高速公路养护机械设备配置优化方法研究.pdf

设备管理与维修2023 翼10（下）0引言近年来，高速公路路网建设不断完善，随着里程的增长，高速公路养护作业单位承担了大量的日常养护和应急抢险任务，为保障高速公路安全运行、维持良好状况、提升服务质量作出了重要贡献。自动化、多功能化的养护机械设备也逐步地被应用到道路养护作业中。高速公路养护机械设备的配置，既要满足养护作业的需要，还需要满足经济、环保、实用等要求，然而高速养护机械设备配置方案的评价中涉及许多指标且许多指标存在不确定性和模糊性，这对高速公路养护机械设备的科学配置是一个较大的挑战。国内学者在高速公路养护机械设备的配置上进行了大量研究，长安大学陈庆芳等1在量化数据的基础上，综合约束条件的限制范围，创建高速公路养护机械配置模型，并给出高速公路养护机械配置模型的求解方法；李秀君等2提出了基于多层次模糊灰色耦合理论的高等级公路养护机械配置方案评价模型；李文慧3运用层次分析法建立了高等级工差机械配置方案评价模型。本文采用层次分析法，结合福建高速近 30 年来养护工作经验积淀，建立高速公路养护机械设备配置的层次结构模型，并确定方案的评价指标及权重系数；结合灰色关联理论得出养护机械设备配置优化模型；最后，验证了该方法的可行性和有效性。该方法可以为高速公路养护机械设备的配置优化提供科学的决策依据，实现养护效率和质量的提高，同时降低成本，具有一定的实际应用价值。1研究方法为建立养护机械设备配置方案优化模型，本文使用层次分析法及灰色关联理论两种研究方法。1.1层次分析法21.1.1层次分析法的思路层次分析法的基本思路是根据问题的性质和目标分解出问题的组成因素，根据各个因素的相互关系将其层次化，组成一个层次结构模型，然后按层分析，从而获得最低层对于最高层的重要性权值。1.1.2层次分析法的基本步骤（1）建立层次结构模型。目标层：问题的预定目标（如选择旅游城市）；准则层：影响目标实现的准则（如费用、景色、饮食等）；方案层：决策时的备选方案（如桂林、武夷山、华山等）。（2）构造判断矩阵：淤建立评估因素集合 U=u1，u2，u3，un；于设 uij表示评估因素 ui对评估因素 uj的相对重要性数值，由专家根据 1-9 标度法进行判断取值（表 1）；盂将评估元素集 U中的元素两两比较得出判断矩阵 P：P=u11u12u1ju1nu21u22u2ju2nui1ui2uijuinun1un2unjunn杉删山山山山山山山山山山山山山山山煽闪衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫其中，uij跃0，uij=1/uji。（3）判断矩阵一致性：淤求一致性指标 CI：根据 PW=姿maxW，得最大特征值 姿max，进而求出一致性指标；于平均随机一致性指标 RI：根据矩阵阶数，从表 2 中查取；盂计算随机一致性比率，当 CR0.1 时，则判断矩阵满足一致性要求；当 CR逸0.1 时，则需对判断矩阵进行修正。表 1评估元素重要性评分表表 2随机一致性指标 RI 值摘要：随着高速公路养护事业逐步走向机械化、自动化、多功能化，迫切需要一套科学有效的养护机械配置优化方法。在探讨养护机械设备的配置的影响因素基础上，通过将层次分析法和灰色关联理论两种方法相结合，提出养护机械设备配置优化模型，并结合实际案例的分析和比较验证方法的可行性和有效性。本研究结果对于高速公路养护机械设备的配置优化具有一定的参考价值。关键词：层次分析法；灰色关联理论；养护机械设备中图分类号：U415.5文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.10D.21高速公路养护机械设备配置优化方法研究林建（福建省高速路桥建设发展有限公司，福建厦门361000）重要性标度含义1代表两个评估因素相比，重要性相同3代表两个评估因素相比，前者稍重要于后者5代表两个评估因素相比，前者明显重要于后者7代表两个评估因素相比，前者强烈重要于后者9代表两个评估因素相比，前者极短重要于后者2，4，6，8代表上述相邻判断的中间值倒数若因素 i 与因素 j 重要性为 uij，则因素 j 与因素 i 重要性为 uij=1/uji矩阵阶数1234567RI 值000.580.91.121.241.32輨輵设备管理与维修2023 翼10（下）（4）确定权重系数。