基于AHP法改进的场地平整施工机械方案自主式评价研究

阎西康　张永明　梁琛　庞玉松　魏兴磊　陶建伟

摘要：提出一种基于自主式决策思想的场地平整施工机械方案综合评价方法，实现同一工程的不同施工机械方案在评价过程中自主提升自身优势、降低对手优势进行竞争。应用具体的算例对其适用情况和评价结果进行分析，并结合工程需要运用层次分析法对该评价法进行改进。改进前后的评价结果对比表明，改进自主式评价法体现了评估对象的自主性，在保证了评价结果的公正性和有效性的同时，也满足了决策者的要求。

关键词：施工机械；方案评价；自主决策；层次分析法

中图分类号：U415.51文献标志码：B

Abstract： A method based on autonomous decisionmaking for comprehensive evaluation of machinery configuration scheme for field leveling was proposed. Different schemes suitable for the project compete fairly by improving its own advantages and reducing the opponents. Through a specific example， the applicability of the method and the evaluation result were tested. While in order to meet the requirements of practical conditions and policy makers， the autonomous evaluation method was improved by integrating the advantages of AHP. The comparison of the evaluation results of original method and the improved one shows that the latter reflects the autonomous action of evaluated objects， and both fairness and effectiveness of the evaluation results can be ensured. Meanwhile， the requirements of policy makers are satisfied.

Key words： construction machinery； scheme evaluation； autonomous decisionmaking； analytic hierarchy process

0引言

场地平整施工是涉及土方开挖机械、运输机械、整平机械、压实机械的综合作业，具有技术性强、机械化程度高、施工机械种类多等特点[1]。如何根据具体工程选择合理的配套施工机械以及对不同的施工机械配套方案进行优选，才能既保证工程建设的质量、安全和施工进度，又降低工程成本，是工程施工必须考虑的问题[25]。本文将自主式决策视角综合评价方法[68]应用于平整场地施工机械方案的优选过程中，并借鉴层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP）[9]对其不足之处加以改进。

1评价指标体系构建及观测值的确定

施工机械方案优选是涉及技术、经济、安全等方面的复杂的系统问题，因此施工机械方案的综合评价指标体系要能够真实、客观地反映施工机械方案比选的意义[1011]。本文探讨场地平整施工机械方案的评价指标体系（图1）构建，对于体系中成本、工期等定量指标，可直接取其数值作为观测值；对于机械供应、施工质量等定性指标，先进行细化分类（图2），再在各类细化指标下进行分段赋值打分，每段分数为相关领域专家组打分均值，最后综合各细化指标分值作为指标观测值。

2传统自主式评价算法

2.1自主式综合评价的前提假定

自主式综合评价为实现方案模拟“经济人”行为参与评价，对评价规则进行如下界定。

（1） 竞争视野优化准则。评价方案通过综合评价值区间确定其竞争视野，即所有与其构成竞争关系的方案集合；在此基础上采取赋权策略，达到提升自身、打压对手的优化效果。

（2） 权数非独裁性条件。通过赋权策略进行优化视野时，若赋权无约束，评价方案会出现对自己处于优势指标赋权为1，劣势指标赋权为0的独裁现象。为避免独裁现象，对赋权行为进行约束：设任一指标对其余重要性较低的指标全体而言是非主导性的，即每个指标的权重不超过剩余指标权重之和。

2.2自主式综合评价法主要步骤

（1）数据规范化处理，即采用极值处理法把指标体系中的极大型值、极小型值规范化，得到数据矩阵A，以符合人们认为综合评价值越大代表方案越优的判断习惯。

极大型值的规范化

xij=x*ij-mjMj-mj（1）

极小型值的规范化

xij=Mj-x*ijMj-mj（2）

式中：xij为指标规范化值；x*ij为指标观测值；Mj=maxi{xij}，mj=mini{xij}；i为评价方案序号，i∈N={1，2，…，n}；j为指标序号，j∈M={1，2，…，6}。

（2）确定综合评价值区间。根据权数非独裁性条件得到综合评价值区间

yi[KG*3]～=∑6j=1xi（7-j）·wfij，∑6j=1xij·wuij

i∈N，j∈M（3）

式中：yi～为评价方案i综合评价值区间；xij为xij的从大到小顺序排列；wuij、wfij分别为在前提假设条件下方案i的最优、最劣权重向量，i∈N={1，2，…，n}，j∈M={1，2，…，6}。

