長河壩水電站初期施工導(dǎo)流方案的風(fēng)險決策研究

周德彥，李學(xué)權(quán)，劉亞洲

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都610072)

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長河壩水電站初期施工導(dǎo)流方案的風(fēng)險決策研究

周德彥，李學(xué)權(quán)，劉亞洲

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都610072)

水電站施工導(dǎo)流方案的決策是一個復(fù)雜的不確定性問題。通過引入?yún)^(qū)間數(shù)學(xué)理論和群組決策思想，建立風(fēng)險決策區(qū)間分析方法對水電站施工導(dǎo)流方案進行決策。該方法采用區(qū)間數(shù)表示評價指標(biāo)屬性值，體現(xiàn)其風(fēng)險決策過程所具有的不確定性；基于群組決策的不確定型AHP法確定評價指標(biāo)的權(quán)重，便于充分利用專家群體的智慧和經(jīng)驗。將該分析方法應(yīng)用于長河壩水電站工程中的初期施工導(dǎo)流方案中，對30年一遇和50年一遇的施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)進行風(fēng)險決策，應(yīng)用結(jié)果驗證了所建立的分析方法合理可行。

施工導(dǎo)流；風(fēng)險決策；區(qū)間數(shù)學(xué)理論；群組決策；風(fēng)險分析方法；長河壩水電站

1 工程概況

1.1 研究背景

水電工程的施工導(dǎo)流影響著其建設(shè)全過程，施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的確定非常重要，不僅影響整個工程的施工安全，也影響著工期和工程造價。在水電工程建設(shè)中，選擇經(jīng)濟可行的導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)，確定合理可行的導(dǎo)流方案，有助于減少建設(shè)造價和縮短施工工期。

長河壩水電站作為我國西南水電開發(fā)的許多大型工程之一，為一等大(1)型工程，壩址處河谷狹窄、地勢險峻。如何在考慮費用、工期及風(fēng)險等父母因素，最終確定一個最優(yōu)方案是一個很大的難題。由于上述指標(biāo)單位不一樣，衡量的標(biāo)準(zhǔn)也不一樣(即存在不可公度性)。因此，研究這類具有不確定性區(qū)間數(shù)、多屬性決策問題具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值，引入風(fēng)險分析理論進行研究時一種良好的研究途徑。

1.2 工程背景

長河壩水電站樞紐工程由礫石土心墻堆石壩、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)、右岸一條深孔泄洪洞、兩條開敞式泄洪洞和一條放空洞等建筑物組成。電站總裝機2 600 MW，正常蓄水位1 690.00 m，壩頂高程1 697.00 m，最大壩高約240.0 m，總庫容11.4億m3。

2 風(fēng)險決策分析方法

2.1 綜合評價模型

建立施工導(dǎo)流方案風(fēng)險決策的綜合評價模型，根據(jù)現(xiàn)有的相關(guān)研究成果，其基本原理如圖1 所示。本模型由方案層、準(zhǔn)則層(或指標(biāo)層)及目標(biāo)層3個層次組成，采用該模型確定最優(yōu)方案就是對方案層的n個方案以準(zhǔn)則層的影響因素和評價指標(biāo)為基礎(chǔ)進行區(qū)間關(guān)聯(lián)優(yōu)化分析，進行風(fēng)險決策，進而得到最優(yōu)方案。

圖1 綜合評價模型

2.2 計算模型

要建立基于區(qū)間數(shù)學(xué)理論的施工導(dǎo)流方案風(fēng)險決策計算模型。首先，必須建立評價指標(biāo)區(qū)間屬性值確定方法，并對其進行歸一化處理，建立評價指標(biāo)區(qū)間數(shù)決策矩陣的確定方法，進而確定理想最優(yōu)方案區(qū)間數(shù)的向量，構(gòu)造基于區(qū)間數(shù)的比較判斷矩陣，計算出區(qū)間數(shù)權(quán)向量，并通過此結(jié)果得出各施工導(dǎo)流的區(qū)間關(guān)聯(lián)度，對區(qū)間關(guān)聯(lián)度進行相對優(yōu)勢度的分析，確定出最優(yōu)方案。