应用层次分析法确定权重系数的问题可以归结为判断矩阵的特征向量求解问题，目前主要方法有方根法、和法、特征根法等，这里采用和法。将判断矩阵按列归一化：uij=uij/nk=1移ukj（i，j=1，2，3n）（1）将归一化后的判断矩阵按行相加：茁i=nj=1移uij（i，j=1，2，3n）（2）对茁i=（茁1，茁2，茁n）归一化得出特征向量 茁=（茁1，茁2，茁n）。（5）组合权重系数。根据上述方法可以确定出单权重系数，假设准则层对目标层的权重系数为（a1，a2an）、指标层次对准则层的权重系数为（浊1，浊2浊n）T，为确定指标层与目标层之间的权重系数，根据线性代数相关知识可知方案层与目标层的权重系数为：（a1，a2an）（浊1，浊2浊n）T。1.2灰色关联理论1.2.1灰色关联理论的思路灰色关联理论的核心是将样本数据转化为灰色数列，并通过计算灰色数列之间的关联度来评价对象之间的相似程度或接近程度。具体来说，灰色关联理论通过对样本数据进行灰色化处理，将其转化为灰色数列，然后计算不同灰色数列之间的关联度，从而评价对象之间的相似程度或接近程度。应用灰色关联理论可以用来评价方案之间的优劣程度，从而选择最优方案。1.2.2灰色关联理论的步骤（1）参考数列记作 x0=（x0（1），x0（2）x0（m）；被比较因素组成的数列称为比较数列，记作 xi=（xi（1），xi（2）xi（k）xi（m）（k=1，2m；i=1，2n），多个比较数列构成比较矩阵：X=x1（1）x2（1）xi（1）xn（1）x1（2）x2（2）xi（2）xn（2）x1（1）x2（k）xi（k）xn（k）x1（m）x2（m）xi（m）xn（m）杉删山山山山山山山山山山山山山山山煽闪衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫（2）由于各因素的不可公度性，在评价前应对数列进行标准化处理，转化为无量纲的数据。（3）对于一个参考数列 x0，比较数列 xi，xi对关于 k 指标的关联度 孜i（k）：孜i（k）=miniminkx0（k）-xi（k）+孜maximaxkx0（k）-xi（k）x0（k）-xi（k）+孜maximaxkx0（k）-xi（k）（3）其中，孜是为了减少极值对计算影响的系数，一般取 孜臆0.5。（4）第 i 个评价对象的绝对关联度 ri=nk=1移孜i（k）w（k），其中 w（k）为各因数的权重，可采用层次分析法解得。（5）绝对关联度 ri反映了比较数列 i 的“优劣”关系，按从大到小对其进行排序，最大的为最优方案。2养护机械设备配置优化模型建立养护机械设备配置优化模型的建立，是根据分析当前国内高速公路养护机械设备配置的衡量指标，采用层次分析法，构建高速公路养护机械设备配置衡量指标的权重系数，根据权重系数，按照灰色关联理论对现有配置方案与理想方案对比，找寻最优方案，选择出最优配置的过程。2.1养护机械设备配置的影响因素当前高速公路养护作业主要有路况巡查、路面保洁修补、交安设施维护、桥隧维护、绿化养护、应急抢险等工作，工作量和工作标准决定了机械设备配备的型号和数量。结合国内外高速公路管养情况，管养里程、交通量、车道数、路龄、自然条件是影响养护机械设备的主要影响因素。2.1.1管养里程管养里程的长短是决定养护机械设备配置数量的重要因素之一。当管养里程较长时，可能遇到的养护工作量也会相应增加，养护任务也会更加繁重。因此，在管养里程较长的情况下，应适当增加养护机械设备的数量和种类，以提高养护效率和质量。同时，应根据实际情况和养护作业的需要，合理规划养护机械设备的配置和调度，以确保养护工作的高效进行。