On the Evaluation of the Maintenance Plan of High-speed Railway Housing Construction
Equipment by Analytic Hierarchy Process
范博文 FAN Bo-wen
（中国铁路北京局集团有限公司石家庄站设备检修车间，石家庄 050000）
（China Railway Beijing Branch Group Co.，Ltd. Shijiazhuang Station Equipment Maintenance Workshop，Shijiazhuang 050000，China）
摘要：随着高铁技术的崛起，铁路房建设备日益增加，呈现出规模化，新型化的趋势，在这种趋势下，标志着我国高铁房建设备由最初的建设期转入了当前的维护期。这样就要求房建单位在面对新的设备特性下满足更高的维护标准。但是，现有的高速铁路设备维修方式大部分是建筑行业的技术标准，针对高铁自身性少，有的还是沿用着普速铁路房建设备维修标准，这就造成了现有的高铁设备的维修方式，可能无法对接快速发展的高速铁路维修任务。
Abstract: With the rise of high-speed rail technology, railway housing construction equipment is increasing, showing a trend of large-scale and new-type. Under this trend, it marks that China's high-speed railway housing construction equipment has been transferred from the initial construction period to the current maintenance period. This requires the building unit to meet higher maintenance standards in the face of new equipment characteristics. However, most of the existing high-speed railway equipment maintenance methods are the technical standards of the construction industry, and few for the high-speed rail itself, and some still use the maintenance standards for the housing construction equipment of general speed railway. This has resulted in the existing maintenance way of high-speed rail equipment, which is impossible to dock the fast-developing high-speed rail maintenance tasks.
关键词：层次分析法；高铁房建设备；维修方案
Key words: analytic hierarchy process；high-speed rail housing construction equipment；maintenance plan
中图分类号：TU24 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）25-0127-03
0 引言
当前有关高速铁路房建设备维修解决方案的研究相对较少，在这一领域受重视程度不够，但是随着时间变长，设备渐渐老化，房建设备接连出现一系列问题。而且高铁房建设备种类繁多、专业性高，所以提供一个系统化维修决策方案的研究是确保铁路运输安全不可忽视的重要问题。本文对影响铁路房建设备维修保障能力的指标要素进行选取和分析，构建了基于层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）[1]的高铁房建设备维修方式影响因素评价模型，为提高维修方案的选择提供参考建议。
目前有关高铁维修维护解决方案的研究相对较少，可以借鉴其他领域的相关思想。于见刚[2]等针对融合状态监测诊断技术的设备管理系统进行了研究。刘艳梅[3]对设备状态管理模式进行了探讨。刘亚雄[4]分析了铁路工务设备维修现状并提出了改进建议。傅春林[5]铁路信号设备故障诊断专家系统技术分析，采用在专家系统法对信号设备进行及时维修。以上研究，对推动高铁众多设备维修维护解决方案的意义重大，并且开展了深入的研究分析，但作为高铁房建设备维修系统解决方案决策问题在国内研究中尚属空白。
1 高铁房建设备维修方式
房建设备维修方式是指房建设备在服役周期内，为了修复由于自然因素、人为因素造成的损坏，保证维修设备在使用中的性能达到正常，保持其经常处于合格状态，而采取的一般性修复活动。现有适用于高铁房建系统的维修方式总体上可分为检修、季度整修、大修与更新改造3种类型。
检修是指建筑设备在机房设备检查和用户维修的及时修复。维护的目的是为了维护高铁设备的正常使用功能。维护特点是简洁，分散和广泛，并且时间要求紧迫。
季度整修又可以称为计划综合维修，适用于项目较复杂，并且工程量较大，工程地点相对集中，维修周期性强，维修计划性强，需要综合管理。其目的是，以整治病害、消除隐患，对房建设备一般病害进行修复，对房建设备破损部分，基本原样修好。修理规模介于检修、大修与更新改造之间。
大修与更新改造是指需要牵动或拆换主体构件或设备的修缮工程，一般情况下，房建设备重要部位严重损坏或部分构件损坏，危及主体结构安全时，需要进行大型的翻修，或更换的项目复杂应列入大修。因工作量大，一般维修解决不了的隐患与病害，也应列入大修。通过表1总结了三种维修方式各自的优点与缺点。
