多功能救援屬具應用效能綜合評價*

張雪華 ，李 政，李 靜，杜曉霞

(1.中國地震應急搜救中心，北京 100049；2.煙臺艾迪精密機械股份有限公司，山東 煙臺 264006)

在歷次地震災害救援行動案例中證實，使用起重機、挖掘機、裝載機等大型工程機械設備在災害現場實施道路疏通、障礙清除、廢墟清理、固堤疏浚等成效顯著，有效提高了救援隊伍進入災區、次生災害排除和廢墟救援的效率[1-2]。美國、俄羅斯、日本等國家已經研發了多功能轉向裝載機、大型雙臂工程機械、多功能救援車等專用大型多功能救援機械，在地震等其他災害的救援行動中得到應用[3-5]。我國在該方面的研發是在汶川地震后，相關企業相繼研發了雙臂多功能救援工程機械、多功能拆除機械、步履式挖掘機等救援專用工程機械[6-8]。但是專用大型救援工程機械存在局限性，重要的一點就是該類裝備體型相對較大，在山區道路狹窄的情況下難以保證運輸至救援現場，同時造價昂貴，使用頻率低，加之維保費用高，使其難以廣泛配備，因此研發可與通用工程機械裝備快速對接的多功能救援屬具具有重要應用意義。

多功能救援屬具克服了通用工程機械存在的實際應用問題，在地震發生后，通過與在當地從事生產的大型通用工程機械快速對接，可迅速轉換成能夠滿足地震救援需求的專用大型工程機械，符合我國地震應急救援實際需求。

我國在多功能救援屬具的研究已取得一定進展，如孫驍[9]研究了一種起縫支護救援工程屬具，在SolidWorks軟件中完成了結構設計和虛擬裝配，并進行了靜力學分析和運動學分析；趙京等設計了鉗剪抓一體多功能救援屬具和開孔取芯破拆救援屬具等，并完成了部件設計優化、液壓控制優化等研究[10-12]。但都尚未開展救援屬具的應用效能綜合評價研究。

多功能救援屬具應用效能綜合評價是指通過建立一套科學合理的指標體系對多功能救援屬具在救援行動中的應用質量和效果進行全面評估的活動，以此來檢驗多功能救援屬具在救援過程中發揮的實際作用，有利于發現多功能救援屬具在設計、制造過程中的問題，切實提升救援能力和效率。由于多功能救援屬具實際生產及應用較少，當前鮮有對此類裝備開展應用效能綜合評價的研究。姜濤等[13]從生產性能、基本功能、運輸性能、安全性能、操作性能等方面，利用層次分析法(AHP)-模糊綜合評價方法對破拆開孔、剪切破碎擴張、抓取起吊救援屬具開展了綜合性能評估，并闡述了指標體系存在的問題。筆者參加的“十三五”國家重點研發計劃項目其中一項成果是產出五種大型多功能救援屬具，本文選取其中兩種(圖1)，通過構建科學合理的評價指標體系，利用主客觀結合的改進AHP-熵-模糊綜合評價方法對其在城市地震復雜災害救援場景下的應用效能綜合評價進行研究，以期能夠真實評價出該裝備在實際救援行動中的應用效能，為裝備改進、產品選擇提供參考。

圖1 多功能救援屬具

1 評價指標體系及測試方法

本文參考現有工程機械及多功能救援屬具評價研究，以提升救援行動能力和效率、保證廢墟結構穩定狀態為目標，考慮運輸維護和人機協同等方面，以及當前建筑物廢墟救援主要應用場景，建立符合裝備特點，且滿足完整性、系統性、一致性、可比性、可操作性及實用性原則的應用效能綜合評價指標體系[13-17]。

1.1 多功能救援屬具的評價指標體系

本文分別建立了以上兩種多功能救援屬具的應用效能綜合評價指標體系，指標體系包括目標層A、準則層B、指標層C。目標層為兩種多功能救援屬具，其下準則層有作業能力、作業效率、協作能力和維護能力等四個因素，準則層下又分別有多個具體評價指標。另兩種屬具使用操作和液壓原理基本相同，故協作能力和維護能力兩項準則及具體評價指標相同。