2.1.2交通量交通量是衡量车流大小的指标，直接决定了道路及设施的损坏程度，进而影响高速公路的使用寿命。当交通量较大时，养护工作的难度和工作量也会相应增加。因此，在交通量较大的情况下，应适当增加养护人员和设备的投入，以保证养护作业的高效进行。2.1.3车道数车道数是影响养护作业量的重要因素之一，直接影响到养护应急设施布局和机械设备配置标准。车道数的增加会导致同等条件下百公里养护面积的增加，从而增加养护工作量。因此，在车道数增加的情况下，需要适当增加养护机械设备的数量和种类，以满足养护作业的需求。同时，应根据实际情况和养护作业的需要，合理规划养护应急设施的布局和机械设备的配置标准，以确保养护工作的高效进行。2.1.4路龄路龄越长，高速公路基础设施的老化越严重，会导致养护作业量的增加和维修比率的提高。因此，在路龄较长的路段，应适当增加养护机械设备的数量和种类，以提高养护作业的效率和质量。同时，对于这些机械设备，应注重其可靠性和稳定性，以减少机械维修时间和成本。可以通过选择质量可靠、性能稳定的机械设备，并加强日常维护保养，来提高机械设备的可靠性和使用寿命。综上所述，对于路龄较长的高速公路路段，应根据实际情况适当地增加养护机械设备的数量和种类，并注重机械设备的可靠性和稳定性，以提高养护作业的效率和质量，减少维修时间和成本。2.1.5自然条件自然条件也是影响养护机械设备配置的一个重要因素。以闽北地区为例，春夏季节汛期来临时有大范围长时间的降雨，会增加路面病害和水毁的发生率。因此，在这个时期，应适当增加清障、排水等养护机械设备的配置，以应对自然灾害。而在冬季，闽北地区会频繁发生冰冻灾害，因此应该配置除雪除冰设备，以保证道路的通行安全。輨輶设备管理与维修2023 翼10（下）2.2影响养护机械设备配置的衡量指标养护机械设备的配备是一项系统性工作，配置过程应该综合考虑配置影响因素、养护内容、经济性指标、技术性指标以及行业专家的意见等多个因素。为此，本文提出 3 个衡量指标：适应性、经济性和技术性。2.2.1适应性在选择养护机械设备时，其使用性能应具有足够的适应性。首先，设备应能够适应当前养护作业量，当作业量较大时，应适当提高设备的配置量。其次，设备应能够适应养护生产工作内容，例如路面修补设备、绿化养护设备、应急抢险设备等，以满足不同方面的要求。最后，由于养护生产环境和灾害类型可能各式各样，因此在选择设备时，应考虑当前情况并选择适合的设备，以确保养护生产任务的高效完成。2.2.2经济性在功能和性能相同或相近的条件下，养护机械设备的配备应选择价格较低的机械，以提高性价比。这可以从设备总投资、投资回收期、年折旧费以及年平均利用率等方面来考虑。选择价格较低的机械可以降低设备总投资，缩短投资回收期并降低年折旧费用，同时还可以提高年平均利用率，从而获得更好的经济效益。2.2.3技术性养护机械设备的技术性主要体现在单位生产功率、自动化程度、环保性、可靠性等方面。2.3优化模型的建立32.3.1建立层次分析结构（1）层次分析结构图。根据层次分析法的论述及影响养护机械设备配置的衡量指标的论述，建立层次结构图（图 1），其中 A为目标层，B 为准则层，C 为指标层。（2）构造判断矩阵、一致性检验及权重计算。本文采用德尔菲法，构造判断矩阵 A-B、B-C，并使用 MATLAB 进行矩阵计算，得出判断矩阵特征向量、特征值及一致性指标（表 3耀表 7）。表 3A-B 层次分析结果姿max=3.06，CI=0.03，RI=0.58，CR=0.060.1，满足一致性要求。姿max=3.06，CI=0.03，RI=0.58，CR=0.060.1，满足一致性要求。姿max=4.22，CI=0.07，RI=0.9，CR=0.080.1，满足一致性要求。姿max=4.14，CI=0.05，RI=0.9，CR=0.05A3A1A2，方案 A4 的关联度最大，是最适宜的方案，该一级站养护机械设备的优化方案可按照 A4 方案进行。4结束语本文阐述了高速公路养护机械配置优化研究的意义，论述优化配置的研究方法，建立了养护机械设备配置优化模型，并就南平高速某一级站养护机械配置进行优化，为高速公路养护机械的合理配置提供理论支持。