基于信息熵的電網(wǎng)基建參與單位績效評價方法

柯方超，陳 然，唐學(xué)軍，王 梟，李 爽，周 蠡

(1.國網(wǎng)湖北省技經(jīng)技術(shù)研究院，湖北 武漢 430072；2.武漢大學(xué) 電氣與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430072)

新一輪信息技術(shù)革命蓬勃發(fā)展，推動全球加速進入數(shù)字經(jīng)濟時代。2020年以來，國家對新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)做出了重要部署[1]。加快新型數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，是電網(wǎng)向能源互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵[2]。國家電網(wǎng)公司從2018年底開始籌備建設(shè)“基建全過程綜合數(shù)字化管理平臺”，2018年底，國網(wǎng)基建部制定全過程平臺建設(shè)方案，2019年初正式立項開展工作。在第一階段，國網(wǎng)基建部組織了統(tǒng)一的頂層設(shè)計，梳理了全口徑的基建業(yè)務(wù)場景，選取了上海、湖南、安徽開展試點建設(shè)，并于年底發(fā)布試點成果。2020年，全過程平臺進入第二階段工作，3個試點單位繼續(xù)完善試點建設(shè)成果，省公司作為非試點單位克服疫情影響精心組織統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，提出“計劃不調(diào)、任務(wù)不減、目標不變、標準不降”的工作目標，制訂“全過程”、“全覆蓋”、“全方位”的推廣應(yīng)用方案，按照國網(wǎng)基建部要求，圓滿完成2020年平臺實施目標。為更好提升基建業(yè)務(wù)水平，推進基建業(yè)務(wù)信息化建設(shè)，切實為基建減負增效，需要開展基建全過程數(shù)字化管理平臺運營工作，助力基建業(yè)務(wù)及信息化建設(shè)上新臺階。

基建管理業(yè)務(wù)復(fù)雜、流程繁多、涉及到的人員眾多[3]，為加快推進基建各專業(yè)信息化建設(shè)，全面提升基建管理水平，促進電網(wǎng)建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展和數(shù)字化轉(zhuǎn)型，有必要開展基建全過程綜合數(shù)字化管理平臺運營工作。按照公司基建工作目標，需從以下幾個方面通過運營工作解決業(yè)務(wù)與應(yīng)用銜接問題：①工程現(xiàn)場自動感知能力薄弱，大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)仍需人工干預(yù)，在此過程中勢必存在數(shù)據(jù)缺失、遺漏和一致性問題；②基建項目涉及建管單位、施工單位和監(jiān)理單位，協(xié)同能力尚顯不足；③大量數(shù)據(jù)利用不充分。為解決上述問題，需進一步優(yōu)化基建項目參與單位業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法，建立更加完善的評價體系開展績效分析。主要的工作目標包括：①全面梳理基建項目業(yè)務(wù)流程與管理平臺中可獲得的參與單位數(shù)據(jù)，建立可用于績效考評的數(shù)據(jù)清單，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的初步搜集與整理；②深度挖掘數(shù)據(jù)清單中能夠體現(xiàn)基建項目實施水平的特征屬性，開展基建項目參與單位數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析；③針對基建項目中建管單位、施工單位和監(jiān)理單位的不同職責(zé)，通過特征數(shù)據(jù)刻畫各類單位基建項目參與規(guī)模與水平；④從基建進度、安全、質(zhì)量、技術(shù)、技經(jīng)和隊伍等方面構(gòu)建參與單位綜合績效評價體系，對評價指標進行獨立性分析；⑤充分發(fā)揮現(xiàn)有基建項目數(shù)據(jù)管理平臺價值，實現(xiàn)基建項目參與單位業(yè)務(wù)水平的綜合評價、分析與展示。

