多功能救援属具应用效能综合评价*

张雪华 ，李 政，李 静，杜晓霞

(1.中国地震应急搜救中心，北京 100049；2.烟台艾迪精密机械股份有限公司，山东 烟台 264006)

在历次地震灾害救援行动案例中证实，使用起重机、挖掘机、装载机等大型工程机械设备在灾害现场实施道路疏通、障碍清除、废墟清理、固堤疏浚等成效显著，有效提高了救援队伍进入灾区、次生灾害排除和废墟救援的效率[1-2]。美国、俄罗斯、日本等国家已经研发了多功能转向装载机、大型双臂工程机械、多功能救援车等专用大型多功能救援机械，在地震等其他灾害的救援行动中得到应用[3-5]。我国在该方面的研发是在汶川地震后，相关企业相继研发了双臂多功能救援工程机械、多功能拆除机械、步履式挖掘机等救援专用工程机械[6-8]。但是专用大型救援工程机械存在局限性，重要的一点就是该类装备体型相对较大，在山区道路狭窄的情况下难以保证运输至救援现场，同时造价昂贵，使用频率低，加之维保费用高，使其难以广泛配备，因此研发可与通用工程机械装备快速对接的多功能救援属具具有重要应用意义。

多功能救援属具克服了通用工程机械存在的实际应用问题，在地震发生后，通过与在当地从事生产的大型通用工程机械快速对接，可迅速转换成能够满足地震救援需求的专用大型工程机械，符合我国地震应急救援实际需求。

我国在多功能救援属具的研究已取得一定进展，如孙骁[9]研究了一种起缝支护救援工程属具，在SolidWorks软件中完成了结构设计和虚拟装配，并进行了静力学分析和运动学分析；赵京等设计了钳剪抓一体多功能救援属具和开孔取芯破拆救援属具等，并完成了部件设计优化、液压控制优化等研究[10-12]。但都尚未开展救援属具的应用效能综合评价研究。

多功能救援属具应用效能综合评价是指通过建立一套科学合理的指标体系对多功能救援属具在救援行动中的应用质量和效果进行全面评估的活动，以此来检验多功能救援属具在救援过程中发挥的实际作用，有利于发现多功能救援属具在设计、制造过程中的问题，切实提升救援能力和效率。由于多功能救援属具实际生产及应用较少，当前鲜有对此类装备开展应用效能综合评价的研究。姜涛等[13]从生产性能、基本功能、运输性能、安全性能、操作性能等方面，利用层次分析法(AHP)-模糊综合评价方法对破拆开孔、剪切破碎扩张、抓取起吊救援属具开展了综合性能评估，并阐述了指标体系存在的问题。笔者参加的“十三五”国家重点研发计划项目其中一项成果是产出五种大型多功能救援属具，本文选取其中两种(图1)，通过构建科学合理的评价指标体系，利用主客观结合的改进AHP-熵-模糊综合评价方法对其在城市地震复杂灾害救援场景下的应用效能综合评价进行研究，以期能够真实评价出该装备在实际救援行动中的应用效能，为装备改进、产品选择提供参考。

图1 多功能救援属具

1 评价指标体系及测试方法

本文参考现有工程机械及多功能救援属具评价研究，以提升救援行动能力和效率、保证废墟结构稳定状态为目标，考虑运输维护和人机协同等方面，以及当前建筑物废墟救援主要应用场景，建立符合装备特点，且满足完整性、系统性、一致性、可比性、可操作性及实用性原则的应用效能综合评价指标体系[13-17]。

1.1 多功能救援属具的评价指标体系

本文分别建立了以上两种多功能救援属具的应用效能综合评价指标体系，指标体系包括目标层A、准则层B、指标层C。目标层为两种多功能救援属具，其下准则层有作业能力、作业效率、协作能力和维护能力等四个因素，准则层下又分别有多个具体评价指标。另两种属具使用操作和液压原理基本相同，故协作能力和维护能力两项准则及具体评价指标相同。

