基于灰色聚類和層次分析法的電網(wǎng)工程數(shù)字化設(shè)計(jì)質(zhì)量評(píng)價(jià)

李洪江，錢富君，冉啟鵬

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650011)

0 前言

當(dāng)前，電網(wǎng)正向數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展，實(shí)現(xiàn)數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)、運(yùn)維與數(shù)字資產(chǎn)管理是電網(wǎng)的發(fā)展方向，公司明確提出數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)要求，將數(shù)字化作為公司發(fā)展戰(zhàn)略路徑之一[1]。數(shù)字化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)建設(shè)、移交數(shù)字化的基礎(chǔ)及前提，做好數(shù)字化設(shè)計(jì)工作對(duì)電網(wǎng)的建設(shè)及發(fā)展有著重要的意義，建設(shè)數(shù)字電網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)能源產(chǎn)業(yè)鏈上下游互聯(lián)互通，具備支撐公司開展智能電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)、能源價(jià)值鏈整合和能源生態(tài)服務(wù)的能力。電網(wǎng)工程的設(shè)計(jì)作為工程建設(shè)、移交、運(yùn)行及供電各項(xiàng)工作的基礎(chǔ)，是電網(wǎng)建設(shè)及全壽命周期過(guò)程管理的基礎(chǔ)。以三維模型再現(xiàn)的集成化設(shè)計(jì)平臺(tái)等信息技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了電網(wǎng)數(shù)字化設(shè)計(jì)的快速發(fā)展，隨著電網(wǎng)工程數(shù)字化設(shè)計(jì)工作的持續(xù)深入，以及系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)交付標(biāo)準(zhǔn)的制定，使得數(shù)字化設(shè)計(jì)已從研究探索逐步發(fā)展成熟且具備推廣運(yùn)用的條件。

電網(wǎng)工程數(shù)字化設(shè)計(jì)是在現(xiàn)有二維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建三維信息模型及數(shù)字化信息，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)工程全方位、全領(lǐng)域的數(shù)字化[2-3]。在常規(guī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，增加工程地理信息數(shù)據(jù)、GIM三維設(shè)計(jì)模型及相關(guān)文檔資料，將數(shù)字化設(shè)計(jì)貫穿于電網(wǎng)設(shè)計(jì)、施工、移交、運(yùn)維及服務(wù)等各個(gè)方面，有利于電網(wǎng)提升發(fā)展及服務(wù)水平。數(shù)字化設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)電網(wǎng)工程建設(shè)及后續(xù)數(shù)字化運(yùn)行維護(hù)具有重要影響，科學(xué)合理地對(duì)數(shù)字化設(shè)計(jì)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，有助于提升數(shù)字化設(shè)計(jì)成果質(zhì)量水平，提升電網(wǎng)建設(shè)、移交及運(yùn)維的科學(xué)性、合理性，有利于實(shí)現(xiàn)全過(guò)程服務(wù)電網(wǎng)各項(xiàng)業(yè)務(wù)工作[4]。數(shù)字化設(shè)計(jì)質(zhì)量評(píng)價(jià)需綜合各個(gè)專業(yè)設(shè)計(jì)、項(xiàng)目特點(diǎn)、深度要求等進(jìn)行總體分析評(píng)價(jià)，各因素之間存在交叉影響與關(guān)聯(lián)關(guān)系，部分指標(biāo)的評(píng)價(jià)難于定量化，合理選擇評(píng)價(jià)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量科學(xué)定性與定量的評(píng)價(jià)有著積極意義。

本文基于灰色聚類和層析分析方法，結(jié)合數(shù)字化設(shè)計(jì)特點(diǎn)，分析了影響數(shù)字化設(shè)計(jì)整體質(zhì)量的主要指標(biāo)，通過(guò)灰色聚類建立質(zhì)量評(píng)估模型，以層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，為科學(xué)評(píng)價(jià)并提升數(shù)字化設(shè)計(jì)水平提供一定參考。

1 數(shù)字化設(shè)計(jì)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

數(shù)字化設(shè)計(jì)質(zhì)量是對(duì)電網(wǎng)工程各個(gè)專業(yè)、子項(xiàng)進(jìn)行具體評(píng)價(jià)后綜合得出整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)質(zhì)量的總體評(píng)價(jià)分析。電網(wǎng)工程數(shù)字化設(shè)計(jì)涵蓋面較廣，為更好地對(duì)影響設(shè)計(jì)質(zhì)量的關(guān)鍵因素進(jìn)行逐步細(xì)化，按指標(biāo)層級(jí)進(jìn)行分析。數(shù)字化設(shè)計(jì)主要包括數(shù)字化模型、三維出圖、屬性信息集成功能，以及輔助進(jìn)行系統(tǒng)計(jì)算、專項(xiàng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)計(jì)算等的能力，以及進(jìn)行碰撞檢查的精細(xì)化設(shè)計(jì)等。

