土石方工程施工机械设备选型评价模型研究

摘要： 以土石方工程施工过程中的机械设备选型为研究对象，应用层次分析法构建土石方工程施工机械设备选型评价层次结构模型，分析求得机械设备选型主要影响因素的权重系数，为土石方工程施工单位进行机械选择提供相对科学的评判方法和量化指标。

Abstract： Taking the mechanical equipment selection as the research object in the earthwork construction， the paper builds hierarchy model by analytic hierarchy process， and analyzes and obtains the weight coefficient of machinery equipment selection evaluation， providing scientific evaluation methods and quantitative indicators for earthwork construction unit.

关键词： 土石方工程；施工机械；设备选型；层次分析；特征向量

Key words： earthwork；construction machinery；equipment selection；analytic hierarchy；eigenvectors

中图分类号：TU6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）02-0055-03

0 引言

机械设备选型是进行土石方工程施工的重要环节之一，不仅关系到机械能否合理利用发挥其最大效能，而且直接关系到土石方工程的施工成本，施工工期和质量。因此，对于土石方工程施工机械的选择必须进行全面系统的分析比较，实现优化选择，以达到经济合理的目的[1]。

土石方施工机械设备选型是一个复杂的决策问题。目前，在施工生产的实际中，主要根据施工管理者的决策水平和专业人员的经验判定性在目前施工单位所能够提供的机械设备中进行比较选择，缺乏相对精准定性定量的计算和分析。因此，如何做出优化的选择往往比较的困难。正是基于上述考虑，拟将特别适用于处理定性与定量相结合问题的层次分析法引入到土石方工程施工机械设备选型评价之中。

本文将应用层次分析法对土石方施工机械设备选型进行综合评价，考虑多个决策因素，系统分析各因素对机械设备选型的影响，建立综合评价指标体系模型，并确定各指标的权重，为土石方工程施工机械的选择提供重要的科学依据和量化指标。

1 评价指标体系模型的建立

层次分析法（AHP）的主要特征是将决策者的经验判断加以量化处理，按照规律把决策过程模型化、数量化，在目标因素结构复杂且缺乏必要数据的情况下使用更为方便，因而在实践中得到广泛应用[2]。依照土石方工程施工机械设备选型的实际经验和教训，在深入研究、总结的基础上，本着合理性、先进性、安全和经济性的基本原则，兼顾施工生产过程中的实际情况，将影响土石方工程施工机械设备选型的诸多影响因素划分为3个层次，构成图1所示的土石方工程施工机械设备选型评价层次结构模型。其中：最高层为决策目标层；中间层为准则层，代表了施工机械选型的主要影响因素；最底层对应于机械设备选型主要影响因素的具体影响因素。这一层次结构模型的建立，实际上就是将土石方施工机械设备选型评价问题系统化、模型化。

作为土石方施工机械设备选型评价模型中的中间准则层，主要考虑了以下4个主要影响因素：机械技术性能A1、施工现场作业条件A2、施工机械用途A3、机械经济和安全性能A4。

1.1 机械技术性能，是指该机械本身的一些技术指标，如机械的类别和型号、机械的功率、油耗量、机械的使用性能和注意事项等等。在选择使用该机械时，如果对该机械本身的一些技术指标不了解，机械性能就得不到充分的发挥，而且利用不当会对机械本身产生较大的磨损。因此，了解掌握机械的技术性能指标对于机械设备选型显得尤为重要。考虑到该影响因素对下一层次有关因素的支配作用，对于机械技术性能，在最底层设置了生产效率、通用性和专用性、维修和保养、节能环保性等4个次级因素。

1.2 施工现场作业条件：土石方工程施工现场条件一般极其的复杂多变。在进行施工机械设备的选择时，一定要选择与施工条件相适应的机械设备进行施工，这样才能有效做到安全、经济、合理。因此，考虑施工现场条件是进行机械设备选型的重要控制指标。在实际的施工过程中，土石方工程施工条件包含着许多的方面，但综合考虑其主要影响因素，对应于施工现场作业条件，在最底层设置了运送距离、土壤等级、地区和气候条件、作业工程量等4个主要的次级因素。

1.3 施工机械用途：施工机械用途是土石方施工机械选型评价的一项重要控制指标。在进行土石方施工机械选择时，要严格按照土石方机械的使用范围选择，所选的土石方施工机械的性能一定要与作业工况、作业内容相适应[3]。另外，施工机械应用于土石方工程中，有单机作业、多机联合作业和人、机、爆综合作业等多种作-业方式，所以在施工机械选择时一定还要考虑该施工机械在该项工程任务中的作业方式。多机、多工序作业时，应以主体的土石方机械的作业能力为基准选择，并且保证配套协调，使得工程任务低成本、高质量、高效率的完成。对应于施工机械用途，在最底层中设置了施工内容、作业方式和施工工序选择等3个次级指标。

1.4 机械经济和安全性能：机械的经济性是指在两种或两种以上土石方机械都可完成同一任务时，应该比较其完成任务的经济性，尽量选择作业效率高、施工转运成本低、机械间组配性能好的机种。机械的安全性能则要求在进行施工机械的操作过程中要确保人、机的安全可靠，这也是机械设备选型的基本原则之一。综合考虑影响机械经济和安全性能的主要因素，且在不与机械技术性能指标重复考虑的前提下，对应于机械经济和安全性能的最底层中设置了机械调迁和转场、机械间组配性、使用安全性和工作可靠性等4个次级因素。