目标层A即待评价的两种救援属具：抓取剪切救援属具和破拆开孔救援属具，记为U。

准则层B下的作业能力是表现该属具装备设计和在救援过程中的功能实现能力，如抓取、剪切、破拆、开孔及其复合功能；作业效率体现的是实现相应功能时所用的时间；协作能力是属具各功能间、属具与挖掘机之间以及人与属具间的配合协调能力；维护能力是表现属具稳定、故障清除和日常维护保养的能力。记为U1至U4。

指标层C是准则层B各个准则下的具体评价指标，记为Uij(i=1,2,3,4;j=1,2,…,n;n为各准则下指标个数)。

抓取剪切救援属具集剪切与抓取功能于一体，其可利用抓爪将物体抓住，再利用剪口将钢筋、方钢、工字钢、钢筋混凝土等较大建(构)筑物构件切断，进而分离移除，可防止剪落构件造成废墟的二次坍塌，从而在保证安全的前提下辅助救援行动，提升救援效率，指标体系见图2。

图2 抓取剪切救援属具指标体系

破拆开孔救援属具具有破拆和开孔功能，在救援行动中主要是实现钢筋混凝土板的快速开孔，辅助打通救援通道，指标体系见图3。

图3 破拆开孔救援属具指标体系

1.2 评价指标测试方法

由于当前对于救援属具应用效能综合评价的相关研究较少，对于其相关指标测试标准的研究几乎处于空白阶段。本文重点结合相似功能的手持救援装备测试标准、救援队救援指南[17]、救援专家意见建议，同时借鉴属具标准和液压破拆工具标准[18-20]，对具体评价指标测试方法进行研究。

指标体系中有定性和定量两类指标，同时定量指标中匹配挖机市场占有率、易损部件更换频率、日常维护频率为制造厂家给出，定性及厂家给出指标在此不做研究，测试中所有操作员均为厂家及研发单位指定的技术人员。

两种救援属具共同指标测试方法：

(1)功能转换成功率是指多功能救援属具上集成的多种功能之间相互转换成功比例，衡量了属具功能间的动力转换顺畅性和功能配合性，是区别于单一属具的重要指标。在完成属具安装及调试后，操控属具多种功能间相互转换各10次，记录转换失败的次数。

(2)装备展开时间是衡量装备到达救援现场后开展工作的时间。将救援属具及匹配挖机停放于空旷场地，记录从挖机启动到属具抬起，并完成一次所有功能动作测试为止所用时间，测试3次，取最短计时。

(3)装备撤收时间是衡量装备完成某一区域救援工作后撤离现场所用时间。保持挖机启动和属具与挖机的安装状态，并停放于开阔场地，记录从机臂下落到与属具完全分离所用时间，测试3次，取最短计时。

(4)不同属具更换时间是衡量在救援过程中为满足救援需求，两种不同属具间更换所用的时间。该指标同展开和撤离指标有关联，但重点在于测试救援过程中属具更换的流畅性。将安装属具的挖机和另一种属具停放于空旷场地并保持挖机启动状态，记录从挖机机臂下落至安装上另一种属具并完成一次所有功能动作测试为止所用时间，测试3次，取最短计时。

(5)最大通信传输距离。操控终端同机载接收器之间的距离。以说明书提供最大距离为起始值(若无说明则以3 m为起始值)，设置无线控制距离，每个距离测量3次，若全部成功则距离增加0.5 m，若有一次失败则减少0.5 m，记录最大距离值。

(6)通信指令传输正确率。用于衡量属具同手持控制终端之间的数据传输情况。在手持控制终端和数据接收器最大通信传输距离的80%处操控属具，测试10次，记录指令与功能相符次数。

(7)故障出现次数。记录在所有测试过程中故障出现次数。

(8)故障清除时间。若出现故障则计算从故障查找到故障清除后完成一次全部功能测试为止的时间，若无故障出现则计时为0。

抓取剪切救援属具特有评价指标测试方法：

(1)剪切建筑材料类型。可衡量属具的应用建筑材料类型。对符合剪切尺寸的钢筋混凝土、型钢等建筑物构件进行剪切，测试3次，其中一次成功则认为可以剪切该类材料。

(2)最大剪切尺寸。如说明书提供最大剪切尺寸(开口尺寸)，则以说明书提供值为初始值(如没有提供则以测量最大开口值为初始值)，让属具在规定时间内进行剪切，测试3次，至少有一次成功则增加初始值10%(若一次都没有则减少10%)，依次测试，直至不能增加或减少为止，记录最大尺寸值。

