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        基于組合賦權(quán)-TOPSIS模型的瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案決策*

        2023-10-07 02:38:40李輝山魏揚(yáng)
        項(xiàng)目管理技術(shù) 2023年9期
        關(guān)鍵詞:預(yù)防性分析法瀝青路面

        李輝山 魏揚(yáng)

        (蘭州理工大學(xué),甘肅 蘭州 730050)

        0 引言

        近年來,公路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工作在公路建設(shè)中愈發(fā)重要。相關(guān)養(yǎng)護(hù)管理部門發(fā)布的行業(yè)公告顯示,截至2021年,我國(guó)公路總里程已達(dá)528萬km,其中公路養(yǎng)護(hù)里程高達(dá)525.16萬km,占我國(guó)公路總里程的99.4%[1],這表明我國(guó)公路發(fā)展已經(jīng)從大規(guī)模建設(shè)新公路向養(yǎng)護(hù)已有公路轉(zhuǎn)型。

        研究發(fā)現(xiàn),路面的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)可以很好地提高路面使用性能,延長(zhǎng)路面使用壽命。預(yù)防性養(yǎng)護(hù)是指在路面還未出現(xiàn)病害時(shí)就對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)處理,使路面長(zhǎng)期保持較高的使用性能,從而延緩路面大中修的時(shí)間,并且在合理的時(shí)間采取恰當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)措施相比“即壞即修”更具有經(jīng)濟(jì)效益。目前,預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究取得的成果較多,但對(duì)于預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案決策研究并沒有全面、科學(xué)的決策模型。預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案通常由預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)和措施兩個(gè)方面構(gòu)成,預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)常用的決策方法為路面性能指標(biāo)觸發(fā)法[2-5]和費(fèi)用效益評(píng)估法[6-7],但這些方法與養(yǎng)護(hù)措施分開研究,并沒有形成一體化預(yù)防性養(yǎng)護(hù)決策體系。此外,傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)措施的決策只是從采取該養(yǎng)護(hù)措施所產(chǎn)生的效益和費(fèi)用層面進(jìn)行分析[8-10],并未考慮我國(guó)正在大力提倡的“資源節(jié)約型,環(huán)境友好型”生產(chǎn)方式,導(dǎo)致構(gòu)建的養(yǎng)護(hù)措施決策體系不完整、不全面。因此,在考慮養(yǎng)護(hù)成本和效益的基礎(chǔ)上,將能耗和碳排放這兩個(gè)指標(biāo)引入決策體系[11],成為解決上述問題的關(guān)鍵。為此,本文采取層次分析法和熵權(quán)法相結(jié)合的方式確定指標(biāo)權(quán)重[12-14],通過逼近理想解排序法進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案決策,從而為確定最佳預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案提供科學(xué)的決策依據(jù)。

        1 瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)決策體系的建立

        瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案決策指依據(jù)所建立的綜合決策體系,遵循各預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案達(dá)到經(jīng)濟(jì)[15]、環(huán)保、性能最佳平衡的原則[16-20],選擇綜合效益最佳的方案。預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)與措施一體化方案受很多因素影響[21-25],然而在實(shí)際養(yǎng)護(hù)工作中,考慮過多的影響因素不僅不現(xiàn)實(shí),而且會(huì)導(dǎo)致主次不分的問題,從而忽略了決策的關(guān)鍵指標(biāo)。因此,全面、科學(xué)地選取決策指標(biāo)對(duì)決策結(jié)果有著至關(guān)重要的影響。通過文獻(xiàn)研究和實(shí)地調(diào)查研究,采用層次分析法和熵權(quán)法,在對(duì)各影響因素進(jìn)行篩選與分層的基礎(chǔ)上,建立預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案決策體系,如圖1所示。

        圖1 預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案決策體系

        2 組合賦權(quán)-TOPSIS模型構(gòu)建

        基于瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)特點(diǎn)的TOPSIS決策方法可有效避免傳統(tǒng)方法的缺陷,為預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案的決策提供科學(xué)、適用的依據(jù)。

