基于AHP法改進的場地平整施工機械方案自主式評價研究

閻西康　張永明　梁琛　龐玉松　魏興磊　陶建偉

摘要：提出一種基于自主式?jīng)Q策思想的場地平整施工機械方案綜合評價方法，實現(xiàn)同一工程的不同施工機械方案在評價過程中自主提升自身優(yōu)勢、降低對手優(yōu)勢進行競爭。應用具體的算例對其適用情況和評價結(jié)果進行分析，并結(jié)合工程需要運用層次分析法對該評價法進行改進。改進前后的評價結(jié)果對比表明，改進自主式評價法體現(xiàn)了評估對象的自主性，在保證了評價結(jié)果的公正性和有效性的同時，也滿足了決策者的要求。

關鍵詞：施工機械；方案評價；自主決策；層次分析法

中圖分類號：U415.51文獻標志碼：B

Abstract： A method based on autonomous decisionmaking for comprehensive evaluation of machinery configuration scheme for field leveling was proposed. Different schemes suitable for the project compete fairly by improving its own advantages and reducing the opponents. Through a specific example， the applicability of the method and the evaluation result were tested. While in order to meet the requirements of practical conditions and policy makers， the autonomous evaluation method was improved by integrating the advantages of AHP. The comparison of the evaluation results of original method and the improved one shows that the latter reflects the autonomous action of evaluated objects， and both fairness and effectiveness of the evaluation results can be ensured. Meanwhile， the requirements of policy makers are satisfied.

Key words： construction machinery； scheme evaluation； autonomous decisionmaking； analytic hierarchy process

0引言

場地平整施工是涉及土方開挖機械、運輸機械、整平機械、壓實機械的綜合作業(yè)，具有技術(shù)性強、機械化程度高、施工機械種類多等特點[1]。如何根據(jù)具體工程選擇合理的配套施工機械以及對不同的施工機械配套方案進行優(yōu)選，才能既保證工程建設的質(zhì)量、安全和施工進度，又降低工程成本，是工程施工必須考慮的問題[25]。本文將自主式?jīng)Q策視角綜合評價方法[68]應用于平整場地施工機械方案的優(yōu)選過程中，并借鑒層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP）[9]對其不足之處加以改進。

1評價指標體系構(gòu)建及觀測值的確定

施工機械方案優(yōu)選是涉及技術(shù)、經(jīng)濟、安全等方面的復雜的系統(tǒng)問題，因此施工機械方案的綜合評價指標體系要能夠真實、客觀地反映施工機械方案比選的意義[1011]。本文探討場地平整施工機械方案的評價指標體系（圖1）構(gòu)建，對于體系中成本、工期等定量指標，可直接取其數(shù)值作為觀測值；對于機械供應、施工質(zhì)量等定性指標，先進行細化分類（圖2），再在各類細化指標下進行分段賦值打分，每段分數(shù)為相關領域?qū)＜医M打分均值，最后綜合各細化指標分值作為指標觀測值。

2傳統(tǒng)自主式評價算法

2.1自主式綜合評價的前提假定

自主式綜合評價為實現(xiàn)方案模擬“經(jīng)濟人”行為參與評價，對評價規(guī)則進行如下界定。

（1） 競爭視野優(yōu)化準則。評價方案通過綜合評價值區(qū)間確定其競爭視野，即所有與其構(gòu)成競爭關系的方案集合；在此基礎上采取賦權(quán)策略，達到提升自身、打壓對手的優(yōu)化效果。

（2） 權(quán)數(shù)非獨裁性條件。通過賦權(quán)策略進行優(yōu)化視野時，若賦權(quán)無約束，評價方案會出現(xiàn)對自己處于優(yōu)勢指標賦權(quán)為1，劣勢指標賦權(quán)為0的獨裁現(xiàn)象。為避免獨裁現(xiàn)象，對賦權(quán)行為進行約束：設任一指標對其余重要性較低的指標全體而言是非主導性的，即每個指標的權(quán)重不超過剩余指標權(quán)重之和。

