基于组合赋权-改进灰色关联法的架桥机配置评价

2020-01-15 02:57郭斌

筑路机械与施工机械化 2019年12期

郭斌

(中铁十八局集团有限公司，天津 300222)

0 引言

随着国家铁路的大量建设，工程也越来越大型化和复杂化。铺架作为铁路建设中的重要环节，如何制定施工方案以适应工程需求、保证工期，显得十分重要。而架桥机作为铺架施工方案确定的重点之一，其选择会直接影响铺架工程的顺利进行和铺架工期[1]。架桥机分类繁杂、种类众多，各有优劣[2]，且铺架工程作业场地、起重量、过孔过隧、调头转场等限制和功能需求繁多。如何针对复杂铺架工程选择适宜的铺架设备，既适应工程需求，又保证工期，并兼顾成本，是一个十分值得研究的问题。

现有研究大多集中于架桥机的设计优化及施工技术，以满足各种工程需求。通过建立层次分析法模型[3]或针对特殊环境需求[4]、针对繁杂工况需求[5]等进行设备结构方案优化、选型及改造；或对TJ180[6]、TJ165[7]、DJ180[8]等具体架桥机的施工技术进行研究，以满足各种工程需求。而对于如何选择架桥机的研究较少，且缺乏一定的系统性。目前的研究要么简单地建立选型原则匹配环境与机型[9]，要么针对某个施工困难点的架桥机选择[10-11]进行简要探讨，缺乏环境与机型匹配的系统分析。

因此，本文针对具体铺架工程，对架桥机的限制和功能需求进行较为系统的研究，从而建立兼顾工程适应性和效用性的指标评价体系和架桥机配置评价模型，进行复杂工程和架桥机的匹配。综合考虑指标信息的利用率和指标本身的重要性，采用主客观组合赋权确定评价指标权重。针对信息的主观性和不确定性，采用模糊层次分析法(Fuzzy Analytical Hierarchy Process，简称FAHP)确定主观权重；针对指标间灰色关系和数据样本差异，采用CRITIC法(Criteria Importance Through Inter-criteria Correlation，简称CRITIC)确定客观权重。最后，考虑评价体系的灰色性和不确定性，建立起基于逼近理想解(Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution，TOPSIS)的灰色关联投影法的架桥机配置评价模型，对重庆枢纽改造铺架工程架桥机进行选择，并结合工程实际进行佐证，为实际铺架工程架桥机的选择提供参考。

1 评价指标

架桥机评价指标分为适应性指标和效用性指标，适应性指标确定架桥机的选择范围，效用性指标评价具体工程中架桥机的使用情况。架桥机评价指标体系如图1所示。

图1 架桥机评价指标体系

1.1 适应性指标

架桥机的选择范围受到铺架方式、梁型、作业场地等因素限制，因此选取适应梁型、铺架方式、作业坡度、曲线半径、起重量、场地限制6个限制因素作为铺架工程适应性指标，用0、1进行量化。若该架桥机适应性指标满足铺架工程要求则取1，否则取0。当且仅当所有适应性指标均为1时，架桥机才算通过铺架工程适应性检验，能在工程中使用，否则从选择范围内淘汰。

1.2 效用性指标

根据适应性指标确定架桥机的选择范围后，需对架桥机在具体铺架工程中的效用情况进行评价。架桥机技术参数能直观地反映架桥机的最大效用，但架桥机的使用程度还会受到铺架工程特点、铺架人员作业能力、作业环境等因素影响，因此技术参数不能完全准确地评价设备效用。故选取具有差异性且与工期成本相关的技术参数作为定量指标，选取铺架工程对架桥机主要功能的需求作为定性指标，一方面对定量指标的不确定性进行完善，另一方面体现具体工程需求。

(1)定量指标：架桥效率、成本(机械、人工)、吊梁横移能力(速度、偏移量)、吊梁纵移速度、运梁速度。

(2)定性指标：转场能力、调头能力、过孔能力、过隧能力、养护维修。

2 组合赋权-改进灰色关联法模型

2.1 FAHP-CRITIC法赋权

目前常用的赋权法分为主观赋权法和客观赋权法：主观赋权法能充分利用专家经验，但对评价对象自身信息缺乏利用；客观赋权法能充分利用样本信息，但忽视了指标本身的重要性[12]。若只利用架桥机效用性评价指标数据信息确定客观权重，只能反映各架桥机的性能差异，不能反映具体铺架工程对架桥机功能的侧重性。因此，为兼顾工程需求和设备差异，采用主客观组合赋权。

层次分析法简洁、实用，在主观赋权法中应用最为广泛。但专家判断具有模糊性和不确定性，因此引入模糊概念，采用模糊层次分析法[13]确定主观权重，提高评价准确性。常用客观赋权法有变异系数法、熵权法和CRITIC法。对于架桥机效用性指标间的灰色关系和样本数据差异性，变异系数法和熵权法缺乏指标间的横向比较，而CRITIC法更能体现指标数据差异和指标间的差异性[14]，故采用CRITIC法确定客观权重。

