基于Fuzzy-AHP的輸變電工程評價系統(tǒng)設(shè)計

蔣 宇， 單鴻濤， 施一萍， 袁建平， 賈日晶

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201600)

0 引言

對輸變電工程項目進(jìn)行評價是電網(wǎng)企業(yè)提高決策水平的重要途徑。通過對已有的工程項目進(jìn)行總結(jié)分析，吸取實施過程中的經(jīng)驗教訓(xùn)，一方面，為未來決策提供量化指標(biāo)，規(guī)避風(fēng)險；另一方面有助于電網(wǎng)企業(yè)對后續(xù)的工程項目進(jìn)行改進(jìn)，改善項目投資，提高項目決策水平[1]。目前已有很多學(xué)者對輸變電工程項目進(jìn)行了評價研究，如文獻(xiàn)[2～4]運用模糊綜合評價法分別對輸變電工程的環(huán)境效益、安全性與項目風(fēng)險進(jìn)行了評價研究，缺乏綜合性的評價；此外，由于輸變電工程評價指標(biāo)的復(fù)雜性，考慮評價過程中產(chǎn)生的評價數(shù)據(jù)的多樣性與數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性，目前，缺乏一套完整的可供相關(guān)專家對輸變電工程進(jìn)行評價的系統(tǒng)；涉及輸變電工程的大部分評價還是以傳統(tǒng)的手工計算的形式?；诖耍疚倪\用模糊數(shù)學(xué)理論與AHP(層次分析法)相結(jié)合建立評價綜合模型，由該模型設(shè)計評價系統(tǒng)軟件；考慮評價軟件制作通常需要制作者具備專業(yè)的計算機編程能力，開發(fā)成本高，維護(hù)成本同樣很高；運用Microsoft Office Access數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)與Excel技術(shù)相結(jié)合[5],利用Access強大的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析能力[6]以及Excel精確快速的數(shù)據(jù)處理能力[7]，制作新一代的輸變電工程評價系統(tǒng)軟件。該評價系統(tǒng)的開發(fā)相對簡單、制作成本低、方便維護(hù)，給相關(guān)評價軟件的設(shè)計開發(fā)提供一種借鑒與參考。

1 構(gòu)建Fuzzy-AHP綜合評價模型

1.1 輸變電工程評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

構(gòu)建科學(xué)完善的評價指標(biāo)體系是建立評價模型的第一步。結(jié)合輸變電工程項目自身的特點[8]，遵循評價指標(biāo)體系的建立原則[9]；通過廣泛征求專家意見，根據(jù)項目全壽命周期理論，將整個輸變電工程分為準(zhǔn)備工作、施工、后期評價3個階段，以時間跨度為分段基準(zhǔn)進(jìn)行指標(biāo)體系的構(gòu)建[10]。該評價指標(biāo)體系共分為4層，其中第4層有24個定性指標(biāo)。

具體指標(biāo)選取構(gòu)建的評價指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 輸變電工程綜合評價指標(biāo)體系

1.2 AHP確定指標(biāo)權(quán)重

AHP(層次分析法)是一種將定量與定性相結(jié)合的、系統(tǒng)化的、層次化的主觀賦權(quán)方法[11]。利用層次分析法來計算評價因素的權(quán)重，基本流程如下：

(1)建立評價的層次結(jié)構(gòu)模型[12]，確定評價指標(biāo)集(如圖1所示)。

(2)采用1-9標(biāo)度法[13](如表1所示)，通過兩兩比較來構(gòu)造相對重要性判斷矩陣[14]。

表1 指標(biāo)標(biāo)度的含義

表2 RI取值

(4)采用基于特征值法的組合賦權(quán)法求取權(quán)重[18]。將乘積方根法與列和求逆法計算的指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，由此得出最終的指標(biāo)權(quán)重。該方法大大提高了指標(biāo)賦權(quán)的客觀性與準(zhǔn)確性，具體計算步驟如下所示。

