楊　義

(甘肅省靖遠縣水務(wù)局， 甘肅 靖遠　730600)

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水電站決策模型組合賦權(quán)TOPSIS法應(yīng)用研究

楊義

(甘肅省靖遠縣水務(wù)局， 甘肅 靖遠730600)

【摘要】本文針對水電站梯級規(guī)劃方案的選擇問題，采用組合賦權(quán)TOPSIS方法，構(gòu)建水電站決策模型，建立水電站決策評估體系。應(yīng)用實例表明：水電站決策模型對于優(yōu)選水電站梯級規(guī)劃方案具有較強的適用性。本研究可為水電站梯級規(guī)劃方案的優(yōu)選評估提供決策依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】水電站決策模型；組合賦權(quán)TOPSIS；水電站梯級規(guī)劃

水電站梯級合理開發(fā)有益于提升水資源使用效率，緩解水資源各項利用之間的矛盾。同時，針對水電站梯級開發(fā)方案進行優(yōu)選評估，可有效提高工程效益、節(jié)約水資源成本及減輕工程建設(shè)對環(huán)境的不利影響。水電站規(guī)劃建設(shè)階段為了客觀評估工程建設(shè)成本與效益、生態(tài)影響以及電能規(guī)劃合理性，決策部門通常采用逼近理想解法(TOPSIS法)的多指標(biāo)決策方法，理性選擇合理開發(fā)方案。上述方法主要優(yōu)勢是可準(zhǔn)確反映水電站原始數(shù)據(jù)信息，但其評估集合僅考慮工程信息屬性，未涵蓋專家組對規(guī)劃核心信息的關(guān)注，且評估結(jié)果與實際易產(chǎn)生偏差。鑒于此，本文采取基于傳統(tǒng)組合賦權(quán)法與非線性主客觀相結(jié)合的組合賦權(quán)TOPSIS法，構(gòu)建水電站決策模型與指標(biāo)評估體系，以期為水電站梯級開發(fā)方案的優(yōu)選提供有益借鑒。

1組合賦權(quán)TOPSIS法

TOPSIS法通過假設(shè)所有工程信息擁有單調(diào)性效用屬性，依據(jù)單個信息屬性在全部方案中的最優(yōu)解和最差解，確定方案理想與負(fù)理想解，決策階段設(shè)全部方案為可能解，選擇空間上與理想解具有最小歐氏距離和負(fù)理想解具有最大歐氏距離的方案作為最優(yōu)方案。其選擇的方案介于理想與負(fù)理想方案之間，其與前者的差距較小，與后者的差距較大。但僅采用TOPSIS法作為決策指標(biāo)方法具有局限性，為了更好地構(gòu)建水電站決策模型，通常由決策者提供工程重要信息屬性基數(shù)，且這部分信息往往使用屬性權(quán)重集方式表達，二者分別采用非線性主客觀組合賦權(quán)法與傳統(tǒng)的組合賦權(quán)法獲取指標(biāo)權(quán)重。兩種方法既有相同也有差別，二者都將主客觀的影響因素作為考慮范疇，但前種方法主要是主觀賦權(quán)過程中將客觀信息反映到其中，后種方法則將主觀賦權(quán)重新組合。

1.1非線性主客觀組合賦權(quán)法

經(jīng)過指標(biāo)選擇，依據(jù)所選擇的指標(biāo)建立決策評估指標(biāo)體系。首先，構(gòu)建l行n列的初始矩陣Al×n=(yij)l×n，l代表待選擇方案，n代表決策評估指標(biāo)，其中矩陣中的評估指標(biāo)經(jīng)廣泛征求專家組意見后，有序排列。通過下式對決策模型評估指標(biāo)yij進行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

(1)

決策矩陣中，第j個評估指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差值σj為

(2)

其中

計算評估指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差σj估算毗鄰之間重要程度比值Q：

(3)

依據(jù)重要程度比值Qn確定原則層第j個指標(biāo)對應(yīng)的原則層權(quán)重Wj：

(4)

同理知總目標(biāo)中第m個原則層對應(yīng)的權(quán)重為W″，第j個指標(biāo)對應(yīng)的評估指標(biāo)權(quán)重αj：

