崔皓博，向科銘，郭重霄，劉英偉，郭 興

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

0 引言

“十四五”發(fā)展規(guī)劃明確提出要優(yōu)化電力生產(chǎn)布局，由此，進(jìn)一步構(gòu)建低碳清潔、安全有效的發(fā)電體系將是未來電力行業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向，其中，在整體布局中扮演重要調(diào)峰角色的抽水蓄能電站總裝機(jī)規(guī)模在我國(guó)仍有較大缺口，可見，“十四五”時(shí)期將有更多抽水蓄能電站陸續(xù)啟動(dòng)可行性研究工作，同時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)方案的科學(xué)合理性也提出了更高的要求。抽水蓄能電站設(shè)計(jì)方案研究中，上下庫(kù)連接公路設(shè)計(jì)是施工總布置專題研究中的重中之重，而連接公路比選因涉及因素較多，且由于布設(shè)方案差異，比選時(shí)，往往需將場(chǎng)內(nèi)其他連接公路布置一并考慮，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合性提出了更高要求。因此，本文基于改進(jìn)的層次分析法，綜合考慮多因素影響和相關(guān)規(guī)范要求，致力于建立一種能較好適用于抽水蓄能電站上下庫(kù)連接公路比選的通用數(shù)學(xué)模型。

1 層次分析法原理及制約

層次分析法特別適用于分析解決一些結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的多目標(biāo)決策問題，該方法是一種在處理復(fù)雜的決策問題中將有關(guān)因素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，通過對(duì)同一層次有關(guān)因素的相對(duì)重要性進(jìn)行兩兩比較，并在規(guī)定的標(biāo)度準(zhǔn)則下賦予定量數(shù)值，再按層次從下到上，合成方案對(duì)于決策目標(biāo)的測(cè)度，從而達(dá)到用一定標(biāo)度對(duì)人的主觀判斷進(jìn)行客觀量化的目的[1-2]。

傳統(tǒng)的層次分析法是由專家針對(duì)確定的準(zhǔn)則層和方案層進(jìn)行綜合評(píng)估的靜態(tài)評(píng)價(jià)體系，而抽水蓄能電站上下庫(kù)連接公路設(shè)計(jì)是受到水力資源、地形地貌、工程規(guī)模等多因素制約的非標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，不同選址條件對(duì)施工總布置格局影響較大，往往需經(jīng)多輪比選確定最終方案，靜態(tài)模型難以較好適應(yīng)。

2 構(gòu)建上下庫(kù)連接公路比選模型

2.1 構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)抽水蓄能工程特點(diǎn)，準(zhǔn)則層主要選取了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、工期、環(huán)境影響、路線布置及運(yùn)行安全五個(gè)因素對(duì)方案進(jìn)行比選，并對(duì)各因素進(jìn)行了不同程度的細(xì)化，此外，為增加通用性，模型針對(duì)工期影響因素提出了一種根據(jù)不同工程特性進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整的方向，具體如圖1所示。

圖1 模型層次結(jié)構(gòu)圖（未示意方案層）Figure 1 Structural model （scheme layer is not shown）

2.2 改進(jìn)的層次評(píng)價(jià)體系及判斷矩陣組成

針對(duì)可在方案設(shè)計(jì)初期基本明確的準(zhǔn)則層各影響因素，其權(quán)重標(biāo)定，本文采用1～9 標(biāo)度[3]，通過專家評(píng)價(jià)，量化兩因素之間重要程度的差異，而需進(jìn)行多輪比選的方案層，其比較結(jié)果標(biāo)定，文章在傳統(tǒng)1～9 標(biāo)度方法基礎(chǔ)上，通過規(guī)范取值結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，定義了方案間不同差異程度和9 級(jí)標(biāo)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以動(dòng)態(tài)反映設(shè)計(jì)方案完善過程中定性尺度與定量標(biāo)度之間的相互聯(lián)系。

由此，通過專家評(píng)定，可直接得到準(zhǔn)則層各因素在表1 標(biāo)度含義下的權(quán)重判斷矩陣A=(aij)m×m，而方案層在多因素下比較結(jié)果的判斷矩陣B=(bij)n×n除需要表1 中定義的評(píng)價(jià)尺度外還需進(jìn)一步明確各因素的在9 級(jí)標(biāo)度體系下的評(píng)價(jià)辦法。