①采用乘積方根法求取權(quán)重[19]。即設(shè)n階判斷矩陣為：

②采用列和求逆法求取指標(biāo)權(quán)重。

最后，加權(quán)平均乘積方根法與列和求逆法計算的指標(biāo)權(quán)重，得出最終權(quán)重w，w=(wj+wj′)/2。

1.3 模糊綜合評價

模糊綜合評價是模糊數(shù)學(xué)理論實際應(yīng)用的一種表現(xiàn)形式，主要應(yīng)用于多因素影響事物全面評價中。評價模型構(gòu)建流程如下:

(1)建立評價因素集(指標(biāo)集)，U={U1,U2,…,Um}。

(2)建立權(quán)重集[20]，對各個因素Ui(i=1,2,…,n)賦予一相應(yīng)的權(quán)數(shù)wi(i=1,2,…,n)，各權(quán)數(shù)所組成的集合W={w1,w2,…,wm}稱為因素權(quán)重集，各個指標(biāo)的權(quán)重通過AHP法確定。

(3)建立評語集V={v1,v2,…,vm}=(優(yōu)，良，中，差)[21]。

(5)建立綜合評價模型[22]。B=w°R其中°為模糊算子[23]，w為權(quán)重向量[24]，B為每一層評價后的結(jié)果。得到綜合評價結(jié)果后依據(jù)最大隸屬度原則[25]，就可以判定最終的評價結(jié)果。

2 輸變電工程評價系統(tǒng)的設(shè)計

Access與Excel都是微軟公司旗下的產(chǎn)品[26]，其中Access是一個將數(shù)據(jù)庫引擎的圖形界面與其他軟件開發(fā)工具相結(jié)合的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，它具有強大的統(tǒng)計分析能力，并可以直接導(dǎo)入或鏈接其他數(shù)據(jù)；而Excel是一款主流的辦公軟件，它的內(nèi)部包含大量公式函數(shù)可選，具有高效而精確的數(shù)據(jù)計算能力。文中采用Microsoft Office Access2007版本與Excel相結(jié)合進(jìn)行輸變電工程評價系統(tǒng)軟件設(shè)計，通過Access搭建數(shù)據(jù)庫表格與軟件評價界面，其中軟件評價界面會將用戶的評價數(shù)據(jù)收集到數(shù)據(jù)庫表格進(jìn)行保存，然后將其導(dǎo)入Excel中，在Excel中進(jìn)行評價數(shù)據(jù)的處理，并最終得出評價結(jié)果。輸變電工程評價系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 輸變電工程評價系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫表格搭建

數(shù)據(jù)庫表格用于接收Access軟件評價時評價人員輸入的數(shù)據(jù)，即主要用于評價數(shù)據(jù)的收集與保存工作。而在設(shè)計評價系統(tǒng)軟件之前，建立好評價時所用的數(shù)據(jù)庫表格是開始的第一步。根據(jù)Access軟件設(shè)計功能需求與上文評價模型中構(gòu)建的指標(biāo)體系，輸變電工程數(shù)據(jù)庫表格的搭建步驟如下：

(1)搭建評價人員登錄的表格。表格的內(nèi)容有單位、工號、姓名和職位。主要存放評價人員的具體信息。

(2)對一到四級指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫表格的搭建。分析各層指標(biāo)的特性，一二級指標(biāo)相對較少，因此可以將一二級指標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)分別存放到一個表中；三級四級指標(biāo)較多，若將兩者存放到同一個表中，可能會導(dǎo)致表中數(shù)據(jù)較多，不利于分析情況，為此將三四級指標(biāo)分成幾塊存放于數(shù)據(jù)表中。

綜上所述，完成評價系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫表格的搭建。而在建立了相關(guān)的表格以后，要求相關(guān)字段中評價時填入相應(yīng)的內(nèi)容，因此要對相應(yīng)表格中的字段做數(shù)據(jù)類型的設(shè)定。比如信息等字段所要填入的為文本信息，評價指標(biāo)等字段要求輸入的值為數(shù)字格式。而這些數(shù)據(jù)的格式，通過Access的“設(shè)計視圖”功能塊中的“數(shù)據(jù)類型”進(jìn)行設(shè)置。評價系統(tǒng)部分?jǐn)?shù)據(jù)庫表格設(shè)計如圖3所示。

