基于改進TOPSIS的電力基建項目評價機制與應用

聶文海,劉 麗,傅 昊,宋 斌,梁大鵬

(國網冀北電力有限公司 經濟技術研究院,北京 101404)

隨著我國創新驅動發展戰略的實施,建立科學有效的電力基建項目的質量評價體系已成為電力體制改革中的一個重要任務。目前,我國已經相繼出臺了與電力基建項目質量評價體系相關的法律法規,但尚未形成完善的電力基建項目質量偏差評價體系,導致企業缺乏基建項目質量偏差評價的科學性指導。因此,如何對電力基建項目的質量偏差實施更加準確的評價,成為亟待解決的問題。

TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution)方法是多目標決策分析中一種常用的有效方法,又稱為優劣解距離法[1]。該方法通過檢測評價對象與最優解、最劣解的距離,實現對評價對象優劣性的可靠排序。項目質量偏差本質上可以表示為項目評審指標實際值與最優值的距離,這與TOPSIS方法的工作原理相契合。因此,TOPSIS方法為解決電力基建項目存在的質量偏差評價問題提供了研究方向和參考依據。

國內外已有研究顯示了TOPSIS 方法在項目質量評價領域中的多種應用。周賢正[2]建立了基于灰色模糊評價和TOPSIS 方法的大型公共工程投資決策模型,實現項目投資優先級的確定,完成最佳項目投資建設的選擇。郭朝先等[3]運用改進的熵權TOPSIS方法對竣工項目投入使用后的運行管理效果進行分階段評估,得出不同的管理效益值,為進一步完善項目質量管理策略提供參考。Hoseinabadi等[4]結合TOPSIS模型對眾多污水處理廠PPP 項目進行比較,完成最適宜投資項目的優選階段。Sari[5]通過使用模糊TOPSIS方法獲得的優先級指數,計算項目的最終排名,完成所需項目的最優性選取。Li等[6]利用TOPSIS方法對住房項目進行風險性評估,為項目質量評價管理提供一套標準和準則。Chowdhury等[7]提出了一種基于博弈論和灰色關聯投影的電網項目綜合風險評估方法,可有效識別出電網風險較高的運行模式,保障電網項目質量風險性指標的可靠測評。上述文獻將TOPSIS方法應用于項目質量評價體系,完成對項目質量的評審,為電力基建項目質量偏差度評價模型的構建提供了參考和借鑒。但是,基于馬氏距離的TOPSIS方法存在項目數量與指標數量相互制約的局限性,因此,該方法不適用于所有評審項目。另外,僅根據距離進行排序,會導致各項目內部因素的變化趨勢與標準方案之間的差異偏大,因而不被重視。

受上述文獻啟發,本文提出了一種基于改進TOPSIS方法的電力基建項目質量偏差度評價模型。首先,圍繞電力基建項目質量評審合理性的影響因素進行分析,構建一套以工程概述、系統部分、變電部分以及輸電部分為一級指標的質量偏差量化評價指標體系。然后,利用層次分析法和熵權法確定主、客觀權重;在此基礎上,采用組合賦權法,完成綜合權重的計算。最后,依據余弦相似度和灰色關聯度對TOPSIS 方法進行改進,使得應用改進TOPSIS方法的項目質量偏差度評審體系更加完善,為更客觀地評審項目質量提供依據。

1 電力基建項目與項目質量偏差度評價方法概述

1.1 電力基建項目

電力基礎建設項目主要包括變電站和電力線路兩大類[8]。變電站項目分為升壓站、換流站、降壓站和負荷站等,電力線路項目分為架空電力線路、電纜線路、交流線路以及直流線路等。

電力基建項目一般存在施工周期長、建設成本高以及外部影響因素較多等特點[9],因此,如何對電力基建項目質量進行合理測評是項目評審過程中的關鍵性問題。

1.2 項目質量偏差度評價方法

項目質量偏差度測評指標是評定項目優劣的決定性指標,為此,本文特別提出基于改進TOPSIS方法的電力基建項目質量偏差度評價模型。TOPSIS方法通過對有限個評價對象與理想化目標的接近程度進行排序,實現對現有對象進行相對優劣評價的目的,該方法又稱為優劣解距離法。

