魏海洋

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

基于層次分析法的綜合交通樞紐供電方案研究

魏海洋

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

目前供電方案研究方法大多為定性分析法，具有一定的模糊性。應用層次分析法從工程投資、實施難度及滿足工期籌劃方面研究綜合交通樞紐供電方案，對方案選擇過程進行定量分析，解決定性評價的模糊性，給出清晰明確的答案，為樞紐供電方案的選擇提供一條新思路。

綜合交通樞紐；層次分析法；供電方案

國家鐵路網(wǎng)中有一種重要的節(jié)點——綜合交通樞紐，其在城市所有公共交通網(wǎng)中的地位也是舉足輕重。鑒于樞紐工程通常工程規(guī)模大、布局復雜、產(chǎn)權(quán)和管理單位交織等種種的特殊性，對其供電方案加以科學的專門研究顯得尤為重要[1]。目前采用的方案研究方法大多為定性分析法，此方法存在指標量綱不統(tǒng)一、沒有歸一化等問題，方案的最終決策存在一定的模糊性。

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是1971年由美國匹茲堡大學教授T.L.Satty提出的一種實用的多因素決策方法[1]。該方法將各個問題層次化、分塊化，能定量地處理各種決策因素，具有系統(tǒng)靈活和清晰的優(yōu)點。應用AHP從工程投資、實施難度及滿足工期籌劃等方面研究了綜合交通樞紐供電方案，應用此方法，能對供電方案選擇的思維過程進行定量分析，解決了定性評價進行方案選擇的模糊性，給出了清晰明確的答案，為樞紐供電方案的選擇提供了一條新思路。

1 層次分析法的評價過程

AHP的核心思想可以歸納為“先分解后綜合”?；贏HP的綜合評判決策包括以下步驟[2-7]：①選取參數(shù)指標及建立層次結(jié)構(gòu)；②建立方案因素決策表；③形成判斷矩陣；④求解判斷矩陣權(quán)重；⑤綜合權(quán)重計算和排序。

1.1 選取參數(shù)指標及建立層次結(jié)構(gòu)

層次結(jié)構(gòu)的建立過程是首先確定決策目標，其次羅列出與該目標相關(guān)的各種因素，然后分析這些因素間的邏輯關(guān)系，最后繪制決策的層次結(jié)構(gòu)圖，層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 層次結(jié)構(gòu)

1.2 建立方案因素決策表

在圖1的層次結(jié)構(gòu)中，各方案與最底層因素間的連線可構(gòu)成一個二維表，稱為方案因素決策表(簡稱決策表)。該表中數(shù)據(jù)稱為因素數(shù)據(jù)，記錄了待選方案關(guān)于各決策因素的信息。決策表是綜合評判決策中的基礎數(shù)據(jù)，因素數(shù)據(jù)可以分為定量數(shù)據(jù)和定性數(shù)據(jù)兩類。

1.3 形成判斷矩陣

建立決策表后，需要根據(jù)決策表中數(shù)據(jù)求得各方案關(guān)于最底層因素的方案權(quán)重，采用層次分析法中的相對評價方法對方案進行兩兩比較。絕對評價可采用專家直接打分的方法。若有n個比較量，則讓每一個量與其他量分別進行共n-1次兩兩比較，第i個量與第j個量的比較結(jié)果記為aij，再加上與自身的比較結(jié)果aii，可形成一個n×n的方陣，稱為判斷矩陣。

1.4 求解判斷矩陣權(quán)重

用每列元素的和分別去除該列各元素(即對每列進行規(guī)一化)，然后對所得各行元素分別求和并除以該行元素個數(shù)，得到一個權(quán)重向量，即行向量平均值標準化法

(1)

由比較判斷出發(fā)通過計算，決策者可以建立遞階層次結(jié)構(gòu)中某一層元素對相鄰上一層某一元素的排序。

1.5 綜合權(quán)重計算和排序

得到關(guān)于層次結(jié)構(gòu)中最底層因素的方案權(quán)重和各層的因素權(quán)重后，采用以下公式計算方案對上一層因素的權(quán)重

(2)

按照公式(2)從最底層開始逐層向上計算，最終可求得各方案關(guān)于總目標G的綜合權(quán)重。綜合權(quán)重的分量大小就表示了與之相對應的方案間的優(yōu)勢強弱，從而通過綜合權(quán)重分量的排序得到方案的排序。