2.2自主式綜合評價法主要步驟

（1）數(shù)據(jù)規(guī)范化處理，即采用極值處理法把指標體系中的極大型值、極小型值規(guī)范化，得到數(shù)據(jù)矩陣A，以符合人們認為綜合評價值越大代表方案越優(yōu)的判斷習慣。

極大型值的規(guī)范化

xij=x*ij-mjMj-mj（1）

極小型值的規(guī)范化

xij=Mj-x*ijMj-mj（2）

式中：xij為指標規(guī)范化值；x*ij為指標觀測值；Mj=maxi{xij}，mj=mini{xij}；i為評價方案序號，i∈N={1，2，…，n}；j為指標序號，j∈M={1，2，…，6}。

（2）確定綜合評價值區(qū)間。根據(jù)權(quán)數(shù)非獨裁性條件得到綜合評價值區(qū)間

yi[KG*3]～=∑6j=1xi（7-j）·wfij，∑6j=1xij·wuij

i∈N，j∈M（3）

式中：yi～為評價方案i綜合評價值區(qū)間；xij為xij的從大到小順序排列；wuij、wfij分別為在前提假設條件下方案i的最優(yōu)、最劣權(quán)重向量，i∈N={1，2，…，n}，j∈M={1，2，…，6}。

（3）優(yōu)化方案競爭視野。構(gòu)建規(guī)劃模型式（4），解得方案i競爭視野下最優(yōu)權(quán)重w*i。

max[JB<2[]λ1∑mj=1（xij·ω（i）j）-λ2∑nil=1μ（i）l·

∑mj=1（x（i）lj·ω（i）j）[JB>2]]

s.t.ω（i）j≥0，∑mj=1ωj（i）=1，ωj∈Φ，

j∈M，i∈N，l∈Ni（4）

式中：Φ為滿足權(quán)數(shù)非獨裁性條件的權(quán)重向量的約束集；λ1 、λ2 分別為提升自身、降低對手優(yōu)勢目標的權(quán)系數(shù)，滿足λ1+λ2=1；ω（i）j、x（i）lj、μ（i）l分別為方案i競爭視野下的各指標權(quán)重值、方案l指標值、方案i 對方案l的競爭力關注系數(shù)。

（4）構(gòu)造規(guī)劃問題得最終評價結(jié)論。將指標值和各視野下最優(yōu)權(quán)重線性加權(quán)得評價值矩陣Y=（y（1） ，y（2），…，y（n）），y（i）為方案i視野下的各方案綜合評價值向量；尋找與向量y（1） ，y（2），…，y（n）夾角之和最小的向量作為最終評價結(jié)論y*，可據(jù)式（5）規(guī)劃模型解得，并依據(jù)y*中元素對評價方案進行排序[12]。

max∑ni=1[yT·y（i）]2，s.t.‖y‖2=1（5）

2.3算例

某場地平整工程需挖運土方量50 000 m3，土質(zhì)為一般土，運距為15 km，工期要求30日以內(nèi)，每天工作2臺班。根據(jù)條件，有如下6種方案[1011]。

