基于層次分析法與模糊評價的輸電線路路徑選擇

劉宇彬 ，王克燕，葉嘉誠 ，張 鵬

（1.湖南送變電勘察設(shè)計咨詢有限公司，湖南 長沙 410014；2.中國葛洲壩集團電力有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443000）

0 引言

架空輸電線路路徑方案選擇是指在設(shè)計過程中，針對初步選定的幾種路徑方案，綜合考慮線路長度、地形地貌、氣象條件、交通運輸、運行環(huán)境及地方規(guī)劃等因素進行比較，最終選定經(jīng)濟技術(shù)合理、運行安全可靠、環(huán)境和諧友好的路徑方案。只有在路徑方案確定后，才能進一步對導(dǎo)線、絕緣子、金具、桿塔規(guī)劃與排位、桿塔材料和結(jié)構(gòu)型式、基礎(chǔ)型式與土石方工程量等技術(shù)方案展開優(yōu)化工作。輸電線路路徑是影響工程建設(shè)最關(guān)鍵的因素［1］。

輸電線路路徑設(shè)計工作，是由設(shè)計人員在地圖上繪制多個方案，然后通過現(xiàn)場初勘和資料分析，比較各個方案的經(jīng)濟性和科學(xué)性，選擇出最佳方案。比較方案時以經(jīng)濟性為主。這種方法僅考慮單一因素，因此選擇的路徑不具備全面科學(xué)性?，F(xiàn)階段的輸電線路路徑方案優(yōu)選，要求設(shè)計人員既要分析線路亙長、施工運行條件、地形地質(zhì)條件等技術(shù)問題，同時也要顧及線路投資、走廊費用、材料消耗量等經(jīng)濟問題，還要考慮線路的運行、環(huán)保以及可持續(xù)發(fā)展，影響因素復(fù)雜繁多，需要借助數(shù)學(xué)分析方法完成線路路徑優(yōu)選工作［1-2］。

國內(nèi)外對電力線路路徑優(yōu)化問題有少量研究，有一些決策分析方法與人工智能算法被運用到輸電線路路徑選擇上，對輸電線路的路徑選擇給予了技術(shù)支撐。文獻［3］提出了一種運用層次分析法的輸電線路路徑方案優(yōu)選方法。文獻［4］中采用模糊綜合評價法結(jié)合專家理論進行輸電線路路徑方案評估。上述文獻的不足在于建立的評價體系側(cè)重經(jīng)濟性比較，并不能全面涵蓋影響路徑選擇的全部因素。文獻［5］將輸電線路路徑優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成運籌學(xué)、計算機科學(xué)中帶約束的最優(yōu)化問題，建立線路路徑優(yōu)化模型，基于禁忌搜索算法進行路徑選擇。文獻［6］建立了基于改進蟻群算法的高壓輸電線路路徑自動搜索模型，實現(xiàn)了輸電路徑的跨越式搜索和障礙的規(guī)避。文獻［7］基于元胞自動機模型和蟻群算法思想，針對輸電線路設(shè)計的特點，建立了輸電線路路徑自動選擇模型，實現(xiàn)了計算機對輸電線路路徑的智能選擇。上述研究是基于啟發(fā)式的人工智能算法進行最優(yōu)路徑選擇，缺陷在于影響線路建設(shè)的因素極為復(fù)雜，智能算法選擇的路徑仍需要人為干預(yù)，基本無法應(yīng)用于工程實際。

根據(jù)工程經(jīng)驗，建立了包含建設(shè)因素、環(huán)境因素、社會因素、運行因素等指標(biāo)的路徑方案綜合評價模型，提出了一種基于層次分析法與模糊評價相結(jié)合的輸電線路路徑評價方法，可以對初步選擇的多種路徑方案進行比較，得出最優(yōu)的路徑方案。

1 輸電線路路徑評價模型

1.1 輸電線路路徑評價指標(biāo)

輸電線路路徑的影響因素是多樣的，有的對建設(shè)過程中實際發(fā)生的費用直接構(gòu)成影響；有的會對后期運行維護產(chǎn)生影響，有的在建設(shè)過程中對人文環(huán)境帶來一定影響，有的會在運行多年后逐漸產(chǎn)生影響，增加隱性成本。

