高速公路養護機械設備配置優化方法研究

林 建

（福建省高速路橋建設發展有限公司，福建廈門 361000）

0 引言

近年來，高速公路路網建設不斷完善，隨著里程的增長，高速公路養護作業單位承擔了大量的日常養護和應急搶險任務，為保障高速公路安全運行、維持良好狀況、提升服務質量作出了重要貢獻。自動化、多功能化的養護機械設備也逐步地被應用到道路養護作業中。高速公路養護機械設備的配置，既要滿足養護作業的需要，還需要滿足經濟、環保、實用等要求，然而高速養護機械設備配置方案的評價中涉及許多指標且許多指標存在不確定性和模糊性，這對高速公路養護機械設備的科學配置是一個較大的挑戰。

國內學者在高速公路養護機械設備的配置上進行了大量研究，長安大學陳慶芳等[1]在量化數據的基礎上，綜合約束條件的限制范圍，創建高速公路養護機械配置模型，并給出高速公路養護機械配置模型的求解方法；李秀君等[2]提出了基于多層次模糊灰色耦合理論的高等級公路養護機械配置方案評價模型；李文慧[3]運用層次分析法建立了高等級工差機械配置方案評價模型。

本文采用層次分析法，結合福建高速近30 年來養護工作經驗積淀，建立高速公路養護機械設備配置的層次結構模型，并確定方案的評價指標及權重系數；結合灰色關聯理論得出養護機械設備配置優化模型；最后，驗證了該方法的可行性和有效性。該方法可以為高速公路養護機械設備的配置優化提供科學的決策依據，實現養護效率和質量的提高，同時降低成本，具有一定的實際應用價值。

1 研究方法

為建立養護機械設備配置方案優化模型，本文使用層次分析法及灰色關聯理論兩種研究方法。

1.1 層次分析法[2]

1.1.1 層次分析法的思路

層次分析法的基本思路是根據問題的性質和目標分解出問題的組成因素，根據各個因素的相互關系將其層次化，組成一個層次結構模型，然后按層分析，從而獲得最低層對于最高層的重要性權值。

1.1.2 層次分析法的基本步驟

（1）建立層次結構模型。目標層：問題的預定目標（如選擇旅游城市）；準則層：影響目標實現的準則（如費用、景色、飲食等）；方案層：決策時的備選方案（如桂林、武夷山、華山等）。

（2）構造判斷矩陣：①建立評估因素集合U={u1，u2，u3，…，un}；②設uij表示評估因素ui對評估因素uj的相對重要性數值，由專家根據1-9 標度法進行判斷取值（表1）；③將評估元素集U中的元素兩兩比較得出判斷矩陣P：

表1 評估元素重要性評分表

其中，uij＞0，uij=1/uji。

（3）判斷矩陣一致性：①求一致性指標CI：根據PW=λmaxW，得最大特征值λmax，進而求出一致性指標；②平均隨機一致性指標RI：根據矩陣階數，從表2 中查取；③計算隨機一致性比率，當CR＜0.1 時，則判斷矩陣滿足一致性要求；當CR≥0.1 時，則需對判斷矩陣進行修正。

表2 隨機一致性指標RI 值

（4）確定權重系數。應用層次分析法確定權重系數的問題可以歸結為判斷矩陣的特征向量求解問題，目前主要方法有方根法、和法、特征根法等，這里采用和法。

將判斷矩陣按列歸一化：

將歸一化后的判斷矩陣按行相加：

（5）組合權重系數。根據上述方法可以確定出單權重系數，假設準則層對目標層的權重系數為（a1，a2…an）、指標層次對準則層的權重系數為（η1，η2…ηn）T，為確定指標層與目標層之間的權重系數，根據線性代數相關知識可知方案層與目標層的權重系數為：（a1，a2…an）（η1，η2…ηn）T。

1.2 灰色關聯理論

1.2.1 灰色關聯理論的思路

灰色關聯理論的核心是將樣本數據轉化為灰色數列，并通過計算灰色數列之間的關聯度來評價對象之間的相似程度或接近程度。具體來說，灰色關聯理論通過對樣本數據進行灰色化處理，將其轉化為灰色數列，然后計算不同灰色數列之間的關聯度，從而評價對象之間的相似程度或接近程度。應用灰色關聯理論可以用來評價方案之間的優劣程度，從而選擇最優方案。

1.2.2 灰色關聯理論的步驟

（1）參考數列記作x0=（x0（1），x0（2）…x0（m））；被比較因素組成的數列稱為比較數列，記作xi=（xi（1），xi（2）…xi（k）…xi（m））（k=1，2…m；i=1，2…n），多個比較數列構成比較矩陣：