2 天津站交通樞紐工程供電方案的選擇

從天津站交通樞紐工程市政部分被鐵路站房分割為前廣場和后廣場兩部分。前廣場包括主廣場和海河東路隧道工程、副廣場、地面景觀工程、公交工程、三經(jīng)路西地塊、五經(jīng)路地道及廣場西側(cè)的控制中心工程。根據(jù)政府要求，為了保證廣場景觀效果，地面不能出現(xiàn)任何建筑物。后廣場包括軌道換乘中心工程、停車中心及酒店廣場、綜合配套樓廣場、長途公交工程等。由于拆遷難度太大，可供開發(fā)的土地非常緊張。另外前后廣場之間有位于鐵路站房下的地下人行聯(lián)絡信道工程。定位為城市地下人行隧道，根據(jù)現(xiàn)行消防規(guī)范，嚴禁在隧道內(nèi)敷設高壓電纜。從市政部分工期籌劃方案看，前廣場要配合鐵路站房在2008年中期奧運會前投入使用，后廣場則配合地鐵2、3、9號線在2012年投入使用。

以上現(xiàn)場條件及工期方案都是影響供電方案的重要因素。經(jīng)過分析確定以下兩個方案進行比較研究[8-12]。

方案一：1座35/10 kV主變電站方案

在后廣場城際站房西側(cè)地面設一座35/10 kV主變電站，采用三路電源受電。安裝容量為3×12.5 MVA。其出線采用電纜井進入地下一層，為前后廣場負荷供電，前廣場的饋出線經(jīng)過聯(lián)絡通道引入前廣場。

其運行方式為三路電源同時運行，互為備用，當一路電源失電時，由另兩路電源負責后廣場全部負荷供電，當兩路電源失電時，由另一路電源負責后廣場全部一、二級負荷供電。如圖2所示。

圖2 1座35/10 kV主所方案供電示意

該方案10 kV側(cè)電壓等級較低，電纜截面較大。另外由于前后廣場工期不一致，主所設在后廣場，不滿足前廣場的供電要求，故前廣場需要申請臨時電源進行過渡；另外主所向前廣場供電的線路需要通過前后廣場聯(lián)絡通道，根據(jù)消防局的要求，電纜信道須與人行信道獨立設置，并設置滅火設備系統(tǒng)，目前仍沒有理想的方案，且投資很大。

方案二：2座35 kV開關(guān)站方案

前廣場在主廣場地下設1座35 kV開關(guān)站，為前廣場各子項供電，外部電源進線及景觀、五經(jīng)路地道工程出線采用電纜井、頂板開孔、地面電纜溝或排管方案；副廣場采用電纜橋架經(jīng)地下空間送電。其運行方式為兩路電源同時運行，互為備用。當一路電源失電時，由另一路電源負責前廣場全部負荷供電。如圖3所示。

圖3 前廣場供電示意

后廣場在軌道換乘中心地下一層設1座35 kV開關(guān)站，為后廣場各子項供電。其電源進線經(jīng)公交中心，經(jīng)電纜豎井引入。其運行方式為三路電源同時運行，互為備用，當一路電源失電時，由另兩路電源負責后廣場全部負荷供電，當兩路電源失電時，由另一路電源負責后廣場全部一、二級負荷供電。如圖4所示。

圖4 后廣場供電示意

該方案由于不設主變壓器，對房屋凈空、荷載要求不高，可以方便地在各子項內(nèi)選址，位置容易深入負荷中心，進出線比較方便，且不需要額外增加土建投資。

另外，該方案可以適應工期籌劃方案，分期實施，而且避免了前后廣場之間敷設高壓電纜的困難。

在決定主所方案的設置決策上，認為供電可靠性均能滿足要求，有3個主要影響因素分別為工程投資(包括主所主體工程投資、臨時工程費用及運營期基本電費等)、實施難度(包括前后廣場溝通條件、主所占地及電纜截面)及滿足工期籌劃方案。以下利用AHP 理論對以上兩個方案進行分析。首先，依條件可畫出該決策的層級結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示。

圖5 天津站供電方案層級結(jié)構(gòu)

