基于AHP的公路机电设施技术状况评价方法研究

林　莉

(四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，四川　成都　610041)



基于AHP的公路机电设施技术状况评价方法研究

林莉

(四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，四川成都610041)

林莉(1976—)，工程师，工学硕士，主要从事公路机电设施、交通安全设施检测领域的研究工作。

摘要：文章针对运营期公路机电设施技术状况评价的特点，分析了公路机电设施技术状况现有评价方法的问题和不足，提出了一种基于层次分析法(AHP)的公路机电设施检测评价方法。主要讨论了评价体系构造和权值计算等关键技术问题，并以某省高速公路监控系统技术状况检测评价项目的实施为例，论述了该方法运用于公路机电设施技术状况评价的可行性和优势。

关键词：公路；机电设施；AHP；技术状况评价；方法

0引言

高速公路机电设施是保证高速公路安全有效运营的重要基础设施，一般包括监控、通信、收费、供配电、照明和隧道机电工程等子系统。

随着我国高速公路通车里程的不断增长，高速公路网络结构日益复杂化，对高速公路运营管理水平的要求越来越高，机电设施的重要性越来越突显，保证机电设施维持良好的工作状态日益成为高速公路运营管理的工作重点。而要实现这一目标，需要通过对高速公路机电设施的实际工作状况进行客观地分析评价，找出影响、制约、提高机电设施工作性能的关键影响因素，才能为运营管理工作提供有效的支撑。

目前，行业内并未有专门针对运营期高速公路机电设施技术状况检测评价的方法规定，行业内普遍参考《公路工程质量检验评定标准》(JTG F80-2004)之第二册——机电工程分册(以下简称检评标准)所规定的工程质量检验评定方法[1]进行评价时会出现诸多问题，不能很好满足运营管理的评价需求的现实情况，本文针对此情况提出一种基于层次分析法(AHP)公路机电设施检测评价方法，通过构造公路机电工程质量评价的层次结构模型，运用细化分析的系统化方法，对公路机电设施技术状况进行评价。

1现有方法运用于运营期的公路机电设施评价的不足

公路建设完成交付使用前，相关管理部门依据《公路工程质量检验评定标准》判定公路机电设施质量是否符合质量检验评定要求，但将上述方法直接用于运营期的公路机电设施技术状况检测评价，就会出现以下问题：

1.1　无法区分不同机电设施运行状况的细节差异

检评标准规定关键项目的合格率必须为100%，而关键项目不符合要求时，则该分项工程评为不合格，这就意味着无论关键项目是有1项不合格还是全部不合格，最终的评价结果都相同。

1.2　无法反映公路机电设施对整体系统性能影响的差异性

事实上，不同的机电设施对于公路运营管理的重要性是存在差异的，而目前的评价体系对于不同的机电设施的权值设置相同，不能体现不同机电设施对运营管理贡献大小的差异性，评价结果自然也就不能体现机电设施整体性能的差异性。

1.3　无法全面反映公路机电设施在系统层面存在的问题

由于评价体系中只包含高速公路现有的机电设施，现有的机电设施的检测结果好，则最终的评价结果就高。但是，若高速公路的机电设施在整体配置上存在缺陷，比如机电设施配置的种类或数量上有缺陷时，是无法在评价结果中得到反映的。

造成上述问题的根本原因，在于工程质量检验评定和运营期间的公路机电设施技术状况检测评价从目的到细节都存在一定差异性。(1)前者的评价基础是建设期间的设计文件，而后者则应采用最新的设计标准更为合适。这是因为机电设施在经过较长时期的运营期后，用建设时期的设计标准基本无法满足当前服务管理的需要。(2)前者是判断工程质量是否合格，而后者是对目前运营中的机电设施的整体性能的评价。因此，不能简单套用检评标准中的工程质量检验评定方法。

2基本要求和关键技术探讨

层次分析法(The analytic hierarchy process)简称AHP，在20世纪70年代中期由美国运筹学家托马斯·塞蒂(T.L.Saaty)正式提出[2]。它是一种定性和定量相结合的、系统化、层次化的分析方法。在交通运输领域已经得到广泛应用[3-6]。

运用AHP解决公路机电设施技术状况评价问题时，应以满足评价需求为最终目标构建评价体系和权值计算。基本要求和关键技术为：

(1)目标层为最上层，只能有一个元素，即公路机电设施的技术状况总评价值。

(2)对象层为最下层。对象层的构建参数应全面，因为参数的遗漏会导致最终评价结果的缺陷。对象层参数不仅应包括各项机电设施设备的检测参数，还应充分考虑影响系统性能的其他指标，例如设备平均故障次数等。