2 评价指标权重的计算

根据建立的土石方工程施工机械设备选型评价层次结构模型，应用层次分析法的方法和步骤，对施工机械设备选型评价指标的权重进行计算。

2.1 中间层A1～A4各因素对目标层Z构成比较判断矩阵A，比较判断矩阵中的数值大小主要根据相关统计资料、施工管理人员的经验，并结合施工的实际情况，经过反复总结研究后确定，其取值规则按照Satty提出的1～9标度[4]进行赋值。

准则层的判断矩阵A：

A=1 1/3 1/4 1/23 1 1/2 24 2 1 32 1/2 1/3 1

矩阵A中的各元素的取值反映了矩阵中对相关因素两两比较的重要程度差异的判断。按照同样的方法，也可以求出最底层B1～B15各因素对应于中间层A1、A2、A3、A4各因素分别构成的比较判断矩阵：

A1=1 3 4 21/3 1 2 11/4 1/2 1 1/21/2 1 2 1 A2=1 2 5 1/21/2 1 2 1/31/5 1/2 1 1/72 3 7 1

A3=1 5 71/5 1 21/7 1/2 1 A4=1 1/3 1/2 1/53 1 2 1/22 1/2 1 1/35 2 3 1

与矩阵A相类似，矩阵A1、A2、A3、A4中各元素的取值同样反映了各矩阵中对相对因素两两比较的重要程度差异的判断。

2.2 利用和积法[5]计算成对比较判断矩阵A的最大特征根对应的归一化特征向量：

ｗA=（ｗ1，ｗ2，ｗ3，ｗ4）T=（0.096，0.277，0.466，0.161）T

ｗA即为所求矩阵A的最大特征根对应的归一化特征向量的近似解，也是矩阵A的权向量。

同理，可以分别得到判断矩阵A1、A2、A3、A4的最大特征根对应的归一化特征向量的近似解ｗA1，ｗA2，ｗA3，ｗA4：

ｗA1=（0.479，0.197，0.108，0.217）T

ｗA2=（0.291，0.148，0.068，0.494）T

ｗA3=（0.738，0.168，0.094）T

ｗA4=（0.088，0.272，0.157，0.482）T

2.3 为了防止判断矩阵的不一致性，需要对判断矩阵进行一致性检验[6]。检验步骤如下：

①计算判断矩阵A的最大特征值λmax：

λmax=■∑■■■

②应用最大特性值计算出一致性指标CI：

CI=■

③最后计算随机一致性比率CR：

CR=■

其中RI为随机一致性指标，其取值如表1所示。

通常，当CR

CRA=0.011

CRA3=0.016

说明比较判断矩阵A、A1、A2、A3、A4均通过一致性检验，具有可以接受的一致性。

2.4 层次的总排序权重就是自上而下地将单准则下的权重进行合成。对于土石方工程施工机械设备选型评价层次结构模型，中间层A层包含4个因素A1、A2、A3、A4，设其对总目标Z的层次总排序权重分别为a1，a2，a3，a4。最底层B层包含15个因素B1，B2，……，B15，设它们关于Aj的相对权重分别为 b1j，b2j，…，bxj（其中，x 为因素 Aj 所对应的比较判断矩阵的阶数）。B 层中各因素对于总目标 Z 的层次总排序权重设为b1，b2，b3，……，b15，可以通过下面的公式进行计算，即：

bi=∑■■bijaj （i=1，2，3……，15；j=1，2，3，4）

则B层各因素的层次总排序特征向量ｗi为：

ｗi=（0.046，0.019，0.010，0.021，0.081，0.041，0.018，0.137，

0.344，0.079，0.043，0.014，0.044，0.026，0.078）T

最后对层次总排序作一致性检验，利用已经得出的比较判断矩阵A1、A2、A3、A4相应的一致性指标和随机一致性指标，可以求得最底层B对目标层Z的总排序随机一致性比率为：

CR=■=0.009

结果表明层次总排序通过一致性检验，具有可以接受的一致性。

根据计算出来的最底层中各因素的层次总排序权重结果，可以得出土石方工程施工机械设备选型评价模型15个主要影响因素的重要性顺序排列为：施工内容、作业工程量、运送距离、作业方式、工作可靠性、生产效率、机械间组配性、施工工序选择、土壤等级、使用安全性、节能环保性、通用性和专用性、地区和气候条件、机械调迁和转场、维修和保养，这一结果符合土石方工程施工机械设备选型的实际情况。因此，该模型建立比较合理，对于土石方施工机械设备选型具有重要的参考价值和指导意义。

3 结论

施工机械设备选型关乎到工程的施工效率、施工成本和质量等，因而显得尤为重要。针对施工机械设备选型因受多因素影响而难于决策的实际，本文成功地将层次分析法（AHP）应用到土石方工程施工机械设备选型评价中，并在深入探讨研究、归纳总结的基础上，完成了土石方工程施工机械设备选型评价层次结构模型的设计。通过对该层次结构模型的量化分析和计算，最后确立了施工机械设备选型评价的15个主要影响因素的权重系数，为土石方工程施工单位进行机械设备选择提供了相对科学的评判方法和量化指标。

参考文献：

[1]鲁冬林，丛伟等.土石方机械的施工选择[J].建筑机械，2007，（5）：74.

[2]杨振林，刘金兰.层次分析法在特种设备风险评价模型设计中的应用[J].工程机械，2009，（40）：38-41.

[3]王泽民.土石方工程施工机械的合理选择[J].河北水利与南水北调，2011，（16）：71-72.

[4]Sawtty T L.The analytic hierarchy process[M].New York：Hill，1980.

[5]边馥萍，侯文华，梁冯珍.数学模型方法与算法[M].北京：高等教育出版社，2005.

[6]毛敏华，陶少雄.设备选型评价模型与应用研究[J].价值工程，2012，（21）：55-57.