現(xiàn)有的研究與工程實踐中，評價體系的建立多依靠專家打分等主觀評價手段，劉偉濤等[4]介紹了德爾菲法的基本原理并對專家意見集成模式和機制進行了研究；徐藹婷[5]研究了德爾菲法的應(yīng)用難點和專家?guī)煨纬煞椒?。此類主觀測評為最終評價結(jié)果加入人為因素，影響結(jié)果的客觀真實性，而如何有效融合專家群評價結(jié)果是主觀評價過程中的另一個難點。另一方面，為充分利用過程數(shù)據(jù)，現(xiàn)有研究采用基于數(shù)據(jù)的客觀評價方式，李明等[6]運用層次分析法，建立風(fēng)險評估模型，將其應(yīng)用于某特高壓輸變電工程項目，實證評估施工安全風(fēng)險水平；李曉輝等[7]將層次分析法用于現(xiàn)狀電網(wǎng)的評估中，建立了高、中壓現(xiàn)狀配電網(wǎng)的評價體系；張繼剛等[8]設(shè)計了基于層次分析法的高壓直流供電質(zhì)量綜合評價模型，有效提高了高壓直流供電質(zhì)量綜合評價效能；田秀霞等[9]提出了基于層次分析法的電力終端安全評估方案，能夠有效地發(fā)現(xiàn)存在的安全風(fēng)險；李永等[10]指出傳統(tǒng)的層次分析法往往會導(dǎo)致判斷矩陣不滿足一致性條件，提出改進的模糊層次分析法；蘇紀臣等[11]提出了基于模糊層次分析法的電力系統(tǒng)基建項目自動化管理模型，能有效提高電力系統(tǒng)基建項目自動化管理水平和精準度；馮根福等[12]利用主成分分析法對其我國上市公司資本結(jié)構(gòu)形成可能的影響因素加以實證檢驗和分析；吳殿廷等[13]分析了主成分分析法作多指標綜合評價應(yīng)該注意的問題，及其適用場景；章穗等[14]建立了基于熵權(quán)法的中國“十五”期間的科學(xué)技術(shù)發(fā)展狀況評價模型，并給出“十一五”期間科技發(fā)展政策建議；程啟月[15]提出結(jié)構(gòu)熵權(quán)法，結(jié)合德爾菲法與模糊分析法形成“典型排序”，對“典型排序”按照給定的熵決策公式進行熵值計算、“盲度”分析，并對可能產(chǎn)生潛在的偏差數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理。但是，此類客觀評價方法完全依賴數(shù)據(jù)分布特點，例如熵權(quán)法(entropy weighting method, EWM)，當(dāng)某一指標下數(shù)據(jù)的差異性較大時，EWM將賦予該指標較大的權(quán)值。但是，考慮到該屬性對最終的績效評價貢獻程度可能不高，完全依靠數(shù)據(jù)差異度打分無法得到貼合實際的評價結(jié)果。為了克服單一客觀評價方法的缺陷，韓俊等[16]結(jié)合反熵權(quán)法和改進灰色關(guān)聯(lián)度法，確定中壓配電網(wǎng)接線模式中各個評估因素的權(quán)重；姜媛媛等[17]使用反熵權(quán)法和層次分析法分別計算指標的客觀權(quán)重與主觀權(quán)重，對配電網(wǎng)進行隱患評估。因此，筆者將結(jié)合基于熵權(quán)法的客觀評價和基于專家群體評價的主觀評價，提出基于信息熵的電網(wǎng)基建項目參與單位績效評價方法，利用最小交叉熵準則融合基于信息熵的客觀評價和基于專家評價的主觀評價，最終實現(xiàn)對各建管單位業(yè)務(wù)水平的綜合分析。

1 評價體系

多屬性決策問題是指當(dāng)對象包含多個屬性時，決策者需要明確如何處理這些屬性間的關(guān)系，最后綜合對象在各屬性下的表現(xiàn)而得到?jīng)Q策結(jié)果。例如，LOTFI等[18]將模糊香農(nóng)熵用于多屬性決策；HE等[19]將熵權(quán)法用于多屬性群體決策。多屬性決策問題必須考慮屬性內(nèi)部和屬性之間的相互關(guān)系，并為各個屬性確定合適的權(quán)重，ZHOU等[20]提出連續(xù)排序加權(quán)距離(continuous ordered weighted distance，COWD)在多屬性決策問題中確定權(quán)重。因此，筆者將基于熵權(quán)法的客觀評價和基于專家群體評價的主觀評價相綜合來確定屬性權(quán)重。評價體系的整體流程框圖如圖1所示。

圖1 融合主觀、客觀評價的綜合評價體系框圖

在建立評價模型前，首先對評價體系中所涉及的對象進行抽象化，即定義為四元數(shù)組，四元組中各個對象的含義如下：①O={oi|i=1,2,…,m}，表示m個評價對象，即考慮的省公司管理下的15家地、市建管單位；②A={ai|i=1,2,…,n}，表示n個評價指標；③D={di|i=1,2,…,l}，表示參與績效考評的l位專家；④X={xij|i=1,2,…,m;j=1,2,…,n}，即平臺中得到的m個評價對象在n個評價指標下的原始數(shù)據(jù)。

