基于GIS和模糊層次分析法的輸電線(xiàn)路路徑方案評(píng)價(jià)

李小寶 楊闊 胡夢(mèng)錦

（1.石家莊市第一醫(yī)院 2.國(guó)網(wǎng)廈門(mén)供電公司 3.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院）

基于GIS和模糊層次分析法的輸電線(xiàn)路路徑方案評(píng)價(jià)

李小寶1楊闊2胡夢(mèng)錦3

（1.石家莊市第一醫(yī)院 2.國(guó)網(wǎng)廈門(mén)供電公司 3.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院）

輸電線(xiàn)路路徑方案評(píng)價(jià)是指在設(shè)計(jì)人員選好的幾個(gè)路徑方案中選出最適宜的方案，由于需要考慮較多地理因素，方案評(píng)估工作的進(jìn)行較為困難。本文通過(guò)GIS技術(shù)提取規(guī)劃區(qū)域內(nèi)復(fù)雜的地理信息，使得地理信息數(shù)據(jù)能夠得到充分利用。通過(guò)采用模糊層次分析法建立輸電線(xiàn)路路徑優(yōu)選模型，對(duì)輸電線(xiàn)路路徑方案進(jìn)行全面綜合的評(píng)價(jià)，得到的最終路徑方案更加科學(xué)合理。

輸電路徑方案評(píng)價(jià)；地理信息系統(tǒng)；模糊層次分析法

0 引言

輸電線(xiàn)路設(shè)計(jì)是一項(xiàng)包含了路徑選擇、桿塔定位、電氣設(shè)計(jì)等多個(gè)設(shè)計(jì)工作的系統(tǒng)工程，其中，路徑選擇是整個(gè)線(xiàn)路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，路徑選擇的結(jié)果直接關(guān)系整個(gè)工程的造價(jià)、施工和安全。傳統(tǒng)人工進(jìn)行輸電線(xiàn)路路徑方案評(píng)估時(shí)，由于需要考慮的因素較多，且這些因素大部分無(wú)法進(jìn)行定量描述，對(duì)輸電線(xiàn)路的影響程度也不一致，只能根據(jù)設(shè)計(jì)人員主觀經(jīng)驗(yàn)判定。隨著輸電線(xiàn)路的發(fā)展，對(duì)輸電線(xiàn)路路徑的要求也越來(lái)越高,評(píng)估輸電線(xiàn)路路徑方案的優(yōu)劣，除了需要考慮線(xiàn)路長(zhǎng)度等經(jīng)濟(jì)性因素外，還要考慮輸電線(xiàn)路沿線(xiàn)的地形、地質(zhì)、人為建筑、公路等自然和社會(huì)因素。因此單獨(dú)依靠人工經(jīng)驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足輸電線(xiàn)路路徑方案優(yōu)選的要求，需要借助現(xiàn)代技術(shù)和分析方法完成線(xiàn)路路徑優(yōu)選工作。

文獻(xiàn)[1]對(duì)輸電線(xiàn)路路徑優(yōu)選問(wèn)題進(jìn)行了研究，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)安新新建線(xiàn)路路徑方案進(jìn)行優(yōu)選；文獻(xiàn)[2]中采用模糊綜合評(píng)價(jià)法結(jié)合專(zhuān)家理論進(jìn)行輸電線(xiàn)路路徑方案評(píng)估;文獻(xiàn)[3]將層次分析法與專(zhuān)家知識(shí)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)全部因素的權(quán)值排序。上述文獻(xiàn)處理過(guò)程均有一個(gè)缺點(diǎn)：只考慮線(xiàn)路長(zhǎng)度、跨越河流湖泊等障礙的數(shù)量等因素，沒(méi)有能夠很好地綜合地理信息數(shù)據(jù)。這就導(dǎo)致了在進(jìn)行輸電線(xiàn)路路徑方案優(yōu)選時(shí)，作為關(guān)鍵影響因素的地理因素不能得到有效分析。

地理信息系統(tǒng)（GIS）是一種特定的空間信息系統(tǒng)，它是能夠?qū)Φ厍虮韺涌臻g中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)[4,5]。GIS能夠?qū)Φ乩硇畔?shù)據(jù)進(jìn)行有效分析，既能保證地理信息的時(shí)效性，又減少了人員現(xiàn)場(chǎng)勘查，節(jié)省了大量人力。本文提出了基于GIS和模糊層次分析法的輸電線(xiàn)路路徑方案優(yōu)選方法，以GIS為平臺(tái)，根據(jù)輸電線(xiàn)路路徑優(yōu)選的特點(diǎn)，應(yīng)用GIS技術(shù)空間分析的各種手段對(duì)相關(guān)的地理信息空間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析備選的輸電線(xiàn)路沿線(xiàn)的地理情況，最終能夠得出科學(xué)合理的優(yōu)選方案。

