郭 斌

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

0 引 言

隨著國家鐵路的大量建設(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。而架橋機作為鋪架施工方案確定的重點之一，其選擇會直接影響鋪架工程的順利進行和鋪架工期[1]。架橋機分類繁雜、種類眾多，各有優(yōu)劣[2]，且鋪架工程作業(yè)場地、起重量、過孔過隧、調(diào)頭轉(zhuǎn)場等限制和功能需求繁多。如何針對復(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，是一個十分值得研究的問題。

現(xiàn)有研究大多集中于架橋機的設(shè)計優(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]或針對特殊環(huán)境需求[4]、針對繁雜工況需求[5]等進行設(shè)備結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化、選型及改造；或?qū)J180[6]、TJ165[7]、DJ180[8]等具體架橋機的施工技術(shù)進行研究，以滿足各種工程需求。而對于如何選擇架橋機的研究較少，且缺乏一定的系統(tǒng)性。目前的研究要么簡單地建立選型原則匹配環(huán)境與機型[9]，要么針對某個施工困難點的架橋機選擇[10-11]進行簡要探討，缺乏環(huán)境與機型匹配的系統(tǒng)分析。

因此，本文針對具體鋪架工程，對架橋機的限制和功能需求進行較為系統(tǒng)的研究，從而建立兼顧工程適應(yīng)性和效用性的指標評價體系和架橋機配置評價模型，進行復(fù)雜工程和架橋機的匹配。綜合考慮指標信息的利用率和指標本身的重要性，采用主客觀組合賦權(quán)確定評價指標權(quán)重。針對信息的主觀性和不確定性，采用模糊層次分析法(Fuzzy Analytical Hierarchy Process，簡稱FAHP)確定主觀權(quán)重；針對指標間灰色關(guān)系和數(shù)據(jù)樣本差異，采用CRITIC法(Criteria Importance Through Inter-criteria Correlation，簡稱CRITIC)確定客觀權(quán)重。最后，考慮評價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)投影法的架橋機配置評價模型，對重慶樞紐改造鋪架工程架橋機進行選擇，并結(jié)合工程實際進行佐證，為實際鋪架工程架橋機的選擇提供參考。

1 評價指標

架橋機評價指標分為適應(yīng)性指標和效用性指標，適應(yīng)性指標確定架橋機的選擇范圍，效用性指標評價具體工程中架橋機的使用情況。架橋機評價指標體系如圖1所示。

圖1 架橋機評價指標體系

1.1 適應(yīng)性指標

架橋機的選擇范圍受到鋪架方式、梁型、作業(yè)場地等因素限制，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、場地限制6個限制因素作為鋪架工程適應(yīng)性指標，用0、1進行量化。若該架橋機適應(yīng)性指標滿足鋪架工程要求則取1，否則取0。當且僅當所有適應(yīng)性指標均為1時，架橋機才算通過鋪架工程適應(yīng)性檢驗，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

根據(jù)適應(yīng)性指標確定架橋機的選擇范圍后，需對架橋機在具體鋪架工程中的效用情況進行評價。架橋機技術(shù)參數(shù)能直觀地反映架橋機的最大效用，但架橋機的使用程度還會受到鋪架工程特點、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)不能完全準確地評價設(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，選取鋪架工程對架橋機主要功能的需求作為定性指標，一方面對定量指標的不確定性進行完善，另一方面體現(xiàn)具體工程需求。

(1)定量指標：架橋效率、成本(機械、人工)、吊梁橫移能力(速度、偏移量)、吊梁縱移速度、運梁速度。

(2)定性指標：轉(zhuǎn)場能力、調(diào)頭能力、過孔能力、過隧能力、養(yǎng)護維修。

2 組合賦權(quán)-改進灰色關(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，但對評價對象自身信息缺乏利用；客觀賦權(quán)法能充分利用樣本信息，但忽視了指標本身的重要性[12]。若只利用架橋機效用性評價指標數(shù)據(jù)信息確定客觀權(quán)重，只能反映各架橋機的性能差異，不能反映具體鋪架工程對架橋機功能的側(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)。

層次分析法簡潔、實用，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，提高評價準確性。常用客觀賦權(quán)法有變異系數(shù)法、熵權(quán)法和CRITIC法。對于架橋機效用性指標間的灰色關(guān)系和樣本數(shù)據(jù)差異性，變異系數(shù)法和熵權(quán)法缺乏指標間的橫向比較，而CRITIC法更能體現(xiàn)指標數(shù)據(jù)差異和指標間的差異性[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。將指標分為成本型指標和效益型指標，通過公式將其歸一化為隸屬于[0,1]區(qū)間的極大型指標。

