层次分析法在高速公路改扩建机电设备再利用评价中的应用

朱修权

(广东飞达交通工程有限公司,广东 广州 510663)

0 引言

《广东省综合运输体系“十四五”发展规划》提出,2025年全省通车里程将达到12 500km(含改扩建里程),因此,改扩建高速公路的机电系统集成项目规模会大幅度增加。在高速公路改扩建过程中,将有大批量的机电设备需要评价判断是否可以再利用。当前高速公路改扩建过程中,主要依据技术寿命和使用年限来判断,甚至更多地凭主观经验来判断。在管理控制中未能进行科学分析和决策,也造成了一些可利用的设备资源的浪费[1]。

基于高速公路改扩建工程中机电设备再利用评价的现状,本文旨在探讨建立一套高速公路改扩建过程中机电设备再利用的评价体系,制定合理的评价和处置方案。层次分析法能够从技术指标、成本、外观、对环境影响等多因素进行分析并根据分析结果提出相应的处置方法,从而能够更充分地利用现有的机电设备,降低造价成本,提高经济效益,找到节约资源和性能指标的平衡点,为高速公路改扩建项目机电设备的再利用提供理论依据及实施借鉴。

1 高速公路机电系统的构成

高速公路机电系统是高速公路工程建设的重要组成部分之一,涉及的设备种类多、分布地域广,主要包括高速公路监控系统、通信系统和通信系统(简称三大系统)及供配电、照明系统、隧道管理设施等,是涵盖计算机、自动控制、电子、电信等技术的综合应用[2]。

本文主要选取三大系统设备进行再利用评估,其中监控系统以服务区诱导屏、气象检测器、存储阵列设备;通信系统以骨干网络传输设备、接入网光传输设备、管道设备;收费系统以费额显示器、存储设备、称重设备为代表进行分析。

2 机电设备再利用评价方法

2.1 经验分析法

经验分析法是一种定性分析与定量分析相结合的预测方法。在机电设备再利用的评价中,往往是通过专家根据设备的性能指标或设备运维人员根据日常维护的情况来评价是否可以再利用,它是根据企业各层次有关人员的经验来判断而确定设备是否可再利用的一种方法。该方法具有一定的科学性,没有复杂的流程,简单高效,但定量分析不够,容易受评估者的心理情绪、知识水平及个人素质等因素影响,存在一定的片面性。

2.2 因素分析法

因素分析法是依据分析指标与其影响因素的关系,从数量上确定各因素对分析指标影响方向和影响程度的一种方法。在机电设备再利用的评价中,主要是根据某一因素如设备折旧后价值或相关联的多因素指标进行评估是否可以再利用。该方法是一种客观的、科学程度较高的评估方法,但在某种程度上来说也存在一定的局限性,未能完全摆脱主观因素。

2.3 层次分析法

层次分析法是一种定性与定量相结合、系统化、层次化的分析方法。与经验分析法和因素分析法相比,层次分析法最重要的就是综合了多因素且简单明了,不仅适用于不确定性和主观因素的情况,允许合乎逻辑的运用经验、洞察力和直觉,而且适用于定量分析中的确定性和客观因素的情况。处理复杂决策问题的基本思路与人的思维、判断过程大体上一致,具有较强的实用性和有效性。在机电设备再利用的评价中采用层次分析法具有实用性和有效性,对于评估设备再利用更加科学,同时也集合了经验分析法和因素分析法的优点,按照思维、心理的规律将决策过程层次化、数量化。

3 层次分析法原理

本文采用层次分析法对高速公路改扩建机电设备再利用进行分析。

层次分析法是一种定性和定量指标相结合的决策分析方法,是将复杂的问题分解成相关联的几个因素组成梯阶层次结构,通过两两比较的方式来确定各个因素的相对重要性、求解相对重要性判断矩阵确定权重的一种方法,包括梯阶层次的建立、构造判断矩阵、向量权重及一致性检验等步骤。