1 輸電線(xiàn)路路徑優(yōu)選考慮的因素

輸電線(xiàn)路路徑優(yōu)選需要考慮的因素很多，主體上由四個(gè)部分構(gòu)成。

1）導(dǎo)線(xiàn)因素：導(dǎo)線(xiàn)所占費(fèi)用約在工程本體造價(jià)的20%左右，導(dǎo)線(xiàn)的選擇對(duì)之后桿塔的選擇有決定性作用。導(dǎo)線(xiàn)型號(hào)和分裂數(shù)的選擇，除了跟輸送容量相關(guān)之外，還要考慮輸電線(xiàn)路沿線(xiàn)的風(fēng)速、覆冰、溫度分布的情況。

2）桿塔因素：塔型、塔高和塔數(shù)的確定，除了與電壓等級(jí)和交叉跨越情況相關(guān)外，還需要綜合考慮選擇的路徑沿線(xiàn)的地形、氣象等條件的影響，其造價(jià)約占本體造價(jià)的30%以上，是線(xiàn)路本體造價(jià)中占比重較大的部分，并且是桿塔基礎(chǔ)大小的重要影響因素之一。

3）基礎(chǔ)工程因素：主要包括桿塔所處位置地面的基礎(chǔ)工程和土石方工程等，約占線(xiàn)路總造價(jià)的15%～30%，施工時(shí)間大約占線(xiàn)路施工總時(shí)間的30%～50%。塔基的影響因素主要包括桿塔類(lèi)型、地形和地質(zhì)，采用不同的類(lèi)型成本相差很大。

4）施工因素：導(dǎo)線(xiàn)經(jīng)過(guò)地區(qū)需要綜合考慮線(xiàn)路跨越地區(qū)的地形、地質(zhì)和運(yùn)輸條件，地形狀況的不同，直接影響到施工的難易程度和人力運(yùn)輸距離的長(zhǎng)短；地質(zhì)條件的不同，則表現(xiàn)為基坑挖方的難易程度和挖方費(fèi)用的高低。因此地形、地質(zhì)對(duì)施工的成本影響較大。

地理信息和氣象條件會(huì)影響到以上各因素的成本，從而決定輸電線(xiàn)路路徑方案的優(yōu)劣。

2 輸電線(xiàn)路路徑優(yōu)選FAHP模型

輸電線(xiàn)路路徑方案優(yōu)選的最終目標(biāo)是得到便于施工、具有較高經(jīng)濟(jì)性的輸電線(xiàn)路。影響因素路徑優(yōu)選的自然因素有如：地形、地質(zhì)、風(fēng)速等，人為因素有如：房屋拆遷、公路和鐵路跨越、耕地等，這些因素量綱各不相同，無(wú)法直接計(jì)算其對(duì)路徑選擇的影響程度。

層次分析法兼顧主觀定性判斷和系統(tǒng)邏輯分析，它可以通過(guò)把路徑選擇評(píng)價(jià)最終指標(biāo)分解、分層分析各層對(duì)其上一層的影響、每層兩種影響因素間兩兩比較、綜合分析計(jì)算，根據(jù)最終得到的評(píng)價(jià)指標(biāo)值來(lái)決策。輸電線(xiàn)路路徑優(yōu)選是無(wú)明顯結(jié)構(gòu)特性的系統(tǒng)，層次分析法對(duì)于這類(lèi)復(fù)雜的多準(zhǔn)則系統(tǒng)尤其適用。

2.1 模糊層次分析法（FAHP）

2.1.1 基本層次分析法（AHP）

層次分析法是一種定性與定量結(jié)合的、系統(tǒng)化、層次化的分析方法，它把復(fù)雜問(wèn)題中的各種因素劃分成相互之間有聯(lián)系的有序?qū)哟危鶕?jù)客觀事實(shí)對(duì)每一層次的相對(duì)重要性給予定量表示，利用數(shù)學(xué)方法確定每一層次每個(gè)元素的相對(duì)重要性次序的權(quán)值，最終根據(jù)排序來(lái)決定方案，如圖1所示。

