基于层次分析法的养路机械维修影响因素分析

宋 奔

(广西路桥工程集团有限公司,广西 南宁 530200)

0 引言

一直以来,铁路事业作为我国交通运输的主导行业,掌握着国民经济的大动脉。而铁路轨道作为铁路线路的重要组成部分,会受到气候环境及列车反复动载的影响,当其状态发生改变,可能影响其使用寿命,因此需要采用合理的措施对其进行养护维修,以保障列车安全运行。而大型养路机械因具有智能化、自动化的优点,符合铁路事业的发展方向,逐渐成为铁路轨道养护维修的主流方式,但仍然面临着大量可能存在隐患的问题,对此许多学者进行了深入研究。徐济松等[1]融合多源数据研发了大型机械施工时保障现场施工人员安全的预警系统,通过现场试验验证了该方案的可行性。刘辉[2]针对大型养路机械在应急抢修施工过程中的困难问题,设计了一种可以模拟多种紧急工况的抢修演练系统。刘平[3]根据遗传算法搜索确定了最优化的养护维修作业方案,并将其运用于某铁路的轨道高低不平顺检测,与传统方法相比,其效率明显提高,实现了维修计划的自动编制。赵志刚等[4]针对东北和内蒙古东部地区铁路网规格布局特性,将理论与实际相结合得到相应的大型机械养护维修需求,从而确定合适的检修台建设地址和规模。时瑾等[5]为提高大型机械养护维修工作针对有砟轨道进行捣鼓作业的质量,建立了相应的拨道方案优化模型和效果评价标准,并在实际工程中验证了该方法的有效性。牛怀军等[6]针对大密度重载铁路结合相应的理论方法,提出一种针对大型养路机械的相关设备和数量的优化配置方案。本文针对大型养路机械养护维修的作用效果,分析对其产生影响的各大因素,选用层次分析法对其进行层次化、条理化的划分,确定其相应的权重,从而确定对大型养路机械养护维修效果影响最大的因素。

1 层次分析法理论

随着科学的发展和技术的进步,大型养路机械的应用也不断增多。大量大型养路机械累积实际作业经验后,发现其维修质量的好坏与维修作业前设备自身状态、既有线纵断面的优化设计、施工组织设计等多种因素有关。为提高大机作业的质量,本文选用层次分析法[7],将所有影响因素进行条理化、层次化、规范化的梳理,构造出相应的养路机械维修模型,并邀请200余名专家和相关从业者对每项因素进行评估,判断其相对重要程度,对其进行一定处理后,得到相应影响因素的权重。

层次分析法需要根据分析决策的对象,制定相应的目标,明确需要考虑的影响因素,从而建立上、中、下3个层次的结构模型。

用Ui=(u1,u2,…,un)表示需要研究的各项影响因素,为避免定性研究的主观影响,选择建立相应的构造判断矩阵A=(uij)n×n的方式进行,将各项影响因素的重要性进行两两比较,根据常见重要性比较语义,按照如表1所示的对照关系,按1～9标度将语义转换为合理的数值标度。对于两项影响因素ui和uj,矩阵A中的uij是指影响因素ui相对于影响因素uj的重要程度,则可知uji=1/uij。矩阵A如式(1)所示。

表1 判断矩阵的语义转换关系表

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根据所得的构造判断矩阵A,将其各行向量先采用方根法进行几何平均,即将矩阵A中的元素每一行进行相乘,得到新的列向量,将列向量中每个元素开n次方,后采用归一化处理,可得到各个影响因素的权重和相应的特征向量,如式(2)、式(3)所示。

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为判断根据上述方法得到的矩阵A的特征向量W的可信程度,需要对其进行一致性检验。根据式(4)求得相应的最大特征值λmax,再根据式(5)求得一致性指数CI,将CI与由表2查询所得的RI进行对比,根据式(6)可以计算得到相应的CR值,当且仅当CR值<0.1时,认为上文构造的判断矩阵A符合一致性要求,否则需要对矩阵A进行调整,直到所得CR<0.1为止。

表2 n阶矩阵一致性指标RI值表

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2 养路机械维修模型分析

分析研究使用大型养路机械对铁路轨道进行养护维修的影响因素可知,其主要分为6个方面:

(1)既有线设备原始状态。大型养路机械养护维修前,检测路段轨道、道岔及其他设备结构、几何的原始状态对养护维修作业的难易程度和作业效果都存在重要影响。

(2)既有线纵断面优化。铁路轨道的纵断面需要根据其实际工况,定期检测其平顺性情况,制定合理的养护维修方案,选择进行起道整修或者大机捣固,养护维修全过程均需进行严格的质量控制,根据相应的技术交底文件,对该检测段的纵断面进行进一步的优化设计与完善。

(3)作业施工组织安排。大型养路机械养护维修时,若作业施工组织如作业流程、工作进度、工作天窗时间等安排合理,能够大幅提高养护维修作业的效率和质量。

(4)大型机械原始状态。养护维修作业不仅需要既有线状态优良,也需要大型机械本身的状态能满足要求。故在进行作业之前,应当对需要进行作业的大型设备提前进行调试工作,确保其能正常运行。同时需要制定相应的措施,对其进行日常保养维护。

