劉玉露,張 艷,周則程
(1.湖北省交通運輸廳 隨岳高速公路管理處,湖北 武漢430050;2.西南交通大學(xué) 交通運輸與物流學(xué)院,四川 成都610031)
高速公路預(yù)防性養(yǎng)護(PPM)指在高速公路出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性病害前通過實施合理方法,延長高速公路的使用壽命。高速公路養(yǎng)護措施決策由于需要考慮技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境以及措施應(yīng)用效果等因素,一直是國內(nèi)外研究的熱點之一。美國、日本、英國、加拿大、德國、葡萄牙等國家從20世紀60年代就開始了預(yù)防性養(yǎng)護決策分析。Cuelho E、Mokwa R和A-kin M 通過決策樹法,Wei C J和 Tighe S通過決策矩陣法分析了預(yù)防性養(yǎng)護決策的手段。Ashraf M和Ahclelrahim利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論設(shè)計了預(yù)防性養(yǎng)護決策過程。決策樹和決策矩陣法難以組合多種因素考慮,因此無法在不同地區(qū)推廣;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法有時無法取得最優(yōu)值,因此近年來一些系統(tǒng)軟件逐步應(yīng)用到預(yù)防性養(yǎng)護決策中。國內(nèi),姚玉玲釆用排序法進行養(yǎng)護決策分析,戴潔建立預(yù)防性養(yǎng)護對策模型。從經(jīng)濟學(xué)角度國內(nèi)學(xué)者應(yīng)用了壽命周期成本法、效益費用法、重構(gòu)優(yōu)化數(shù)據(jù)包絡(luò)法(DEA)、效益費用與生命周期組合法等進行養(yǎng)護決策分析。評價決策中使用了多層次模糊決策、網(wǎng)絡(luò)層次分析法(ANP)、0-1型策略規(guī)劃模型及聚類分析法進行養(yǎng)護決策分析。費用效益法對路況因素考慮很少,結(jié)果不夠客觀;壽命周期成本法在道路大修(重建)時效果良好,但目前我國道路性能數(shù)據(jù)存儲不足,該方法實施效果較差;聚類分析法主要是劃分不同類型的路段,使用時需要結(jié)合其它方法。
我國現(xiàn)階段高速公路養(yǎng)護的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)仍然在積累當(dāng)中,進行措施選擇還需要結(jié)合主觀經(jīng)驗。層次分析理論(AHP)可以將眾多復(fù)雜因素和決策者個人因素結(jié)合起來,適合現(xiàn)階段我國路面預(yù)防性養(yǎng)護技術(shù)的特點,是近期比較可行的方法。但在使用AHP時,決策方法是由某位專家給出判斷矩陣,然后采用數(shù)學(xué)方法進行措施選擇,這樣可能由于專家的失誤而造成方案選擇的失當(dāng)。因此,引入AHP群決策方法(GAHP)用于解決預(yù)防性養(yǎng)護決策方案的決策問題。通過減小單個決策者的決策失誤率,為最終的決策提供依據(jù),從而提高高速公路的綜合服務(wù)水平及決策結(jié)果的合理性。
AHP可以將眾多復(fù)雜因素和決策者個人因素結(jié)合起來,適用于現(xiàn)階段的高速公路評價特點,是近期比較可行的方法。由于高速公路預(yù)防性養(yǎng)護決策有多因素、多目標(biāo)、多層次的特點,AHP方法用排序向量表示不同因素的相對重要性可分為四個基本步驟:
1)層次結(jié)構(gòu)模型的建立,結(jié)構(gòu)包括目標(biāo)層,準則層,分準則層;
2)構(gòu)造判斷矩陣,結(jié)合實際問題采用Delphi法和1-9標(biāo)度法來兩兩判斷矩陣;