因此，輸電線路設(shè)計路徑時，應(yīng)從建設(shè)因素、環(huán)境因素、社會因素、運行因素4個方面考慮，綜合平衡線路工程對各個因素的影響。

1）建設(shè)因素。由于不同的路徑方案對工程建設(shè)有一定的影響，將直接反映在輸電線路的本體投資上。細(xì)化建設(shè)因素，具體到可以量化或可以定性分級的指標(biāo)因子，包括線路長度、交通運輸狀況、污穢等級、氣象條件、地形地質(zhì)情況、交叉跨越情況。

2）環(huán)境因素。環(huán)境因素是現(xiàn)今工程建設(shè)相當(dāng)關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。由于不同的路徑方案穿越地區(qū)的地理因素不同，從而導(dǎo)致的對于環(huán)境的影響各不相同，具體分為電磁環(huán)境影響、水保影響、居住環(huán)境影響。

3）社會因素。不同的路徑方案需要考慮不同的地方政策和風(fēng)土人情，社會因素主要可以量化為占用地情況、土地協(xié)調(diào)難度、對城鄉(xiāng)規(guī)劃影響等3個方面。

4）運行因素。運行因素即輸電線路建成后的一系列影響因素，可以量化為運行可靠性、運行維護費用、運行維護難度。

1.2 評價體系的建立

根據(jù)影響輸電線路路徑的因素及每個因素下細(xì)化的各項指標(biāo)，可以建立以輸電線路路徑最優(yōu)為目標(biāo)的評價體系，如圖1所示。體系的第1層為目標(biāo)層，即輸電線路路徑最優(yōu)。第2層為因素層，是影響輸電線路路徑選擇的4大關(guān)鍵因素：建設(shè)因素、環(huán)境因素、社會因素、運行因素。第3層為指標(biāo)層，為各類影響因素下的單項指標(biāo)。

圖1 輸電線路路徑優(yōu)選層次結(jié)構(gòu)

在建立了以路徑方案最優(yōu)為目標(biāo)的多層次輸電線路評價模型后，根據(jù)不同電壓等級、不同的項目所在地、不同的地方政策要求，定性與定量相結(jié)合地評價各方面因素下相應(yīng)指標(biāo)對路徑方案最優(yōu)的權(quán)重影響因子。由于不同的輸電線路有不同的建設(shè)要求，各單項指標(biāo)對因素層的影響程度有所差異，進而對輸電線路路徑最優(yōu)的目標(biāo)影響也有所不同。最終不同的路徑方案在每個單項指標(biāo)上的比較結(jié)果，直接影響路徑最優(yōu)這一目標(biāo)。

2 基于層次分析法的路徑方案模糊評價方法

由建立的輸電線路評價體系可以知道，輸電線路路徑方案具有多目標(biāo)性、多約束性、復(fù)雜性與動態(tài)不確定性等特點，各項指標(biāo)對于目標(biāo)的影響權(quán)重會根據(jù)不同的輸電線路建設(shè)要求有所差異，需要人為根據(jù)建設(shè)要求與外部影響調(diào)控。根據(jù)不同輸電線路工程建設(shè)情況，考慮采用層次分析法對輸電線路路徑評價模型各項指標(biāo)進行權(quán)重影響分析。

2.1 層次分析法

層次分析法是一種比較分析相結(jié)合，定性分析和定量計算同時運用的決策方法，能解決多目標(biāo)的復(fù)雜問題。該方法用決策者的經(jīng)驗判斷各指標(biāo)之間對實現(xiàn)目標(biāo)的相對重要程度，能有效解決難以定量分析的問題［4］。

層次分析法的思想是首先通過建立清晰的層次結(jié)構(gòu)分解復(fù)雜問題，將各個評判指標(biāo)分成不同的層；要通過2種方式確定各因素的相對重要性，然后由決策者綜合判斷，以確定排名決策的相對總目標(biāo)重要性，最后計算綜合權(quán)重方案和排序。