目標層A即待評價的兩種救援屬具：抓取剪切救援屬具和破拆開孔救援屬具，記為U。

準則層B下的作業能力是表現該屬具裝備設計和在救援過程中的功能實現能力，如抓取、剪切、破拆、開孔及其復合功能；作業效率體現的是實現相應功能時所用的時間；協作能力是屬具各功能間、屬具與挖掘機之間以及人與屬具間的配合協調能力；維護能力是表現屬具穩定、故障清除和日常維護保養的能力。記為U1至U4。

指標層C是準則層B各個準則下的具體評價指標，記為Uij(i=1,2,3,4;j=1,2,…,n;n為各準則下指標個數)。

抓取剪切救援屬具集剪切與抓取功能于一體，其可利用抓爪將物體抓住，再利用剪口將鋼筋、方鋼、工字鋼、鋼筋混凝土等較大建(構)筑物構件切斷，進而分離移除，可防止剪落構件造成廢墟的二次坍塌，從而在保證安全的前提下輔助救援行動，提升救援效率，指標體系見圖2。

圖2 抓取剪切救援屬具指標體系

破拆開孔救援屬具具有破拆和開孔功能，在救援行動中主要是實現鋼筋混凝土板的快速開孔，輔助打通救援通道，指標體系見圖3。

圖3 破拆開孔救援屬具指標體系

1.2 評價指標測試方法

由于當前對于救援屬具應用效能綜合評價的相關研究較少，對于其相關指標測試標準的研究幾乎處于空白階段。本文重點結合相似功能的手持救援裝備測試標準、救援隊救援指南[17]、救援專家意見建議，同時借鑒屬具標準和液壓破拆工具標準[18-20]，對具體評價指標測試方法進行研究。

指標體系中有定性和定量兩類指標，同時定量指標中匹配挖機市場占有率、易損部件更換頻率、日常維護頻率為制造廠家給出，定性及廠家給出指標在此不做研究，測試中所有操作員均為廠家及研發單位指定的技術人員。

兩種救援屬具共同指標測試方法：

(1)功能轉換成功率是指多功能救援屬具上集成的多種功能之間相互轉換成功比例，衡量了屬具功能間的動力轉換順暢性和功能配合性，是區別于單一屬具的重要指標。在完成屬具安裝及調試后，操控屬具多種功能間相互轉換各10次，記錄轉換失敗的次數。

(2)裝備展開時間是衡量裝備到達救援現場后開展工作的時間。將救援屬具及匹配挖機停放于空曠場地，記錄從挖機啟動到屬具抬起，并完成一次所有功能動作測試為止所用時間，測試3次，取最短計時。

(3)裝備撤收時間是衡量裝備完成某一區域救援工作后撤離現場所用時間。保持挖機啟動和屬具與挖機的安裝狀態，并停放于開闊場地，記錄從機臂下落到與屬具完全分離所用時間，測試3次，取最短計時。

(4)不同屬具更換時間是衡量在救援過程中為滿足救援需求，兩種不同屬具間更換所用的時間。該指標同展開和撤離指標有關聯，但重點在于測試救援過程中屬具更換的流暢性。將安裝屬具的挖機和另一種屬具停放于空曠場地并保持挖機啟動狀態，記錄從挖機機臂下落至安裝上另一種屬具并完成一次所有功能動作測試為止所用時間，測試3次，取最短計時。

(5)最大通信傳輸距離。操控終端同機載接收器之間的距離。以說明書提供最大距離為起始值(若無說明則以3 m為起始值)，設置無線控制距離，每個距離測量3次，若全部成功則距離增加0.5 m，若有一次失敗則減少0.5 m，記錄最大距離值。

(6)通信指令傳輸正確率。用于衡量屬具同手持控制終端之間的數據傳輸情況。在手持控制終端和數據接收器最大通信傳輸距離的80%處操控屬具，測試10次，記錄指令與功能相符次數。

(7)故障出現次數。記錄在所有測試過程中故障出現次數。

(8)故障清除時間。若出現故障則計算從故障查找到故障清除后完成一次全部功能測試為止的時間，若無故障出現則計時為0。

抓取剪切救援屬具特有評價指標測試方法：

(1)剪切建筑材料類型。可衡量屬具的應用建筑材料類型。對符合剪切尺寸的鋼筋混凝土、型鋼等建筑物構件進行剪切，測試3次，其中一次成功則認為可以剪切該類材料。

(2)最大剪切尺寸。如說明書提供最大剪切尺寸(開口尺寸)，則以說明書提供值為初始值(如沒有提供則以測量最大開口值為初始值)，讓屬具在規定時間內進行剪切，測試3次，至少有一次成功則增加初始值10%(若一次都沒有則減少10%)，依次測試，直至不能增加或減少為止，記錄最大尺寸值。