1.1 評價指標

評價指標的選取應(yīng)遵循系統(tǒng)科學(xué)性原則與全面可操作性原則，針對電網(wǎng)基建業(yè)務(wù)的基本特點，選取國網(wǎng)基建全過程平臺所有可獲取的量化數(shù)據(jù)以確保數(shù)據(jù)的完備性；依照國網(wǎng)基建全過程平臺的標準，將數(shù)據(jù)劃分為6個一級指標與16個二級指標以確保數(shù)據(jù)的合理性?；椖抗芾韱挝豢冃гu價指標如表1所示，項目規(guī)模指標代表建管單位所參與項目的規(guī)模大小，項目進度指標代表各單位所參與項目的進度是否及時完成，項目質(zhì)量指標代表電網(wǎng)單位所參與項目是否存在質(zhì)量問題，技術(shù)指標主要關(guān)注電網(wǎng)單位年度內(nèi)技術(shù)創(chuàng)新的應(yīng)用情況，技術(shù)經(jīng)濟指標代表財務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)，隊伍指標主要關(guān)注電網(wǎng)單位的人員構(gòu)成和人員的參與項目情況，各個一級指標從不同方面對電網(wǎng)單位進行考核，盡量保證數(shù)據(jù)的互斥性。

表1 基建項目管理單位績效評價指標

1.2 基于熵權(quán)法的客觀評價權(quán)重

SHANNON[15]認為信息熵是信息無序度的度量，信息熵越大，信息的無序度就越大，信息的效用就越低。因此，采用熵權(quán)法對不同指標的信息效用進行定量描述，從而根據(jù)不同指標的信息效用來確定它們在指標評價過程中的權(quán)重。

為了進行熵權(quán)法的客觀權(quán)重計算，首先對數(shù)據(jù)集X進行歸一化。采用min-max標準化方法，對原始數(shù)據(jù)xij進行線性變換[22]。需要注意的是指標體系中存在正向和負向指標：對于正向指標而言，原始數(shù)據(jù)值越大，最終評價得分就越高；對于負向指標而言，原始數(shù)據(jù)值越小，最終評價得分就越高。因此對正向指標歸一化，有：

?j∈A

(1)

式中：xij為第j個指標下第i個原始數(shù)據(jù)；min{xij,?i∈O}為第j個指標下原始數(shù)據(jù)的最小值；max{xij,?i∈O}為第j個指標下原始數(shù)據(jù)的最大值；yij為正向指標的xij歸一化后的數(shù)據(jù)。

對于負向指標，歸一化的表現(xiàn)形式為：

?j∈A

(2)

式中：yij為負向指標的xij歸一化后的數(shù)據(jù)。

將所有指標數(shù)據(jù)歸一化處理后，所有數(shù)據(jù)都標準化為了0到1之間，消除了不同指標間量級、量綱差別為評價結(jié)果帶來的影響。進一步，將所有指標的所有數(shù)據(jù)都映射到0到1之間，且和為1，將此時的數(shù)據(jù)視為信息系統(tǒng)中的概率，計算信息熵。pij表示數(shù)據(jù)的貢獻度，有：

(3)

式中：yij為第j個指標的第i個歸一化數(shù)據(jù)；pij為yij在第j個指標的貢獻度。

信息熵應(yīng)滿足單調(diào)性、非負性與累加性[21]。對于累加性，信息熵對多個獨立隨機事件(如X、Y)不確定性的總度量應(yīng)當(dāng)與對其中各個事件的不確定性的單一度量的累加和相等，即：

Hp(X=A,Y=B)=Hp(X=A)p(Y=B)=Hp(X=A)+Hp(Y=B)

(4)

式中：Hp(X=A,Y=B)為事件A和事件B同時發(fā)生的信息熵；Hp(X=A)p(Y=B)為當(dāng)X和Y是獨立隨機事件時事件A和事件B同時發(fā)生的信息熵；Hp(X=A)為事件A發(fā)生的信息熵；Hp(Y=B)為事件B發(fā)生的信息熵。P為事件發(fā)生的概率，H為信息熵。經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，H計算如式(5)所示?？紤]到信息熵與信息效用的反向關(guān)系，定義變異系數(shù)gj度量信息效用，如式(6)所示。各指標客觀評價權(quán)重α=[α1,α2,…,αn]T如式(7)所示。對于任意對象?i∈O，其最終客觀評價得分如式(8)所示。