正理想解和負理想解是TOPSIS 方法的兩個基本概念[10]。當正理想解的各個屬性值都達到備選方案中的最優值時,對應的解便為最優方案的解;而當負理想解的各個屬性值都達到備選方案中的最劣值時,此時的解為最劣方案的解。利用方案排序規則把各備選方案與理想解和負理想解進行比較,若其中有一個方案接近理想解的同時又遠離負理想解,則該方案為備選方案中的最優選擇。因此,項目的質量偏差可以定義為評價指標實際值與正負理想解歐氏距離的相對貼進度。但當各指標間存在關聯性時,運用歐式距離求解的數值將不再合理。因此,可采用馬氏距離代替歐氏距離,完成對TOPSIS方法的改進。此時,項目的質量偏差可表示為評價指標實際值與正負理想解馬氏距離的相對貼進度。然而,馬氏距離也存在局限性,當評價指標個數大于項目數時,馬氏距離的計算結果也將失去效用。因此,本文將TOPSIS方法進一步改進,引入余弦相似性方法,計算評價指標值與正負理想解的余弦相似度,使得基于改進TOPSIS 方法的項目質量偏差度評審模型應用范圍更加廣泛。

2 電力基建項目質量偏差度評價指標體系的構建

2.1 影響電力基建項目質量評審合理性的因素

一般而言,電力基建項目具有多方面、多層次、系統性等特點,可看作是一個構成要素相對不明確的復雜系統,必須運用科學合理的方法對其進行綜合分析評價[11]。由于項目資料的完整性是對所有項目進行評價的先決條件,故本文結合電力基建項目評審資料的內容,將決定電力基建項目質量偏差度的因素分為技術型和非技術型兩大類。技術類因素是指工程技術優劣性影響質量評審結果的因素,非技術類因素是指非工程技術類資料的環境保護以及經濟收益部分等影響質量評審結果的因素。技術類因素主要包括工程概述部分、系統部分、變電部分以及輸電部分等,非技術類因素主要包括環境保護部分和技術經濟部分等。其中:技術類因素是評價項目質量的關鍵性因素,基本上決定了電力基建項目質量偏差度評價的合理性;而非技術類因素作為輔助評定因素也是必不可少的,隨著國家節能減排政策的推進[12],電力基建項目的環境保護特性是響應節能環保號召的最有效的表現。另外,對于合約雙方而言,項目的收益必定是首要考慮的因素。對于電力基建項目質量評審而言,技術類因素和非技術類因素同等重要,都是不可忽視的。上述各種因素間的關系可概括如圖1所示的樹形架構,它們直接影響電力基建項目評審的合理性。

圖1 影響電力基建項目質量偏差度評審合理性的因素架構圖

2.2 電力基建項目質量偏差度評價指標體系的建立

從決策學角度看,決策結果的科學性以及準確性取決于評價指標體系的構建方式是否合理,而質量偏差度屬于多屬性的決策問題,不能由單一因素所決定。因此,本文基于已有研究成果,結合電力基建項目評審原則和特點,建立了基于技術型和非技術型因素的電力基建項目質量偏差度評價指標體系,如圖2所示。

圖2 電力基建項目質量偏差度的評價指標體系

設置6 個一級指標,即工程概述、系統部分、變電部分、輸電部分、環境保護部分以及技術經濟部分;10個二級指標,即設計依據[13]、主要設計原則[14]、系統一次[15]、站址選擇[16]、主要設計原則和工程設想[17]、線路工程[18]、變電站進出線情況[19]、電纜選擇[20]、節能減排[21]以及投資估算[22]。其中主要設計原則是指整個項目工程的設計要求,它是度量項目質量偏離程度的綜合性指標。項目質量越接近主要設計原則,則所對應項目的質量越優異。

