胡意新，余卓軒

(中國電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024)

近年來，隨著工程建設(shè)項(xiàng)目的快速推進(jìn)，水電工程建設(shè)項(xiàng)目的規(guī)模越來越大，而與這些規(guī)模巨大的水電站配套的設(shè)備尺寸也非常龐大，如水輪機(jī)、主變壓器等，這些設(shè)備形狀復(fù)雜、價(jià)格昂貴、精度較高，單件設(shè)備的質(zhì)量從幾十噸到上千噸?？梢?，重大件運(yùn)輸在整個(gè)水電站建設(shè)中占有重要地位。這些重大件往往是水電建設(shè)項(xiàng)目的關(guān)鍵核心設(shè)備，能否順利運(yùn)送到水電站場(chǎng)區(qū)內(nèi)，對(duì)水電工程能否順利開工、按時(shí)發(fā)電具有十分重要的意義。

李士明[1]論述了解決大朝山水電站大件設(shè)備在鐵路、公路運(yùn)輸中存在的問題，通過類比經(jīng)濟(jì)分析確定轉(zhuǎn)運(yùn)站選址最佳方案；何帆、王支榮[2]針對(duì)龍灘水電站機(jī)電設(shè)備公路運(yùn)輸工程量大、運(yùn)輸線路長、運(yùn)輸周期長等特點(diǎn)，論述了解決龍灘水電站大件設(shè)備在鐵路、公路運(yùn)輸中存在的問題；Tong等[3]提出了一個(gè)多目標(biāo)的水電站重大件運(yùn)輸隨機(jī)整數(shù)模型，并提出運(yùn)用Benders分解算法求解；李修樹[4]針對(duì)我國大型水電站分布情況，分析了水電站機(jī)電設(shè)備重大件的運(yùn)輸問題，詳細(xì)闡述了水電站水輪機(jī)、主變壓器及其他機(jī)電設(shè)備運(yùn)輸中的難題，并提出了相應(yīng)的解決措施及建議；吳祖淇[5]從運(yùn)輸車輛選擇，另辟新途，排除道路障礙3個(gè)主要方面問題，論述百龍灘水電站水輪機(jī)大件運(yùn)輸方式優(yōu)選并付諸實(shí)施，從而確保運(yùn)輸安全；唐朝桂[6]通過對(duì)巖灘水電站水輪機(jī)大件運(yùn)輸路線和運(yùn)輸方案的調(diào)查和核實(shí)，從而確保大型水輪機(jī)能夠安全地運(yùn)抵安裝現(xiàn)場(chǎng)，保證機(jī)組的按時(shí)投產(chǎn)發(fā)電。

本文基于層次分析法建立水電站重大件設(shè)備運(yùn)輸?shù)臄?shù)學(xué)模型，并以敦化抽水蓄能電站重大件運(yùn)輸線路的選擇進(jìn)行初步分析。通過實(shí)例分析，提出該模型在水電站重大件運(yùn)輸路線的選擇問題中具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 參數(shù)假設(shè)

1.1.1 路網(wǎng)的模型描述

水電站重大件運(yùn)輸線路可以看作是網(wǎng)絡(luò)圖中的邊，邊的長度Lij表示該路段的長度，同時(shí)給該條邊賦予一定的權(quán)值W，表示水電站重大件由節(jié)點(diǎn)i→j通過該條邊的單位費(fèi)用。水電站重大件從生產(chǎn)廠家運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸問題反映到路網(wǎng)上就是在一個(gè)有限的路網(wǎng)范圍內(nèi)，從設(shè)定的生產(chǎn)廠家S到施工現(xiàn)場(chǎng)T會(huì)有多個(gè)線路方案可供選擇，按照以總的運(yùn)輸費(fèi)用最小和花費(fèi)時(shí)間最少的原則總能找到一條最優(yōu)的線路。路網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。

圖1 路網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型示意

1.1.2 路網(wǎng)參數(shù)的假設(shè)與設(shè)定

在上述模型確定的基礎(chǔ)上，構(gòu)建合理的重大件運(yùn)輸線路選擇網(wǎng)絡(luò)圖是設(shè)計(jì)水電站運(yùn)輸重大件運(yùn)輸線路選擇算法的重要因素。