3)層次單排序;
4)一致性檢驗;
5)層次總排序。
引入GAHP,選取m位(m≥3)專家,客觀考慮不同專家偏好的一致性,并據(jù)此將反映權(quán)重的定量信息和定性信息進行集成,建立一種基于AHP的群決策模型來提高決策結(jié)果的精度。在制定預(yù)防性養(yǎng)護決策時需要充分發(fā)揮集體的智慧來提高措施的合理性。一般情況下決策群為3~15人,群決策流程如圖1所示。
圖1 群決策流程示意圖
引入群決策理論將GAHP應(yīng)用于預(yù)防性養(yǎng)護決策的步驟(見圖2)。
圖2 GAHP養(yǎng)護決策方案的綜合評判步驟
聚合預(yù)防性養(yǎng)護專家意見時,采用向量夾角分析,構(gòu)造聚合判斷矩陣,最終所得的矩陣更為客觀可信,在一定程度上克服了決策中主觀性和偶然性對決策結(jié)果的不確定影響。
由m個(m≥3)出行者組成決策群,第q決策者構(gòu)造的判斷矩陣為
式中:aijq為第q專家認為AHP中的i因素相對于j因素的重要程度。
A的向量化可表示為vec(A),vec(Aq)表示Aq的導(dǎo)出向量,vec(Ap)表示Ap的導(dǎo)出向量,vec(Aq)與vec(Ap)的夾角為φqp,記為rqp=cosφqp,則
式中:‖A‖ 為矩陣A的范數(shù);rqp為vec(Aq)與vec(Ap)的相似度,當(dāng)vec(Aq)=vec(Ap)時,rqp=1;rqp為決策者q和決策者p決策的一致性;r′qp為決策者q和決策者p決策的不一致性。
GAHP的一致性公式為
歸一化為
式中:為m個專家中任意兩位的組合,R為一致性系數(shù)(R>0.7,則群決策一致),R′為出行者不一致度。
可信度αq的計算方法為
rq反映了Aq與其他判斷矩陣的相似度。A1,A2,…,Am可以通過一定方法聚合成A=(aij)n×n,且A=(aij)n×n為共識度矩陣。其中有
通過計算A=(aij)n×n可以分析不同預(yù)防性養(yǎng)護工程師決策者的決策結(jié)果。
高速公路養(yǎng)護要達到高效養(yǎng)護的目標(biāo),首先要做的就是對其進行日常檢查、定期檢測,仔細調(diào)查出各路段的病害類型。其次,結(jié)合養(yǎng)護管理站現(xiàn)有的技術(shù)水平、設(shè)施設(shè)備等備選出本路段能夠采用的(如:灌縫、霧封層、微表處、石屑封層等)預(yù)防性措施。再次,根據(jù)不同路況病害特征選定合適的策略,進而確定最佳的養(yǎng)護措施方案。其中,預(yù)防性養(yǎng)護決策流程如圖3所示。
圖3 預(yù)防性養(yǎng)護決策流程示意圖
根據(jù)預(yù)防性養(yǎng)護措施所考慮的因素及實際調(diào)查情況,建立預(yù)防性養(yǎng)護綜合評價體系,構(gòu)建AHP的層次結(jié)構(gòu)圖(見圖4)。
圖4 AHP層次結(jié)構(gòu)
湖北省荊州某高速公路于2011年12月完全通車,此段高速公路通過長江大橋連接湖北與湖南兩省。2013年10月對此路段進行了詳細調(diào)查,調(diào)查發(fā)現(xiàn):該路段高速公路路面狀況水平良好,局部路段有細小裂縫,抗滑性存在不足,坑槽率為1.5%,車轍深度較淺,公路長江大橋通車情況良好。依據(jù)圖1的決策流程,通過對路面情況的調(diào)查,有4個備選方案,具體措施如表2所示。
1)依照AHP法利用Excel計算w1·w1=(0.319 9,0.189 6,0.301 4,0.189 1)。同理,下一層相對于第2層的權(quán)重也可求出,分別為:(0.410 1,0.589 9)T,(0.25,0.25,0.25,0.25)T,(0.333 3,0.333 3,0.333 3)T,(0.385,0.385,0.230)T,此時的最終綜合權(quán)重為:w=(0.131 2,0.188 7,0.047 4,0.047 4,0.047 4,0.047 4,0.100 457,0.100 457,0.100 457,0.072 804,0.072 804,0.043 493)T。
