公路大件运输方案优选研究∗

2016-10-28和豪涛吴笑伟李扬

公路与汽运 2016年1期

关键词：大件决策运输

和豪涛，吴笑伟，李扬

（河南交通职业技术学院汽车学院，河南　郑州　450005）

公路大件运输方案优选研究∗

和豪涛，吴笑伟，李扬

（河南交通职业技术学院汽车学院，河南郑州450005）

为节约公路大件运输成本，提高公路大件运输方案决策的科学性，文中在分析公路大件运输影响因素的基础上，构建了公路运输方案评价指标体系，并将数据包络分析和层次分析法相结合，采用DEA-AHP算法对运输方案进行优选，最后用实例验证了方法的有效性。

公路运输；大件运输；数据包络分析；层次分析法；方案优选

大件运输设备具有超重、超长、超宽、超高的特征，运输过程要有很高的安全性、可靠性和经济性。大件运输方式有公路、水路、铁路、航空及以上方式组合的多式联运，其中公路运输具有便捷、安全、经济等优点，也最容易实现，在重大件运输中占有重要地位。随着国家高速公路网的完善，公路运输作为大件运输的主要方式日趋重要。大件运输因其特殊性和专业性而倍受重视，国内外学者对大件运输系统进行了研究，并取得了一定成果，如F.Lamiraux等研究了汽车列车运送A380客机组件的实战运输，运筹得出装车和运输的最优方案；罗建研究了公路大件运输线路的层次模型；孟琳研究了大件运输组织方法及安全保障技术。但对公路大件运输方案经济性的研究还很少。

一般来说，工程项目中运输费用占其总投资的10％～30％，选择合理的运输方案对节约工程造价非常重要。长期以来，大件运输方式、运输路线选择都是靠承运人主观判断或凭借运输经验或从运输过程障碍的多少来确定，缺少必要的理论支持。为提高公路大件运输方案选择的科学性和合理性，该文对公路大件运输方案的经济性进行研究，在分析公路大件运输影响因素的基础上，构建公路运输方案评价指标体系，运用数据包络分析和层次分析相结合的DEA-AHP方法进行优选，为公路大件运输企业确定运输方案提供科学依据。

1　公路大件运输方案评价指标体系的构建

公路大件运输技术条件要求严格，运输方案是运输组织的核心，涉及车辆装备、路线选择、道路排障、人员组织等，是一项系统工程。为了提高大件运输绩效，节约运输成本，需对公路大件运输方案进行评价。公路大件运输属多目标决策问题，影响公路大件运输的因素很多，需权衡各方面因素。公路大件运输评价指标要具有可比性，且受主观因素影响小，即要选择客观性好、有代表性的评价指标。

文献［4]、［5]分别提出了不同大件运输方案评价指标体系，但这些指标偏重于道路排障费、运费、运输时间等经济性和时效性因素，对运输实施过程中重要的液压系统和货物捆绑稳定性等安全性因素鲜有涉及，对运输道路的通行能力等技术性因素也涉及较少。该文在参考相关资料、进行大量调查和研究的基础上，从运输安全的角度入手，以安全性、经济性、技术可行性和时效性作为评价准则。

鉴于公路大件运输方案评价是多指标评价，影响因素较多，这些因素之间有些是相互矛盾和排斥的，有些指标可能存在一定的关联性，并非完全独立。其中：可量化的有经济性和时效性因素，如运费、道路桥梁补偿费、道路排障费、路政手续办理费、夹具设计费及行驶时间、办证停留时间等；不易量化的有安全性和技术性因素，如牵引车组的可靠性（主要考虑牵引车有足够的动力性和牵引车驱动轮有足够的附着力）、捆绑的稳定性（即确保货物与车体间捆扎的可靠性，主要考虑汽车列车在紧急制动时的惯性力可能造成货物向前滑动或倾翻和车体在横向倾斜时造成货物侧向下滑或倾倒）、液压系统的稳定性（大件运输车组均采用液压独立悬挂，靠液压系统支承货物重量，液压系统要保持挂车平面的稳定及每个轮胎受力均匀，挂车液压系统小于允许额定工作压力的限制）、装载的可靠性（指载荷重心的重力铅垂线经过稳定三角形的位置，经过稳定三角形的中心时，装载的稳定性最高）、环境保护的要求（是指运输过程对周围环境、道路交通安全的影响，影响愈小，级别越高）、道路横纵坡通过性（由于大件货物外形尺寸大且质量重，在通过道路横纵坡时极易发生翻车事故，坡道坡度越大，车辆行驶可靠性越差）、弯道通过性（主要考虑运输车组的转弯半径和货物的空扫量）、桥梁通过性（主要考虑大件运输车组通过相关桥梁的情况，若桥梁的承载能力大于运输车组的总重，则运输车组可以通过桥梁）、路面情况（主要体现在运输路线的平整性和路面质量两方面）、运输管理限制（是指运输车辆受经过区域运输管理部门相关运输条例的限制）。考虑到方案评价指标的复杂性、科学性及操作上的可行性，尽可能采用定量分析方法进行处理。如此构建的大件运输方案评价指标如图1所示。

2　DEA-AHP综合模型

2.1DEA和AHP的基本原理

在相对效率概念基础上发展起来的数据包络分析DEA（Data Envelopment Analysis）是一种系统分析方法，是处理多目标决策问题的有效方法。在DEA方法中，可把多目标模型中的备选方案作为决策单元，指标权重是固定的，应用由输入、输出指标组成的多目标对备选方案排序。DEA采取二分法，只能区分决策单元是否有效，无法进行全排序。