（2）由于各因素的不可公度性，在評價前應對數列進行標準化處理，轉化為無量綱的數據。

（3）對于一個參考數列x0，比較數列xi，xi對關于k 指標的關聯度ξi（k）：

其中，ξ是為了減少極值對計算影響的系數，一般取ξ≤0.5。

（5）絕對關聯度ri反映了比較數列i 的“優劣”關系，按從大到小對其進行排序，最大的為最優方案。

2 養護機械設備配置優化模型建立

養護機械設備配置優化模型的建立，是根據分析當前國內高速公路養護機械設備配置的衡量指標，采用層次分析法，構建高速公路養護機械設備配置衡量指標的權重系數，根據權重系數，按照灰色關聯理論對現有配置方案與理想方案對比，找尋最優方案，選擇出最優配置的過程。

2.1 養護機械設備配置的影響因素

當前高速公路養護作業主要有路況巡查、路面保潔修補、交安設施維護、橋隧維護、綠化養護、應急搶險等工作，工作量和工作標準決定了機械設備配備的型號和數量。結合國內外高速公路管養情況，管養里程、交通量、車道數、路齡、自然條件是影響養護機械設備的主要影響因素。

2.1.1 管養里程

管養里程的長短是決定養護機械設備配置數量的重要因素之一。當管養里程較長時，可能遇到的養護工作量也會相應增加，養護任務也會更加繁重。因此，在管養里程較長的情況下，應適當增加養護機械設備的數量和種類，以提高養護效率和質量。同時，應根據實際情況和養護作業的需要，合理規劃養護機械設備的配置和調度，以確保養護工作的高效進行。

2.1.2 交通量

交通量是衡量車流大小的指標，直接決定了道路及設施的損壞程度，進而影響高速公路的使用壽命。當交通量較大時，養護工作的難度和工作量也會相應增加。因此，在交通量較大的情況下，應適當增加養護人員和設備的投入，以保證養護作業的高效進行。

2.1.3 車道數

車道數是影響養護作業量的重要因素之一，直接影響到養護應急設施布局和機械設備配置標準。車道數的增加會導致同等條件下百公里養護面積的增加，從而增加養護工作量。因此，在車道數增加的情況下，需要適當增加養護機械設備的數量和種類，以滿足養護作業的需求。同時，應根據實際情況和養護作業的需要，合理規劃養護應急設施的布局和機械設備的配置標準，以確保養護工作的高效進行。

2.1.4 路齡

路齡越長，高速公路基礎設施的老化越嚴重，會導致養護作業量的增加和維修比率的提高。因此，在路齡較長的路段，應適當增加養護機械設備的數量和種類，以提高養護作業的效率和質量。同時，對于這些機械設備，應注重其可靠性和穩定性，以減少機械維修時間和成本。可以通過選擇質量可靠、性能穩定的機械設備，并加強日常維護保養，來提高機械設備的可靠性和使用壽命。

綜上所述，對于路齡較長的高速公路路段，應根據實際情況適當地增加養護機械設備的數量和種類，并注重機械設備的可靠性和穩定性，以提高養護作業的效率和質量，減少維修時間和成本。

2.1.5 自然條件

自然條件也是影響養護機械設備配置的一個重要因素。以閩北地區為例，春夏季節汛期來臨時有大范圍長時間的降雨，會增加路面病害和水毀的發生率。因此，在這個時期，應適當增加清障、排水等養護機械設備的配置，以應對自然災害。而在冬季，閩北地區會頻繁發生冰凍災害，因此應該配置除雪除冰設備，以保證道路的通行安全。

2.2 影響養護機械設備配置的衡量指標

養護機械設備的配備是一項系統性工作，配置過程應該綜合考慮配置影響因素、養護內容、經濟性指標、技術性指標以及行業專家的意見等多個因素。為此，本文提出3 個衡量指標：適應性、經濟性和技術性。

2.2.1 適應性

在選擇養護機械設備時，其使用性能應具有足夠的適應性。首先，設備應能夠適應當前養護作業量，當作業量較大時，應適當提高設備的配置量。其次，設備應能夠適應養護生產工作內容，例如路面修補設備、綠化養護設備、應急搶險設備等，以滿足不同方面的要求。最后，由于養護生產環境和災害類型可能各式各樣，因此在選擇設備時，應考慮當前情況并選擇適合的設備，以確保養護生產任務的高效完成。

2.2.2 經濟性

在功能和性能相同或相近的條件下，養護機械設備的配備應選擇價格較低的機械，以提高性價比。這可以從設備總投資、投資回收期、年折舊費以及年平均利用率等方面來考慮。選擇價格較低的機械可以降低設備總投資，縮短投資回收期并降低年折舊費用，同時還可以提高年平均利用率，從而獲得更好的經濟效益。

