基于層次分析法的水電站重大件運輸方案研究

胡意新，余卓軒

(中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024)

近年來，隨著工程建設項目的快速推進，水電工程建設項目的規(guī)模越來越大，而與這些規(guī)模巨大的水電站配套的設備尺寸也非常龐大，如水輪機、主變壓器等，這些設備形狀復雜、價格昂貴、精度較高，單件設備的質量從幾十噸到上千噸?？梢?，重大件運輸在整個水電站建設中占有重要地位。這些重大件往往是水電建設項目的關鍵核心設備，能否順利運送到水電站場區(qū)內，對水電工程能否順利開工、按時發(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備在鐵路、公路運輸中存在的問題，通過類比經濟分析確定轉運站選址最佳方案；何帆、王支榮[2]針對龍灘水電站機電設備公路運輸工程量大、運輸線路長、運輸周期長等特點，論述了解決龍灘水電站大件設備在鐵路、公路運輸中存在的問題；Tong等[3]提出了一個多目標的水電站重大件運輸隨機整數(shù)模型，并提出運用Benders分解算法求解；李修樹[4]針對我國大型水電站分布情況，分析了水電站機電設備重大件的運輸問題，詳細闡述了水電站水輪機、主變壓器及其他機電設備運輸中的難題，并提出了相應的解決措施及建議；吳祖淇[5]從運輸車輛選擇，另辟新途，排除道路障礙3個主要方面問題，論述百龍灘水電站水輪機大件運輸方式優(yōu)選并付諸實施，從而確保運輸安全；唐朝桂[6]通過對巖灘水電站水輪機大件運輸路線和運輸方案的調查和核實，從而確保大型水輪機能夠安全地運抵安裝現(xiàn)場，保證機組的按時投產發(fā)電。

本文基于層次分析法建立水電站重大件設備運輸?shù)臄?shù)學模型，并以敦化抽水蓄能電站重大件運輸線路的選擇進行初步分析。通過實例分析，提出該模型在水電站重大件運輸路線的選擇問題中具有較強的實用性。

1 數(shù)學模型

1.1 參數(shù)假設

1.1.1 路網(wǎng)的模型描述

水電站重大件運輸線路可以看作是網(wǎng)絡圖中的邊，邊的長度Lij表示該路段的長度，同時給該條邊賦予一定的權值W，表示水電站重大件由節(jié)點i→j通過該條邊的單位費用。水電站重大件從生產廠家運到施工現(xiàn)場的運輸問題反映到路網(wǎng)上就是在一個有限的路網(wǎng)范圍內，從設定的生產廠家S到施工現(xiàn)場T會有多個線路方案可供選擇，按照以總的運輸費用最小和花費時間最少的原則總能找到一條最優(yōu)的線路。路網(wǎng)的網(wǎng)絡模型如圖1所示。

圖1 路網(wǎng)網(wǎng)絡模型示意

1.1.2 路網(wǎng)參數(shù)的假設與設定

在上述模型確定的基礎上，構建合理的重大件運輸線路選擇網(wǎng)絡圖是設計水電站運輸重大件運輸線路選擇算法的重要因素。

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

(2)線路區(qū)段假設。在節(jié)點假設的基礎上，認為線路運行的區(qū)段均滿足大件貨物載運車輛的通行。

(3)路網(wǎng)的封閉性假設。假設路網(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輸方案。

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

1.2 線路選擇方案的基本模型

水電站重大件運輸?shù)倪\輸方案評價指標包括運輸時間、運輸距離、運輸成本、安全性和可靠性等指標。

層級結構最高層只有一個元素即決策目標：最合適的運輸路線。中間層次是有關決策的影響因素：主要有安全(安全性)、經濟(運輸距離和運輸成本)、技術(可靠性)和快捷(運輸時間)四個因素。安全因素主要是指由于所運輸?shù)脑O備屬于超重、超高、超限的水電站重大件，故在選擇運輸線路時要重點考慮所選線路的運輸條件要能完全確保運輸過程的安全。經濟因素主要指在重大件運輸線路選擇過程中，運輸距離和運輸費用對運輸線路選擇的影響。技術性影響因素主要是指運送重大件貨物的車輛或車組在運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)?？旖菪灾饕钢卮蠹O備運輸要滿足工程工期的要求，所選線路不同會造成運輸時間相差甚大，因此重大件貨物運輸選線一定要根據(jù)工期要求考慮時效性影響因素。同時，需要考慮到重大件運輸中橋梁涵洞、彎道、路基路面、縱橫坡以及其他因素對重大件運輸技術性、安全性、經濟性和時效性的影響。