采用層次分析法對路徑選擇單項指標(biāo)的影響分析，可以分為3個步驟。

1）構(gòu)造因素與因素、指標(biāo)與指標(biāo)間的判據(jù)矩陣。

基于已建立好的輸電線路路徑評價模型，把目標(biāo)決策問題層次化。在同一層次內(nèi)，指標(biāo)之間進行兩兩比較，構(gòu)造兩兩判斷矩陣。即因素層內(nèi)建設(shè)因素、環(huán)境因素、社會因素、運行因素進行重要度相互比較。同一因素下的指標(biāo)，也進行重要度相互比較。如建設(shè)因素A1的下一層指標(biāo)線路長度B1、交通運輸狀況 B2、污穢等級 B3、氣象條件 B4、地形地質(zhì)情況 B5、交叉跨越情況B6之間相互比較，則構(gòu)造判據(jù)矩陣P。

式中：bij為建設(shè)因素A1下Bi相對于Bj的重要性，bij取1～9，取值含義如表1所示。

表1 標(biāo)度法含義

2）層次單排序及其一致性檢驗。

對于上一層而言，本層次各指標(biāo)依據(jù)重要性排序。本質(zhì)上是在構(gòu)建了判斷矩陣后，利用一定數(shù)學(xué)方法進行權(quán)重計算［3-4］。

3）層次總排序與檢驗。

總排序是指每一個判斷矩陣各因素針對目標(biāo)層（最上層）的相對權(quán)重，計算采用從上而下的方法，逐層合成。根據(jù)不同輸電線路的建設(shè)要求，總排序可以得到最下層每項指標(biāo)對于目標(biāo)路徑最優(yōu)的權(quán)重影響。

2.2 模糊綜合評價法

模糊綜合評價是通過構(gòu)造等級模糊子集把反映被評事物的模糊指標(biāo)進行量化（即確定隸屬度），然后利用模糊變換原理對各指標(biāo)綜合比較。該種方法主要是根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價。即用模糊數(shù)學(xué)對受到多種因素制約的事物做出一個總體的評價。它具有結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強的特點，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決［8］。

就輸電線路優(yōu)選工作而言，模糊綜合評價法是對影響輸變電工程送電線路路徑的多種因素，通過運用模糊數(shù)學(xué)的模型理論，對備選路徑進行評價選擇。模糊評價由以下5個步驟組成。

1）確定評價對象的評價指標(biāo)集U。

式中：un為對評價對象進行評價的第n個指標(biāo)。

2）確定評語集。評語集為評價對象可能做出的各種評語組成的集合V，評語主要以定性描述方式表征評價對象的優(yōu)劣程度。

式中：vm為第m個評語。

3）確定各評價指標(biāo)對于評價對象權(quán)重向量，表示為 A＝（a1，a2，…，an）。本文可采用層次分析法確定各指標(biāo)對于評價對象的影響權(quán)重。

4）確定評價矩陣R。評價矩陣為

式中：rnm為評價對象第n個指標(biāo)對于第m個評語隸屬度。評價矩陣一般通過專家打分系統(tǒng)進行主客觀綜合評價構(gòu)建［8］。

5）進行模糊綜合判斷。

利用權(quán)重向量A與各被評事物的評價矩陣R進行合成，得到各被評事物的模糊綜合評價結(jié)果向量 C。 即：C=A×R=（c1，c2，…，cn）

最終依據(jù)模糊綜合評價結(jié)果向量，對評價對象的優(yōu)劣程度進行綜合評判，實際中最常遵從最大隸屬度原則，對于多個被評事物并可以依據(jù)其等級位置進行排序［8］。

3 應(yīng)用案例

以湖南邵陽地區(qū)某220 kV輸電線路為例，比較初勘選定的3個路徑方案，得出優(yōu)選結(jié)果。

1）根據(jù)輸電線路評價模型，羅列3個路徑方案作為評價對象，各評價對象的評價指標(biāo)如表2所示。

2）基于輸電線路評價模型，采用層次分析法，計算各單項指標(biāo)對于路徑方案最優(yōu)這一目標(biāo)的影響權(quán)重。構(gòu)造輸電線路評價體系各層級間判據(jù)矩陣，各層級指標(biāo)間的相對重要程度是根據(jù)不同電壓等級、不同的項目所在地、不同的地方政策要求，人為調(diào)整適應(yīng)的。本工程建設(shè)因素A1、環(huán)境因素A2、社會因素A3、運行因素A4相互間重要程度的判據(jù)矩陣為