2.2.1 技術(shù)因素

由于相較方案綜合了工區(qū)所有公路布置，且各條公路運(yùn)行使用頻率等方面存在顯著差異，而傳統(tǒng)的層次分析法往往不再量化方案層內(nèi)部因素權(quán)重，對(duì)技術(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)精確度影響較大，因此，在技術(shù)因素比選中，本文將連接公路劃分為主要連接公路（PR）和非主要連接公路（FR），分別評(píng)價(jià)并賦值，必要時(shí)可將主要連接公路進(jìn)一步劃分為主要和次主要連接公路（SR），其中，各條主要和次主要連接公路單獨(dú)成組評(píng)價(jià)單元，非主要連接公路整體成組，也可根據(jù)工程實(shí)際適當(dāng)調(diào)整，從而解決方案層內(nèi)部存在權(quán)重差異問題。

此外，為更加直觀地體現(xiàn)某因素下兩方案間差異，本文采用先評(píng)分，再標(biāo)度的方法量化評(píng)價(jià)結(jié)果，具體評(píng)分規(guī)則見表2。

表2 技術(shù)因素評(píng)分規(guī)則表Table 2 The scoring rules of technical factor

A1 技術(shù)因素中，方案層判斷矩陣元素與方案評(píng)分對(duì)應(yīng)關(guān)系見下式。

2.2.2 經(jīng)濟(jì)因素

經(jīng)濟(jì)因素是投資決策的重要指標(biāo)，對(duì)總布置方案影響較大，根據(jù)費(fèi)用類別，將此項(xiàng)劃分為B7 土建費(fèi)用和B8 征地費(fèi)用。

A2 經(jīng)濟(jì)因素中，方案層判斷矩陣元素bji計(jì)算公式如下。

若A2Cx-A2Cy≥ 0 則

若A2Cx-A2Cy＜ 0 則

2.2.3 工期因素

抽水蓄能電站場(chǎng)內(nèi)公路承擔(dān)了工程水泥、鋼筋鋼材等建筑材料、施工機(jī)械設(shè)備、生活物資、金屬結(jié)構(gòu)等進(jìn)場(chǎng)運(yùn)輸任務(wù)，上下庫(kù)連接公路更是工程開挖棄渣、混凝土澆筑和鋼管安裝的運(yùn)輸干道，某種程度上，直接制約了工程整體工期，但各條道路影響大小不一，因此，根據(jù)重要程度，將比選方案內(nèi)各條道路施工工期分為B9主要連接公路工期和B10非主要道路工期，分別評(píng)價(jià)，必要時(shí)，可將主要連接公路工期進(jìn)一步劃分為B9-1最主要連接道路工期和B9-2次主要連接公路工期。

A3工期因素中，方案層判斷矩陣元素bji計(jì)算公式如下。

若A3Cx-A3Cy≥0 則

若A3Cx-A3Cy＜ 0 則

2.2.4 環(huán)境因素

隨著工程環(huán)保理念的逐步增強(qiáng)，環(huán)境影響評(píng)價(jià)的重要性也愈發(fā)凸顯，為盡可能減少工程對(duì)環(huán)境的影響，本文重點(diǎn)考慮了公路征地面積B11以及施工過程中的土石平衡B12兩個(gè)和路線布置緊密相關(guān)的指標(biāo)，標(biāo)度計(jì)算公式如下。

A4環(huán)境因素中，方案層判斷矩陣元素bji計(jì)算公式如下。

若A4Cx1-A4Cy1≥ 0 則

若A4Cx1-A4Cy1＜ 0 則

2.2.5 路線布置及安全因素

由于路線布置和安全因素不易量化，為降低主觀因素影響，減小評(píng)價(jià)差異，本文將該因素分解為B13整體銜接和及B14運(yùn)行安全兩個(gè)指標(biāo)分別進(jìn)行方案評(píng)價(jià)，并建立了評(píng)語(yǔ)集及對(duì)應(yīng)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，具體如表3所示。

表3 路線布置及安全因素評(píng)價(jià)表Table 3 The scoring rules of route layout and safety factors

A5路線布置和安全因素中，方案層判斷矩陣元素bji計(jì)算公式如下。

若A5Cx-A5Cy≥ 0 則

若A5Cx-A5Cy＜ 0 則

2.3 一致性檢驗(yàn)及方案排序

式中，λmax為判斷矩陣的最大特征值，m(n)分別為矩陣A、B的秩。

求得CI后，根據(jù)一致性比例CR判斷矩陣的一致性。

式中，RI可查表得，此外，若CR<0.1 則通過一致性檢驗(yàn)。

最后，通過由下向上匯總計(jì)算得到最優(yōu)方案，計(jì)算公式如下：

式中，WAi表示各影響因素Ai的權(quán)重，CAi表示方案在Ai因素各指標(biāo)下的比較系數(shù)之和。

3 遼寧某抽水蓄能電站上下庫(kù)連接公路比選案例

3.1 案例背景

該工程上下庫(kù)高差較大，根據(jù)樞紐建筑物布置特點(diǎn)和施工場(chǎng)地布置條件按上庫(kù)施工區(qū)、下庫(kù)及廠道系統(tǒng)施工區(qū)兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行布置，為滿足工程建設(shè)和運(yùn)行管理要求，圍繞上下庫(kù)連接路，擬訂兩個(gè)比選方案，同時(shí)，至下庫(kù)右壩肩（Y2號(hào)公路）、地面開關(guān)站（Y3 號(hào)公路）、引水調(diào)壓井平臺(tái)（Y4號(hào)公路）及排風(fēng)豎井口（Y5 號(hào)公路）的公路，相應(yīng)布置，形成整體方案。