（1）斗容量1 m3挖掘機2臺+容量10 m3自卸汽車3臺+T1100推土機2臺+4 000 L灑水車1臺。

（2）斗容量1 m3挖掘機3臺+容量10 m3自卸汽車5臺+ T1100推土機4臺+4 000 L灑水車1臺 。

（3）斗容量2 m3挖掘機2臺+容量10 m3自卸汽車4臺+ T1100推土機4臺+4 000 L灑水車1臺。

（4）自行式斗容量16 m3鏟運機3臺+T1100推土機1臺+4 000 L灑水車1臺。

（5）自行式斗容量16 m3鏟運機4臺+T1100推土機1臺+4 000 L灑水車1臺。

（6）自行式斗容量25 m3鏟運機3臺+T1100推土機1臺+4 000 L灑水車1臺。

施工方案指標觀測值如表1所示。

2.4優(yōu)選結(jié)果分析

結(jié)合表1、2，每個評價方案都在各自的競爭視野下達到了增強自身優(yōu)勢、弱化競爭對手的目的，達到了各自的最高排名（即表2中除綜合排序外每行的最小值）；綜合排序也體現(xiàn)了一個較為公正的排名結(jié)果，一方面把各個評價方案的特點考慮在內(nèi)，另一方面這樣的處理方式也比較合理。但是結(jié)合實際項目分析，上述方法應用于施工機械方案評選中也存在以下一些不足。

（1）自主式?jīng)Q策方法采用了權(quán)數(shù)非獨裁性條件的假設，但由于權(quán)重系數(shù)不能體現(xiàn)決策信息，評選出的最優(yōu)結(jié)果并不一定能最大化滿足決策者的要求。例如上述算例中評價結(jié)果綜合排序第一的方案5，其成本、工期、質(zhì)量均是各自指標下相對較好的，但是在成本方面次于方案1，工期方面次于方案2、方案3。當決策者比較偏重成本，對工期要求較小時，方案5可能就不再是最適宜的方案。

（2）雖然自主式評價假定了權(quán)數(shù)非獨裁性條件，但隨著指標數(shù)增多，指標值大的最優(yōu)權(quán)重與劣勢權(quán)重偏差會越來越大，個別指標值嚴重偏大或偏小會直接影響最終的排序結(jié)果。例如上述6個指標，最劣權(quán)重為0.031 25，會再次出現(xiàn)評價結(jié)果由最優(yōu)指標主導的現(xiàn)象，而且隨指標數(shù)量的增多，這種情況會更加嚴重。

針對以上缺陷，本文根據(jù)決策者偏好信息，利用AHP法對上述評價模型中的最優(yōu)權(quán)重進行修正，使評價模型達到充分運用信息、過程公正、評價結(jié)果更加適合建筑施工項目的目標。

3基于AHP法改進的自主式評價優(yōu)選方法

AHP法是用層次結(jié)構(gòu)描述決策問題，最高層為決策目標層，中間為準則層，根據(jù)問題需要可設置更多的子準則層，最下層為方案層，如圖3所示。這種方法與決策者的心理因素、知識經(jīng)驗和決策水平有關，用此法求得的權(quán)重體現(xiàn)了決策者對于方案和指標參數(shù)的偏好。本文借助AHP法核心兩兩比較引入決策者的偏好信息：決策者基于上層目標對準則兩兩比較，決定下層元素對于上述元素的重要度，即主觀權(quán)重。

（1）構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣并對其進行一致性檢驗。

依據(jù)指標體系建立層次結(jié)構(gòu)，決策者基于目標層對準則層指標進行兩兩比較，得到判斷矩陣P=[pij]6×6；元素標度用1、3、5、7、9的Satty標度，如表3所示。決策者對各指標的偏好情況不同，得出的判斷矩陣也不同，表4、5分別為偏好成本的決策者P1與偏好工期的決策者P2給出的判斷矩陣（其余指標相對偏好情況相同）。

表3兩兩比較的Satty標度

標度值標度意義

1Xi與Xj同樣重要 wi=wj

3前者比后者稍微重要wi=3wj

5前者比后者相當重要wi=5wj

7前者比后者強烈重要wi=7wj

9前者比后者極端重要wi=9wj

2，4，6，8表示上述相鄰判斷的中間值

由于評價方案的復雜性以及人們對其認識的模糊性和多樣性，決策者給出的P中的元素可能出現(xiàn)A比B重要，B比C重要，而C又比A重要這種自相矛盾的情況出現(xiàn)，需對P進行一致性檢驗，一般采用一致性比率驗證一致性，即