表2 備選的預(yù)防性養(yǎng)護措施
2)采用式(1)~式(5)對4個備選方案進行群決策排序。邀請了3位高級養(yǎng)護工程師給出評價結(jié)果,以業(yè)主成本指標(biāo)為例進行群決策集合。設(shè)3位高級養(yǎng)護工程師的判斷預(yù)防性養(yǎng)護決策方案,相對于業(yè)主成本指標(biāo)的合適程度矩陣為
3)rAB=0.939 8,rBC=0.951 3,rCA=0.983 4,R=0.783 0>0.7,通過一致性分析。
4)專家權(quán)重α= (0.334 5,0.328 9,0.336 5)T,A=(aij)n×n為
5)最大特征根λmax=4.173,CR=0.064<0.1,共識度矩陣C為滿意的一致性,預(yù)防性養(yǎng)護決策方案相對于準則層中可靠性層次的單排序為:w1=(0.419 8,0.282 7,0.169 7,0.127 8)T。
6)依據(jù)步驟AHP,其它11個預(yù)防性養(yǎng)護決策方案相對于準則層中的可靠性層次單排序:w2=(0.214 3,0.214 3,0.286 7,0.285 7)T,w3=(0.269 8,0.227 0,0.269 7,0.233 6)T,w4=(0.283 9,0.245 2,0.235 5,0.235 5)T,w5=(0.293 5,0.203 2,0.293 5,0.209 7)T,w6=(0.247 8,0.265 3,0.244 9,0.242 0)T,w7=(0.262 3,0.229 5,0.295 1,0.213 1)T,w8=(0.290 3,0.193 5,0.290 3,0.225 8)T,w9=(0.25,0.25,0.25,0.25)T,w10= (0.25,0.125,0.375,0.25)T,w11= (0.25,0.25,0.25,0.25)T,w12=(0.253 5,0.281 3,0.215 3,0.25)T。
7)將式w1~w12匯總到表3,依據(jù)GAHP的運算過程,得到群決策的最終綜合權(quán)重。
表3 采用GAHP模型運算結(jié)果
根據(jù)GAHP決策結(jié)果對比表3,綜合權(quán)重D1(0.275 4)> D3(0.264 4)> D4(0.230 8)>D2(0.229 2),即措施1(超薄磨耗層)>措施3(復(fù)合封層)>措施4(微表處)>措施2(纖維封層)。因此,通過使用群決策理論的預(yù)防性養(yǎng)護決策選擇后,超薄磨耗層措施為近期的養(yǎng)護措施。
隨著預(yù)防性養(yǎng)護意識的逐步深入,作為高速公路路面預(yù)防性養(yǎng)護的關(guān)鍵技術(shù)之一,養(yǎng)護措施決策是一個需要綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟、車輛、人員及環(huán)境等因素的復(fù)雜問題,通過研究得出以下結(jié)論:
1)以GAHP為基礎(chǔ)的指標(biāo)權(quán)重計算方法,克服了決策人員因失誤或者偏好等使權(quán)重出現(xiàn)偏差的問題,為最終養(yǎng)護決策提供了依據(jù),提高了高速公路預(yù)防性養(yǎng)護決策的準確性。
2)運用GAHP模型對湖北省荊州某段的高速公路預(yù)防性方案決策進行分析,得出了近期應(yīng)實施的養(yǎng)護措施,從計算過程和結(jié)果可以看出該方法的有效。
由于決策因素多,不確性條件較多,GAHP決策模型中的一些定性因素還不能有效地定量化,這也是以后需要改進的地方。
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