(5)操作人员的技能水平。大型养路机械一般需要机组人员跟随进行作业,而其技能水平如对各种机械本身事务操作的熟练程度、对各种路段适用的操作方案判断能力、出现紧急故障时应急水平等都会对养护维修工作造成影响,因此需要对相应的机组人员进行相关培训,使其充分掌握机械操作技能,能熟练应对各项情况。

(6)各个部门对施工作业的配合程度。大型养路机械养护维修工作涉及很多部门,如车务部门需要提前进行施工作业协调,交底施工时需要进行组织安排,施工作业结束后需要进行总结工作;工务部门需要事先进行施工准备,做好相关资料确认,平整道床,根据需要对护轨等设备进行拆除和恢复;电务部门根据需要对各类导线和连接线进行拆除和恢复;车辆部门需要对车辆进行相关设置和处理。各个部门及时完成分内工作,共同协调,才能尽可能减少意外事件的发生,高质量地完成养护维修工作。

这6个影响因素之间相互独立又相互关联,部分与部门管理有关,部分与实际作业时的施工情况有关,但共同决定了大型养路机械养护维修工作的最终成果。实际作业中,铁路既有线的纵断面优化、既有线设备的原始状态以及作业施工组织安排均由铁路工务部门负责,大型机械的日常保养和原始状态确认、操作人员的技能培训和水平提升主要由检修部门负责,而对施工作业的配合程度则涉及多个部门的协调工作。

结合上述实际工作情况与专家经验,可设置3个与大型养路机械养护维修效果有关的方案:方案一,着重考虑铁路既有线的纵断面优化、既有线设备的原始状态以及作业施工组织安排的影响;方案二,着重考虑大型机械的日常保养和原始状态确认、操作人员的技能培训和水平提升的影响;方案三,着重考虑各部门施工作业配合程度的影响。据此,基于层次分析法建立相应的大型养路机械维修模型如图1所示。

图1 大型养路机械维修模型示意图

3 最优方案的确定

对于最大化改善大型养路机械维修效果这一决策目标A,将B层的6项影响因素两两进行重要程度的比较后根据上文所述的标度进行评价打分,综合200余名专家的经验打分结果,得到相应的构造判断矩阵A如下页式(7)所示。以既有线设备的原始状态与大型机械原始状态为例,大部分专家认为,前者的重要程度略高于后者,故选定其标度为3,即a14=3,a41=1/3。

(7)

针对B层的6个影响因素,将C层3个方案对其的重要程度进行两两比较,得到6个矩阵B1～B6,如式(8)所示。以B1为例,针对既有线设备的原始状态这一影响因素而言,专家评价均认为方案一重要程度高于方案二,故选定其标度为7,即b12=7,b21=1/7。

使用Matlab软件计算上述矩阵A中各项影响因素B的权重值、特征向量及一致性检验结果如表3所示;对于矩阵B1～B6,各个方案的权重值、特征向量及一致性检验结果如表4所示。由表3、表4可知,各矩阵一致性检验均能满足要求,根据权值计算结果,对3个方案的权值进行计算后结果如表5所示,方案一的总权重值为0.501 9,方案二的总权值为0.238 9,方案三的总权重值为0.296 4,故可认为方案一的重要程度最高,其次为方案二,最次为方案三。即大型养路机械养护维修,应当首先对检测段线路设备状态的实际情况进行调查评判,选择最适宜的养护维修方案,对其纵断面进行合理优化,加强施工作业的组织工作,以确保最后的养护维修施工效果。

表3 矩阵A各项影响因素权重及一致性检验结果表

表4 矩阵B1～B6各方案权重及一致性检验结果表

表5 影响因素指标权重表

(8)

4 结语

本文针对大型养路机械养护维修的作用效果,分析对其产生影响的各大因素,为尽量避免主观影响,将这些影响因素进行量化分析。选用层次分析法将相应的影响因素和作业方案进行层次化、条理化的划分,根据200余名专家进行两两比较打分进行量化处理和数学运算后,得到如下结论:

(1)大型养路机械维修效果的影响因素有很多,由协调管理、施工操作等多方面组成,但主要可以分为既有线设备原始状态、既有线纵断面优化、作业施工组织安排、大型机械原始状态、操作人员的技能水平、各个部门对施工作业的配合程度等6个具体因素指标。

(2)使用上、中、下三层的层次分析法可以建立相应的大型养路机械维修模型,最顶层为模型目标,即改善大型养路机械维修效果的最优决策;中间层为影响大型养路机械维修效果的6个主要因素;最底层是根据各项因素的实施部门制定的相应的优化方案。

(3)各项影响因素指标和优化方案分别进行两两比较和量化评分,采用方根法进行几何平均得到相应的权重值、特征向量,并对其进行一致性检验,最后结果均符合一致性要求。方案一总权重值最大,即在进行大型养路机械养护维修时,应当首选考虑既有线设备原始状态、既有线纵断面优化、作业施工组织安排这三项因素的影响。