2.2.1 評價指標(biāo)區(qū)間數(shù)確定方法

(2)定性評價指標(biāo)區(qū)間屬性值確定。設(shè)pi為施工導(dǎo)流工程中的定性評價指標(biāo)，本文參考 MacCrimmon 的兩極比例法，將評價指標(biāo)定性評語轉(zhuǎn)化為定量值的數(shù)軸法，如表1所示，即把 0～1區(qū)間分成9段，每段分別采用不同的可能性評語與數(shù)值相對應(yīng)。在實際工程當(dāng)中，不同的評價指標(biāo)由 3～5位專家根據(jù)實際情況給出相應(yīng)的定性評語，并依據(jù)表1得出相應(yīng)的定量值，最后統(tǒng)計可得出定性評價指標(biāo)區(qū)間屬性值。

表1 數(shù)軸法指標(biāo)轉(zhuǎn)換

定性評價屬性值定性評價屬性值定性評價屬性值定性評價屬性值最小0小03偏大06很大09很小01偏小04大07最大10較小02平均05較大08

由上述方法確定的定量或定性評價指標(biāo)區(qū)間屬性值可表示成矩陣形式，即區(qū)間數(shù)決策矩陣，記為

(1)

式中，X為m個評價指標(biāo)對第n個支護方案的決策矩陣；k第k第個施工導(dǎo)流方案，第k行表示區(qū)間數(shù)向量，由其方案影響因素第i個評價指標(biāo)pi對其Dk的區(qū)間屬性值構(gòu)成；i為m個評價指標(biāo)中的第i個評價指標(biāo)，第i列表示區(qū)間數(shù)向量，由其影響因素第i個評價指標(biāo)pi對n個其方案區(qū)間屬性值構(gòu)成。

2.2.2 歸一化處理

對區(qū)間數(shù)決策矩陣進行歸一化處理，便于對其進行分析處理。施工導(dǎo)流方案的評價指標(biāo)集pi，按經(jīng)濟性分有成本型和效益型兩種類型。在分析之前需要對其進行歸一化處理，使之轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一的表達形式。對于區(qū)間數(shù)決策矩陣中區(qū)間屬性值歸一化處理的方法，有如下幾種：

設(shè)pi為成本型評價指標(biāo)，那么

(2)

pi為效益型評價指標(biāo)，那么

(3)

當(dāng)評價指標(biāo)區(qū)間屬性值歸一化處理之后，區(qū)間數(shù)決策矩陣R可記為X。

2.2.3 最優(yōu)方案區(qū)間數(shù)

對施工導(dǎo)流方案風(fēng)險決策進行區(qū)間優(yōu)化分析之后，還需要明確關(guān)聯(lián)分析所要的理想最優(yōu)方案的區(qū)間數(shù)向量，區(qū)間數(shù)向量由不同的施工導(dǎo)流方案對應(yīng)的評價指標(biāo)最優(yōu)區(qū)間屬性值得到，是一個假想向量，只是作為區(qū)間關(guān)聯(lián)分析的參照體出現(xiàn)。

(4)

至此，可得由 S 構(gòu)成的施工導(dǎo)流理想最優(yōu)方案的區(qū)間數(shù)向量。

2.2.4 區(qū)間數(shù)權(quán)向量確定

表2 標(biāo)度規(guī)則

標(biāo)度定義含義1同等重要兩評價指標(biāo)同等重要3稍微重要一評價指標(biāo)比另一評價指標(biāo)稍微重要5明顯重要一評價指標(biāo)比另一評價指標(biāo)明顯重要7特別重要一評價指標(biāo)比另一評價指標(biāo)特別重要9極端重要一評價指標(biāo)比另一評價指標(biāo)極端重要2，4，6，8相鄰標(biāo)度中值表示相鄰兩標(biāo)度之間折衷時的標(biāo)度上列標(biāo)度倒數(shù)反比較評價指標(biāo)pi對評價指標(biāo)pj的標(biāo)度為a，反之為1/a

(2)計算單個專家評價指標(biāo)的權(quán)重。記第l位專家得到m個評價指標(biāo)的權(quán)向量為，顯然，不同專家得到的權(quán)向量并不相同。

(5)

(6)

(7)