(1)節(jié)點(diǎn)假設(shè)。在實(shí)際情況下節(jié)點(diǎn)是連接線路區(qū)段的收費(fèi)站。根據(jù)水電站重大件運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，在可供重大件運(yùn)輸車輛走行的路網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)分為終端節(jié)點(diǎn)和中間節(jié)點(diǎn)：中間節(jié)點(diǎn)為水電站重大件運(yùn)輸完成一個(gè)線路區(qū)段的運(yùn)輸任務(wù)后，在下一運(yùn)輸區(qū)段即將采取相同或者不同線路選擇方案的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，若在某節(jié)點(diǎn)的下一步線路方案不可改選，則稱該節(jié)點(diǎn)為不可轉(zhuǎn)線節(jié)點(diǎn)(例如圖1中的i節(jié)點(diǎn))，若在某節(jié)點(diǎn)的下一步線路選擇方案可以改選，則稱該節(jié)點(diǎn)為可轉(zhuǎn)線節(jié)點(diǎn)(例如圖1中的j節(jié)點(diǎn))；終端節(jié)點(diǎn)即為起始節(jié)點(diǎn)和終到節(jié)點(diǎn)，也可稱為不可轉(zhuǎn)線節(jié)點(diǎn)。

(2)線路區(qū)段假設(shè)。在節(jié)點(diǎn)假設(shè)的基礎(chǔ)上，認(rèn)為線路運(yùn)行的區(qū)段均滿足大件貨物載運(yùn)車輛的通行。

(3)路網(wǎng)的封閉性假設(shè)。假設(shè)路網(wǎng)是封閉的，即可選的方案是有限的，不存在其他的支路或可行的運(yùn)輸方案。

(4)路網(wǎng)的可行性假設(shè)。路網(wǎng)中所列出來的路段和節(jié)點(diǎn)均是可通行的，即滿足線路選擇影響因素中技術(shù)性和安全性的要求。

1.2 線路選擇方案的基本模型

水電站重大件運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸方案評(píng)價(jià)指標(biāo)包括運(yùn)輸時(shí)間、運(yùn)輸距離、運(yùn)輸成本、安全性和可靠性等指標(biāo)。

層級(jí)結(jié)構(gòu)最高層只有一個(gè)元素即決策目標(biāo)：最合適的運(yùn)輸路線。中間層次是有關(guān)決策的影響因素：主要有安全(安全性)、經(jīng)濟(jì)(運(yùn)輸距離和運(yùn)輸成本)、技術(shù)(可靠性)和快捷(運(yùn)輸時(shí)間)四個(gè)因素。安全因素主要是指由于所運(yùn)輸?shù)脑O(shè)備屬于超重、超高、超限的水電站重大件，故在選擇運(yùn)輸線路時(shí)要重點(diǎn)考慮所選線路的運(yùn)輸條件要能完全確保運(yùn)輸過程的安全。經(jīng)濟(jì)因素主要指在重大件運(yùn)輸線路選擇過程中，運(yùn)輸距離和運(yùn)輸費(fèi)用對(duì)運(yùn)輸線路選擇的影響。技術(shù)性影響因素主要是指運(yùn)送重大件貨物的車輛或車組在運(yùn)輸過程中要受到路段連通性或交通擁堵等因素所造成的限制(可靠性指標(biāo))。快捷性主要指重大件設(shè)備運(yùn)輸要滿足工程工期的要求，所選線路不同會(huì)造成運(yùn)輸時(shí)間相差甚大，因此重大件貨物運(yùn)輸選線一定要根據(jù)工期要求考慮時(shí)效性影響因素。同時(shí)，需要考慮到重大件運(yùn)輸中橋梁涵洞、彎道、路基路面、縱橫坡以及其他因素對(duì)重大件運(yùn)輸技術(shù)性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和時(shí)效性的影響。

綜上，水電站重大件運(yùn)輸路線的層次結(jié)構(gòu)為：①目標(biāo)層，線路選擇的最優(yōu)性；②準(zhǔn)則層，滿足技術(shù)性、安全性、經(jīng)濟(jì)性要求和時(shí)效性準(zhǔn)則；③子準(zhǔn)則層，根據(jù)線路選擇過程中會(huì)遇到的障礙設(shè)定包括橋梁涵洞、彎道、路基路面、縱橫坡以及其他方面的一些要求；④方案層，逐層優(yōu)化，選擇最優(yōu)方案。

2 算法設(shè)計(jì)

層次分析法(The Analytic Hierarchy Process， AHP)[7- 8]是美國著名的運(yùn)籌學(xué)專家匹茲堡大學(xué)教授T.L Saaty于20世紀(jì)70年代提出的一種定性與定量分析相結(jié)合的多目標(biāo)決策方法。用層次分析法進(jìn)行系統(tǒng)決策時(shí)，首先要把決策問題層次化，將其按照總體目標(biāo)、子層目標(biāo)、評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和備選方案的順序分解至不同等級(jí)結(jié)構(gòu)，其次求出低層級(jí)每個(gè)元素相對(duì)于上層級(jí)各個(gè)元素的優(yōu)先權(quán)重，再加權(quán)遞介至最高層級(jí)，最終權(quán)重最大的為最優(yōu)方案。具體步驟如下：