(5)

gj=1-Hj

(6)

(7)

(8)

式中：pij為第j個指標下第i種情況發(fā)生的概率；Hj為第j個指標的信息熵；常數(shù)C的取值為1/lnm；gj為第j個指標的變異系數(shù)；αj為第j個指標的客觀評價權(quán)重；sci為第i個對象的客觀評價得分。

1.3 考慮群體決策的主觀評價

(9)

(10)

(11)

交叉熵能反映出兩個概率分布的差異性，差異性越大，對應(yīng)的交叉熵越大[23]，因此結(jié)合式(9)和式(10)可得最小化決策者權(quán)重與決策群體權(quán)重的差別，融合決策權(quán)重。θk為不同決策者評價權(quán)重的重要程度，可人為設(shè)定。利用KKT條件[26,27]可得式(9)和式(10)的解析解為：

(12)

1.4 主、客觀評價融合

在得到基于熵權(quán)法的客觀評價和基于專家評價的主觀評價后，再次采用最小交叉熵準則融合主觀評價和客觀評價，最終實現(xiàn)對電網(wǎng)建管單位的綜合績效評價。令綜合評價的指標權(quán)重為ω，構(gòu)建優(yōu)化模型，目標如式(13)所示，約束條件如式(14)所示：

minγD(ω‖β0)+(1-γ)D(ω‖α)

(13)

(14)

式中：γ為用于調(diào)整綜合評價結(jié)果中主、客觀評價的重要性的參數(shù)；ω為綜合評價指標權(quán)重；ωj為綜合評價中第j個指標的權(quán)重；D(ω‖β0)為ω和β0的交叉熵；α為客觀評價權(quán)重；D(ω‖α)為ω和α的交叉熵。

式(13)和式(14)的最優(yōu)解為：

(15)

2 評價結(jié)果分析

將提出的綜合評價體系用于建管單位的績效評價中，評價共涉及15家建管單位，用字母A～O表示。首先，利用基建全過程平臺獲取工程數(shù)據(jù)，如表2所示，基本項目信息表現(xiàn)形式包含項目建設(shè)狀態(tài)、電壓等級、線路長度、變電容量等的數(shù)據(jù)項，反映電網(wǎng)單位(各公司，即各個建管單位)業(yè)務(wù)規(guī)模?；诠こ虜?shù)據(jù)，統(tǒng)計分析各建管單位的數(shù)據(jù)表現(xiàn)，各公司的業(yè)務(wù)規(guī)模如圖2所示，可知公司F所開展的基建項目最多，公司H的業(yè)務(wù)規(guī)模相對較小，公司G的業(yè)務(wù)規(guī)模雖然不大，但涉及高壓交流與高壓直流輸電項目，結(jié)算費用最高，表明其較高的項目建設(shè)單價。

表2 建管單位業(yè)務(wù)規(guī)模統(tǒng)計數(shù)據(jù)

圖2 建管公司項目規(guī)模統(tǒng)計分析

基于搜集到的原始數(shù)據(jù)，根據(jù)式(1)～式(3)進行歸一化等處理，得到各建管單位原始數(shù)據(jù)在各二級指標下的貢獻度，然后根據(jù)熵值法確定指標權(quán)重。在二級指標的權(quán)重確定以后，可以得到二級指標下的評分，對二級指標下的評分按一級指標匯總求和，得到一級指標原始評分，對一級指標原始評分再次根據(jù)式(1)～式(3)進行歸一化等處理，得到各建管單位評分數(shù)據(jù)在各一級指標下的貢獻度。3個一級指標的貢獻度計算結(jié)果如圖3所示，可知該建管單位在某項指標上的數(shù)據(jù)表現(xiàn)越好，其貢獻度越大，反之則越小。由圖3(b)可知，公司G雖然項目規(guī)模不大，但是項目按時完成情況較好；由圖3(c)可知，公司J在采用“新材料”、“新技術(shù)”、“新工藝”方面表現(xiàn)突出，其“三新”項目應(yīng)用數(shù)量明顯高于其他建管單位。