式(7)中相似度λl反映出了專家Gl與其他專家所給的判斷矩陣的相似度，如果相似度越高，則Al的可信度就越高，則他在群組決策中的作用相應(yīng)的就越大。②計算不確定型判斷矩陣的差異度。設(shè)專家Gl所給判斷矩陣Al的導(dǎo)出向量為V(Al)，令：

(8)

(9)

式中，alf(f=1,2,…,2m2)為判斷矩陣Al的導(dǎo)出向量V(Al)的第f個元素，δl為第l個專家與其他專家所給判斷矩陣的差異度，其和相似度一樣能夠從另一個角度反映專家評判的可信度。③綜合考慮相似度和差異度計算專家結(jié)論的可信度(專家自身權(quán)重)。若相似度λl越大、差異度δl越小，則Al可信度越高，其在群組決策中的作用也應(yīng)越大，故專家可信度rl計算可采用如下方法：

(10)

(4)計算考慮專家可信度的評價指標(biāo)權(quán)重。考慮專家可信度，整合各位專家所給的評價指標(biāo)權(quán)重結(jié)果。①基于專家可信度采用下式計算二級評價指標(biāo)及其所含一級評價指標(biāo)的區(qū)間數(shù)權(quán)向量，即

(11)

(12)

(13)

2.2.5 區(qū)間關(guān)聯(lián)度的確定

引用區(qū)間數(shù)權(quán)向量、理想最優(yōu)方案區(qū)間數(shù)向量及歸一化決策矩陣進行施工導(dǎo)流方案風(fēng)險決策的區(qū)間關(guān)聯(lián)模糊優(yōu)化分析，首先應(yīng)建立出區(qū)間關(guān)聯(lián)度的確定方法。可得到所有施工導(dǎo)流方案與理想最優(yōu)方案對應(yīng)評價指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，然后采用權(quán)重加權(quán)求和得到施工導(dǎo)流方案Dk對理想最優(yōu)方案區(qū)間數(shù)向量S的區(qū)間關(guān)聯(lián)度為

ζk=ζk=∑ξk(pi)wi

(14)

式中，ξk為準(zhǔn)則層指標(biāo)層評價指標(biāo)綜合影響的各施工導(dǎo)流方案關(guān)聯(lián)度。根據(jù)關(guān)聯(lián)度最大原則即可得到施工導(dǎo)流最優(yōu)方案，即哪個方案的關(guān)聯(lián)度ξk最大，則該方案最優(yōu)。

3 長河壩工程初期導(dǎo)流方案實例分析

3.1 風(fēng)險決策背景

類比國內(nèi)在建或已建同壩型工程導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)，對于長河壩水電站導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)提出了30年一遇與50年一遇兩個不同的導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)，需要綜合考慮多個評價指標(biāo)來對這2個不同的導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)進行風(fēng)險決策。

長河壩水電站上、下游圍堰必須在河道截流后至次年的汛前完建。根據(jù)本工程地處高山峽谷的特點，對圍堰的規(guī)模、施工條件、施工方法和施工進度進行綜合分析研究，并參照國內(nèi)大型工程如小浪底、二灘等工程圍堰施工，上游圍堰高度宜控制在50.0～60.0 m。

不同導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)工程圍堰的相關(guān)經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)比較如表3所示。

表3 30年、50年一遇導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)圍堰工程經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)比較

導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)預(yù)期總費用(包括損失費用)p1/萬元圍堰堆筑工程量p2/104m3圍堰使用期不發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水的概率p3月平均填筑強度p4/104m3·月-130年一遇[55500，56000][110，120][090，091][17，19]50年一遇[44100，44500][120，135][094，095][20，21]

3.2 決策過程

采用本文建立的風(fēng)險決策區(qū)間分析方法對上述2個施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)進行風(fēng)險決策。

(1)確定評價指標(biāo)。根據(jù)表3，本文選取預(yù)期總費用(包括損失費用)p1、圍堰堆筑工程量p2、圍堰使用期不發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水的概率p3以及月平均填筑強度p4等4個評價指標(biāo)進行風(fēng)險決策。