3.1 梯阶层次的建立

梯阶层次即针对具体问题、将有关的各个因素按照不同属性自上而下地分解成若干层次。层次分析法首先建立梯阶层次,即最高层、中间层和最底层。最高层只设定一个因素,该因素一般设定为要分析问题的预定目标或结果,称之为目标层;中间层包含诸多节点,节点的设定是为了实现上一层预定目标或结果所涉及的节点,一般考虑的是一些指标和准则之类的因素,称之为准则层;最底层是供实现预定目标或结果可供选择的不同方案或措施,称之为措施层。层次分析法需解决的问题是求出最底层对最高层的相对权重,对最底层的方案或措施进行排序,择优选择方案或措施。

3.2 构造判断矩阵

在梯阶层次中的中间层,也就是设定指标和准则的层级,故可称为指标层或准则层,是对从属于上一层每个因素的同一层一个或多个因素,以此来构造判断矩阵,直至最底层。

确定各层次各因素的权重时,定量指标往往更直观。定性指标容易产生争议,因此判断矩阵是表示 本层所有因素对上一层某单一因素的相对重要性进行比较,不将所有因素放在一起比较,而是两两相互比较,采取相对标度,尽可能地减少性质不同的因素造成的困难,以利于提高准确度。定性判断矩阵因素的标度方法见表1。

表1 定性判断矩阵因素的量化值

3.3 向量权重及一致性检验

单层权重向量是指对本层中的所有因素两两评比,并按层次排序,进行重要顺序的排列。计算权重向量有算术平均法(和积法)、几何平均法(方根法)和特征值法三种[3]。三种算法权重向量(ω)与最大特征(λmax)的计算步骤见表2。

表2 权重向量(ω)与最大特征(λmax)的计算步骤

4 工程应用案例分析

本文以开阳高速公路扩建工程为应用案例。开阳高速公路全长125km,新建时按行车速度120km/h、双向四车道高速公路标准设计,于2003 年9 月建成通车。该路段交通量达到或接近高速公路路段所能适应的最高通行能力,经常出现通行缓慢甚至严重堵塞的现象,节假日尤为突出,服务水平严重下降,已不能适应现状及未来交通发展的需要,因此于2017年10月启动扩建工作。扩建工程的机电部分包括监控中心、收费和监控及通信三大系统工程、通信管道工程、供配电及照明工程以及机电附属设施的升级改造。

在开阳高速公路扩建工程动工前,建设单位、设计单位、施工单位共同研究并确定旧机电设备再利用的评估原则、评估因素、处置方式、评估流程等。

4.1 机电设备再利用评估原则

(1)绝对淘汰判断因素:在机电设备中存在一些政策导向如不满足节能环保要求的设备,按绝对淘汰或“一票否决”处理。

(2)临时使用判断因素:在机电设备中存在一些因技术发展因素如网速不能达到改扩建要求的交换机设备,按临时使用处理。

(3)层次分析判断因素:对满足政策、技术发展影响因素的设备,按层次分析法评估因素进行评估后处理[4]。

4.2 机电设备再利用评估因素

评估因素指的是在进行评估过程中需要考虑的各种因素。在开阳高速公路扩建工程中,确定评估因素包括但不限于政策允许、技术状况、成本效益、外观结构等。政策允许评估主要是设备再利用是否符合相关政策和规定,对环境和安全是否有影响,该因素为“一票否决”因素;技术状况评估主要是设备是否处于正常的工作状态,是否存在故障或损坏现象;成本效益评估主要是设备再利用与新购置的成本进行比较,是否存在经济合理性;外观结构评估主要是外观是否存在变形或生锈等,结构是否符合再利用的要求[5]。

除政策允许因素外,将评估因素的数组对象定义为:P={技术状况,成本收益,外观结构}。

4.3 机电设备再利用的处置方式

处置方式指的是设备经过评估后对设备进行处置的一种方式。在开阳高速公路扩建工程中,对旧机电设备再利用的处置方式分为直接利用、翻新利用、降级利用和处置回收等。直接利用是对于能够正常工作的机电设备,可以直接重新使用,不需要进行任务处置;翻新利用是对于存在一些小问题的机电设备,可以通过翻新或者更新部分部件以提高其性能和效率;降级利用是对于设备的性能指标不能适合新要求,但可以满足其它要求不高的场合使用,如交换机的网速指标;处置回收是对设备无法再利用的旧设备,可按照国家相关规定进行环保处理,如分类回收、废弃物处置等。