建設(shè)因素A1、環(huán)境因素A2、社會因素A3、運行因素A4所下轄的各單項指標(biāo)間的判據(jù)矩陣為

表2 3種方案指標(biāo)情況

以上判據(jù)矩陣均通過一致性檢驗。

經(jīng)計算，路徑長度B1、交通運輸狀況B2、污穢等級B3、氣象條件B4、地形地質(zhì)情況B5、交叉跨越情況B6相對于建設(shè)因素A1而言的權(quán)重影響為

電磁環(huán)境影響B(tài)7、水保影響B(tài)8、居住環(huán)境影響B(tài)9相對于環(huán)境因素A2而言的權(quán)重影響為

土地協(xié)調(diào)難度B10、占用地情況B11、對遠(yuǎn)期規(guī)劃影響B(tài)12相對于社會因素A3而言的權(quán)重影響為

運行可靠性B13、運行維護費用B14、運行維護難度B15相對于運行因素A4而言的權(quán)重影響為

建設(shè)因素A1、環(huán)境因素A2、社會因素A3、運行因素A4相對于目標(biāo)路徑方案最優(yōu)的權(quán)重影響為

根據(jù)層次分析法指標(biāo)權(quán)重的逐層合成，路徑長度 B1、交通運輸狀況 B2、污穢等級 B3、氣象條件 B4、地形地質(zhì)情況B5、交叉跨越情況B6、電磁環(huán)境影響B(tài)7、水保影響B(tài)8、居住環(huán)境影響B(tài)9、土地協(xié)調(diào)難度B10、占用地情況B11、對遠(yuǎn)期規(guī)劃影響B(tài)12、運行可靠性B13、運行維護費用B14、運行維護難度B15各項具體指標(biāo)相對于輸電線路路徑最優(yōu)這一目標(biāo)的權(quán)重影響A為

單項指標(biāo)權(quán)重值越高，對于路徑最優(yōu)這一目標(biāo)的影響越大。

3）在計算得出各項具體指標(biāo)對路徑最優(yōu)的影響權(quán)重后，再對3種路徑方案進行模糊評價。

先根據(jù)本文3.2節(jié)中模糊評價的第一步，構(gòu)建評價等級：

然后根據(jù)專家調(diào)查法整理出3種路徑方案的評價調(diào)查表，并根據(jù)調(diào)查表構(gòu)建模糊判據(jù)矩陣R。3個方案的判據(jù)矩陣R如表3所示。

表3 3種方案評價結(jié)果

結(jié)合前文計算出得權(quán)重影響A，方案1的模糊綜合評價結(jié)果向量為

方案2的模糊綜合評價結(jié)果向量為

方案3的模糊綜合評價結(jié)果向量為

根據(jù)計算結(jié)果，結(jié)合最大隸屬度原則分析，路徑方案2與路徑方案3總體模糊評價介于優(yōu)秀與較好之間。而路徑方案1總體模糊評價為優(yōu)秀。故初勘選定的3個路徑方案中，方案1為兼顧各項因素最優(yōu)的路徑方案。

4 結(jié)語

基于我國目前對輸電線路設(shè)計中路徑方案選擇的要求，提出了一種基于層次分析法與模糊評價的路徑方案比選方法。建立包含建設(shè)因素、環(huán)境因素、社會因素、運行因素等指標(biāo)集的輸電線路路徑評價模型，針對不同電壓等級、不同的項目所在地、不同的地方政策要求，采用層次分析法對各指標(biāo)權(quán)重影響分析；基于各指標(biāo)權(quán)重影響下，對初步選擇的多種路徑方案進行模糊評價，可以比選得出最優(yōu)的路徑方案。通過具體工程實例驗證了所提方法的可行性，該方法可以為輸電線路路徑優(yōu)選提供方案支撐。