2.2.3 技術性

養護機械設備的技術性主要體現在單位生產功率、自動化程度、環保性、可靠性等方面。

2.3 優化模型的建立[3]

2.3.1 建立層次分析結構

（1）層次分析結構圖。根據層次分析法的論述及影響養護機械設備配置的衡量指標的論述，建立層次結構圖（圖1），其中A為目標層，B 為準則層，C 為指標層。

圖1 養護機械配置優化層次結構

（2）構造判斷矩陣、一致性檢驗及權重計算。本文采用德爾菲法，構造判斷矩陣A-B、B-C，并使用MATLAB 進行矩陣計算，得出判斷矩陣特征向量、特征值及一致性指標（表3～表7）。

表3 A-B 層次分析結果

表4 B1-C 層次分析結果

表5 B2-C 層次分析結果

表6 B3-C 層次分析結果

表7 A-C 權重值

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

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

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

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

根據表7 可知，單位生產功率、可靠性、作業內容適應性等3 個指標對養護機械設備配置影響最大。

2.3.2 最優方案選擇

（1）根據相關要求（如規范標準，經驗，研究成果等）編制出與指標因數有關的供選擇方案Ai并確定理想方案A0。

（2）根據建立層次分析結構得出的A-C 權重值，結合灰色關聯理論知識計算出絕對關聯度，并根據絕對關聯度大小進行排序，選擇最佳方案。

3 養護機械設備配置優化

養護機械設備按使用功能可劃分為六大類。第一類是養護巡查設備，包括養護巡查車、皮卡車等，用于日常巡查、夜間巡查以及特殊巡查；第二類是路面保潔設備，包括清掃車、灑水車、皮卡車等，用于路面清掃；第三類是路面維修設備，包括多功能養護車、自卸車等，用于維修路面坑槽、裂縫等病害；第四類是交通工程維修設備，包括打拔樁機、高空作業車等，用于交通工程設施的維修和更換；第五類是綠化維護設備，包括灑水車、綠籬機等，用于沿線綠化澆水、除草、修剪、打藥等作業；第六類是應急搶險設備，包括融雪劑撒布機、裝載機等，用于針對夏季暴雨水毀災害、冬季風雪災害和泥石流等三類自然災害類型的應急機械設備。

3.1 南平高速某一級站養護概況

3.1.1 環境情況

該一級站地處政和縣，轄養路段涵蓋政和、松溪兩縣，其管養高速公路有寧上高速、政永高速、長深線，合計200 km，其各路段通車年份均達到10 年以上，養護任務艱巨。其所管轄路段春夏季節是水毀高發期，冬季又是冰雪災害頻發路段，年均水毀10 處，抗冰除雪4 次以上，其中橋梁61 座（特大橋梁1 座），涵洞220 個，隧道23 個，包含26 km 的長下坡隧道群。

3.1.2 配置情況

目前該一級站的養護機械設備配置呈現兩個特點：一是日常小修養護任務及應急搶險等履行社會責任的任務采用自養模式，如交安設施維護、路面病害修補、綠化管理、路面清掃、應急搶險等；第二種大型和專項項目，如路面大中修、大型水毀工程等采用委托外協單位完成，因此不配備大型維修所需養護設備，具體機械設備配置情況見表8。

3.2 機械設備配置情況評價

機械設備配置情況的評價根據文獻［4］有關研究結果進行。

3.2.1 機械化作業率

機械化作業率中涉及的使用機械實際任務量q、可用機械任務量Q 均采用現場測算統計得出，結果見表9。

表9 某一級站養護機械設備機械化作業率統計（2021 年7 月—2022 年6 月）

（2）根據機械化作業率評估分值：Pj=Wj×45=0.682 4×45=30.71。

3.2.2 機械利用率（表10）

表10 某一級站養護機械設備機械利用率統計（2021 年7 月—2022 年6 月）

（2）機械化作業率：PZ=UZ×35=38.18×35=13.36。

3.2.3 當量百公里配備功率（表11）

表11 某一級站養護機械設備功率統計

（1）當量百公里配備功率：Wb=Z/L×100=100×28 857.7/167.3=172.49 kW/當量百公里。

（2）考慮到該站路段通車年限均較長，基本配備功率值取值4000，則：Pw=E/Wb×20=4000/172.49=23.19＞20，因此取Pw=20。

3.2.4 設備配置評估結果（表12）

表12 某一級站養護機械設備評估結果

根據表12 的評估結果可知，該養護站機械設備配置評估得分為64.07，還具有較大提升空間。根據計算結果可知該一級站養護機械設備的當量百公里配備功率得分20 分，從配備功率角度考慮，機械配置功率已經足夠，結合其平均利用率較低，說明該養護站機械設備配備種類及數目不合理，可以從調整部分機械設備數目和種類入手來提高機械設備配置合理性。

