(jī)電設(shè)備再利用的評估因素技術(shù)狀況、成本效益、外觀結(jié)構(gòu)作為準(zhǔn)則層;措施層針對準(zhǔn)則層各評估因素,對準(zhǔn)則層分別進(jìn)行影響因素分解[6]。梯階層次評估體系如圖1所示。

圖1 梯階層次評估體系

4.4.2 構(gòu)建設(shè)備比較矩陣

構(gòu)建設(shè)備比較矩陣是一種決策分析方法,用于比較多個設(shè)備或方案的優(yōu)劣。該方法要求將所有設(shè)備或方案按照各自的性能指標(biāo)進(jìn)行評估[5],依據(jù)表1將它們兩兩比較,得出一個比較矩陣。然后計算每個設(shè)備或方案的加權(quán)總分,以確定最終的排名。

(1)建立比較矩陣。建立比較矩陣從目標(biāo)層開始,層層建立。在開陽高速公路擴(kuò)建工程中,以舊攝像機(jī)再利用為例,參照圖1影響攝像機(jī)再利用的因素有技術(shù)狀況、成本收益和外觀結(jié)構(gòu)三個因素,由專家參照表1進(jìn)行打分,建立比較矩陣(表3)并矩陣向量化。

表3 設(shè)備(舊攝像機(jī)為例)再利用比較矩陣

比較矩陣的特征向量:

(2)按列歸一化及權(quán)重。

比較矩陣特征向量的權(quán)重:

4.4.3 向量權(quán)重及一致性檢驗

(1)比較矩陣特征向量的參數(shù)權(quán)重。

(2)比較矩陣一致性檢驗。為了避免過于主觀地進(jìn)行兩兩比對和其它因素的干擾,需要對比較矩陣進(jìn)行一致性檢驗[7]。

比較矩陣最大特征值:

比較矩陣偏離一致性指標(biāo):

平均隨機(jī)一致性指標(biāo):

RI=0.58(查表)

一致性檢驗值:

當(dāng)CR<0.1時,表示比較矩陣通過一致性檢驗;當(dāng)CR>0.1時,表示比較矩陣未通過一致性檢驗。

4.4.4 因素權(quán)重集

通過以上計算,得出目標(biāo)層因素的權(quán)重:

A={0.0724,0.3013,0.6263}

根據(jù)圖1所示的因素關(guān)系,并按相同的方法計算準(zhǔn)則層因素的權(quán)重,分別為:

A1={0.1095,0.3092,0.5813}

A2={0.6667,0.3333}

A3={0.75,0.25}

4.4.5 處置方式比較矩陣

根據(jù)圖1各因素的關(guān)系,建立技術(shù)狀況、成本效益和外觀結(jié)構(gòu)準(zhǔn)則層的權(quán)重集為:

4.4.6 設(shè)備再利用模糊評價集

通過以上計算,目標(biāo)層設(shè)備再利用的評價權(quán)重為:

4.4.7 處置方式的確定

根據(jù)層次分析法,目標(biāo)層設(shè)備(攝像機(jī)為例 )再利用的權(quán)重最大值為0.338 3,由此判斷該設(shè)備的處置方式為回收。

4.5 機(jī)電設(shè)備再利用建議處置結(jié)果

采用層次分析法對開陽高速公路擴(kuò)建工程實施中的機(jī)電設(shè)備(以監(jiān)控、通信和收費為例)再利用的處置方式進(jìn)行驗證,以滿足業(yè)務(wù)和工程實際的需求。處置方式見表4。

表4 開陽高速公路改擴(kuò)建機(jī)電設(shè)備再利用處置方式

(續(xù)表4)

5 結(jié)語

本文采用高速公路機(jī)電設(shè)備再利用的分析評價算法——層次分析法,解決高速公路改擴(kuò)建工程中機(jī)電設(shè)備的再利用評價問題,同時能對機(jī)電設(shè)備的全生命周期起到更好的管理作用,為高速公路機(jī)電設(shè)備的養(yǎng)護(hù)、監(jiān)測提供可靠的支撐。通過在開陽高速公路擴(kuò)建工程中的實踐應(yīng)用,得到業(yè)主及主管單位的認(rèn)可。目前該算法在實施過程中存在比較大的計算量,但隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步,計算量的問題可以通過SPSS數(shù)據(jù)分析軟件解決,實現(xiàn)層級及各因素可定義、數(shù)據(jù)可量化地進(jìn)行分析,自動完成計算、統(tǒng)計匯總等功能,力求構(gòu)建功能更強(qiáng)大、操作更簡單的評價體系,為高速公路改擴(kuò)建工程機(jī)電設(shè)備的再利用,提供一種科學(xué)全面的評價方法和評價體系。