綜上，水電站重大件運輸路線的層次結構為：①目標層，線路選擇的最優(yōu)性；②準則層，滿足技術性、安全性、經濟性要求和時效性準則；③子準則層，根據(jù)線路選擇過程中會遇到的障礙設定包括橋梁涵洞、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 算法設計

層次分析法(The Analytic Hierarchy Process， AHP)[7- 8]是美國著名的運籌學專家匹茲堡大學教授T.L Saaty于20世紀70年代提出的一種定性與定量分析相結合的多目標決策方法。用層次分析法進行系統(tǒng)決策時，首先要把決策問題層次化，將其按照總體目標、子層目標、評價準則和備選方案的順序分解至不同等級結構，其次求出低層級每個元素相對于上層級各個元素的優(yōu)先權重，再加權遞介至最高層級，最終權重最大的為最優(yōu)方案。具體步驟如下：

(1)構造層次模型。先對問題所涉及的因素進行分類，建立一個各因素相互連結層次結構模型。一般分為最高層、中間層、最低層。最高層為目標層，中間層為準則層和子準則層，最低層為方案層。畫出層次分析結構見圖2。

圖2 層次分析結構

(2)建立判斷矩陣。在層次分析法中，先對每一層中各元素的相對重要性給出判斷，這些判斷用合適的標度值表示出來。例如，某項目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，比值可構造判斷矩陣，其中，aij為Bi和Bj比較權重，當i=j時,aij=1,當i≠j時,aij=1/aji,aij按表1中元素間重要程度標度取值。

表1 元素間重要程度標度

表2 平均隨機一致性指標RI值

(5)計算綜合重要度，并進行綜合一致性檢驗。設準則層各要素對目標層的相對權重為ω1,ω2,…,ωk，方案層各要素對準則層的相對權重為?1i,?2i,…,?ni，方案層各方案對目標層的權重為

(1)

式中，Vj表示方案j的綜合權重。求出總排序后，進行總排序的一致性檢驗，即

(2)

式中，CIi為相應單排序一致性指標。

(6)根據(jù)綜合總排序選出最優(yōu)方案。

3 數(shù)值試驗

本文以敦化抽水蓄能電站重大件運輸為例，應用前文建立的模型進行計算分析。假定該項目所需的重大件由天津運往敦化。由于吉林省敦化市屬于內陸地區(qū)，考慮到該項目的重大件需要門到門的運輸，公路運輸是典型的門到門的運輸。因此，假定該項目的重大件選擇公路運輸?；谶\距、時間、運費等因素，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)構造判斷矩陣。在運用層次分析方法進行決策分析時，一般采用專家打分法進行分析，即每個專家都可以給出一個比較判斷矩陣，然后再根據(jù)這些比較判斷矩陣進行最終的決策?？梢圆捎帽容^判斷矩陣綜合法，即將各個專家的比較判斷矩陣綜合為一個判斷矩陣，然后求出這個矩陣的排序向量。常用的比較判斷矩陣綜合法有2種：加權幾何平均法和加權算術平均法。本算例采用幾何平均法來確定判斷矩陣，采用1-9標度法分別就各層對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。判斷矩陣是由專家根據(jù)各自的經驗評定給出，用上述計算權重方法時，當判斷矩陣過于偏離一致性，其可靠程度就不值得信任，因此，對于每一層次作單準則排序時，均需要作一致性檢驗。計算單層的單排序權值以及檢驗每個判斷矩陣的一致性。結果為

計算出所有單排序的CR均小于0.1，認為每個判斷矩陣的一致性都是可以接受的。

4 結 語

本文對水電站重大件設備在運輸過程中的線路選擇，運用層次分析法，建立了水電站重大件運輸?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輸作為實例進行了初步分析，從算例可以看出，采用層次分析對水電站重大件設備運輸路線進行優(yōu)選，能夠科學、客觀、準確地確定各評價指標的權重和各個方案的綜合權重，而且此方法簡潔、易實現(xiàn)、具有較好的實用性。