數(shù)字化設(shè)計(jì)按照專業(yè)劃分可分為“變電電氣設(shè)計(jì)”、“變電土建設(shè)計(jì)”、“線路電氣設(shè)計(jì)”、“線路土建設(shè)計(jì)”和“支撐服務(wù)設(shè)計(jì)”，各主要專業(yè)在數(shù)字化設(shè)計(jì)中各方面要求有較大的不同，對(duì)整體數(shù)字化設(shè)計(jì)質(zhì)量影響權(quán)重也存在差異。

數(shù)字化設(shè)計(jì)在電網(wǎng)工程各專業(yè)下總體可劃分為“地理信息設(shè)計(jì)能力”“建模能力”、“出圖能力”、“計(jì)算能力”、“精細(xì)化設(shè)計(jì)能力”和“支撐服務(wù)能力”，建模能力指建立三維模型的精度質(zhì)量；出圖能力指將三維布置轉(zhuǎn)換為二維圖紙及效果圖的質(zhì)量情況；計(jì)算能力指三維數(shù)字化設(shè)計(jì)成果中相關(guān)計(jì)算成果質(zhì)量；精細(xì)化設(shè)計(jì)能力是指三維數(shù)字化設(shè)計(jì)成果對(duì)空間的碰撞檢查、距離校驗(yàn)、材料統(tǒng)計(jì)等符合性及一致性等。支撐服務(wù)設(shè)計(jì)作為數(shù)字化設(shè)計(jì)成果在電網(wǎng)建設(shè)及工程投運(yùn)后發(fā)揮的服務(wù)支撐價(jià)值，是實(shí)現(xiàn)全過(guò)程數(shù)字化建設(shè)的重要指標(biāo)，如效果圖輸出、施工動(dòng)畫、數(shù)字化移交，工程計(jì)量與核價(jià)等功能，具體如圖1所示。

圖1 數(shù)字化設(shè)計(jì)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

圖1 中，電網(wǎng)工程變電及線路主要專業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)雖然完全一致，但對(duì)于不同專業(yè)下的二級(jí)指標(biāo)值，因其數(shù)字化設(shè)計(jì)的內(nèi)容不同，其對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量的影響不同，所占的指標(biāo)權(quán)重也必然存在差異。

2 層次分析法確定權(quán)重指標(biāo)

層次分析法作為一種定性與定量相結(jié)合的有效分析方法，適用于多層次、多變量、復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的權(quán)重確定。電網(wǎng)工程數(shù)字化設(shè)計(jì)成果質(zhì)量是由組成工程項(xiàng)目的各專業(yè)成果質(zhì)量的綜合體現(xiàn)，各專業(yè)指標(biāo)對(duì)電網(wǎng)工程成果質(zhì)量的影響是不同的，需要利用層次分析法對(duì)各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行客觀分析確定。根據(jù)圖1確定的質(zhì)量分析層次結(jié)構(gòu)構(gòu)造判斷矩陣A＝（rij）n×n，其中rij表示元素i與j的重要性的量化值,其倒數(shù)表示元素i比j的不重要程度。

為確保評(píng)價(jià)指標(biāo)的一致性，需檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性，對(duì)不滿足一致性檢驗(yàn)的應(yīng)調(diào)整判斷矩陣。以滿足條件的判斷矩陣標(biāo)度值分別計(jì)算出各一級(jí)指標(biāo)及其對(duì)應(yīng)的二級(jí)指標(biāo)權(quán)重，同時(shí)通過(guò)公式（1）可將二級(jí)指標(biāo)權(quán)重折算為數(shù)字化設(shè)計(jì)質(zhì)量評(píng)價(jià)組合權(quán)重。

ωi為一級(jí)指標(biāo)xi對(duì)電網(wǎng)工程數(shù)字化設(shè)計(jì)質(zhì)量的權(quán)重，ωij為一級(jí)指標(biāo)xi的第j個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)xij的權(quán)重。

3 灰色聚類評(píng)估模型

根據(jù)電網(wǎng)數(shù)字化設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和質(zhì)量評(píng)價(jià)分析，可將電網(wǎng)工程數(shù)字化設(shè)計(jì)質(zhì)量分為：好、良好、一般、較差、差5種情況，對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)集為：V＝{差、較差、一般、良好、好｝＝｛v1、v2、v3、v4、v5}。各數(shù)字化設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)得分越高，說(shuō)明其質(zhì)量越好，質(zhì)量劃分及其提升決策如表2。