圖3 評價系統(tǒng)部分?jǐn)?shù)據(jù)庫表格設(shè)計

2.2 Access軟件操作界面設(shè)計

窗體(即評價界面)是Access數(shù)據(jù)庫的對象之一，它是用戶和Access數(shù)據(jù)庫交互的圖形界面，便于用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入，以及實現(xiàn)各項數(shù)據(jù)庫的控制功能。輸變電工程評價系統(tǒng)整體界面設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 評價系統(tǒng)整體界面設(shè)計流程圖

通過6個界面的設(shè)計，滿足了通過Access評價軟件進(jìn)行評價人員信息的記錄與評價數(shù)據(jù)的收集與保存工作。對應(yīng)的評價信息，將被相應(yīng)的保存在搭建好的數(shù)據(jù)庫表格中。選取部分軟件操作界面進(jìn)行展示，如圖所示：圖5為評價系統(tǒng)歡迎界面。圖6為評價系統(tǒng)權(quán)重評價界面。圖7為評價系統(tǒng)子質(zhì)量評價界面。

圖5 評價系統(tǒng)歡迎界面

圖6 評價系統(tǒng)權(quán)重評價界面

圖7 評價系統(tǒng)子質(zhì)量評價界面

2.3 Excel數(shù)據(jù)處理設(shè)計

結(jié)合前文所述Fuzzy-AHP評價模型，將評價算法進(jìn)行算術(shù)拆分，在Excel工作簿中，通過在指定單元格所對應(yīng)的函數(shù)欄中編輯公式函數(shù)來進(jìn)行評價算法的設(shè)計。具體設(shè)計方法如下所示。

(1)通過選擇Excel的“數(shù)據(jù)”菜單，導(dǎo)入評價完成的Access數(shù)據(jù)庫表格，并將其設(shè)置在Excel工作簿中的特定單元格區(qū)域塊內(nèi)。

(2)利用Excel的公式函數(shù)，根據(jù)(1)中導(dǎo)入的Access數(shù)據(jù)庫表格的位置，選擇與之相對應(yīng)的單元格，進(jìn)行函數(shù)編輯。由于篇幅有限，以第一級指標(biāo)評價權(quán)重求取方法為例，Excel單元格中的詳細(xì)編輯方法與算法如下所示：

①根據(jù)一級指標(biāo)Access數(shù)據(jù)庫表格的格式，在Excel工作簿中，選擇L、M、N、O四列導(dǎo)入一級指標(biāo)數(shù)據(jù)庫表格。L列為評價人員ID值，M、N、O三列分別記錄評價數(shù)據(jù)。

②將Fuzzy-AHP評價模型中的權(quán)重算法進(jìn)行拆分，分別進(jìn)行單元格公式編輯。

第一步：求列平均。M1、N1、O1所對應(yīng)的單元格函數(shù)欄中分別編輯公式“=AVERAGE(表_項目.accdb_1[[#全部],[準(zhǔn)備工作階段]])”、“=AVERAGE(表_項目.accdb_1[[#全部],[施工階段]])”、“=AVERAGE(表_項目.accdb_1[[#全部],[后期評價]])”。三組公式的編輯，成功將Access數(shù)據(jù)庫表格中的一級指標(biāo)評價數(shù)據(jù)引入。

第二步：根據(jù)第一步的數(shù)據(jù)在指定位置構(gòu)造判斷矩陣，判斷矩陣Excel工作簿中對應(yīng)單元格所對應(yīng)的函數(shù)欄編輯內(nèi)容如表3所示。

表3 一級指標(biāo)基于Excel函數(shù)的判斷矩陣

第三步：由乘積方根法獲取指標(biāo)權(quán)重w1。方法如下：在M10-M12單元格對應(yīng)的函數(shù)欄中分別編輯公式“=GEOMEAN(M6:O6)”、“=GEOMEAN(M7:O7)”、“=GEOMEAN(M8:O8)”求出行幾何平均；在M13單元格對應(yīng)的函數(shù)欄中編輯“=SUM(M10:M12)”求出平均和，最后通過在單元格M16-M18對應(yīng)的函數(shù)欄中分別編輯公式“=M10/M13”、“=M11/M13”、“=M12/M13”，即可求出權(quán)重w1。