(3)最大抓取尺寸。同最大剪切尺寸测试。

(4)钢混构件剪切时间。使用符合最大剪切尺寸的建筑物标准钢筋混凝土梁柱构件，保持属具闭口状态并接近构件，记录从属具张口至完全分离构件为止的时间，测试3次，取最短时间。

(5)型钢构件剪切时间。同钢混构件剪切时间测试方法。

(6)抓取剪切复合时间。使用符合剪切和抓取两种功能的最大尺寸构件，保持属具处于闭口状态并接近构件，先抓取后剪切，记录从属具张口抓取至完全剪切分离构件为止的时间，测试3次，取最短时间。

破拆开孔救援属具特有评价指标测试方法：

(1)最大开孔厚度。如说明书提供最大开孔厚度尺寸，则以说明书提供值为初始值(如没有提供则以测量钎杆长度值为初始值)，让属具在规定时间内进行开孔，测试3次，至少有一次成功则增加初始值10%(若一次都没有则减少10%)，依次测试，直至不能增加或减少为止，记录最大开孔厚度值。

(2)最小冲击能。为保证倒塌建筑物的稳定性，避免二次坍塌，以最小冲击能衡量其对结构稳定性的影响，测试方法参考国家标准[20]。

(3)铣挖部件更换时间。衡量铣挖部件更换时间对工作效率的影响。采用适用救援现场的工具，计算从部件拆卸至更换完毕第一次功能测试成功为止的时间，测试3次，记录最短时间。

(4)钎杆更换时间。同铣挖部件更换时间测试方法。

(5)破拆开孔复合时间。使用符合破拆开孔功能的最大厚度构件，保持属具处于闭口状态并接近构件，记录从开始工作至开孔尺寸达到直径60 cm的圆孔为止的时间，测试3次，取最短时间。

2 评价方法研究

AHP法是一种定性分析和定量分析相结合的评价方法，通过构建层次结构、构造各层次判断矩阵、层次单排序和一致性检验、层次总排序和一致性检验等步骤完成指标权值的确定。但AHP法存在指标权重受人为主观因素影响大造成信息损失过多和若一致性检验不通过则计算繁琐的问题[21-22]。因此本文利用改进AHP法求解各层指标权重，同时采用熵权法对利用AHP法求得的各层指标权重进行客观修正，以便减少主观因素的影响，再者利用模糊综合评价方法对两种属具的应用效能进行综合评价。

2.1 改进AHP法[22-24]

(1)建立层次结构。针对评价目标和其影响因素构建阶梯型层次结构指标体系。

(2)构造判断矩阵。采用专家调查法和三标度法对各层次因素两两之间的相对重要性进行打分，得到各层次重要性矩阵R=[bij]n×n，其中相对重要程度bij的值计算如下：

(1)

判断矩阵P=[aij]n×n计算如下：

(2)

式中：t为矩阵R的行之和。

(3)

(4)

(5)

(4)一致性检验。通常认为当一致性比率CR<0.1时判断矩阵通过一致性检验。

CR=CI/RI。

(6)

式中：CI=(λmax-n)/(n-1)，RI为平均随机一致性指标，与矩阵阶数有关(表1)。

表1 矩阵阶数n与RI值对应关系

2.2 熵权法

使用熵权法对AHP法得到的权重向量进行修正，可减少其主观性。熵权法用来判断某个指标的离散程度，其有两个指标即熵值和差异系数，熵值越大、差异系数越小表示该指标的重要程度越低，在本评价方法中其使用的数据是归一化后的判断矩阵。对归一化后的判断矩阵计算其熵值向量E(e1,e2,…,en)，第i个评价指标的熵值为：

(7)

第i个评价指标的偏差指数为：

(8)

(9)

2.3 模糊综合评价方法

模糊综合评判方法是基于模糊数学理论发展起来的，是用数学方法对多因素所影响的事物或现象做出总的评价[25]。其原理步骤主要有：

(1)建立模糊对象因素集U=(u1,u2,…,un)和评判集V=(v1,v2,…,vm)，其中n为指标个数，m为评判等级个数，一般可分为(优，良，中、差，劣)或(好，中，差)。