(3)最大抓取尺寸。同最大剪切尺寸測試。

(4)鋼混構件剪切時間。使用符合最大剪切尺寸的建筑物標準鋼筋混凝土梁柱構件，保持屬具閉口狀態并接近構件，記錄從屬具張口至完全分離構件為止的時間，測試3次，取最短時間。

(5)型鋼構件剪切時間。同鋼混構件剪切時間測試方法。

(6)抓取剪切復合時間。使用符合剪切和抓取兩種功能的最大尺寸構件，保持屬具處于閉口狀態并接近構件，先抓取后剪切，記錄從屬具張口抓取至完全剪切分離構件為止的時間，測試3次，取最短時間。

破拆開孔救援屬具特有評價指標測試方法：

(1)最大開孔厚度。如說明書提供最大開孔厚度尺寸，則以說明書提供值為初始值(如沒有提供則以測量釬桿長度值為初始值)，讓屬具在規定時間內進行開孔，測試3次，至少有一次成功則增加初始值10%(若一次都沒有則減少10%)，依次測試，直至不能增加或減少為止，記錄最大開孔厚度值。

(2)最小沖擊能。為保證倒塌建筑物的穩定性，避免二次坍塌，以最小沖擊能衡量其對結構穩定性的影響，測試方法參考國家標準[20]。

(3)銑挖部件更換時間。衡量銑挖部件更換時間對工作效率的影響。采用適用救援現場的工具，計算從部件拆卸至更換完畢第一次功能測試成功為止的時間，測試3次，記錄最短時間。

(4)釬桿更換時間。同銑挖部件更換時間測試方法。

(5)破拆開孔復合時間。使用符合破拆開孔功能的最大厚度構件，保持屬具處于閉口狀態并接近構件，記錄從開始工作至開孔尺寸達到直徑60 cm的圓孔為止的時間，測試3次，取最短時間。

2 評價方法研究

AHP法是一種定性分析和定量分析相結合的評價方法，通過構建層次結構、構造各層次判斷矩陣、層次單排序和一致性檢驗、層次總排序和一致性檢驗等步驟完成指標權值的確定。但AHP法存在指標權重受人為主觀因素影響大造成信息損失過多和若一致性檢驗不通過則計算繁瑣的問題[21-22]。因此本文利用改進AHP法求解各層指標權重，同時采用熵權法對利用AHP法求得的各層指標權重進行客觀修正，以便減少主觀因素的影響，再者利用模糊綜合評價方法對兩種屬具的應用效能進行綜合評價。

2.1 改進AHP法[22-24]

(1)建立層次結構。針對評價目標和其影響因素構建階梯型層次結構指標體系。

(2)構造判斷矩陣。采用專家調查法和三標度法對各層次因素兩兩之間的相對重要性進行打分，得到各層次重要性矩陣R=[bij]n×n，其中相對重要程度bij的值計算如下：

(1)

判斷矩陣P=[aij]n×n計算如下：

(2)

式中：t為矩陣R的行之和。

(3)

(4)

(5)

(4)一致性檢驗。通常認為當一致性比率CR<0.1時判斷矩陣通過一致性檢驗。

CR=CI/RI。

(6)

式中：CI=(λmax-n)/(n-1)，RI為平均隨機一致性指標，與矩陣階數有關(表1)。

表1 矩陣階數n與RI值對應關系

2.2 熵權法

使用熵權法對AHP法得到的權重向量進行修正，可減少其主觀性。熵權法用來判斷某個指標的離散程度，其有兩個指標即熵值和差異系數，熵值越大、差異系數越小表示該指標的重要程度越低，在本評價方法中其使用的數據是歸一化后的判斷矩陣。對歸一化后的判斷矩陣計算其熵值向量E(e1,e2,…,en)，第i個評價指標的熵值為：

(7)

第i個評價指標的偏差指數為：

(8)

(9)

2.3 模糊綜合評價方法

模糊綜合評判方法是基于模糊數學理論發展起來的，是用數學方法對多因素所影響的事物或現象做出總的評價[25]。其原理步驟主要有：

(1)建立模糊對象因素集U=(u1,u2,…,un)和評判集V=(v1,v2,…,vm)，其中n為指標個數，m為評判等級個數，一般可分為(優，良，中、差，劣)或(好，中，差)。

