高速公路养护机械设备配置优化方法研究

2023-11-29林建

设备管理与维修 2023年20期

林建

（福建省高速路桥建设发展有限公司，福建厦门 361000）

0 引言

近年来，高速公路路网建设不断完善，随着里程的增长，高速公路养护作业单位承担了大量的日常养护和应急抢险任务，为保障高速公路安全运行、维持良好状况、提升服务质量作出了重要贡献。自动化、多功能化的养护机械设备也逐步地被应用到道路养护作业中。高速公路养护机械设备的配置，既要满足养护作业的需要，还需要满足经济、环保、实用等要求，然而高速养护机械设备配置方案的评价中涉及许多指标且许多指标存在不确定性和模糊性，这对高速公路养护机械设备的科学配置是一个较大的挑战。

国内学者在高速公路养护机械设备的配置上进行了大量研究，长安大学陈庆芳等[1]在量化数据的基础上，综合约束条件的限制范围，创建高速公路养护机械配置模型，并给出高速公路养护机械配置模型的求解方法；李秀君等[2]提出了基于多层次模糊灰色耦合理论的高等级公路养护机械配置方案评价模型；李文慧[3]运用层次分析法建立了高等级工差机械配置方案评价模型。

本文采用层次分析法，结合福建高速近30 年来养护工作经验积淀，建立高速公路养护机械设备配置的层次结构模型，并确定方案的评价指标及权重系数；结合灰色关联理论得出养护机械设备配置优化模型；最后，验证了该方法的可行性和有效性。该方法可以为高速公路养护机械设备的配置优化提供科学的决策依据，实现养护效率和质量的提高，同时降低成本，具有一定的实际应用价值。

1 研究方法

为建立养护机械设备配置方案优化模型，本文使用层次分析法及灰色关联理论两种研究方法。

1.1 层次分析法[2]

1.1.1 层次分析法的思路

层次分析法的基本思路是根据问题的性质和目标分解出问题的组成因素，根据各个因素的相互关系将其层次化，组成一个层次结构模型，然后按层分析，从而获得最低层对于最高层的重要性权值。

1.1.2 层次分析法的基本步骤

（1）建立层次结构模型。目标层：问题的预定目标（如选择旅游城市）；准则层：影响目标实现的准则（如费用、景色、饮食等）；方案层：决策时的备选方案（如桂林、武夷山、华山等）。

（2）构造判断矩阵：①建立评估因素集合U={u1，u2，u3，…，un}；②设uij表示评估因素ui对评估因素uj的相对重要性数值，由专家根据1-9 标度法进行判断取值（表1）；③将评估元素集U中的元素两两比较得出判断矩阵P：

表1 评估元素重要性评分表

其中，uij＞0，uij=1/uji。

（3）判断矩阵一致性：①求一致性指标CI：根据PW=λmaxW，得最大特征值λmax，进而求出一致性指标；②平均随机一致性指标RI：根据矩阵阶数，从表2 中查取；③计算随机一致性比率，当CR＜0.1 时，则判断矩阵满足一致性要求；当CR≥0.1 时，则需对判断矩阵进行修正。

表2 随机一致性指标RI 值

（4）确定权重系数。应用层次分析法确定权重系数的问题可以归结为判断矩阵的特征向量求解问题，目前主要方法有方根法、和法、特征根法等，这里采用和法。

将判断矩阵按列归一化：

将归一化后的判断矩阵按行相加：

（5）组合权重系数。根据上述方法可以确定出单权重系数，假设准则层对目标层的权重系数为（a1，a2…an）、指标层次对准则层的权重系数为（η1，η2…ηn）T，为确定指标层与目标层之间的权重系数，根据线性代数相关知识可知方案层与目标层的权重系数为：（a1，a2…an）（η1，η2…ηn）T。

1.2 灰色关联理论

1.2.1 灰色关联理论的思路

灰色关联理论的核心是将样本数据转化为灰色数列，并通过计算灰色数列之间的关联度来评价对象之间的相似程度或接近程度。具体来说，灰色关联理论通过对样本数据进行灰色化处理，将其转化为灰色数列，然后计算不同灰色数列之间的关联度，从而评价对象之间的相似程度或接近程度。应用灰色关联理论可以用来评价方案之间的优劣程度，从而选择最优方案。