(4)確定理想最優(yōu)方案區(qū)間數(shù)向量。利用歸一化區(qū)間數(shù)決策矩陣R對施工導(dǎo)流方案風(fēng)險決策進行區(qū)間優(yōu)化分析，還必須確定出關(guān)聯(lián)分析所需要理想最優(yōu)方案的區(qū)間數(shù)向量，可得影響因素所含4個評價指標(biāo)pi的理想最優(yōu)方案區(qū)間數(shù)向量為S={[0.55,0.56],[0.49,0.58],[0.51,0.52],[0.48,0.58]}。

(5)確定區(qū)間數(shù)權(quán)向量。由于不同專家判斷結(jié)果的可信程度不同，同時也由于專家在判斷兩兩因素相對重要程度時不可能絕對準(zhǔn)確，只能給出一個區(qū)間范圍，本文邀請了4位專家構(gòu)造不確定型判斷矩陣，分別如表4～7所示。根據(jù)計算出的區(qū)間數(shù)權(quán)重計算方法得到評價指標(biāo)p1、p2、p3、p4的權(quán)重分別為0.36、0.22、0.27、0.15。

表4 判斷矩陣A1

指標(biāo)p11p12p13p14p11[1，1][2，3][3，4][3，4]p12[1/3，1/2][1，1][2，3][2，3]p13[1/4，1/3][1/3，1/2][1，1][1，2]p14[1/4，1/3][1/3，1/2][1/2，1][1，1]

表5 判斷矩陣A2

指標(biāo)P21P22P23P24P21[1，1][3，4][2，3][3，4]P22[1/4，1/3][1，1][1/2，1][1，1]P23[1/3，1/2][1，2][1，1][2，3]P24[1/4，1/3][1，1][1/3，1/2][1，1]

表6 判斷矩陣A3

指標(biāo)P31P32P33P34P31[1，1][2，4][2，3][3，5]P32[1/4，1/2][1，1][1/3，1/2][1，2]P33[1/3，1/2][2，3][1，1][2，3]P34[1/5，1/3][1/2，1][1/3，1/2][1，1]

表7 判斷矩陣A4

指標(biāo)P41P42P43P44P41[1，1][3，4][2，4][4，5]P42[1/4，1/3][1，1][1/2，1][2，3]P43[1/4，1/2][1，2][1，1][3，4]P44[1/5，1/4][1/3，1/2][1/4，1/3][1，1]

3.3 決策結(jié)論

如果僅根據(jù)單個評價指標(biāo)進行風(fēng)險決策，則對于不同的評價指標(biāo)可能會得到不同的風(fēng)險決策結(jié)果。根據(jù)表3可知，如果僅考慮圍堰堆筑工程量，則30年一遇比50年一遇的導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)更加合理，而如果僅考慮預(yù)期總費用這一評價指標(biāo)，則50年一遇比30年一遇的導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)更加合理。對于長河壩工程有必要綜合考慮多個評價指標(biāo)進行風(fēng)險決策。

類比國內(nèi)工程長河壩水電站初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇是合適的。根據(jù)堆筑工程量的分析，50年一遇較30年一遇上游堰高增加4.8 m，堆筑方量增加21.20萬m3；下游圍堰在堰高、堆筑方量上相差甚微，因此兩種導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的堆筑工程量比較接近，此外，兩個導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)期總費用分別如表8所示，50年一遇方案的總費用較小，風(fēng)險度較低，要優(yōu)于30年一遇方案。故經(jīng)過論證分析，最終確定施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，這與本文方法所得到的風(fēng)險決策結(jié)果一致，從而證明了本文所提方法合理可行。

表8 單目標(biāo)各導(dǎo)流方案預(yù)期總費用 萬元

4 結(jié) 語

本文引入了區(qū)間數(shù)學(xué)理論和群組決策思想，對施工導(dǎo)流方案風(fēng)險決策方法進行了深入的研究，提出了施工導(dǎo)流方案風(fēng)險決策的區(qū)間分析方法，并針對長河壩水電站施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)進行具體分析。根據(jù)長河壩水電站施工導(dǎo)流影響因素存在不確定性的特點，分別選取4個評價指標(biāo)來綜合考慮多個因素的影響，采用區(qū)間數(shù)來描述評價指標(biāo)的指標(biāo)值，并考慮到不同專家限于自身的研究領(lǐng)域限制以及經(jīng)驗的不同，提出采用群組決策的思量融合多個專家的評價結(jié)論，從而提高了權(quán)重計算的可信度，通過施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的工程實例表明，本文建立的施工導(dǎo)流方案風(fēng)險決策區(qū)間分析方法的計算結(jié)果與實際結(jié)果相吻合，從而驗證了本文方法的可行性和合理性。