本文主要的研究成果如下：（1）根据高速公路养护工作实际情况，提出影响养护机械设备配置的衡量指标并结合层次分析法确定各影响因数的权重系数。（2）结合灰色关联理论及各影响因数的权重系数，详细论述了养护机械设备配置优化模型建立过程。（3）以养护机械设备配置优化模型为基础，结合某一级站设备配置情况进行优化配置，提高机械设备配置合理性，节约养护成本。輩輰设备管理与维修2023 翼10（下）指标层备选方案理想方案 A0A1A2A3A4作业量适应性 C111.001.000.500.501作业内容适应性 C121.000.330.500.331作业环境适应性 C130.500.501.000.331可靠性 C211.001.000.501.001自动化程度 C220.500.331.000.501环保性 C230.500.501.000.501机械作业平均效率 C240.330.330.501.001设备总投资 C310.631.000.560.731投资回收期 C320.521.000.590.471年平均利用率 C330.500.331.000.501年折旧费 C340.631.000.560.731表 16指标层指标关联系数计算值表 17关联度及优劣次序方案A1A2A3A4关联度 R0.570.480.610.77优劣次序3421参考文献1陈庆芳.高速公路养护机械配置模型研究 D.西安：长安大学，2012.2李秀君，李春龙，李梦晨，等.基于多层次模糊灰色耦合理论的高等级公路养护机械设备配置方案评价 J.上海理工大学学报，2014，36（1）：86-96.3廖红强，邱勇，杨侠，等.对应用层次分析法确定权重系数的探讨 J.机械工程师，2012（6）：22-25.4 JTG H10-2009，公路养护技术规范 S.编辑李波0引言目前渤海油田正处于高速发展的阶段，在役采油平台的井槽数量及甲板面积已经难以适应油田二次开发和规模扩大的需求。由于新建平台的周期长且成本高，渤海油田依托现役平台设计建造了多座新增桩腿，以便外挂井槽增打调整井或增加设备，最大限度发挥现役平台能力的同时，缓解了钻井平台及浮吊资源的紧张。经实践证明，此开发模式具有投资少、见效快且适应性强的特点，创造出良好的经济效益。1新增桩腿项目的设计基础及设计原则本文选取 4 个具有代表性的渤海海域的新增桩腿项目进行对比分析，以得到此类项目的设计基础条件和设计基本原则（图1图 4）。另外，还对各项目的结构形式、用钢量和吊装重量进行统计，作为经济概算的依据，对于未来类似项目的开发具有一定指导意义。1.1改造工程概况渤海采油平台主要的新增桩腿项目改造工程情况见表 1。1.2设计基础条件渤海采油平台主要的新增桩腿项目设计基础条件见表 2。1.3设计原则1.3.1总体布置设计基本原则（1）总体设计的基本原则为依托现役平台，充分利用现有设摘要：针对渤海地区采油平台新增桩腿方案的基础条件、主轴间距、桩腿设计及海上安装等关键条件与技术，总结方案设计的基本原则，应用 SACS 软件对新增桩腿及上部组块进行结构强度分析，并应用 ANSYS 软件对局部杆件进行有限元分析，确定方案的可行性。经实践证明，通过新增桩腿可以外挂井槽以增加井槽数量，扩大甲板面积、增加平台产量、提高处理能力，同时还可以实现缩短海上钻井作业的工期、节省钢材用量的目的，有效降低油气田开发开采成本。关键词：新增桩腿；外挂井槽；调整井作业；结构设计；海上安装中图分类号：TE953文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.10D.22渤海采油平台新增桩腿技术研究董振宇1，田德鹏1，黄小明2，赵威2（1.中海石油（中国）有限公司曹妃甸作业公司，天津300459；2.中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，天津300452）图 1SZ36-1 WHPJ 平台新增桩腿项目輩輱