(3)指标层为中间层。指标层是目标层与对象层之间的多级结构层，是评价体系构造的关键。指标层的每一级构造都必须满足能够集中体现上层元素在某方面的特性，成为下层元素的聚类和归纳。当一层的指标数量过多时(通常要求≤9个)，应该对该层指标进行分解和聚类，构建上层指标；若上层指标的数量仍然过多，则应进一步构建更高层指标[2]。“设备配置的完备度”应作为一项指标纳入指标层，通过该指标的引入，可以保证公路机电设施在系统层面存在的问题在最终的评价结果中得到有效的反映。

(4)为反映不同种类的机电设施的重要程度，体现公路机电设施系统的性能差异，应该保证关键项目的得分在最终评价结果中占有应有的比重，权值构造时，不仅要进行一致性检验[2，7]和组合一致性检验[2，7]，还需保证关键项目的权值一定大于非关键项目。为达到这一目标，本文提出关键项目占比校验方法。

实施环节：关键项目占比校验在一致性检验之后，组合一致性检验之前进行；

步骤组成：包括关键项目单项占比检验和关键项目组合占比检验两个步骤；先进行单项占比检验，然后进行组合占比校验；

具体计算方法：

确定单一关键项目i最小占比0≤ai≤100%，关键项目组合最小占比0≤b≤100%。要求∀i，b≥ai。

构造单一关键项目检验矩阵。关键项目i的检验矩阵是在原成对比较矩阵的基础上，保留所有非关键项目，剔除所有除i之外的关键项目所在的行和列构成的矩阵。

做单一关键项目占比校验。计算单一关键项目检验矩阵的权向量，并将i所对应的权值与关键项目最小占比ai相比较，若前者大于后者，检验通过，否则应重新构造成对比较矩阵。

做关键项目组合占比校验。将所有单一关键项目校验矩阵的权值相加，与关键项目组合最小占比b相比较，若前者大于后者，检验通过，否则应重新构造成对比较矩阵。

3层次结构模型构造实例

以某省高速公路监控系统技术状况检测评价为例，具体说明基于AHP的公路机电设施技术状况评价方法。

本次监控系统技术状况检测评价的范围覆盖了该省所有已通车高速公路路段，检测的目的首先是掌握已通车高速公路路段现有监控系统技术状况，在此基础上，对影响高速公路监控系统技术状况的主要原因进行分析，为提高高速公路监控系统的技术状况提供对策措施。

本次高速公路监控系统技术状况评价层次结构模型的最上层为目标层，目标层只有一个元素，即本次检测范围内的高速公路监控系统技术状况总评价值。

其次研究评价模型的对象层。《检评标准》所规定的各项监控设施设备的检测指标自然应该纳入本次监控系统技术状况检测评价模型的对象层。同时，必须看到，检评标准中的检查项目尚不足以支撑本次检测评价活动的所有需求，例如已通车高速公路维护管理工作的执行情况，现有检评标准中基本没有能够反映这一方面的检查项目，因而必须补充相应的基层指标。这些基层指标包括运营监测值班制度及执行情况、维护保养制度及执行情况、设备档案管理及执行情况、备品备件管理以及其他必要的指标。

由于对象层的指标远远超过9个，因此必须构建指标层。

由于本次检测的高速公路包括分属于不同业主的多个高速公路路段，因此指标层的第一层选择为各高速公路路段监控设施技术状况的综合评价值，以便于从总体上对各高速公路路段监控设施的技术状况进行比较。

指标层的第二层选择为高速公路监控系统技术状况的4个主要影响因素：

(1)设备材料质量。显然，监控设施设备的质量越高，整个监控系统的技术状况就容易维持在较高的水平，反之亦然。

(2)工程施工质量。要构成一个有效运行的高速公路监控系统，仅有外场设备是远远不够的。①外场设备必须得到正确的安装和调试；②需要建设将外场设备集成到一个系统中的通信线路、网络系统和计算机系统；③系统集成的关键，还在于开发和配置相应的监控系统应用软件，才能驱动整个监控系统完整有效地发挥其效能。

(3)维护管理工作的有效性。高速公路监控系统在长期运行过程中，其设备设施不可避免地会出现老化、磨损和失效，如果不能及时采取相关的维护管理措施，则高速公路监控系统的正常运行将不可避免地受到影响。

(4)设备配置的完善度。对于建设时间较早的高速公路路段，若没有及时进行升级改造，则其监控设施设备配置很可能不能达到现行标准和规范所要求的标准，这种情况对其监控系统的技术状况造成了不利影响。