1.2.2 灰色关联理论的步骤

（1）参考数列记作x0=（x0（1），x0（2）…x0（m））；被比较因素组成的数列称为比较数列，记作xi=（xi（1），xi（2）…xi（k）…xi（m））（k=1，2…m；i=1，2…n），多个比较数列构成比较矩阵：

（2）由于各因素的不可公度性，在评价前应对数列进行标准化处理，转化为无量纲的数据。

（3）对于一个参考数列x0，比较数列xi，xi对关于k 指标的关联度ξi（k）：

其中，ξ是为了减少极值对计算影响的系数，一般取ξ≤0.5。

（5）绝对关联度ri反映了比较数列i 的“优劣”关系，按从大到小对其进行排序，最大的为最优方案。

2 养护机械设备配置优化模型建立

养护机械设备配置优化模型的建立，是根据分析当前国内高速公路养护机械设备配置的衡量指标，采用层次分析法，构建高速公路养护机械设备配置衡量指标的权重系数，根据权重系数，按照灰色关联理论对现有配置方案与理想方案对比，找寻最优方案，选择出最优配置的过程。

2.1 养护机械设备配置的影响因素

当前高速公路养护作业主要有路况巡查、路面保洁修补、交安设施维护、桥隧维护、绿化养护、应急抢险等工作，工作量和工作标准决定了机械设备配备的型号和数量。结合国内外高速公路管养情况，管养里程、交通量、车道数、路龄、自然条件是影响养护机械设备的主要影响因素。

2.1.1 管养里程

管养里程的长短是决定养护机械设备配置数量的重要因素之一。当管养里程较长时，可能遇到的养护工作量也会相应增加，养护任务也会更加繁重。因此，在管养里程较长的情况下，应适当增加养护机械设备的数量和种类，以提高养护效率和质量。同时，应根据实际情况和养护作业的需要，合理规划养护机械设备的配置和调度，以确保养护工作的高效进行。

2.1.2 交通量

交通量是衡量车流大小的指标，直接决定了道路及设施的损坏程度，进而影响高速公路的使用寿命。当交通量较大时，养护工作的难度和工作量也会相应增加。因此，在交通量较大的情况下，应适当增加养护人员和设备的投入，以保证养护作业的高效进行。

2.1.3 车道数

车道数是影响养护作业量的重要因素之一，直接影响到养护应急设施布局和机械设备配置标准。车道数的增加会导致同等条件下百公里养护面积的增加，从而增加养护工作量。因此，在车道数增加的情况下，需要适当增加养护机械设备的数量和种类，以满足养护作业的需求。同时，应根据实际情况和养护作业的需要，合理规划养护应急设施的布局和机械设备的配置标准，以确保养护工作的高效进行。

2.1.4 路龄

路龄越长，高速公路基础设施的老化越严重，会导致养护作业量的增加和维修比率的提高。因此，在路龄较长的路段，应适当增加养护机械设备的数量和种类，以提高养护作业的效率和质量。同时，对于这些机械设备，应注重其可靠性和稳定性，以减少机械维修时间和成本。可以通过选择质量可靠、性能稳定的机械设备，并加强日常维护保养，来提高机械设备的可靠性和使用寿命。

综上所述，对于路龄较长的高速公路路段，应根据实际情况适当地增加养护机械设备的数量和种类，并注重机械设备的可靠性和稳定性，以提高养护作业的效率和质量，减少维修时间和成本。

2.1.5 自然条件

自然条件也是影响养护机械设备配置的一个重要因素。以闽北地区为例，春夏季节汛期来临时有大范围长时间的降雨，会增加路面病害和水毁的发生率。因此，在这个时期，应适当增加清障、排水等养护机械设备的配置，以应对自然灾害。而在冬季，闽北地区会频繁发生冰冻灾害，因此应该配置除雪除冰设备，以保证道路的通行安全。

2.2 影响养护机械设备配置的衡量指标

养护机械设备的配备是一项系统性工作，配置过程应该综合考虑配置影响因素、养护内容、经济性指标、技术性指标以及行业专家的意见等多个因素。为此，本文提出3 个衡量指标：适应性、经济性和技术性。

2.2.1 适应性

在选择养护机械设备时，其使用性能应具有足够的适应性。首先，设备应能够适应当前养护作业量，当作业量较大时，应适当提高设备的配置量。其次，设备应能够适应养护生产工作内容，例如路面修补设备、绿化养护设备、应急抢险设备等，以满足不同方面的要求。最后，由于养护生产环境和灾害类型可能各式各样，因此在选择设备时，应考虑当前情况并选择适合的设备，以确保养护生产任务的高效完成。