RCR=ICI/IRI（6）

式中：RCR 為一致性比率；ICI為一致性指標，ICI=λmax-nn-1，λmax、n分別為P的最大特征值和維度；IRI為與n有關的隨機指標。

規(guī)定：若RCR≥0.1，表明P中各元素協(xié)調(diào)性差，不能通過一致性檢驗，應重新給出判斷矩陣；若RCR<0.1，則P通過一致性檢驗。

對P1、P2給出的判斷矩陣進行檢驗，RCRP1=RCRP2=0.098，均通過一致性檢驗。

（2）利用特征值法根據(jù)判斷矩陣求得決策者偏好權(quán)重向量

WP1=（0.064 4，0.603 7，0.714 9，0.100 1，

0.134 9，0.303 6）T

WP2=（0.064 4，0.603 7，0.303 6，0.100 1，

0.134 9，0.714 9）T

（3）對自主式評價模型的最優(yōu)權(quán)重進行修正，重新優(yōu)選方案?；谏鲜鏊憷Y(jié)果，利用自主式評價法和AHP法對指標進行綜合賦權(quán)WiZ，如式（7）所示，使綜合權(quán)重在體現(xiàn)方案自主競爭的同時，也能體現(xiàn)出決策者對各指標的實際重視程度。得到的優(yōu)選結(jié)果如表8所示。

WiZ=a·WP+（1-a）·w*i，i∈N，j∈M（7）

式中：a為主觀的偏好系數(shù)，在偏差的平方和最小的前提下，最佳取值為05；WP為AHP法求得的決策者偏好權(quán)重向量；w*i為原自主式評價法中方案i競爭視野下最優(yōu)權(quán)重向量。

4改進前后評價結(jié)果分析

在P1、P2決策者的偏好下，權(quán)重向量中成本和工期指標權(quán)重不同，說明權(quán)重體現(xiàn)了決策者對機械施工方案的不同偏好要求。對比前后排序結(jié)果發(fā)現(xiàn)：P1偏好信息修正后，成本排名靠前的方案1、5、3分別排在了第2、3、4位，相對于原自主評價結(jié)果名次第4、1、5位，成本較低的方案名次有所提升；P2偏好信息修正后，工期排名靠前的方案6、2、3分別排在了第2、1、4位，相對于原自主評價結(jié)果名次第3、2、5位，工期較短的方案名次均有所提升。這說明改進后優(yōu)選排序結(jié)果迎合了決策者對施工方案的偏好。

各方案修正后排名與原自主式綜合評價法的排名相近，如方案2，排序名次分別為1、1、2，說明修正后的方法是在原評價法的基礎上對各方案進行的再優(yōu)選，繼承了原方法客觀自主、公平競爭的優(yōu)點，使得到的結(jié)果公平公正地反映出各方案的優(yōu)劣。

自主式評價法中的最劣權(quán)重為0.031 25，改進后的最劣權(quán)重為0.065 675，在一定程度上避免了最劣權(quán)重過小而出現(xiàn)最優(yōu)指標主導優(yōu)選結(jié)果的現(xiàn)象發(fā)生。

5結(jié)語

本文采用自主式?jīng)Q策模型，從工期、成本、供應、操作、質(zhì)量、組織協(xié)調(diào)等角度考慮，對適合項目的多種機械化施工方案進行優(yōu)選，在評價中各方案實現(xiàn)了“提升自身優(yōu)勢、降低對手優(yōu)勢”自主競爭的效果，但是還存在評價結(jié)果沒有體現(xiàn)決策者偏好和可能出現(xiàn)“二次獨裁”現(xiàn)象的問題。運用AHP法根據(jù)決策者對項目的要求和各因素偏好情況，對原自主式評價方法中的最優(yōu)權(quán)重向量進行修正，使得最終優(yōu)選出的施工機械組合方案達到適宜工程項目、貼近決策者要求的目標，為工程項目經(jīng)濟高效地完成提供了保障。

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[責任編輯：王玉玲]