(5)

1.2傳統(tǒng)組合賦權(quán)法

a.依據(jù)非線性主客觀組合賦權(quán)法確定評估指標(biāo)權(quán)重γj1，綜合考慮專家組評估意見確定評估指標(biāo)排列關(guān)系，同時制定出毗鄰指標(biāo)之間的賦值重要程度比值Qj，見表1。

表1　參考賦值

總目標(biāo)指標(biāo)層的評估指標(biāo)權(quán)重γj1由式(4)和式(5)計算求得。

b.評估指標(biāo)權(quán)重γj2可由非線性主客觀組合賦權(quán)的離差法計算確定。依據(jù)非線性主客觀組合賦權(quán)法計算得到的標(biāo)準(zhǔn)差值σj，確定目的層的標(biāo)準(zhǔn)差值權(quán)重γj2。假設(shè)組合系數(shù)μ=0.52，則：

(6)

(7)

其中，由此得到組合權(quán)重δj：

(8)

1.3計算過程與步驟

根據(jù)評估指標(biāo)體系構(gòu)建l行n列的初始矩陣Al×n=(yij)l×n，為了消除效益類評估指標(biāo)的量綱，達到統(tǒng)一評估指標(biāo)的目的，標(biāo)準(zhǔn)化初始矩陣中變量，建立標(biāo)準(zhǔn)化矩陣：

(9)

標(biāo)準(zhǔn)化矩陣為:

(10)

根據(jù)式(9)和式(10)建立的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣，進一步構(gòu)建加權(quán)矩陣C=(cij)l×n，cij=bijθj，其中非線性主客觀組合賦權(quán)法和傳統(tǒng)組合賦權(quán)法的θj值分別等于αj和δj。

基于以上計算，確定理想方案D1和負(fù)理想方案D2：

(11)

式中，Z1、Z2分別為效益類評估指標(biāo)集和成本類評估指標(biāo)集。

計算確定各自方案與理想方案D1、負(fù)理想方案D2的最小歐氏距離和最大歐氏距離L1、L2及理想接近度D3：

(12)

2工程運用實例

2.1工程簡述

瓦崗河發(fā)源于大涼山脈中部北麓，干流河道長約27km，河流多年平均流量為3.49m3/s，河道落差約2598m，為美姑河流域右岸一級支流，流域面積為160km2。為了理性開發(fā)河段電能，規(guī)劃修建梯級水電站，綜合考慮流域水資源分布和施工條件，將河流劃分為三段規(guī)劃：主源段、普通段、河流匯口以下干流段。規(guī)劃主源段修建三個梯級；普通段修建一個梯級；河流匯口以下干流段存在一處報廢水電站，根據(jù)河段地質(zhì)條件，提出一級、二級和四級開發(fā)水電站方案。一級開發(fā)方案：河流匯口處修建水電站，尾水位為598m，水電站發(fā)電利用落差為503m，水電站裝機容量為1萬kW，選定壩址位于河流匯口下游25m，壩體控制流域面積約為97.5km2，河段多年平均流量為2.16m3/s。二級開發(fā)方案：由于河流匯口存在支流補充，在一級開發(fā)方案水電站附近規(guī)劃建設(shè)二級水電站，兩級水電站可使用的落差為487m，水電站總裝機容量為1.12萬kW。四級開發(fā)方案：在報廢處水電站的上游與下游分別布置與二級開發(fā)方案中相同的水電站，四級水電站可使用的落差為487m，水電站總裝機容量為1.16萬kW。

2.2組合賦權(quán)TOPSIS法工程運用

2.2.1評估指標(biāo)選擇

將決策評估指標(biāo)體系劃分為層與級，不同的層與級表達的決策模型內(nèi)涵不同，將評估體系設(shè)置為原則層、目的層、評估指標(biāo)層。流域綜合開發(fā)效益歸為目的層，需依據(jù)的影響因子內(nèi)容包括經(jīng)濟效益影響Y1、生態(tài)影響Y2、庫區(qū)淹沒影響Y3與土地占用影響Y4。建立的水電站決策模型指標(biāo)評估體系見表2，根據(jù)工程實例，初始矩陣為A3×16=(yij)3×16。