2.2.2 经济性

在功能和性能相同或相近的条件下，养护机械设备的配备应选择价格较低的机械，以提高性价比。这可以从设备总投资、投资回收期、年折旧费以及年平均利用率等方面来考虑。选择价格较低的机械可以降低设备总投资，缩短投资回收期并降低年折旧费用，同时还可以提高年平均利用率，从而获得更好的经济效益。

2.2.3 技术性

养护机械设备的技术性主要体现在单位生产功率、自动化程度、环保性、可靠性等方面。

2.3 优化模型的建立[3]

2.3.1 建立层次分析结构

（1）层次分析结构图。根据层次分析法的论述及影响养护机械设备配置的衡量指标的论述，建立层次结构图（图1），其中A为目标层，B 为准则层，C 为指标层。

图1 养护机械配置优化层次结构

（2）构造判断矩阵、一致性检验及权重计算。本文采用德尔菲法，构造判断矩阵A-B、B-C，并使用MATLAB 进行矩阵计算，得出判断矩阵特征向量、特征值及一致性指标（表3～表7）。

表3 A-B 层次分析结果

表4 B1-C 层次分析结果

表5 B2-C 层次分析结果

表6 B3-C 层次分析结果

表7 A-C 权重值

λmax=3.06，CI=0.03，RI=0.58，CR=0.06＜0.1，满足一致性要求。

λmax=4.22，CI=0.07，RI=0.9，CR=0.08＜0.1，满足一致性要求。

λmax=4.14，CI=0.05，RI=0.9，CR=0.05＜0.1，满足一致性要求。

根据表7 可知，单位生产功率、可靠性、作业内容适应性等3 个指标对养护机械设备配置影响最大。

2.3.2 最优方案选择

（1）根据相关要求（如规范标准，经验，研究成果等）编制出与指标因数有关的供选择方案Ai并确定理想方案A0。

（2）根据建立层次分析结构得出的A-C 权重值，结合灰色关联理论知识计算出绝对关联度，并根据绝对关联度大小进行排序，选择最佳方案。

3 养护机械设备配置优化

养护机械设备按使用功能可划分为六大类。第一类是养护巡查设备，包括养护巡查车、皮卡车等，用于日常巡查、夜间巡查以及特殊巡查；第二类是路面保洁设备，包括清扫车、洒水车、皮卡车等，用于路面清扫；第三类是路面维修设备，包括多功能养护车、自卸车等，用于维修路面坑槽、裂缝等病害；第四类是交通工程维修设备，包括打拔桩机、高空作业车等，用于交通工程设施的维修和更换；第五类是绿化维护设备，包括洒水车、绿篱机等，用于沿线绿化浇水、除草、修剪、打药等作业；第六类是应急抢险设备，包括融雪剂撒布机、装载机等，用于针对夏季暴雨水毁灾害、冬季风雪灾害和泥石流等三类自然灾害类型的应急机械设备。

3.1 南平高速某一级站养护概况

3.1.1 环境情况

该一级站地处政和县，辖养路段涵盖政和、松溪两县，其管养高速公路有宁上高速、政永高速、长深线，合计200 km，其各路段通车年份均达到10 年以上，养护任务艰巨。其所管辖路段春夏季节是水毁高发期，冬季又是冰雪灾害频发路段，年均水毁10 处，抗冰除雪4 次以上，其中桥梁61 座（特大桥梁1 座），涵洞220 个，隧道23 个，包含26 km 的长下坡隧道群。

3.1.2 配置情况

目前该一级站的养护机械设备配置呈现两个特点：一是日常小修养护任务及应急抢险等履行社会责任的任务采用自养模式，如交安设施维护、路面病害修补、绿化管理、路面清扫、应急抢险等；第二种大型和专项项目，如路面大中修、大型水毁工程等采用委托外协单位完成，因此不配备大型维修所需养护设备，具体机械设备配置情况见表8。