（3）优化方案竞争视野。构建规划模型式（4），解得方案i竞争视野下最优权重w*i。

max[JB<2[]λ1∑mj=1（xij·ω（i）j）-λ2∑nil=1μ（i）l·

∑mj=1（x（i）lj·ω（i）j）[JB>2]]

s.t.ω（i）j≥0，∑mj=1ωj（i）=1，ωj∈Φ，

j∈M，i∈N，l∈Ni（4）

式中：Φ为满足权数非独裁性条件的权重向量的约束集；λ1 、λ2 分别为提升自身、降低对手优势目标的权系数，满足λ1+λ2=1；ω（i）j、x（i）lj、μ（i）l分别为方案i竞争视野下的各指标权重值、方案l指标值、方案i 对方案l的竞争力关注系数。

（4）构造规划问题得最终评价结论。将指标值和各视野下最优权重线性加权得评价值矩阵Y=（y（1） ，y（2），…，y（n）），y（i）为方案i视野下的各方案综合评价值向量；寻找与向量y（1） ，y（2），…，y（n）夹角之和最小的向量作为最终评价结论y*，可据式（5）规划模型解得，并依据y*中元素对评价方案进行排序[12]。

max∑ni=1[yT·y（i）]2，s.t.‖y‖2=1（5）

2.3算例

某场地平整工程需挖运土方量50 000 m3，土质为一般土，运距为15 km，工期要求30日以内，每天工作2台班。根据条件，有如下6种方案[1011]。

（1）斗容量1 m3挖掘机2台+容量10 m3自卸汽车3台+T1100推土机2台+4 000 L洒水车1台。

（2）斗容量1 m3挖掘机3台+容量10 m3自卸汽车5台+ T1100推土机4台+4 000 L洒水车1台 。

（3）斗容量2 m3挖掘机2台+容量10 m3自卸汽车4台+ T1100推土机4台+4 000 L洒水车1台。

（4）自行式斗容量16 m3铲运机3台+T1100推土机1台+4 000 L洒水车1台。

（5）自行式斗容量16 m3铲运机4台+T1100推土机1台+4 000 L洒水车1台。

（6）自行式斗容量25 m3铲运机3台+T1100推土机1台+4 000 L洒水车1台。

施工方案指标观测值如表1所示。

2.4优选结果分析

结合表1、2，每个评价方案都在各自的竞争视野下达到了增强自身优势、弱化竞争对手的目的，达到了各自的最高排名（即表2中除综合排序外每行的最小值）；综合排序也体现了一个较为公正的排名结果，一方面把各个评价方案的特点考虑在内，另一方面这样的处理方式也比较合理。但是结合实际项目分析，上述方法应用于施工机械方案评选中也存在以下一些不足。

（1）自主式决策方法采用了权数非独裁性条件的假设，但由于权重系数不能体现决策信息，评选出的最优结果并不一定能最大化满足决策者的要求。例如上述算例中评价结果综合排序第一的方案5，其成本、工期、质量均是各自指标下相对较好的，但是在成本方面次于方案1，工期方面次于方案2、方案3。当决策者比较偏重成本，对工期要求较小时，方案5可能就不再是最适宜的方案。

（2）虽然自主式评价假定了权数非独裁性条件，但随着指标数增多，指标值大的最优权重与劣势权重偏差会越来越大，个别指标值严重偏大或偏小会直接影响最终的排序结果。例如上述6个指标，最劣权重为0.031 25，会再次出现评价结果由最优指标主导的现象，而且随指标数量的增多，这种情况会更加严重。

针对以上缺陷，本文根据决策者偏好信息，利用AHP法对上述评价模型中的最优权重进行修正，使评价模型达到充分运用信息、过程公正、评价结果更加适合建筑施工项目的目标。

3基于AHP法改进的自主式评价优选方法

AHP法是用层次结构描述决策问题，最高层为决策目标层，中间为准则层，根据问题需要可设置更多的子准则层，最下层为方案层，如图3所示。这种方法与决策者的心理因素、知识经验和决策水平有关，用此法求得的权重体现了决策者对于方案和指标参数的偏好。本文借助AHP法核心两两比较引入决策者的偏好信息：决策者基于上层目标对准则两两比较，决定下层元素对于上述元素的重要度，即主观权重。