(2)建立單級隸屬度矩陣R′。假設對第i個評價因素Ui進行單因素評價，則得到一個相對于vi的模糊向量：

(10)

式中：i=1,2,…,n;j=1,2,…,m;0

若對n個因素進行綜合評價，則其是一個n行m列的矩陣，即隸屬度矩陣R′。

對于定性指標可采用百分比法，即對該指標的每個評價等級次數與專家數的比例；定量指標雖然可以定量表示，但是由于專家認知和側重點不同往往又具有模糊性，因此對其進行模糊化處理，本文采用廣泛應用的半梯形分布函數作為隸屬度函數，具體如下：

設評判集中vj和vj+1為相鄰兩級標準，且vj+1>vj，則vj級隸屬度函數為：

(11)

(12)

(13)

根據上式，計算評價指標i隸屬于評判等級j的隸屬度rij，則可生成n×m的隸屬度矩陣R′。

(3)建立多級模糊評價，即從底層指標層依次開始評價至目標層，從而得到目標層的模糊隸屬度。指標權重向量同隸屬度矩陣相乘即可得相對于上一層的模糊隸屬度，依次上推，直至目標層。

(14)

3 多功能救援屬具綜合效能評價

依據指標體系和測試方法，通過專家調查法對多位救援專家和救援教官進行AHP法判斷矩陣與定性指標評判等級的確定，并結合多次實際救援場景測試的定量指標實測值。

3.1 抓取剪切救援屬具綜合效能評價

3.1.1 指標權重計算

(1)準則層B對目標層A的判斷矩陣PU。經專家打分得到重要性矩陣RU及公式(2)得到：

(15)

(16)

對PU進行歸一化后，利用公式(5)可以得出準則層B中因素相對于目標層A的權重向量:

WU=[0.558,0.121 9,0.263 3,0.056 9]。

(17)

(2)一致性檢驗。利用公式(4)和公式(6)求得最大特征值和CR為：

λmax=4.118 5;

(18)

CR=0.043 876。

(19)

CR<0.1通過一致性檢驗。

(3)熵權法修正指標權重。根據2.2節內容可得：

(20)

同理，可計算得到指標層C對各準則層B的權重：

(21)

(22)

(23)

(24)

3.1.2 模糊綜合評價

分層級對抓取剪切救援屬具應用綜合效能評價指標體系進行模糊綜合評判，即分別對每一級指標所分解的二級指標進行模糊綜合評判，然后在與上一級指標權重進行模糊綜合，依次上推，直至目標層。

(1)建立因素集與評判級。依據指標體系可知因素集為：

U1={U11,U12,U13,U14,U15}；

(25)

U2={U21,U22,U23,U24,U25}；

(26)

U3={U31,U32,U33,U34,U35}；

(27)

U4={U41,U42,U43,U44}。

(28)

評判級采用三級評判，即：

V={V1,V2,V3}={好，中，差}。

(29)

定性指標的模糊隸屬度依據專家打分確定，即如有10位專家參與，其中3位專家判定為好，則好的隸屬度為0.3。

評判集對應的定量數值集如表2所示[數值單位：尺寸(cm)，時間(min)，頻率(h或d)，距離(m)，占有率(%)]。

表2 分值表

(2)構造隸屬度矩陣。定性指標隸屬度如下：

rU14={0.4,0.6,0}；

(30)

rU31={0.5,0.5,0}；

(31)

rU33={0.3,0.6,0.1}。

(32)

定量指標隸屬度依據式(11)-式(13)可得：

rU11={1,0,0}；rU12={0.9,0.1,0}；

(33)

rU13={0.9,0.1,0}；rU15={1,0,}；

(34)

rU21={0.5,0.5,0}；rU22={0.5,0.5,0}；

(35)

rU23={0.4,0.6,0}；rU24={0,0.8,0.2}；

(36)

rU25={0,0.7,0.3}；rU26={0.2,0.8,0}；

(37)

rU32={1,0,0}；rU34={1,0,0}；

(38)

rU35={0,0.9,0.1}；rU41={1,0,0}；

(39)

rU42={1,0,0}；rU43={0.3,0.6,0.1}；

(40)

rU44={0,1,0}。

(41)