        2.1 對(duì)決策指標(biāo)進(jìn)行預(yù)處理

        在多屬性決策中,方案屬性值的預(yù)處理包括兩個(gè)方面:一方面,是定性屬性的量化,常參考指標(biāo)量化表(表1);另一方面,是定量屬性的規(guī)范化,相關(guān)數(shù)據(jù)采用極差變換處理,公式如下

        表1 指標(biāo)量化參考表

        成本型數(shù)據(jù)

        (1)

        效益型數(shù)據(jù):

        (2)

        2.2 層次分析法-熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重

        層次分析法(AHP)主要是根據(jù)專家的知識(shí)和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià),通過將同一層次元素兩兩比較重要性,對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行定量描述。若通過一致性檢驗(yàn),則會(huì)得到各指標(biāo)權(quán)重,其本質(zhì)是一種主觀賦權(quán)方法。熵權(quán)法則是根據(jù)數(shù)據(jù)資料和數(shù)學(xué)理論進(jìn)行客觀評(píng)價(jià),可以有效避免人為因素干擾,但是熵權(quán)法并不能將專家的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)反映出來,可能會(huì)出現(xiàn)理論結(jié)果與實(shí)際不符的情況。因此,本文采取層次分析法和熵權(quán)法相結(jié)合的方式,在瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案決策過程中得到?jīng)Q策指標(biāo)的綜合權(quán)重。具體步驟如下:

        (1)一致性檢驗(yàn),公式如下

        (3)

        若CR<0.1,說明判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn)。

        (2)信息熵計(jì)算,公式如下

        (4)

        (3)熵權(quán)計(jì)算,公式如下

        (5)

        (4)組合權(quán)重的確定。將層次分析法得到的主觀權(quán)重W1和熵權(quán)法得到的客觀權(quán)重W2進(jìn)行綜合,得到組合權(quán)重向量Wi,公式如下

        Wi=θW1+(1-θ)W2(0<θ<1)

        (6)

        式中,θ為權(quán)重W1占組合權(quán)重的比例;(1-θ)為權(quán)重W2占組合權(quán)重的比例;W1和W2分別為主觀權(quán)重和客觀權(quán)重;Wi為組合權(quán)重向量。

        為了使組合權(quán)重與層次分析法、熵權(quán)法所確定權(quán)重的偏差最小,建立目標(biāo)函數(shù)U,公式如下

        (7)

        結(jié)合式(6)和式(7),得到θ=0.5,從而得到

        Wi=0.5W1+0.5W2

        (8)

        表明當(dāng)主觀權(quán)重和客觀權(quán)重同等重要時(shí),所產(chǎn)生的權(quán)重偏差最小。

        2.3 TOPSIS理想點(diǎn)決策

        把各方案的決策指標(biāo)當(dāng)作n維空間的一個(gè)點(diǎn),決策矩陣中每個(gè)決策指標(biāo)的最優(yōu)值組成正理想點(diǎn),決策矩陣中每個(gè)決策指標(biāo)的最差值組成負(fù)理想點(diǎn)。決策過程中希望所選方案的點(diǎn)離正理想點(diǎn)盡可能近,離負(fù)理想點(diǎn)盡可能遠(yuǎn),最終對(duì)各方案進(jìn)行比較,選出最佳方案,步驟如下:

        (1)正、負(fù)理想解公式如下

        (9)

        (10)

        (2)計(jì)算方案至正、負(fù)理想點(diǎn)的距離,公式如下

        (11)

        (12)

        (3)計(jì)算方案與理想點(diǎn)的貼近度,公式如下

        (13)

        2.4 瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案決策模型步驟

        瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案決策模型步驟如圖2所示。

        圖2 預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案決策模型步驟

        3 工程實(shí)例

        3.1 工程概況

        蘭營(yíng)高速全長(zhǎng)43.382km,路面為瀝青混凝土,在2008年修建完成,2009年開始通車。隨著該省公路交通量的快速增長(zhǎng),路面使用性能下降。由于該路段路面結(jié)構(gòu)良好,基于相關(guān)專家建議及《公路瀝青路面預(yù)防養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》,確定該瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案,見表2。