将处置方式的数组对象定义为:V={直接利用,翻新利用,降级利用,处置回收}。

4.4 机电设备再利用评估程序

4.4.1 建立设备的梯阶层次

在高速公路机电设备再利用过程中,影响再利用的因素较多。开阳高速公路扩建工程将旧设备再利用的评估体系划分为目标层、准则层和措施层,针对旧机电设备的典型特点,选取关键影响因素进行层次分析。目标层是对高速公路机电设备再利用的设备进行层次分析后的评估判断,判断的结果在处置方式数组对象中选择,目标层的评估因素设定为设备再利用;准则层针对机电设备再利用的评估目标,按照机电设备再利用的评估因素技术状况、成本效益、外观结构作为准则层;措施层针对准则层各评估因素,对准则层分别进行影响因素分解[6]。梯阶层次评估体系如图1所示。

图1 梯阶层次评估体系

4.4.2 构建设备比较矩阵

构建设备比较矩阵是一种决策分析方法,用于比较多个设备或方案的优劣。该方法要求将所有设备或方案按照各自的性能指标进行评估[5],依据表1将它们两两比较,得出一个比较矩阵。然后计算每个设备或方案的加权总分,以确定最终的排名。

(1)建立比较矩阵。建立比较矩阵从目标层开始,层层建立。在开阳高速公路扩建工程中,以旧摄像机再利用为例,参照图1影响摄像机再利用的因素有技术状况、成本收益和外观结构三个因素,由专家参照表1进行打分,建立比较矩阵(表3)并矩阵向量化。

表3 设备(旧摄像机为例)再利用比较矩阵

比较矩阵的特征向量:

(2)按列归一化及权重。

比较矩阵特征向量的权重:

4.4.3 向量权重及一致性检验

(1)比较矩阵特征向量的参数权重。

(2)比较矩阵一致性检验。为了避免过于主观地进行两两比对和其它因素的干扰,需要对比较矩阵进行一致性检验[7]。

比较矩阵最大特征值:

比较矩阵偏离一致性指标:

平均随机一致性指标:

RI=0.58(查表)

一致性检验值:

当CR<0.1时,表示比较矩阵通过一致性检验;当CR>0.1时,表示比较矩阵未通过一致性检验。

4.4.4 因素权重集

通过以上计算,得出目标层因素的权重:

A={0.0724,0.3013,0.6263}

根据图1所示的因素关系,并按相同的方法计算准则层因素的权重,分别为:

A1={0.1095,0.3092,0.5813}

A2={0.6667,0.3333}

A3={0.75,0.25}

4.4.5 处置方式比较矩阵

根据图1各因素的关系,建立技术状况、成本效益和外观结构准则层的权重集为:

4.4.6 设备再利用模糊评价集

通过以上计算,目标层设备再利用的评价权重为:

4.4.7 处置方式的确定

根据层次分析法,目标层设备(摄像机为例 )再利用的权重最大值为0.338 3,由此判断该设备的处置方式为回收。

4.5 机电设备再利用建议处置结果

采用层次分析法对开阳高速公路扩建工程实施中的机电设备(以监控、通信和收费为例)再利用的处置方式进行验证,以满足业务和工程实际的需求。处置方式见表4。

表4 开阳高速公路改扩建机电设备再利用处置方式

(续表4)

5 结语

本文采用高速公路机电设备再利用的分析评价算法——层次分析法,解决高速公路改扩建工程中机电设备的再利用评价问题,同时能对机电设备的全生命周期起到更好的管理作用,为高速公路机电设备的养护、监测提供可靠的支撑。通过在开阳高速公路扩建工程中的实践应用,得到业主及主管单位的认可。目前该算法在实施过程中存在比较大的计算量,但随着信息技术的不断进步,计算量的问题可以通过SPSS数据分析软件解决,实现层级及各因素可定义、数据可量化地进行分析,自动完成计算、统计汇总等功能,力求构建功能更强大、操作更简单的评价体系,为高速公路改扩建工程机电设备的再利用,提供一种科学全面的评价方法和评价体系。