(2)建立单级隶属度矩阵R′。假设对第i个评价因素Ui进行单因素评价，则得到一个相对于vi的模糊向量：

(10)

式中：i=1,2,…,n;j=1,2,…,m;0

若对n个因素进行综合评价，则其是一个n行m列的矩阵，即隶属度矩阵R′。

对于定性指标可采用百分比法，即对该指标的每个评价等级次数与专家数的比例；定量指标虽然可以定量表示，但是由于专家认知和侧重点不同往往又具有模糊性，因此对其进行模糊化处理，本文采用广泛应用的半梯形分布函数作为隶属度函数，具体如下：

设评判集中vj和vj+1为相邻两级标准，且vj+1>vj，则vj级隶属度函数为：

(11)

(12)

(13)

根据上式，计算评价指标i隶属于评判等级j的隶属度rij，则可生成n×m的隶属度矩阵R′。

(3)建立多级模糊评价，即从底层指标层依次开始评价至目标层，从而得到目标层的模糊隶属度。指标权重向量同隶属度矩阵相乘即可得相对于上一层的模糊隶属度，依次上推，直至目标层。

(14)

3 多功能救援属具综合效能评价

依据指标体系和测试方法，通过专家调查法对多位救援专家和救援教官进行AHP法判断矩阵与定性指标评判等级的确定，并结合多次实际救援场景测试的定量指标实测值。

3.1 抓取剪切救援属具综合效能评价

3.1.1 指标权重计算

(1)准则层B对目标层A的判断矩阵PU。经专家打分得到重要性矩阵RU及公式(2)得到：

(15)

(16)

对PU进行归一化后，利用公式(5)可以得出准则层B中因素相对于目标层A的权重向量:

WU=[0.558,0.121 9,0.263 3,0.056 9]。

(17)

(2)一致性检验。利用公式(4)和公式(6)求得最大特征值和CR为：

λmax=4.118 5;

(18)

CR=0.043 876。

(19)

CR<0.1通过一致性检验。

(3)熵权法修正指标权重。根据2.2节内容可得：

(20)

同理，可计算得到指标层C对各准则层B的权重：

(21)

(22)

(23)

(24)

3.1.2 模糊综合评价

分层级对抓取剪切救援属具应用综合效能评价指标体系进行模糊综合评判，即分别对每一级指标所分解的二级指标进行模糊综合评判，然后在与上一级指标权重进行模糊综合，依次上推，直至目标层。

(1)建立因素集与评判级。依据指标体系可知因素集为：

U1={U11,U12,U13,U14,U15}；

(25)

U2={U21,U22,U23,U24,U25}；

(26)

U3={U31,U32,U33,U34,U35}；

(27)

U4={U41,U42,U43,U44}。

(28)

评判级采用三级评判，即：

V={V1,V2,V3}={好，中，差}。

(29)

定性指标的模糊隶属度依据专家打分确定，即如有10位专家参与，其中3位专家判定为好，则好的隶属度为0.3。

评判集对应的定量数值集如表2所示[数值单位：尺寸(cm)，时间(min)，频率(h或d)，距离(m)，占有率(%)]。

表2 分值表

(2)构造隶属度矩阵。定性指标隶属度如下：

rU14={0.4,0.6,0}；

(30)

rU31={0.5,0.5,0}；

(31)

rU33={0.3,0.6,0.1}。

(32)

定量指标隶属度依据式(11)-式(13)可得：

rU11={1,0,0}；rU12={0.9,0.1,0}；

(33)

rU13={0.9,0.1,0}；rU15={1,0,}；

(34)

rU21={0.5,0.5,0}；rU22={0.5,0.5,0}；

(35)

rU23={0.4,0.6,0}；rU24={0,0.8,0.2}；

(36)

rU25={0,0.7,0.3}；rU26={0.2,0.8,0}；

(37)

rU32={1,0,0}；rU34={1,0,0}；

(38)

rU35={0,0.9,0.1}；rU41={1,0,0}；

(39)

rU42={1,0,0}；rU43={0.3,0.6,0.1}；

(40)

rU44={0,1,0}。

(41)