3.2 机械设备配置情况评价

机械设备配置情况的评价根据文献［4］有关研究结果进行。

3.2.1 机械化作业率

机械化作业率中涉及的使用机械实际任务量q、可用机械任务量Q 均采用现场测算统计得出，结果见表9。

表9 某一级站养护机械设备机械化作业率统计（2021 年7 月—2022 年6 月）

（2）根据机械化作业率评估分值：Pj=Wj×45=0.682 4×45=30.71。

3.2.2 机械利用率（表10）

表10 某一级站养护机械设备机械利用率统计（2021 年7 月—2022 年6 月）

（2）机械化作业率：PZ=UZ×35=38.18×35=13.36。

3.2.3 当量百公里配备功率（表11）

表11 某一级站养护机械设备功率统计

（1）当量百公里配备功率：Wb=Z/L×100=100×28 857.7/167.3=172.49 kW/当量百公里。

（2）考虑到该站路段通车年限均较长，基本配备功率值取值4000，则：Pw=E/Wb×20=4000/172.49=23.19＞20，因此取Pw=20。

3.2.4 设备配置评估结果（表12）

表12 某一级站养护机械设备评估结果

根据表12 的评估结果可知，该养护站机械设备配置评估得分为64.07，还具有较大提升空间。根据计算结果可知该一级站养护机械设备的当量百公里配备功率得分20 分，从配备功率角度考虑，机械配置功率已经足够，结合其平均利用率较低，说明该养护站机械设备配备种类及数目不合理，可以从调整部分机械设备数目和种类入手来提高机械设备配置合理性。

3.3 机械设备优化配置方案初步确定

3.3.1 巡查车

结合机械化作业比率达90%以上，机械利用率达80%以上，可知巡查车利用充分，可以适度增加巡查车数目，参考JTG H10—2009《公路养护技术规范》，一般百公里配备2 辆巡查车，该一级站实际里程200 km，可以配备4 辆巡查车，兼顾机械利用率，因此优化方案中新增巡查车1 辆。

3.3.2 洒水车

洒水车在路面保洁和绿化维护中的机械利用率分别为16.03%和34.25%，总体机械化利用率较低。考虑到该一级站的当量百公里配备功率得分为20，可以适当减少洒水车的配置数量。为了提高洒水车的利用率，可以将绿化维护配置的3 辆洒水车改为2 辆，并将多余的一辆调配至其他一级站使用，避免设备闲置造成浪费；由于该一级站下辖两个二级站，充分考虑洒水车配置的适应度和设备调动的灵活性，原绿化保洁使用的2 辆洒水车改为1 辆，由一辆洒水车同时承担路面保洁和绿化维护任务，这样可以在保证路面保洁和绿化维护质量的同时，减少设备数量和成本，提高设备利用率。

3.3.3 其他养护机械的配置

（1）考虑到路面维修机械利用率40.41%，应该进一步提高路面维修工作中的机械化程度，结合养护工作实际并参考JTG H10—2009《公路养护技术规范》，养护站应当适度配置路面切割机，由于该养护站管理里程200 km，管辖二级站两个，配置路面切割机2 台。

（2）交安维护中机械利用率39.27%，机械化作业率41.82%，由于交安维护中的主要工作为护栏维修及更换，因此对该养护站增配液压护栏切割机1 台，以便提高护栏更换效率，增配护栏板矫正机1 台，以便修复护栏，节约成本。

（3）虽然原配置的装载机、挖掘装载机、撒布机、除雪滚刷机械利用率低，但作为应急抢险工作的必备设备，对其配置数量不进行调整，以保证机械设备配置的适应性要求。

3.3.4 调整后配置情况

结合现有养护资金，拟将该养护站机械设备配置情况进行优化：即新增巡查车1 辆、减少洒水车2 辆、增配路面切割机2台、液压护栏切割机1 台、护栏板矫正机1 台。优化后配置情况见表13。

3.4 机械设备配置最优方案确定

经过对预购机械设备同一规格不同厂家调研、选择、分析，在资金允许的条件下，通过排列组合的方式选定4 套配置方案（A1、A2、A3、A4），并对配置方案进行评估和选择。

3.4.1 备选方案数据

根据四套配置方案，结合养护工作方面专家的评价，得出各评价指标数据样本（表14）。

表14 配置方案各评价指标数据样本

3.4.2 数据无量纲化

为了消除指标的不同量纲影响对评价指标的数据进行无量纲化处理。由于影响目标层中的评价指标既有定量的也有定性的，因此在评价体系中将指标划分为确定性和不确定性两种，确定性指标又分成本型和效益型，通过“标准化法”进行处理，其中设备总投资、投资回收期、年折旧费按成本型指标处理，其余为效益型指标；不确定型指标通过模糊数学法中的五级划分法进行处理，结合层次分析法中的权重，处理后的数据见表15。