圖1 層次分析法層次示意圖

層次分析法具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①分析方法具有系統(tǒng)性。層次分析法通常將一個(gè)問(wèn)題系統(tǒng)地分為方案層、準(zhǔn)則層和目標(biāo)層幾個(gè)層次,在分析的過(guò)程中，每個(gè)該層因素對(duì)上一層的因素的影響程度都是量化的，非常清晰、明確。②決策方法簡(jiǎn)單實(shí)用。層次分析法一方面注重?cái)?shù)學(xué)分析，另一方面也兼顧邏輯、推理，把定性和定量分析方法有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，把人的思維過(guò)程數(shù)字化、系統(tǒng)化。③所需定量的信息較少。層次分析法主要從評(píng)價(jià)者對(duì)評(píng)價(jià)因素的理解出發(fā)，對(duì)人主觀的要求只有人對(duì)各因素相對(duì)重要性的判斷。但是層次分析法存在以下幾個(gè)問(wèn)題：①當(dāng)判斷矩陣不具有一致性時(shí)，矩陣的調(diào)整過(guò)程反復(fù)且較為繁瑣。②檢驗(yàn)判斷矩陣一致性的依據(jù)：CR＜0.1，缺乏科學(xué)根據(jù)。

因此，本文在基本層次分析法的基礎(chǔ)上，引入模糊分析法，通過(guò)模糊層次分析法構(gòu)造模糊一致判斷矩陣來(lái)解決以上問(wèn)題。

2.1.2 模糊層次分析法（FAHP）

將模糊分析法和層次分析法結(jié)合，形成模糊層次分析法（FAHP），通過(guò)構(gòu)造模糊一直矩陣，可以很好解決層次分析法思維的一致性難以得到保證問(wèn)題。模糊層次分析法和基本層次分析法的區(qū)別在于：①建立判斷矩陣的不同，層次分析法是通過(guò)兩元素間相互比較建立判斷一致矩陣，模糊層次分析法是通過(guò)兩兩元素間相互比較建立判斷模糊一致矩陣。②求解矩陣中各元素的相對(duì)影響程度的權(quán)重的方法不同，模糊層次分析法有效地避免了傳統(tǒng)層次分析法構(gòu)建判斷矩陣所存在的缺點(diǎn)。

模糊層次分析法的層次結(jié)構(gòu)建立過(guò)程。

1）建立優(yōu)先關(guān)系矩陣：就每一層中的每個(gè)因素對(duì)上一層中的每個(gè)因素的相對(duì)重要性構(gòu)造模糊互補(bǔ)矩陣R=（rij）n×n，其中0≤rij≤1，且滿(mǎn)足rij+rij=1。標(biāo)度及其定義與說(shuō)明如表1所示。

2）將模糊互補(bǔ)矩陣改造為模糊一致矩陣：對(duì)矩陣R=（rij）n×n按行求和，即

對(duì)模糊互補(bǔ)陣的元素進(jìn)行如下改造：

3）計(jì)算該層因素對(duì)上層某一目標(biāo)的權(quán)重：根據(jù)文獻(xiàn)[6]的證明，采用此方法求因素i對(duì)目標(biāo)k權(quán)重因素：

表1 標(biāo)度及其定義與說(shuō)明

4）層次綜合：綜合中間層和頂層、底層間的層次關(guān)系，將局部的層次間的重要性權(quán)值轉(zhuǎn)化為相對(duì)于總目標(biāo)的綜合權(quán)值。

2.2 輸電線(xiàn)路路徑優(yōu)選FAHP模型

2.2.1 地理信息柵格模型

柵格數(shù)據(jù)的規(guī)則性以及其直接記錄屬性的特點(diǎn)，可以較好地對(duì)輸電線(xiàn)路經(jīng)過(guò)的地理環(huán)境建模。本文采用將規(guī)劃區(qū)域?qū)旊娋€(xiàn)路影響較大因素的圖層?xùn)鸥窕幚?，通過(guò)GIS提取其屬性信息，使用模糊層次分析法對(duì)這些因素處理，得到柵格成本模型，計(jì)算不同輸電線(xiàn)路路徑方案所經(jīng)過(guò)柵格的成本值，最終根據(jù)成本值的大小來(lái)決定最優(yōu)路徑。