[1]中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院. 長河壩水電站可研報告施工組織設(shè)計[R]. 成都： 中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院， 2009．

[2]周德彥. 長河壩水電站施工導(dǎo)流方案風(fēng)險決策研究[D]. 南京： 河海大學(xué)， 2012.

[3]覃暉. 流域梯級電站群多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度與多屬性風(fēng)險決策[D]. 武漢： 華中科技大學(xué)， 2011．

[4]徐森泉， 胡志根， 劉全， 等. 基于多重不確定性因素的施工導(dǎo)流風(fēng)險分析[J]. 水電能源科學(xué)， 2004， 22(4)： 78- 81

[5]范錫峨， 胡志根， 靳鵬. 基于Monte-Carlo方法的施工導(dǎo)流系統(tǒng)綜合風(fēng)險分析[J]. 水科學(xué)進展， 2007， 18(4)： 604- 608．

[6]陳志鼎， 胡志根. 施工導(dǎo)流工程風(fēng)險的保險費用厘定方法研究[J]. 中國工程科學(xué)， 2011， 13(4)： 106- 112．

[7]胡志根， 等. 施工導(dǎo)流風(fēng)險分析[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2010．

[8]褚茁， 胡志根， 劉全. 考慮施工進度影響的錦屏一級水電站導(dǎo)流全過程風(fēng)險分析[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報： 工學(xué)版， 2012， 45(2)： 161- 165．

[9]蘭繼斌， 徐揚， 霍良安， 等. 模糊層次分析法權(quán)重研究[J]. 系統(tǒng)工程理論與實踐， 2006(9)： 107- 112．

[10]陳可， 陳曉紅. 一種基于區(qū)間數(shù)判斷矩陣的加權(quán)AIP群決策方法[J]. 控制與決策， 2009， 24(9)： 1042- 1046．

[11]章恒全， 林武星. 單次洪災(zāi)經(jīng)濟損失評價方法研究[J]. 水利經(jīng)濟， 2007， 25(6)： 13- 15.

[12]潘仁飛， 鄒樂樂， 侯運炳. 基于專家可信度的不確定型AHP方法及其應(yīng)用[J]. 系統(tǒng)工程， 2008， 26(10)： 101- 106．

[13]陳春麗， 劉永強， 于良， 等. 基于ELECTRE- 1法的施工導(dǎo)流方案優(yōu)選[J]. 水電能源科學(xué)， 2012， 30(4)： 55- 57．

(責(zé)任編輯 王 琪)

Research on Risk Decision-making of Early Construction Diversion Schemes of Changheba Hydropower Station

ZHOU Deyan, LI Xuequan, LIU Yazhou

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

The decision-making of hydropower station construction diversion scheme is a complex uncertainty problem. By introducing interval mathematical theory and group decision-making idea, a risk decision-making interval analysis method is established to select construction division scheme of hydropower. station The interval number is used to represent the property value of evaluation index in this method, which reflects the uncertainty of risk decision-making process. The weight of evaluation index is determined by uncertain AHP based on group decision-making idea, which can facilitate the use of experts’ experiences. The method has been used in early construction division scheme analyses of Changheba Hydropower Station to evaluate the risks of construction division schemes under the floods with 30-year frequency and 50-year frequency respectively. The application has verified the feasibility of proposed method．

construction diversion; risk decision-making; interval mathematical theory; group decision; risk analysis; Changheba Hydropower Station

2016- 08- 03

周德彥(1982—)，女，河南南陽人，高級工程師，碩士，主要從事國內(nèi)外水利水電、光伏風(fēng)電場等工程的施工組織設(shè)計工作．

TV551.16(271)

A

0559- 9342(2016)10- 0049- 05