3.2 方案概況

3.2.1 南坡明線及短隧洞方案（方案一）

該方案上下庫(kù)之間能較好地銜接，進(jìn)廠條件便利，基本采用明線布置，且大部分位于南坡（陽(yáng)坡），工期保障性較高，但征地面積較大，其中Y1 號(hào)公路起點(diǎn)位于業(yè)主營(yíng)地附近，經(jīng)交通洞口、下庫(kù)進(jìn)出水口、通風(fēng)洞平臺(tái)及砂石加工系統(tǒng)和下庫(kù)混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)后，采用明線及短隧道的方式到達(dá)上庫(kù)。

3.2.2 北坡明線及長(zhǎng)隧洞方案（方案二）

該方案Y1 號(hào)路從起點(diǎn)至交通洞洞口部位路線布置與方案一相同，之后采用長(zhǎng)隧洞及明線的方式繞行至上庫(kù)，并另行布置Y2 號(hào)公路至下庫(kù)其他工作面，上下庫(kù)整體聯(lián)系較好，在縮短了整體路線長(zhǎng)度，尤其是Y1 號(hào)公路長(zhǎng)度的同時(shí)減少了征地面積，但為滿足平均坡度等技術(shù)要求，Y1 號(hào)公路整體線形相對(duì)較差，且受地形限制，較多路線位于北坡（陰坡）展線。

3.3 各因素權(quán)重計(jì)算

由專家確定準(zhǔn)則層各因素標(biāo)度，取其平均值得到判斷矩陣，并根據(jù)式（13）、式（14）分別做一致性檢驗(yàn)求得各因素的權(quán)重。具體結(jié)果見表4。

表4 各因素權(quán)重系數(shù)表Table 4 Weight coefficients of each factor

由表4 可得，各判斷矩陣均CR值均遠(yuǎn)小于0.1，通過一致性檢驗(yàn)，權(quán)重合理。

3.4 方案評(píng)價(jià)

根據(jù)式（1）～式（12）分別計(jì)算各因素下兩方案比較結(jié)果，建立方案層判斷矩陣，其中，根據(jù)工程規(guī)模等相關(guān)工程特性，標(biāo)度調(diào)整系數(shù)αA1至αA5均為1，此外，由于Y2 號(hào)公路承擔(dān)了部分上下庫(kù)連接任務(wù)，因此將在進(jìn)行工期因素評(píng)價(jià)時(shí)細(xì)分主要連接公路，將Y1 號(hào)公路作為最主要連接公路、Y2 號(hào)公路作為次主要連接公路，Y3、Y4、Y5 號(hào)公路整體作為非主要連接公路。

3.5 方案評(píng)估及分析

根據(jù)表4、表5 計(jì)算結(jié)果以及式（15）可得出兩方案綜合比較結(jié)果，具體如表6所示。

表5 各方案比較系數(shù)表Table 5 Comparison of coefficients for each scheme

表6 方案綜合評(píng)價(jià)匯總表Table 6 Summary table of comprehensive assessment

綜上，雖方案一路線較長(zhǎng)，但由于平、縱斷面技術(shù)指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好，且路線大部分位于陽(yáng)坡展線，有利于工程施工期安全施工及后期運(yùn)營(yíng)過程中冬季交通安全，因此，根據(jù)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，應(yīng)推薦南坡明線及短隧洞方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用改進(jìn)的層次分析法，提出了抽水蓄能電站上下庫(kù)連接公路比選模型，并結(jié)合工程項(xiàng)目進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算。模型通過細(xì)化評(píng)價(jià)指標(biāo)、定義差異水平與標(biāo)度關(guān)系、設(shè)置標(biāo)度調(diào)整系數(shù)等動(dòng)態(tài)機(jī)制，分別為準(zhǔn)則層和方案層留出了調(diào)整空間，以增強(qiáng)對(duì)不同選址條件和多種工程規(guī)模的通用性，同時(shí)，進(jìn)一步強(qiáng)化動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制也是未來模型的主要改進(jìn)方向。