2.2.2 柵格成本值設(shè)置

1）地理因素等級(jí)評(píng)分：通過(guò)對(duì)輸電線(xiàn)路建設(shè)成本影響因素的分析，本文從這七個(gè)因素考慮其影響：地形地貌、地質(zhì)條件、風(fēng)速、氣溫、污穢分布、覆冰情況、用地類(lèi)型。因?yàn)楦饕蛩刈陨砹烤V不同，無(wú)法對(duì)其直接運(yùn)算，也無(wú)法直接通過(guò)這些條件估算實(shí)際工程造價(jià)，所以本文通過(guò)對(duì)國(guó)家電網(wǎng)輸電線(xiàn)路工程典型造價(jià)的分析以及專(zhuān)家評(píng)分的方法，以等級(jí)評(píng)分的形式對(duì)其進(jìn)行量化處理，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 地理因素評(píng)分等級(jí)

2）建立層次分析結(jié)構(gòu)：目標(biāo)層F為柵格成本值，第一準(zhǔn)則層S根據(jù)輸電線(xiàn)路造價(jià)成本特點(diǎn)分為：導(dǎo)線(xiàn)成本、桿塔成本、基礎(chǔ)工程成本和施工成本四個(gè)，而這四個(gè)成本又受到具體的地理因素和氣象條件等的影響，因此將第二準(zhǔn)則層P設(shè)置為影響第一準(zhǔn)則層各項(xiàng)成本的具體因素，且第二準(zhǔn)則層中的某些因素可能會(huì)對(duì)第一準(zhǔn)則中的多項(xiàng)成本產(chǎn)生不同程度的影響，其層次結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 輸電線(xiàn)路地理信息層次模型

3）構(gòu)造優(yōu)先關(guān)系矩陣：結(jié)合專(zhuān)家意見(jiàn)和工程實(shí)際情況，以S-F和P-S中的“導(dǎo)線(xiàn)成本S1”為例，該成本下包括風(fēng)速P1、覆冰P2、污穢P3和氣溫P4四個(gè)因素。其余準(zhǔn)則層的求解方法相同。建立優(yōu)先關(guān)系矩陣如表3、表4所示。

表3 P-S1優(yōu)先關(guān)系矩陣

表4 S-F優(yōu)先關(guān)系矩陣

4）計(jì)算各因素權(quán)值。根據(jù)式（3）計(jì)算模糊一致矩陣中各因素的權(quán)值，為了提高排序結(jié)果的分辨率，取S-F權(quán)重為：

P-S權(quán)重為：

計(jì)算P-F層各子目標(biāo)相對(duì)總目標(biāo)的綜合權(quán)值為：

將同種影響因素的權(quán)值合并，最終得到綜合權(quán)值如表5所示。

3 算例分析

以重慶某地區(qū)220kV線(xiàn)路為例，比較兩個(gè)選線(xiàn)方案，得出優(yōu)選結(jié)果。

通過(guò)GIS平臺(tái)采集并整合兩方案沿線(xiàn)地理信息，通過(guò)層次分析法，計(jì)算得到地理信息因素和電力信息因素對(duì)于輸電線(xiàn)路影響的評(píng)價(jià)。結(jié)果如表6所示。

表6 評(píng)價(jià)對(duì)比表

將數(shù)據(jù)代入表5的權(quán)值公式，計(jì)算得方案一成本值為278.809，方案二成本值為271.986，從計(jì)算結(jié)果可以得出，綜合所有指標(biāo)因素對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行比較評(píng)價(jià)，方案二的綜合評(píng)價(jià)優(yōu)于方案一，因此可以選擇方案二作為輸電線(xiàn)路路徑優(yōu)選結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)GIS平臺(tái)得到的地理信息數(shù)據(jù)能夠保證數(shù)據(jù)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，同時(shí)大大節(jié)約了人力物力，提高了效率。通過(guò)GIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)整合和處理能力及模糊層次分析法，可以評(píng)估輸電線(xiàn)路沿線(xiàn)各項(xiàng)影響因素，為輸電線(xiàn)路路徑優(yōu)選提供數(shù)據(jù)支持。

表5 各因素綜合權(quán)值

本文建立的模糊層次分析法模型能夠與地理信息系統(tǒng)有效結(jié)合，通過(guò)客觀事實(shí)和專(zhuān)家評(píng)分的方式給予具體影響因素量化處理，并進(jìn)行綜合分析，選出最優(yōu)方案。通過(guò)引入模糊分析法構(gòu)造模糊一致矩陣，解決了傳統(tǒng)層次分析法由于考慮因素較多而難以滿(mǎn)足判斷矩陣一致性校驗(yàn)的問(wèn)題，提高了效率；全面分析決策代替了傳統(tǒng)的考慮單一因素與片面經(jīng)驗(yàn)判斷，結(jié)果更加科學(xué)與準(zhǔn)確。

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2016-12-27）