(3)模糊綜合評價

一級模糊評價計算即可得準則層B所含4個準則的模糊隸屬度：

R1=[0.8294,0.1706,0]；

(42)

R2=[0.175 4,0.701 1,0.122 5]；

(43)

R3=[0.586 3,0.381 2,0.031 5]；

(44)

R4=[0.816 9,0.164 8,0.018 3]；

(45)

(46)

二級模糊評價同樣可得最終目標層A的評價隸屬度矩陣：

R=[0.62,0.34,0.04]。

(47)

該模糊隸屬度矩陣表明抓取剪切救援屬具在實際現場應用過程中有0.62的概率屬于好，有0.34的概率屬于中，有0.04的概率屬于差。

3.2 破拆開孔救援屬具綜合效能評價

破拆開孔救援屬具的綜合效能評價計算過程同抓取剪切救援屬具的綜合效能評價計算過程，在此只給出結果。

3.2.1 指標權重計算

從指標體系中可以看出破拆開孔救援屬具與抓取剪切救援屬具指標體系中準則層B中工作能力和工作效率存在差異，協作能力和維護能力相同，故計算工作能力和工作效率指標權重。

(48)

(49)

3.2.2 模糊綜合評價

工作能力和工作效率定量指標分值集同評判級的對應如表3所示：

表3 分值表(部分)

定量指標隸屬度為：

rU11={1,0,0};rU12={1,0,0};

(50)

rU24={0.1,0.7,0.2};rU25={0.3,0.7,0}

(51)

rU26={0.1,0.8,0.1}。

(52)

兩項準則中定性指標為沖擊能調節能力，其隸屬度為：

rU13={0.3,0.6,0.1};

(53)

R1=[0.822 0,0.157 6,0.020 4];

(54)

R2=[0.314 6,0.640 1,0.045 3]。

(55)

二級模糊評價同樣可得最終目標層A的評價隸屬度矩陣：

R=[0.66,0.31,0.03]。

(56)

該模糊隸屬度矩陣表明破拆開孔救援屬具在實際現場應用過程中有0.66的概率屬于好，有0.31的概率屬于中，有0.03的概率屬于差。

4 總結

本文針對最新研發的兩種多功能救援屬具：抓取剪切救援屬具、破拆開孔救援屬具，開展了建筑物廢墟救援現場應用的綜合效能評價研究。從救援現場應用實效出發，針對屬具功能特點和應用場景，構建了具有針對性的綜合效能評價指標體系，包含工作能力、工作效率、協作能力和維護能力四大方面，每個方面具有4～6個具體評價指標，并對定量指標的測試方法標準進行了研究；使用改進的AHP-熵權-模糊綜合評價方法對其進行了應用效能評價，得到以下結論：

(1)抓取剪切救援屬具、破拆開孔救援屬具兩種多功能救援屬具應用綜合效能評價結果表明其在一定的救援場景中分別有0.62和0.66的概率表現為好，分別有0.34和0.31的概率表現為中，0.04和0.03的概率表現為差。

(2)從準則層隸屬度矩陣中可以看出，其在工作能力和維護能力方面表現為好的概率均大于0.81，表明其工作能力較強，維護簡單；在工作效率方面表現為中的概率較大，其原因主要是由于在協作能力方面尚有提升空間。

5 展望

在救援能力和救援效率需求日益增加的背景下，大型機械輔助開展救援行動的作用更加凸顯。本文針對兩種新研發的大型多功能救援屬具，在結合實際救援場景需求和其功能特點的基礎上，首次構建了其綜合效能測試評價指標體系，并開展了其實際應用效能綜合評價，結果表明兩種救援屬具在一定的救援場景下具有較好的表現，可以大大提升救援能力和救援效率，并且具有易維護的特點，未來具有較好的應用前景。

本文所采用的改進AHP-熵權-模糊綜合評價方法得到的結果與實際經驗判斷結果相吻合，表明該方法在裝備綜合效能評價方面具有一定的適用性，可為其他裝備效能評價提供方法參考。另由于此為新研發的與大型機械相結合的救援屬具，其適用場景和應用評價指標構建，以及指標測試標準都還有待進一步研究；同時在本指標體系中還存在較多的定性指標，加之指標隸屬度矩陣的等級確立使評價結果具有了較大的主觀性，還需探尋更加科學、客觀的評價方法。