        表2 瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案

        3.2 成本型指標(biāo)與效益型指標(biāo)的確定

        在進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案決策時(shí),本文所選取的對(duì)象是同一路段,因此成本型指標(biāo)包括日常養(yǎng)護(hù)費(fèi)、預(yù)防性養(yǎng)護(hù)費(fèi)、用戶費(fèi)、能耗和碳排放,效益型指標(biāo)為殘值及與性能相關(guān)的6項(xiàng)指標(biāo)。其中,各項(xiàng)費(fèi)用可直接計(jì)算得到的,為定量指標(biāo);而所采取的環(huán)保措施及性能指標(biāo)為定性指標(biāo)。根據(jù)表1,采取專家打分法,得到各項(xiàng)決策指標(biāo)的原始數(shù)據(jù),見表3。

        表3 決策指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)

        3.3 瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)與措施一體化養(yǎng)護(hù)方案決策

        (1)為了清除數(shù)據(jù)量綱及極差的不一致性,以便進(jìn)行統(tǒng)一比較,對(duì)表3進(jìn)行無量綱標(biāo)準(zhǔn)化處理,得歸一化矩陣Y

        (2)采用專家打分法,邀請(qǐng)相關(guān)從業(yè)專家及該養(yǎng)護(hù)路段工作人員共9名,對(duì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和性能指標(biāo)進(jìn)行兩兩判斷,得到構(gòu)造矩陣A

        通過一致性檢驗(yàn)(CR=0.001<0.1),得到此指標(biāo)的主觀權(quán)重W1=(0.72,0.14,0.14)。

        (3)通過式(4)確定決策指標(biāo)的客觀權(quán)重W2=(0.34,0.33,0.33)。

        (4)將層次分析法得到的主觀權(quán)重W1和熵權(quán)法得到的客觀權(quán)重W2進(jìn)行綜合,根據(jù)式(8)得到組合權(quán)重向量Wi=(0.530,0.235,0.235),進(jìn)而得到加權(quán)決策矩陣R

        (5)由加權(quán)矩陣R確定該矩陣的正理想解為(0.53,0.53,0.53,0.24,0.24,0.53,0.24,0.24,0.24,0.24,0.24,0.24),負(fù)理想解為(0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00)。

        表4 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)決策結(jié)果

        綜上所述,該路段預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案決策完成,可以得到以下結(jié)果:

        (1)最佳的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案為方案一,即第三年采用微表處對(duì)該路段進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。這表明,在相對(duì)早的養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)和路況水平相對(duì)高的情況下進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù),能達(dá)經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、性能的最大綜合效果。因此,相關(guān)養(yǎng)護(hù)部門應(yīng)該盡早根據(jù)路況及養(yǎng)護(hù)資金決策出預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案并進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工作。同時(shí),該路段養(yǎng)護(hù)方案中,排名前2位的都采取微表處養(yǎng)護(hù)措施,這表明針對(duì)該路段的病害特征,微表處養(yǎng)護(hù)措施相比稀漿封層養(yǎng)護(hù)措施的養(yǎng)護(hù)效果更好。

        (2)通過計(jì)算經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、性能指標(biāo)的權(quán)重,可以發(fā)現(xiàn),在我國(guó)大力提倡“綠色養(yǎng)護(hù)”的背景下,環(huán)保對(duì)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案的決策影響很大,因此在決策指標(biāo)中加入能耗和碳排放兩項(xiàng)指標(biāo)十分必要。

        4 結(jié)語

        基于瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)和措施的特點(diǎn),本文建立了預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案的決策模型,既考慮了決定預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案的成本和性能因素,還考慮了能耗和碳排放對(duì)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案決策的影響。結(jié)合組合賦權(quán)法和TOPSIS法,對(duì)不同的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案進(jìn)行決策,同時(shí)解決了養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)和養(yǎng)護(hù)措施分開研究的問題,形成了完整的預(yù)養(yǎng)護(hù)決策體系。該決策模型直觀明了、簡(jiǎn)單易行,為瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)與措施一體化養(yǎng)護(hù)方案的決策提供了新思路,具有現(xiàn)實(shí)意義。

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