對二級指標評分再次利用熵權(quán)法可得一級指標權(quán)重，如表3所示?？芍?，基于熵權(quán)法的客觀評價為“三新”應(yīng)用數(shù)量賦予較高權(quán)重，這是由于各建管單位“三新”應(yīng)用情況存在較大差距，可從圖3(c)看出。進一步，考慮到完全基于熵權(quán)法的客觀評價可能無法反應(yīng)人對指標重要程度的主觀側(cè)重，引入了基于專家評價的主觀評價，不同評價系統(tǒng)基于專家評價的主觀權(quán)重如表3所示。

引入了4位專家在完全獨立的兩個評價系統(tǒng)內(nèi)為相同的一級指標權(quán)重進行指定，兩個評價系統(tǒng)分別采用十分制和百分制進行指定。從權(quán)重賦值上看，主觀評價中基建項目的質(zhì)量被人為賦予了較高權(quán)重。采用最小交叉熵準則進行權(quán)重融合，令主觀、客觀重要度參數(shù)γ取值為0.6，可得專家群體評價權(quán)重和最終的綜合評價。

評價結(jié)果如圖4所示。在客觀評價結(jié)果中，公司K的得分最高(得分21)，與第2名的公司F(得分12)得分差異較大；在主觀評價結(jié)果中，公司K排名第2(得分21)，公司G的排名第1(得分24)，二者得分差異較小。因此，在綜合評價結(jié)果中，公司K(客觀評分第1，主觀評分第2)排名第1，公司G(客觀評分第4，主觀評分第1)和公司F(客觀評分第2，主觀評分第3)次之且得分相對接近?？傮w來看，綜合評價排名前3名的公司的主觀得分和客觀得分均在前4名以內(nèi)，且綜合評價排名第1的公司K的客觀評分排名第1，而綜合評價排名第2的公司G的主觀評分排名第1，綜合評價結(jié)果與主觀評價結(jié)果、客觀評價結(jié)果沒有明顯矛盾。

圖4 評價結(jié)果

對比項目質(zhì)量指標的主觀評價和客觀評價權(quán)重以及原始數(shù)據(jù)分布可知，由于人們主觀上更看重項目質(zhì)量，所以專家主觀評價中賦予該指標較高的權(quán)重，使得項目質(zhì)量的得分差距較大。但是各個公司在項目質(zhì)量指標上的原始數(shù)據(jù)差異較小，基于熵值法的客觀評價會賦予該指標較低的權(quán)重，由此體現(xiàn)客觀評價對主觀評價的修正作用。

同時，技術(shù)經(jīng)濟指標的原始數(shù)據(jù)分布差異較大，因此基于熵值法的客觀評價賦予該指標較高的權(quán)重。但是在實踐中，技術(shù)經(jīng)濟所涉及到的財務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)受計劃、實際情況變動以及各種偶然因素的影響，表現(xiàn)出一定的波動性，對該指標賦予較大的權(quán)重并不合適。主觀評價賦予技術(shù)經(jīng)濟指標較小的權(quán)重可以弱化偶然因素的干擾，體現(xiàn)主觀評價對客觀評價的修正作用。因此，融合主觀評價與客觀評價結(jié)果，得到的綜合評價將會更加全面可靠。

3 結(jié)論

提出了一種基于信息熵的電網(wǎng)基建項目參與單位績效評價方法，實現(xiàn)了電網(wǎng)基建項目管理單位的績效評價分析。該評價體系融合了主觀評價權(quán)重和客觀評價，利用基建過程管理平臺數(shù)據(jù)，基于熵權(quán)法得到各評價指標的客觀評價權(quán)重，又引入基于專家群體評價的主觀評價方法，得到主觀評價權(quán)重，最后選取最小交叉熵準則融合主觀評價權(quán)重和客觀評價權(quán)重，得到建管單位的綜合評價結(jié)果。將主觀評價與客觀評價相融合，使主觀評價與客觀評價結(jié)果相互修正，確保綜合評價結(jié)果的可靠性。

由于國網(wǎng)基建全過程平臺還在建設(shè)過程中，評價指標體系仍需完善，后續(xù)會根據(jù)國網(wǎng)基建全過程平臺的數(shù)據(jù)變動進一步優(yōu)化指標體系，以提高指標體系的完備性和合理性。同時，需引入其他更適合的客觀評價方法，并結(jié)合實踐經(jīng)驗優(yōu)化權(quán)重參數(shù)γ的取值。