因此下一步就可利用成對比較矩陣來運算出在各個不同的因素考慮下每個選擇方案的權(quán)重值。

(1)影響因素的成對比較矩陣

首先可以先算出影響因素的權(quán)重，根據(jù)每個因素的重要性，得出滿足樞紐整體工期籌劃方案比實施難度更重要，其重要性程度賦予3；滿足樞紐整體工期籌劃方案比工程投資更重要，其重要性程度賦予9；另外實施難度比工程投資也更重要，賦予6。故可得比較矩陣，見表1。

表1 影響因素的成對比較矩陣

(2)影響因素的權(quán)重

接著將以行向量平均值標準化法求解權(quán)重，應用式(1)以求得標準化之值，見表2。

表2 影響因素標準化成對比較矩陣

依照行向量平均值標準化法公式可知，將列加總求平均就可得各因素權(quán)重值，見表3。

表3 層影響因素權(quán)重值向量

當計算出權(quán)重之后，對其一致性進行驗算，C.I.稱為一致性指標，R.I.稱為平均隨機一致性指標。隨機一致性比率C.R.=C.I./R.I.=0.0466≤1，一致性是可以接受的。

(3)計算選擇方案的權(quán)重

計算完影響因素之權(quán)重后，對于選擇方案上也是相同的計算方式來進行權(quán)重的計算；從層級結(jié)構(gòu)圖中可以知道在每一個因素下皆有2個需考慮的方案，因此就需站在每一個因素的觀點下，去比較其選擇方案的重要性。在相同的程序下完成成對比較矩陣，見表4。

表4 “滿足工期籌劃”下兩個方案的成對比較矩陣

從以上矩陣可知，在滿足工期籌劃的要求下，影響因素權(quán)重值向量方案一為0.1，方案二為0.9。

從表5可知，在實施難度的要求下，影響因素權(quán)重值向量方案一為0.111 1，方案二為0.888 9。

表5 “實施難度”下兩個方案的成對比較矩陣

從表6可知，在工程投資的要求下，影響因素權(quán)重值向量方案一為0.25，方案二為0.75。

表6 “工程投資”下兩個方案的標準化成對比較矩陣

將影響因素之權(quán)重值，分別乘以3個分析評估值就可以得到最終的權(quán)重值(表7)。

按照式(2)，每個的評估值也就是每一列的值分別乘以所對應之影響因素之權(quán)重值并求和，就可得到加權(quán)評價值。方案一綜合加權(quán)得分為0.112，方案二得分0.888。

表7 各方案的權(quán)重評估值

從以上分析可以得出如下結(jié)論：方案二比方案一優(yōu)勢明顯。方案二的確具有不額外占地、建設投資較低、進出線方便、供電質(zhì)量高、無過渡工程等優(yōu)點，而且滿足前后廣場工期不一致的要求，避免了電纜過聯(lián)絡通道的困難，所以本工程最佳設計應采用方案二，即在前、后廣場，各設1座35 kV開關(guān)站方案。該方案也得到了天津站樞紐工程供電系統(tǒng)評審專家的一致認可。

3 結(jié)語

層次分析法的應用解決了定性評價進行方案選擇的模糊性，給出了清晰明確的答案，為綜合交通樞紐供電方案的選擇評價提供了一條新思路，此方法陸續(xù)用在了天津西站、于家堡等大型樞紐工程的主變電所設置方案選擇中。實踐證明，此方法是一個結(jié)果清晰明了、輔助決策高效的行之有效的好方法。

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Research on Comprehensive Transportation Hub Power Supply Scheme Based on AHP

WEI Hai-yang

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300142， China)

The research of power supply scheme employs most often qualitative analysis， which is characterized by certain ambiguity. This paper analyzes the supply scheme with AHP method in terms of investment， difficulties of implement and schedule planning so as to fulfill quantitative analysis of scheme selection， identification of the ambiguities in qualitative evaluation， to get clear and precise answers and provide a new mindset for power supply scheme selection.

Comprehensive transportation hub; Analytic Hierarchy Process(AHP); Power supply scheme

2015-01-05

鐵道第三勘察設計院集團有限公司科研課題(合同編號：721045)。

魏海洋(1979—)，男，高級工程師，2005年畢業(yè)于天津大學電力系統(tǒng)專業(yè)，工學碩士，E-mail：echohaiyang@126.com。

1004-2954(2015)03-0126-04

U223.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.03.030