图1　公路大件运输方案评价指标体系

层次分析法AHP（Analytic Hierarchy Process）是一种常用的多准则、多目标决策方法，是基于多目标的层次结构，依据主观判断备选方案的相对重要性，在满足一致性检验后，得到各方案的排序。AHP作为一种综合评价方法，其自身没有指标量化方法。同时AHP方法受决策者自身偏好的影响，由其主观设定的判断矩阵的相对稳定性较差，且当评价指标数量过多时，对判断矩阵的影响明显，造成决策者判断不准确甚至失误。

国内也有一些关于AHP-DEA混合模型的应用，这些模型先使用AHP确定指标权重，然后应用DEA进行运算，没有改善人为设定AHP判断矩阵的主观性，也没有对DEA的局部最优性进行改善。

2.2DEA-AHP模型

DEA-AHP综合模型充分利用DEA动态修正和非参数客观评价特性，利用AHP实现所有决策单元的全排序值，可为大件运输方案的选择提供更合理、科学的选择方法。该模型分两个阶段：第一阶段，将所有决策单元两两任意组对，对每对决策单元运用DEA方法进行有效性分析。在进行DEA分析时，只考虑组对的决策单元，忽略其他决策单元。第二阶段，根据第一阶段决策单元进行DEA计算出的有效值构建判断矩阵，利用AHP对判断矩阵进行一致性检验，实现所有决策单元的排序。

2.2.1DEA有效性分析

假设存在n个决策单元，每个决策单元中输入指标和输出指标分别为m、s个。xij表示第j个单元的第i个输入值，yrj表示第j个单元的第r个输出值。任意一对决策单元（如决策单元A、B），两个决策单元的有效值EAA、EBA，EBB、EAB可用DEA方法进行计算。目标函数LP1和LP2为线性规划问题，其最优解分别为EAA、EBA，计算公式如下：

把式（1）、式（2）中A、B对换，可计算出最优解EBB、EAB。

ajk表示判断矩阵中第j行第k列元素，其计算公式如下：

2.2.2AHP全排序

应用AHP的单一水平性对所有决策单元进行排序。判断矩阵A=［ajk]n×n，求出最大特征值λmax和其对应的特征向量ω=（ω1，ω2，…，ωn）T，ωj反映第j个单元的相对重要程度。按决策单元对应特征向量ω的大小对所有决策单元进行排序。

3　案例分析

下面以陕西大唐彬长电厂项目为例，分析250 t定子（长×宽×高为9 620 m×3 510 m×3 800 m）从西安变压器厂至陕西大唐彬长电厂施工现场的公路运输方案。根据对目前公路网的实地考察，在满足线路技术条件和安全的前提下，从西安变压器厂至电厂施工现场有3种方案可选择。第一种方案：西安变压器厂—咸阳—宝鸡—陇县—彬长电厂，全程416 km；第二种方案：西安变压器厂—咸阳—礼泉—彬县—彬长电厂，全程245 km；第三种方案：西安变压器厂—三原—旬邑—彬县—彬长电厂，全程196 km。

3.1构造输入、输出系统

每个决策单元（DMUj，j=1，2，…，n）由待评价的大件运输方案组成。技术性、安全性、经济性和时间性是公路运输方式下大件运输方案的影响因素，故输入、输出系统由公路大件运输方案评价指标体系中四大因素构造，越小越好的指标构成决策单元的输入指标，越大越好的指标构成决策单元的输出指标，其中输入指标8个，输出指标10个。待评价的3种大件运输方案（DMUj，j=1，2，3）的原始评价数据如表1所示。

表1　公路大件运输方案评价指标的原始数据

3.2指标的规范化处理

为了消除不同物理量纲和数量级对评价结果的影响，使指标具有可比性，对指标进行规范化处理，使指标值离散分布在［0，1]。设Xij、Yij分别为第j个待评价运输方案（DMUj）的第i个输入指标和第r个输出指标，Xij和Yij规范化方法如下：

3.3评选结果

为了使判断矩阵更加客观、准确，将待选公路大件运输方案（DMUj）进行两两对比，计算各自的有效性值，并代入式（3），得到判断矩阵（如表2所示）。

表2　DEA方法构造的判断矩阵

针对DEA方法构造的判断矩阵，用特征多项式法计算最大特征根λmax及其对应的特征向量ω：

用层次分析法对判断矩阵进行一致性检验：一致性指标CI=（λmax-n）/（n-1）=0.048，平均随机一致性检验指标RI=0.58（n=3，如表3所示），随机一致性指标CR=CI/RI=0.048/0.58= 0.083<0.1，判断矩阵通过一致性检验。

表3　平均随机一致性检验指标的取值

DEA-AHP的排序结果对比如表4所示。根据表4，优先选择的顺序为DMU2>DMU1> DMU3，即运输方案二是最优选择。

表4　DEA-AHP与DEA排序结果

4　结论

国家高速公路网的完善极大地改变了公路运输的运行条件，公路运输作为大件运输的主要方式日益重要。为降低公路大件运输费用，提高公路大件运输方案决策的科学性，该文建立了由安全、技术、经济和时效等因素构成的运输方案评价指标体系，运用DEA-AHP方法对大件运输方案进行优选，为运输方案评价的多指标、多准则有效合成提供一种量化方法。实例计算表明DEA-AHP方法可操作性强，结果客观、可信，研究结果可为运输企业确定公路大件运输方案提供科学依据。

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