第二层的4个因素，分别可以综合反映制造商(设备材料质量)、集成商(工程施工质量)、运营管理方(维护管理工作的有效性、设备配置的完善度)的工作对高速公路监控设施技术状况的影响，从其相应的评价值可以看出影响该高速公路路段监控设施技术状况的主要因素，便于在整改过程中采取针对性的措施。

在指标层的第一层、第二层按上述规则确定之后，将所有对象层元素分别归类。显然，所有对象层元素首先按所属的高速公路路段归类，在此基础上，每个高速公路路段的所有对象层元素再分别被归入四个影响因素的类别中去。以车辆检测器为例(见表1)：

进行上述归类之后，如果某一个类别中的对象层元素仍然远多于9个，按照AHP的要求，就必须进一步构造更下层的指标层，直到每个指标所对应的类别中的对象层元素符合AHP的要求为止。例如在本次监控系统技术状况检测评价体系构造过程中，考虑到属于检测范围的监控外场设备种类较多，各类设备的检查项目中属于设备材料质量类的对象层元素总数远多于9个，因此首先将设备材料质量类的对象层元素按设备类型进行归类，例如将车辆检测器的设备材料质量归为一类，作为设备材料质量类对象层元素的上级指标，同时是设备材料质量指标的直接下级指标。层次结构模型体系如图1所示：

表1　车辆检测器检查项目分类表

图1　层次结构模型体系图

整个层次结构模型构造完成后，从对象层开始，按照本文提出的权值计算方法，分级构造成对比较矩阵，并计算各级的权值向量。

得到整个体系完整的权值向量组合之后，将检测值代入计算，得到每一级各项指标的中间结果，并最终得到总的评价结果。

总的评价结果作为全省高速公路监控系统技术状况的总评价结果值。而每一级各项指标的中间结果则可用于各路段的横向比较，以及不同设备之间的横向比较。

该项目共检测了19条高速公路的路段监控系统，得到所有路段的总评分排序和设备材料质量、施工质量、维护管理、设备配置的单项评分排序。

通过该项目的实施，发现了各路段机电设备设施普遍存在的问题。比如设备配置情况不理想、监控设备覆盖率差等，并分析了成因，提出了合理化建议。

4结语

层次分析法(AHP)是一种处理复杂的评价和决策问题的有效方法。将AHP运用于运营期公路机电设施技术状况评价弥补了现有方法的不足，为管理部门全面掌握高速公路监控系统运营现状，进一步规范和促进系统运行管理工作，提高运营管理水平指明了方向，具有积极的现实意义。

参考文献

[1]JTG F80/2-2004，公路工程质量检验评定标准第二册机电工程[S].

[2]张炳江.层次分析法及其应用案例[M].北京：电子工业出版社，2014.

[3]段应昌，刘亚文，邵飞.基于AHP-FUZZY算法的高等级公路养护质量评估模型[J].公路，2011，56(2)：161-165.

[4]郭大进，宋波，周文欢.基于层次分析法的在役梁桥养护状况综合评估[J].公路交通科技，2011，28(3)：108-112.

[5]王巍，张春霞，乔国栋.基于灰色模糊综合评判的桥梁预防性养护后评估体系研究[J].公路，2014，59(1)：153-157.

[6]袁臻，刘初平，陈敏.基于层次分析法构建养护施工企业业务素质评价体系[J].中外公路，2011，31(1)：262-265.

[7]秦寿康.多人层次单排序下权重向量的算法[J].系统工程理论与实践，1998，34(7)：89-93.

Research on AHP-based Technical Situation Evaluation Method for Highway Electromechanical Facilities

LIN Li

(Highway Planning Survey and Design Institute of Sichuan Department of Transportation，Chengdu，Sichuan，610041)

Abstract：Aiming at the technical situation evaluation characteristics of electromechanical highway facil-ities during the operation stage，this article analyzed the problems and inadequacy of current technical situation evaluation methods for electromechanical highway facilities，and proposed an AHP-based(Analytic Hierarchy Process)detection and evaluation method of electromechanical highway facilities. It mainly discussed some key technology problems such as evaluation system configuration and weight calculation，and with the implementation of expressway monitoring system technology situation detection and evaluation project in a province as the example，it discussed the feasibility and advantages of using this method in technical situation evaluation of electromechanical highway facilities.

Keywords：Highway；Electromechanical facilities；AHP；Technical situation evaluation；Method

收稿日期：2015-07-03

文章编号：1673-4874(2015)08-0016-05

中图分类号：U415.5

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.08.004

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