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2 AHP维修方式决策方法
2.1 AHP决策模型介绍
层次分析法（AHP）指的是将复杂的多目标决策问题，作为一个系统进行分解，其中将与决策总是有关的因素，分解成目标层，准则层，方案层三个级别，并且通过定性指标模糊量化方法的层次结构，及元素权重的计算，最后总的排序得到决策目标，得出的一种优化决策系统的方法[6]。
2.2 层次分析法分析房建设备维修方案
2.2.1 建立层次结构模型
在这个模型中，目标的因素（判定决策标准）和实现决策的方案被分成的最高决策层、准则层和方案层，并根据它们之间的相互关系，绘出层次结构图。其中决策层是指决策的目的、要解决的问题；方案层是指决策时的方案；准则层是指考虑的因素、决策的准则。如图1所示。
2.2.2 构造判断（成对比较）矩阵
当确定在每一级的各种因素之间的权重，如果它仅仅是一个定性的结果，往往不容易被其他人所接受。因此，Saaty[7]等提出了一种一致矩阵法，即，不是所有的因素比较在一起，但相互之间的比较，并且通过相对比较尺度的把握，以提高准确度，减少不同性质下各个因素的互相干扰。图2列出的9个重要性等级及其赋值。总之，按两元素相互之间比较的结果之间构成的矩阵，称作判断矩阵。判断矩阵具有下列性质：
aij=1/aji
2.2.3 层次单排序及其一致性检验
对应于判断矩阵最大特征根的特征向量，为了方便，适当地选择比例因子，使向量中各元素之和等于1（这个过程为归一化），归一化后因素重要性数值称为权重，重要性的向量称为权重向量，记为Wi。对各Wi的元素之间进行相对重要性的排序权值，这一过程称为层次单排序[8]。
层次单排序由于各个因素之间的不确定性，存在了误差，而一致性检验是能否确认层次单排序的关键步骤，所谓一致性检验是指对矩阵A确定不一致的允许范围。对于具有一致性的成对比较矩阵，最大特征值为n；反之如果一个成对比较矩阵的最大特征值为n，则一定具有一致性[9]。一致性指标用CI计算，CI越小，说明一致性越大。定义一致性指标为：
CI=■
CI=0，有完全的一致性；CI接近于0，有满意的一致性；CI越大，不一致越严重。为衡量CI的大小，引入随机一致性指标RI：
RI=■
其中，随机一致性指标RI是与判断矩阵的有关。通常，矩阵顺序越大，均匀随机偏差的概率越大。对应关系示于表2。
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考虑到一致性的偏离可能是由于随机原因造成的,为了测试判断矩阵是否具有令人满意的一致性，CI和索引RI进行比较，以获得试验系数CR，公式如下：
一般来说，如果CR<0.1，判断矩阵被认为是通过一致性检查，否则将无法通过。
CR=■
2.2.4 层次总排序
层次总排序是从最高层次到最低层次依次进行的，是计算某一层次所有因素决策层（总目标）相对重要性的权值。
3 基于AHP的房建设备维修方案影响因素分析
3.1 建立房建设备维修层次结构模型
房建设备维修指标体系的建立，要结合高铁的特点，需要考虑的一般原则，如科学性，系统性和定性指标，要立足高铁车站对房建维修的需求。通过广泛查阅资料，对高铁车站房建维修的诸多因素进行系统理论分析，并在征求相关领域权威专家意见的基础上，本文从维修价格成本、维修时长与维修合格率等三个方面构建房建设备维修方案指标体。
通过全面衡量各种因素之间影响关系，建立了AHP典型结构的房建设备维修方案影响因素的网络模型，将决策的目标、考虑的因素（决策准则）和决策对象按它们之间的相互关系分为最高层、准则层和方案层，绘出层次结构图。如图3所示。
3.2 构造判断矩阵
设准则层包含三个准则，P1：维修时长，P2：维修价格，P3：维修合格率，相对于决策层：最适用的维修方式进行两两比较打分，选择维修方式。如图4所示。
3.3 层次排序并判断结果一致性检验
层次单排序是指，对每个Wi的元素之间的相对重要性的权重进行比较排序。一致性是指判断性思维的逻辑一致性，如果维修合格率比维护成本更重要，而且维护成本略高于维修时间更重要，显而易见的是，维修合格率必须大于维护时间更重要。这是判断性思维的逻辑一致性，否则会出现判断上的矛盾。采取准则层对于目标层的判断矩阵及但排序和一致性检验为例，如表3所示。
3.4 层次总排序
层次总排序是指，对于上一层（准则层）维修时长、维修合格率、维修费用三种因素而言，本层次（方案层）三种方案的重要性的排序。确定在准则层所有因素对于总目标相对重要性的排序权值过程，即在方案检修、季度修、大修与更新改造中选出最适用的维修方案。比较结果如表4所示。
3.5 结果与分析
通过表3计算分析，在准则层面，层次分析法的构造矩阵显示维修合格率的权重最大，为 0.648 329；其次是维修费用，为0.229 651；最后是维修时长，为0.122 020。高铁房建维修当中，最值得关注的因素是维修合格率，其次是维修费用与时长。
通过表4计算分析，从方案角度来看，季度维修为0.296 507，大修为0.318 953，检修为0.108 076。可见，高铁房建部门在选择房建设备维修方案时，关键还是选择季度维修。在综合考虑维修合格率、维修费用、维修时长的因素下，最合适的选择是季度维修。再者，从排名前几的因素来看，高铁房建部门在关注的是维修合格率，而不是单单考虑费用的大小与维修时间的长短。
4 结论
影响高铁房建设备维修因素众多，如何有效处理这些因素中相互影响，交错与依存关系，使之能够定性、定量的通过科学的计算，从而得到结果，是选择房建设备维修方案所考虑的重要问题。层次分析法中将高铁房建设备对象视作一个系统，按照逐级分解再进行分析比较的方法，最后通过计算判断进行决策。本文运用层次分析法对高铁房建设备维修方式进行定性与定量相结合，该方法将高铁房建设备维修方式选择与影响因素实际需求合理分配权重，最终给出了维修方式的选择顺序，便于决策者直接了解和掌握的优势，且计算简便，结果明确，从而处理了传统的优化方法不能解决的问题。
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