成本型：

(1)

效益型：

(2)

(2)FAHP主觀權(quán)重。由專家給出模糊互補判斷矩陣。

A=(aij)m×m

(3)

式中：標度aij取0.5、0.6、0.7、0.8、0.9，分別表示指標Xi相對于指標Xj的重要程度，分別對應(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。

計算主觀權(quán)重，指標Xj的主觀權(quán)重值

(4)

一致性檢驗，若滿足式(5)，則模糊互補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。計算m個指標n個樣本的標準差，指標Xj的標準差為

(6)

計算指標相關(guān)系數(shù)矩陣

(7)

計算客觀權(quán)重，指標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的決定性因素，而鋪架工程設(shè)備選擇對工期成本的影響復(fù)雜，評價指標的選擇具有灰色性和不確定性。此外，指標之間也存在灰色關(guān)系，并非絕對獨立。而鋪架工程的作業(yè)場地、鋪設(shè)梁型、起重量需求等因素會直接限制鋪架設(shè)備的選擇范圍，從而使各指標樣本數(shù)量減少。以上特點說明架橋機配置評價體系實際是一個灰色系統(tǒng)，其貧信息環(huán)境適合使用灰色關(guān)聯(lián)法進行評價?；疑P(guān)聯(lián)法雖能詳細反映備選方案各指標與理想方案的區(qū)別，但在整體評價上存在缺陷；而TOPSIS法不能詳細反映各方案內(nèi)部變化趨勢，但是能很好地評價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)投影法對架橋機進行評價。

基于TOPSIS的灰色關(guān)聯(lián)投影評價模型計算步驟如下。

(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法確定指標權(quán)重W。

(13)

(7)架橋機灰色關(guān)聯(lián)投影系數(shù)。架橋機灰色關(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，對應(yīng)的設(shè)備越好。

3 實例分析

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，南至新白沙沱長江特大橋，線路長約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。其工程架橋機適應(yīng)性指標要求如表1所示。

表1 鋪架工程適應(yīng)性指標要求

常用T梁架橋機有TJ180步履式公鐵兩用架橋機、TJ165走行式鐵路專用架橋機和DJ180步履式公鐵兩用架橋機。對這3種架橋機進行適應(yīng)性和效用性評價，選擇最優(yōu)機型作為鋪架設(shè)備。采取專家咨詢法對定性指標進行量化，則3種架橋機的指標量化結(jié)果如表2所示。

首先進行架橋機適應(yīng)性評價，將表2中3種架橋機的適應(yīng)性指標與表1中的工程要求進行對比，可見3種架橋機的適應(yīng)性指標均滿足工程需求，其值均為1，通過適應(yīng)性評價。故將3種架橋機作為備選方案，進行效用性評價。

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

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

采用基于TOPSIS的灰色關(guān)聯(lián)投影評價法，計算3種架橋機的灰色關(guān)聯(lián)投影系數(shù)，如表5所示。

可見，TJ180、TJ165、DJ180三種架橋機的灰色關(guān)聯(lián)投影系數(shù)依次減小，TJ180架橋機關(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。

由工程實際可知，3種架橋機均滿足適應(yīng)性指標，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，嚴重影響工期，因此對架橋機的過孔能力、架橋效率、調(diào)頭轉(zhuǎn)場提出更高要求。TJ180架橋機性能略優(yōu)于DJ180架橋機，且成本更低；TJ165架橋機過孔能力、架橋效率均優(yōu)于TJ180架橋機，但是調(diào)頭轉(zhuǎn)場能力弱于TJ180架橋機，且成本遠高于TJ180架橋機。可見TJ180、TJ165、DJ180三種架橋機的效用性依次減小，為保證工期兼顧成本，應(yīng)選擇TJ180架橋機作為鋪架設(shè)備，符合模型評價結(jié)果。因此，基于組合賦權(quán)-改進灰色關(guān)聯(lián)法的架橋機評價模型符合工程實際，具有指導(dǎo)意義。

4 結(jié) 語

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

(1)采用鋪架工程架橋機限制因素和工期成本影響因素建立的評價指標體系，可通過適應(yīng)性指標確定架橋機的選擇范圍，通過效用性指標評價架橋機與工程的匹配度。

表2 架橋機指標量化

表3 效用性指標模糊判斷矩陣

(2)采用FAHP-CRITIC組合賦權(quán)法對效用性指標進行賦權(quán)，能充分兼顧工程需求和設(shè)備差異，考慮評價系統(tǒng)模糊性，提高評價準確性。

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

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

表4 適應(yīng)性指標權(quán)重

表5 鋪架設(shè)備灰色關(guān)聯(lián)投影系數(shù)