(1)構(gòu)造層次模型。先對(duì)問題所涉及的因素進(jìn)行分類，建立一個(gè)各因素相互連結(jié)層次結(jié)構(gòu)模型。一般分為最高層、中間層、最低層。最高層為目標(biāo)層，中間層為準(zhǔn)則層和子準(zhǔn)則層，最低層為方案層。畫出層次分析結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 層次分析結(jié)構(gòu)

(2)建立判斷矩陣。在層次分析法中，先對(duì)每一層中各元素的相對(duì)重要性給出判斷，這些判斷用合適的標(biāo)度值表示出來。例如，某項(xiàng)目A層中元素與下一層B中的元素B1,B2,…,Bn有聯(lián)系，將它們的重要性兩兩比較，比值可構(gòu)造判斷矩陣，其中，aij為Bi和Bj比較權(quán)重，當(dāng)i=j時(shí),aij=1,當(dāng)i≠j時(shí),aij=1/aji,aij按表1中元素間重要程度標(biāo)度取值。

表1 元素間重要程度標(biāo)度

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值

(5)計(jì)算綜合重要度，并進(jìn)行綜合一致性檢驗(yàn)。設(shè)準(zhǔn)則層各要素對(duì)目標(biāo)層的相對(duì)權(quán)重為ω1,ω2,…,ωk，方案層各要素對(duì)準(zhǔn)則層的相對(duì)權(quán)重為?1i,?2i,…,?ni，方案層各方案對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重為

(1)

式中，Vj表示方案j的綜合權(quán)重。求出總排序后，進(jìn)行總排序的一致性檢驗(yàn)，即

(2)

式中，CIi為相應(yīng)單排序一致性指標(biāo)。

(6)根據(jù)綜合總排序選出最優(yōu)方案。

3 數(shù)值試驗(yàn)

本文以敦化抽水蓄能電站重大件運(yùn)輸為例，應(yīng)用前文建立的模型進(jìn)行計(jì)算分析。假定該項(xiàng)目所需的重大件由天津運(yùn)往敦化。由于吉林省敦化市屬于內(nèi)陸地區(qū)，考慮到該項(xiàng)目的重大件需要門到門的運(yùn)輸，公路運(yùn)輸是典型的門到門的運(yùn)輸。因此，假定該項(xiàng)目的重大件選擇公路運(yùn)輸?；谶\(yùn)距、時(shí)間、運(yùn)費(fèi)等因素，共選取如下4條路線：①D1，天津—G205—G102—G202—敦化；②D2，天津—沈陽—G11—敦化；③D3，天津—沈陽—G1212—吉林—敦化；④D4，天津—沈陽—長春—G12—敦化。

(1)構(gòu)造判斷矩陣。在運(yùn)用層次分析方法進(jìn)行決策分析時(shí)，一般采用專家打分法進(jìn)行分析，即每個(gè)專家都可以給出一個(gè)比較判斷矩陣，然后再根據(jù)這些比較判斷矩陣進(jìn)行最終的決策?？梢圆捎帽容^判斷矩陣綜合法，即將各個(gè)專家的比較判斷矩陣綜合為一個(gè)判斷矩陣，然后求出這個(gè)矩陣的排序向量。常用的比較判斷矩陣綜合法有2種：加權(quán)幾何平均法和加權(quán)算術(shù)平均法。本算例采用幾何平均法來確定判斷矩陣，采用1-9標(biāo)度法分別就各層對(duì)其上一層的重要影響程度打分，得到判斷矩陣。

(2)一致性檢驗(yàn)。判斷矩陣是由專家根據(jù)各自的經(jīng)驗(yàn)評(píng)定給出，用上述計(jì)算權(quán)重方法時(shí)，當(dāng)判斷矩陣過于偏離一致性，其可靠程度就不值得信任，因此，對(duì)于每一層次作單準(zhǔn)則排序時(shí)，均需要作一致性檢驗(yàn)。計(jì)算單層的單排序權(quán)值以及檢驗(yàn)每個(gè)判斷矩陣的一致性。結(jié)果為

計(jì)算出所有單排序的CR均小于0.1，認(rèn)為每個(gè)判斷矩陣的一致性都是可以接受的。

4 結(jié) 語

本文對(duì)水電站重大件設(shè)備在運(yùn)輸過程中的線路選擇，運(yùn)用層次分析法，建立了水電站重大件運(yùn)輸?shù)木€路選擇層次模型，并采用敦化抽水蓄能電站的重大件運(yùn)輸作為實(shí)例進(jìn)行了初步分析，從算例可以看出，采用層次分析對(duì)水電站重大件設(shè)備運(yùn)輸路線進(jìn)行優(yōu)選，能夠科學(xué)、客觀、準(zhǔn)確地確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重和各個(gè)方案的綜合權(quán)重，而且此方法簡潔、易實(shí)現(xiàn)、具有較好的實(shí)用性。