FAHP-CRITIC法赋权步骤如下。

(1)数据规范化。将指标分为成本型指标和效益型指标，通过公式将其归一化为隶属于[0,1]区间的极大型指标。

成本型：

(1)

效益型：

(2)

(2)FAHP主观权重。由专家给出模糊互补判断矩阵。

A=(aij)m×m

(3)

式中：标度aij取0.5、0.6、0.7、0.8、0.9，分别表示指标Xi相对于指标Xj的重要程度，分别对应同等重要、稍微重要、明显重要、重要得多、极端重要，且满足aii=0.5，aij+aji=1。

计算主观权重，指标Xj的主观权重值

(4)

一致性检验，若满足式(5)，则模糊互补判断矩阵满足一致性。

(5)

wFij=wFi-wFj+0.5 (∀i,j=1,2,…,m)

(3)CRITIC客观权重。计算m个指标n个样本的标准差，指标Xj的标准差为

(6)

计算指标相关系数矩阵

(7)

计算客观权重，指标Xj的客观权重值

(8)

(4)综合权重。将FAHP所得主观权重与CRITIC所得客观权重综合，得指标Xj的综合权重为

(9)

2.2 基于TOPSIS的灰色关联投影法

工期和成本是选择架桥机的决定性因素，而铺架工程设备选择对工期成本的影响复杂，评价指标的选择具有灰色性和不确定性。此外，指标之间也存在灰色关系，并非绝对独立。而铺架工程的作业场地、铺设梁型、起重量需求等因素会直接限制铺架设备的选择范围，从而使各指标样本数量减少。以上特点说明架桥机配置评价体系实际是一个灰色系统，其贫信息环境适合使用灰色关联法进行评价。灰色关联法虽能详细反映备选方案各指标与理想方案的区别，但在整体评价上存在缺陷；而TOPSIS法不能详细反映各方案内部变化趋势，但是能很好地评价备选方案与理想方案的整体相似度[15]。故结合两者，采用基于TOPSIS的灰色关联投影法对架桥机进行评价。

基于TOPSIS的灰色关联投影评价模型计算步骤如下。

(1)规范化决策矩阵。根据式(3)得到规范化决策矩阵

X=(xij)m×n

(10)

(11)

(12)

其中：ξ取0.5。

(5)FAHP-CRITIC法确定指标权重W。

(13)

(7)架桥机灰色关联投影系数。架桥机灰色关联投影系数为

(14)

其中：0<γi<1。按照γi值从小到大排序，其结果表明γi值越大，对应的设备越好。

3 实例分析

渝黔铁路重庆枢纽改造铺架工程北至成渝代建童西联络线、童西线路所，南至新白沙沱长江特大桥，线路长约38 km，涉及桥梁52座、路基60段、隧道10座，共制架梁2 017片，铺轨187.9 km。线路上下交叉，沿线桥梁密布，交叉作业多，接口界面多，受制因素多，转线调头频繁，因此铺架工期保证困难。其工程架桥机适应性指标要求如表1所示。

表1 铺架工程适应性指标要求

常用T梁架桥机有TJ180步履式公铁两用架桥机、TJ165走行式铁路专用架桥机和DJ180步履式公铁两用架桥机。对这3种架桥机进行适应性和效用性评价，选择最优机型作为铺架设备。采取专家咨询法对定性指标进行量化，则3种架桥机的指标量化结果如表2所示。

首先进行架桥机适应性评价，将表2中3种架桥机的适应性指标与表1中的工程要求进行对比，可见3种架桥机的适应性指标均满足工程需求，其值均为1，通过适应性评价。故将3种架桥机作为备选方案，进行效用性评价。

为实现工期目标并结合工程实际，架桥机选择应着重考虑架桥效率、调头转场、过孔能力等对工期影响大的指标，并尽可能控制成本。咨询专家意见，比较指标相对重要度，确定模糊判断矩阵，结果如表3所示。

采用FAHP-CRITIC法计算效用性指标权重，结果如表4所示。

采用基于TOPSIS的灰色关联投影评价法，计算3种架桥机的灰色关联投影系数，如表5所示。

可见，TJ180、TJ165、DJ180三种架桥机的灰色关联投影系数依次减小，TJ180架桥机关联系数最大，说明其工程效用最高，应选择它作为铺架设备。

由工程实际可知，3种架桥机均满足适应性指标，故均适用于该铺架工程，但是该工程桥梁密布，调头转线频繁，严重影响工期，因此对架桥机的过孔能力、架桥效率、调头转场提出更高要求。TJ180架桥机性能略优于DJ180架桥机，且成本更低；TJ165架桥机过孔能力、架桥效率均优于TJ180架桥机，但是调头转场能力弱于TJ180架桥机，且成本远高于TJ180架桥机。可见TJ180、TJ165、DJ180三种架桥机的效用性依次减小，为保证工期兼顾成本，应选择TJ180架桥机作为铺架设备，符合模型评价结果。因此，基于组合赋权-改进灰色关联法的架桥机评价模型符合工程实际，具有指导意义。