(3)模糊综合评价

一级模糊评价计算即可得准则层B所含4个准则的模糊隶属度：

R1=[0.8294,0.1706,0]；

(42)

R2=[0.175 4,0.701 1,0.122 5]；

(43)

R3=[0.586 3,0.381 2,0.031 5]；

(44)

R4=[0.816 9,0.164 8,0.018 3]；

(45)

(46)

二级模糊评价同样可得最终目标层A的评价隶属度矩阵：

R=[0.62,0.34,0.04]。

(47)

该模糊隶属度矩阵表明抓取剪切救援属具在实际现场应用过程中有0.62的概率属于好，有0.34的概率属于中，有0.04的概率属于差。

3.2 破拆开孔救援属具综合效能评价

破拆开孔救援属具的综合效能评价计算过程同抓取剪切救援属具的综合效能评价计算过程，在此只给出结果。

3.2.1 指标权重计算

从指标体系中可以看出破拆开孔救援属具与抓取剪切救援属具指标体系中准则层B中工作能力和工作效率存在差异，协作能力和维护能力相同，故计算工作能力和工作效率指标权重。

(48)

(49)

3.2.2 模糊综合评价

工作能力和工作效率定量指标分值集同评判级的对应如表3所示：

表3 分值表(部分)

定量指标隶属度为：

rU11={1,0,0};rU12={1,0,0};

(50)

rU24={0.1,0.7,0.2};rU25={0.3,0.7,0}

(51)

rU26={0.1,0.8,0.1}。

(52)

两项准则中定性指标为冲击能调节能力，其隶属度为：

rU13={0.3,0.6,0.1};

(53)

R1=[0.822 0,0.157 6,0.020 4];

(54)

R2=[0.314 6,0.640 1,0.045 3]。

(55)

二级模糊评价同样可得最终目标层A的评价隶属度矩阵：

R=[0.66,0.31,0.03]。

(56)

该模糊隶属度矩阵表明破拆开孔救援属具在实际现场应用过程中有0.66的概率属于好，有0.31的概率属于中，有0.03的概率属于差。

4 总结

本文针对最新研发的两种多功能救援属具：抓取剪切救援属具、破拆开孔救援属具，开展了建筑物废墟救援现场应用的综合效能评价研究。从救援现场应用实效出发，针对属具功能特点和应用场景，构建了具有针对性的综合效能评价指标体系，包含工作能力、工作效率、协作能力和维护能力四大方面，每个方面具有4～6个具体评价指标，并对定量指标的测试方法标准进行了研究；使用改进的AHP-熵权-模糊综合评价方法对其进行了应用效能评价，得到以下结论：

(1)抓取剪切救援属具、破拆开孔救援属具两种多功能救援属具应用综合效能评价结果表明其在一定的救援场景中分别有0.62和0.66的概率表现为好，分别有0.34和0.31的概率表现为中，0.04和0.03的概率表现为差。

(2)从准则层隶属度矩阵中可以看出，其在工作能力和维护能力方面表现为好的概率均大于0.81，表明其工作能力较强，维护简单；在工作效率方面表现为中的概率较大，其原因主要是由于在协作能力方面尚有提升空间。

5 展望

在救援能力和救援效率需求日益增加的背景下，大型机械辅助开展救援行动的作用更加凸显。本文针对两种新研发的大型多功能救援属具，在结合实际救援场景需求和其功能特点的基础上，首次构建了其综合效能测试评价指标体系，并开展了其实际应用效能综合评价，结果表明两种救援属具在一定的救援场景下具有较好的表现，可以大大提升救援能力和救援效率，并且具有易维护的特点，未来具有较好的应用前景。

本文所采用的改进AHP-熵权-模糊综合评价方法得到的结果与实际经验判断结果相吻合，表明该方法在装备综合效能评价方面具有一定的适用性，可为其他装备效能评价提供方法参考。另由于此为新研发的与大型机械相结合的救援属具，其适用场景和应用评价指标构建，以及指标测试标准都还有待进一步研究；同时在本指标体系中还存在较多的定性指标，加之指标隶属度矩阵的等级确立使评价结果具有了较大的主观性，还需探寻更加科学、客观的评价方法。