3 基于改進TOPSIS的項目質量偏差度評價機制

為充分利用各種技術和非技術類因素,采用改進的TOPSIS方法為基本評價模型,設計了如圖3所示的電力基建項目質量偏差度評價機制。首先,利用層次分析法和熵權法確定主、客觀權重;然后,通過權重組合方法獲取綜合權重系數;最后,根據改進的TOPSIS方法進行排序,形成電力基建項目質量偏差度評價結論。

圖3 電力基建項目質量偏差度評價機制示意圖

3.1 評價指標體系中權重值的確定

3.1.1 確定主觀權重的AHP 方法 層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是綜合定性與定量分析過程而對多目標多準則的系統進行評價的一種主觀感知量化方法[23]。通過構造兩兩比較的判斷矩陣,計算判斷矩陣的最大特征值和特征向量,進而得到層次單排序與總排序指標權重,最終確定主觀權重。主要分析步驟如下:

步驟1構造兩兩比較的判斷矩陣。假設每一層的決策目標為P,根據每一層的評價指標集合Ω={a1,a2,…,an}構建n×n階兩兩判斷矩陣A。通過上述判斷矩陣的構建來實現每層層內評價指標的兩兩比較,以此確定每個層內指標相對于上層指標的重要程度。采用1～8標度進行判斷,1表示同等重要,數值越大表示重要程度越大。

步驟2權重計算。利用方根法確定權重。

(1)計算幾何平均值

(2)對每一行的幾何平均值做歸一化處理,確定層次單排中各因素在上層評價因素中所占的比重,即

(3)一致性檢驗。當CR=CI/RI＜0.1,則認為矩陣通過一致性檢驗;否則,調整判斷矩陣。其中:

步驟3層次總排序及其一致性檢驗。計算同一層次所有決策因素相對于總目標的排序權值,同時進行一致性檢驗。

3.1.2 確定客觀權重的熵權法 熵權法首先對原始數據進行無量綱化和標準化,通過計算熵值來確定客觀權重,其中熵值越大,指標權重越高。其主要步驟如下:

步驟1數據標準化。構建原始數據陣X=(xij)m×n,并對其進行無量綱化和標準化處理。

步驟2確定熵值。

步驟3確定指標權重。

式中,wj∈[0,1]且=1。

3.1.3 組合權重確定 由于主觀權重和客觀權重自身都會有局限性,為了更加充分地體現主觀認知和客觀數據所反映的規律,采用組合賦權法來確定綜合權重系數。具體方法如下:

步驟1確定綜合權重。仍用wj表示綜合權重,則有

式中:wAj、wBj分別為第j個指標的技術類和非技術類權重;α、β分別為技術類和非技術類權重偏好系數。

步驟2引入歐式距離函數,計算偏好系數D(wAj,wBj)以獲取最終綜合權重,即

3.2 基于改進TOPSIS方法的項目質量偏差度評價模型

由于傳統的TOPSIS 方法評價結果必定會受到指標相關性的影響,故采用馬氏距離代替歐式距離,可以提高評價結果的準確性。但是,馬氏距離的隱含要求是評價指標個數不能大于方案個數,故采用基于馬氏距離的TOPSIS 方法在評價項目質量偏差度時具有局限性。綜合上述分析,將TOPSIS方法進一步改進,采用余弦相似度代替馬氏距離,實現項目質量偏差度評價結果準確性的進一步完善。另外,由于傳統的TOPSIS方法忽視曲線趨勢,只計算了評價對象與標準要求的相對距離,導致評價結果與實際情況不吻合的問題。因此,本文通過將灰色關聯分析引入TOPSIS方法中,使得項目質量評審結果的可信度大大提高。具體步驟如下:

(1)構建原始評價指標矩陣。假設項目群有m個子項目,評價指標有n個,xij為第i個子項目的第j個指標評價值,由此形成初始判斷矩陣V=(xij)m×n。

(2)標準化處理。由于電力基建項目中各個指標的量綱并不都是相同的,故需要對決策矩陣進行標準化處理,V'=(bij)m×n表示標準化后的判斷矩陣,且

(3)構建加權判斷矩陣

式中,bj(j=1,2,…,n)為矩陣V'的列向量。

(4)獲取正負理想解。根據加權判斷矩陣獲取評價目標的正負理想解,收益性指標越大,對評價結果越有利,損耗性指標越小,對評價結果越有利;反之,則對評價結果不利。正負理想解的計算分別為:

式中:J*為收益性指標集,表示在第i個指標上的最優值;J'為損耗性指標集,表示在第i個指標上的最劣值。

式中,ρ為分辨率,其取值根據電力基建項目質量評審的具體要求而定。由此得:

(7)余弦相似度與灰色關聯度綜合計算:

式中,γ+ξ=1且γ、ξ由評審者設定,而

(8)計算各方案的相對貼近度。根據C*i的值按從小到大的順序對各評價目標進行排列。排序結果貼近度值越大,該評價指標越優,質量偏差最小,值最大的為質量最優的項目。計算公式為

4 算例分析

4.1 算例數據

本文對國內某電力公司的5個基建項目進行質量評價,分別邀請電力經濟專家與電力工程專家各10人,結合本文建立的電力基建項目質量偏差量化評價指標,分別對質量進行評分,其綜合判斷值列于表1。

表1 電力基建項目質量初始判斷值

4.2 算例結果分析

基于電力經濟專家的判別數據,利用本文提出的基于改進TOPSIS方法的評價模型,完成對所選取的5個項目質量偏差度的排序操作。

(1)根據表1中的數據以及式(11),得到如表2所示的標準化矩陣V'。

表2 標準化矩陣表

(2)根據綜合權重法得到電力基建項目指標權重w=(0.2,0.2,0.1,0.3,0.1,0.1),由式(12)可得如表3所示的加權判斷矩陣。

表3 加權判斷矩陣表

(3)在獲得質量加權評價矩陣的基礎上,通過式(13)、(14),計算可得正理想解向量和負理想解向量分別為:

根據式(15)～(19)計算余弦相似度以及灰色關聯度,計算結果列于表4。

表4 基于改進TOPSIS方法的項目質量偏差度評價參數值

(4)由式(20)、(21)得到歸一化余弦相似度和灰色關聯度。在γ=ξ=0.5的情況下最后結合式(22)得出項目質量偏差度的綜合貼近度,如表5所示。

表5 電力基建項目綜合評價參數

由表5可以看出,電力基建項目3的相對貼近度的值最高為0.687 3,故項目3的質量偏差最小。因此,本文提出的基于TOPSIS方法的電力基建項目質量偏差量化評價模型符合應用實際,評價方法合理性較高,具有借鑒意義,可以為電力基建項目的質量評審提供參考依據。

5 結語

為了更好地解決電力基建項目在評審過程中存在的評價指標不完善、測評結果不符合實際情況等問題,本文提出了基于改進TOPSIS方法的電力基建項目質量偏差度評價模型。通過分析制約項目質量評審結果合理性的因素,構建了電力基建項目質量偏差度評價指標體系。利用層次分析法和熵權法分別計算主、客觀權重值,在此基礎上,運用組合賦權法得到綜合權重系數。考慮到基于馬氏距離的TOPSIS方法存在項目數量和指標數量相互制約的局限性,本文采用了余弦相似度代替馬氏距離,并引入灰色關聯分析,實現了對TOPSIS方法的有益改進。算例分析表明,本文所提出的基于改進TOPSIS方法的電力基建項目質量偏差度評價模型能夠滿足實際準則要求,提升了評審結果的合理性,可使電力基建項目的質量評審得到進一步改良。同時表明,運用改進的TOPSIS方法進行電力基建項目評審,能夠使評審結果的準確性得到極大提高。