表2　水電站決策模型的指標(biāo)評估體系以及屬性值

2.2.2確定評估指標(biāo)屬性值

項目方案設(shè)計與審查研究階段，通過廣泛征求專家組意見，制定出各原則層和評估指標(biāo)層與原則層之間有序關(guān)系。依據(jù)方案布置，表2反映出了原則層定量指標(biāo)之間序列關(guān)系及評估指標(biāo)屬性值。

2.2.3計算評估指標(biāo)權(quán)重

a.非線性主客觀組合賦權(quán)模型。依據(jù)非線性主客觀組合賦權(quán)原理，可計算出評估指標(biāo)對總目的層的權(quán)重αj，見表3。

表3　非線性主客觀組合賦權(quán)權(quán)重

續(xù)表

b.傳統(tǒng)組合賦權(quán)模型。依據(jù)傳統(tǒng)組合賦權(quán)原理，可計算出評估指標(biāo)對總目的層的權(quán)重δj，見表4。

表4　傳統(tǒng)組合賦權(quán)權(quán)重

2.2.4決策方案分析

利用傳統(tǒng)組合賦權(quán)法與非線性主客觀賦權(quán)法取得的評估指標(biāo)權(quán)重αj、δj構(gòu)建初始矩陣Al×n=(yij)l×n，確定理想方案D1和負(fù)理想方案D2，最終確定各自方案與理想方案D1、負(fù)理想方案D2的最小歐氏距離和最大歐氏距離L1、L2及理想接近度D3，見表5。

表5　TOPSIS法各方案計算成果

由表5可知，非線性主客觀賦權(quán)法理想接近度計算結(jié)果表明：二級開發(fā)方案為最優(yōu)，一級開發(fā)方案次之，四級開發(fā)方案最差；傳統(tǒng)組合賦權(quán)法理想接近度計算結(jié)果表明：二級開發(fā)方案為最優(yōu)，四級開發(fā)方案次之，一級開發(fā)方案最差。雖然兩種計算方案對一級開發(fā)方案和四級開發(fā)方案的理想接近程度不同，對二者的評估結(jié)果也不同，但是綜合考慮二者計算結(jié)果，工程以采取二級開發(fā)方案為最優(yōu)，其在流域天然落差的電能開發(fā)效率最高，生態(tài)環(huán)境影響最小，投資效益也最低，符合工程的實際要求。

3結(jié)語

本文通過選定水電站梯級開發(fā)工程規(guī)劃中重要評估指標(biāo)，采納專家組意見對各指標(biāo)進行科學(xué)排序，進而構(gòu)建水電站決策模型與評估指標(biāo)體系。所構(gòu)建的水電站決策模型及評估體系分別基于非線性主客觀賦權(quán)法與傳統(tǒng)組合賦權(quán)法原理，推求不同方案的理想接近度，從而優(yōu)選出最終工程實施方案，同時可避免傳統(tǒng)TOPSIS法在工程實際應(yīng)用中所產(chǎn)生的偏差?；诜蔷€性主客觀賦權(quán)法與傳統(tǒng)組合賦權(quán)法的理想接近度推求實例顯示，工程采取二級開發(fā)方案能夠達到實際工程要求的一致性。因此，在水電站梯級規(guī)劃方案評估中，基于組合賦權(quán)TOPSIS法的水電站決策模型具有較強的適用性與可操作性。

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Research on the application of hydropower station decision-making model combination empowerment TOPSIS method

YANG Yi

(GansuJingyuanCountyWaterAuthority,Jingyuan730600,China)

Abstract:In the paper, combination empowerment TOPSIS method is adopted for constructing hydropower station decision-making model and establishing hydropower station decision-making assessment system aiming at the selection problem of hydropower station cascade planning scheme. Application examples show that hydropower station decision-making model has stronger applicability for the optimization of hydropower station cascade planning scheme. The study can provide decision-making basis for the optimization assessment of hydropower station cascade planning scheme.

Key words:hydropower station decision-making model; combination empowerment TOPSIS; hydropower station cascade planning

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.05.018

中圖分類號：TV72

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-8241(2016)05- 0061- 06

科學(xué)研究及工程設(shè)計