3.3 機械設備優化配置方案初步確定

3.3.1 巡查車

結合機械化作業比率達90%以上，機械利用率達80%以上，可知巡查車利用充分，可以適度增加巡查車數目，參考JTG H10—2009《公路養護技術規范》，一般百公里配備2 輛巡查車，該一級站實際里程200 km，可以配備4 輛巡查車，兼顧機械利用率，因此優化方案中新增巡查車1 輛。

3.3.2 灑水車

灑水車在路面保潔和綠化維護中的機械利用率分別為16.03%和34.25%，總體機械化利用率較低。考慮到該一級站的當量百公里配備功率得分為20，可以適當減少灑水車的配置數量。為了提高灑水車的利用率，可以將綠化維護配置的3 輛灑水車改為2 輛，并將多余的一輛調配至其他一級站使用，避免設備閑置造成浪費；由于該一級站下轄兩個二級站，充分考慮灑水車配置的適應度和設備調動的靈活性，原綠化保潔使用的2 輛灑水車改為1 輛，由一輛灑水車同時承擔路面保潔和綠化維護任務，這樣可以在保證路面保潔和綠化維護質量的同時，減少設備數量和成本，提高設備利用率。

3.3.3 其他養護機械的配置

（1）考慮到路面維修機械利用率40.41%，應該進一步提高路面維修工作中的機械化程度，結合養護工作實際并參考JTG H10—2009《公路養護技術規范》，養護站應當適度配置路面切割機，由于該養護站管理里程200 km，管轄二級站兩個，配置路面切割機2 臺。

（2）交安維護中機械利用率39.27%，機械化作業率41.82%，由于交安維護中的主要工作為護欄維修及更換，因此對該養護站增配液壓護欄切割機1 臺，以便提高護欄更換效率，增配護欄板矯正機1 臺，以便修復護欄，節約成本。

（3）雖然原配置的裝載機、挖掘裝載機、撒布機、除雪滾刷機械利用率低，但作為應急搶險工作的必備設備，對其配置數量不進行調整，以保證機械設備配置的適應性要求。

3.3.4 調整后配置情況

結合現有養護資金，擬將該養護站機械設備配置情況進行優化：即新增巡查車1 輛、減少灑水車2 輛、增配路面切割機2臺、液壓護欄切割機1 臺、護欄板矯正機1 臺。優化后配置情況見表13。

3.4 機械設備配置最優方案確定

經過對預購機械設備同一規格不同廠家調研、選擇、分析，在資金允許的條件下，通過排列組合的方式選定4 套配置方案（A1、A2、A3、A4），并對配置方案進行評估和選擇。

3.4.1 備選方案數據

根據四套配置方案，結合養護工作方面專家的評價，得出各評價指標數據樣本（表14）。

表14 配置方案各評價指標數據樣本

3.4.2 數據無量綱化

為了消除指標的不同量綱影響 對評價指標的數據進行無量綱化處理。由于影響目標層中的評價指標既有定量的也有定性的，因此在評價體系中將指標劃分為確定性和不確定性兩種，確定性指標又分成本型和效益型，通過“標準化法”進行處理，其中設備總投資、投資回收期、年折舊費按成本型指標處理，其余為效益型指標；不確定型指標通過模糊數學法中的五級劃分法進行處理，結合層次分析法中的權重，處理后的數據見表15。

表15 評價指標無量綱化處理結果及相關權重

3.4.3 關聯系數的計算

根據式（3）計算各指標關聯系數，結果見表16。

表16 指標層指標關聯系數計算值

3.4.4 最佳方案選擇

表17 關聯度及優劣次序

由表17 可知，4 套方案的灰色關聯度排序為A4>A3>A1>A2，方案A4 的關聯度最大，是最適宜的方案，該一級站養護機械設備的優化方案可按照A4 方案進行。

4 結束語

本文闡述了高速公路養護機械配置優化研究的意義，論述優化配置的研究方法，建立了養護機械設備配置優化模型，并就南平高速某一級站養護機械配置進行優化，為高速公路養護機械的合理配置提供理論支持。本文主要的研究成果如下：

（1）根據高速公路養護工作實際情況，提出影響養護機械設備配置的衡量指標并結合層次分析法確定各影響因數的權重系數。

（2）結合灰色關聯理論及各影響因數的權重系數，詳細論述了養護機械設備配置優化模型建立過程。

（3）以養護機械設備配置優化模型為基礎，結合某一級站設備配置情況進行優化配置，提高機械設備配置合理性，節約養護成本。