第四步：由列和求逆法獲取指標(biāo)權(quán)重w2。方法如下：在單元格M20-M22對應(yīng)的函數(shù)欄中分別編輯“=1/SUM(M6:M8)”、“=1/SUM(N6:N8)”、“=1/SUM(O6:O8)”求取“1/列和”；然后在單元格M24-M26對應(yīng)的函數(shù)欄中分別編輯“=M20/N20”、“=M21/N21”、“=M22/N22”即可求出權(quán)重w2。

最后，加權(quán)平均由M30-M32單元格所對應(yīng)的函數(shù)欄中編輯“=(M16+M24)/2”、“=(M17+M25)/2”、“=(M18+M26)/2”即可求出最終權(quán)重w。

同理，根據(jù)在Excel工作簿中導(dǎo)入的Access數(shù)據(jù)庫表格，在特定的單元格所對應(yīng)的函數(shù)欄中進(jìn)行對應(yīng)公式函數(shù)的編輯，即可得到最終的評價結(jié)果。綜上所述，結(jié)合Access與Excel的相關(guān)設(shè)計即可完成該輸變電工程評價系統(tǒng)軟件。

3 實例評價

以湖南長沙地區(qū)某220 kV輸變電工程為例進(jìn)行評價研究。該輸變電工程占地5.32萬m2，總投資達(dá)3.12億元，于2011年1月開工，歷時18個月修建，并于2012年9月投入運行。

筆者邀請國網(wǎng)湖南省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院的5位電網(wǎng)專家利用本文制作的輸變電工程評價系統(tǒng)軟件對該輸變電工程進(jìn)行打分評價。而評價數(shù)據(jù)過于龐大，由于篇幅有限，選取一級指標(biāo)評價數(shù)據(jù)與最后一級模糊綜合評價數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。如表4，表5，表6所示。

表4 一級指標(biāo)Access評分?jǐn)?shù)據(jù)

表5 一級指標(biāo)權(quán)重Excel計算數(shù)據(jù)

表6 最后一級模糊綜合評價Excel計算數(shù)據(jù)

其中，表4為筆者整理的Excel工作簿中導(dǎo)入的一級指標(biāo)Access評分?jǐn)?shù)據(jù)。專家通過評價系統(tǒng)軟件進(jìn)行打分，數(shù)據(jù)匯總到Access數(shù)據(jù)庫表格進(jìn)行保存；將其導(dǎo)入Excel，得表4數(shù)據(jù)。表中ID值為5位專家的身份編號，M、N、O列中的數(shù)據(jù)為對應(yīng)指標(biāo)的打分情況。

表5為Excel工作簿中計算一級指標(biāo)權(quán)重值的數(shù)據(jù)結(jié)果。根據(jù)前文所述，在Excel特定單元格對應(yīng)的函數(shù)編輯欄中進(jìn)行公式編輯，當(dāng)評價數(shù)據(jù)導(dǎo)入之后，Excel立刻計算得出結(jié)果，該過程快速而準(zhǔn)確。

而表6為Excel工作簿中最后一級模糊評價的數(shù)據(jù)。分析表格中的評價數(shù)據(jù)，根據(jù)表格最后一行的數(shù)據(jù)值，0.509 9為最大值，由最大隸屬度原則可得該輸變電工程的綜合評價為良等級。

4 結(jié)論

本文結(jié)合AHP法與模糊數(shù)學(xué)理論，構(gòu)建基于Fuzzy-AHP的輸變電工程模糊綜合評價模型。結(jié)合該模型，利用Microsoft Office Access數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)與Excel技術(shù)，完成了輸變電工程評價系統(tǒng)軟件的設(shè)計。該評價系統(tǒng)軟件開發(fā)成本低，方便維護(hù)；具有良好的用戶界面，操作方便。為相關(guān)專家進(jìn)行輸變電工程的評價工作提供了一個重要的平臺。而結(jié)合實例評價分析，通過該軟件得出的評價結(jié)果與實際情況一致，也證明了該軟件的可行性，可以為輸變電工程的評價系統(tǒng)軟件設(shè)計提供一種參考與借鑒。

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