（1）构造两两比较判断矩阵并对其进行一致性检验。

依据指标体系建立层次结构，决策者基于目标层对准则层指标进行两两比较，得到判断矩阵P=[pij]6×6；元素标度用1、3、5、7、9的Satty标度，如表3所示。决策者对各指标的偏好情况不同，得出的判断矩阵也不同，表4、5分别为偏好成本的决策者P1与偏好工期的决策者P2给出的判断矩阵（其余指标相对偏好情况相同）。

表3两两比较的Satty标度

标度值标度意义

1Xi与Xj同样重要 wi=wj

3前者比后者稍微重要wi=3wj

5前者比后者相当重要wi=5wj

7前者比后者强烈重要wi=7wj

9前者比后者极端重要wi=9wj

2，4，6，8表示上述相邻判断的中间值

由于评价方案的复杂性以及人们对其认识的模糊性和多样性，决策者给出的P中的元素可能出现A比B重要，B比C重要，而C又比A重要这种自相矛盾的情况出现，需对P进行一致性检验，一般采用一致性比率验证一致性，即

RCR=ICI/IRI（6）

式中：RCR 为一致性比率；ICI为一致性指标，ICI=λmax-nn-1，λmax、n分别为P的最大特征值和维度；IRI为与n有关的随机指标。

规定：若RCR≥0.1，表明P中各元素协调性差，不能通过一致性检验，应重新给出判断矩阵；若RCR<0.1，则P通过一致性检验。

对P1、P2给出的判断矩阵进行检验，RCRP1=RCRP2=0.098，均通过一致性检验。

（2）利用特征值法根据判断矩阵求得决策者偏好权重向量

WP1=（0.064 4，0.603 7，0.714 9，0.100 1，

0.134 9，0.303 6）T

WP2=（0.064 4，0.603 7，0.303 6，0.100 1，

0.134 9，0.714 9）T

（3）对自主式评价模型的最优权重进行修正，重新优选方案。基于上述算例结果，利用自主式评价法和AHP法对指标进行综合赋权WiZ，如式（7）所示，使综合权重在体现方案自主竞争的同时，也能体现出决策者对各指标的实际重视程度。得到的优选结果如表8所示。

WiZ=a·WP+（1-a）·w*i，i∈N，j∈M（7）

式中：a为主观的偏好系数，在偏差的平方和最小的前提下，最佳取值为05；WP为AHP法求得的决策者偏好权重向量；w*i为原自主式评价法中方案i竞争视野下最优权重向量。

4改进前后评价结果分析

在P1、P2决策者的偏好下，权重向量中成本和工期指标权重不同，说明权重体现了决策者对机械施工方案的不同偏好要求。对比前后排序结果发现：P1偏好信息修正后，成本排名靠前的方案1、5、3分别排在了第2、3、4位，相对于原自主评价结果名次第4、1、5位，成本较低的方案名次有所提升；P2偏好信息修正后，工期排名靠前的方案6、2、3分别排在了第2、1、4位，相对于原自主评价结果名次第3、2、5位，工期较短的方案名次均有所提升。这说明改进后优选排序结果迎合了决策者对施工方案的偏好。

各方案修正后排名与原自主式综合评价法的排名相近，如方案2，排序名次分别为1、1、2，说明修正后的方法是在原评价法的基础上对各方案进行的再优选，继承了原方法客观自主、公平竞争的优点，使得到的结果公平公正地反映出各方案的优劣。

自主式评价法中的最劣权重为0.031 25，改进后的最劣权重为0.065 675，在一定程度上避免了最劣权重过小而出现最优指标主导优选结果的现象发生。

5结语

本文采用自主式决策模型，从工期、成本、供应、操作、质量、组织协调等角度考虑，对适合项目的多种机械化施工方案进行优选，在评价中各方案实现了“提升自身优势、降低对手优势”自主竞争的效果，但是还存在评价结果没有体现决策者偏好和可能出现“二次独裁”现象的问题。运用AHP法根据决策者对项目的要求和各因素偏好情况，对原自主式评价方法中的最优权重向量进行修正，使得最终优选出的施工机械组合方案达到适宜工程项目、贴近决策者要求的目标，为工程项目经济高效地完成提供了保障。

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[责任编辑：王玉玲]