表2 電網(wǎng)工程數(shù)字化設(shè)計(jì)質(zhì)量劃分表

在電網(wǎng)工程數(shù)字化設(shè)計(jì)質(zhì)量評(píng)價(jià)中，為了提高質(zhì)量評(píng)估的全面性和準(zhǔn)確性，降低專家經(jīng)驗(yàn)對(duì)指標(biāo)判斷的主觀性，通過(guò)n個(gè)評(píng)審專家根據(jù)設(shè)計(jì)成果信息對(duì)m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，以此來(lái)評(píng)價(jià)數(shù)字化設(shè)計(jì)的總體質(zhì)量水平。那么，第k(k=1,2...n)個(gè)專家對(duì)于第h個(gè)評(píng)估指標(biāo)給出的評(píng)分為zkh，根據(jù)所有專家評(píng)分結(jié)果可得成果指標(biāo)評(píng)價(jià)樣本矩陣[5]。

建立電網(wǎng)工程數(shù)字化設(shè)計(jì)質(zhì)量灰色聚類評(píng)價(jià)模型主要就是確定成果等級(jí)、灰數(shù)及其對(duì)應(yīng)的灰色聚類函數(shù)。灰色聚類函數(shù)通常也稱白化權(quán)函數(shù)，取值范圍為0~1之間，其值越大，說(shuō)明灰色系統(tǒng)白化程度越高，設(shè)計(jì)越好。

根據(jù)表1所示的數(shù)字化設(shè)計(jì)質(zhì)量定義，建立如式（3）的灰數(shù)和白化權(quán)函數(shù)。

表1 判斷矩陣的比例標(biāo)度及含義

圖2 數(shù)字化設(shè)計(jì)質(zhì)量白話權(quán)函數(shù)

結(jié)合圖2，可將式（3）描述為如下方程式：

對(duì)于質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)rij(i=1,2...5;j=1,2...5)，評(píng)價(jià)灰類的灰色評(píng)估系數(shù)記為yij,n，各個(gè)評(píng)價(jià)灰類的總灰色評(píng)估系數(shù)記為yij，第n個(gè)評(píng)價(jià)灰類的灰色評(píng)估權(quán)記為rij,n，則：

可進(jìn)一步確定出設(shè)計(jì)質(zhì)量關(guān)于第n灰類的綜合聚類系數(shù)為：

rn、W分別為各一級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)權(quán)和指標(biāo)權(quán)重，選取各指標(biāo)中綜合聚類最大數(shù)值對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)狀態(tài)作為設(shè)計(jì)質(zhì)量評(píng)價(jià)的最終結(jié)果。

4 案例分析

以開展電網(wǎng)工程數(shù)字化設(shè)計(jì)試點(diǎn)工作的某220 kV輸變電工程為例，將其設(shè)計(jì)成果作為評(píng)價(jià)分析對(duì)象，按照層次分析法原理構(gòu)建權(quán)重判斷矩陣A，在通過(guò)專家形式結(jié)合試點(diǎn)深度要求及工程實(shí)際對(duì)成果質(zhì)量進(jìn)行打分，建立評(píng)價(jià)矩陣。

計(jì)算得出各一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重值為w0=（0.4035，0.2565，0.1579，0.1098，0.0723），同理，構(gòu)建5個(gè)一級(jí)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的二級(jí)指標(biāo)權(quán)重判斷矩陣，并逐一計(jì)算出各自的權(quán)重值。

W1=（0.0594，0.4316，0.2678，0.0790，0.1621）；W2=（0.1599，0.4185，0.2625，0.0618，0.0973）；W3=（0.1520，0.4234，0.2599，0.1034，0.0612）；W4=（0.0973，0.4185，0.2625，0.1599，0.0618）；W5=（0.0973，0.2625，0.1599，0.0618，0.4185）。

根據(jù)式（1）可計(jì)算得出各二級(jí)指標(biāo)對(duì)數(shù)字化設(shè)計(jì)質(zhì)量的各自權(quán)重值為：w=（0.0240，0.1742，0.1081，0.0319，0.0654，0.0410，0.1073，0.0673，0.0159，0.0250，0.0240，0.0669，0.0410，0.0163，0.0097，0.0107，0.0460，0.0288，0.0176，0.0068，0.0070，0.0190，0.0116，0.0045，0.0303）。

通過(guò)質(zhì)量評(píng)價(jià)矩陣，按照公式（4）可依次得到25個(gè)二級(jí)指標(biāo)的灰色評(píng)價(jià)權(quán)為，二級(jí)指標(biāo)數(shù)量較多，計(jì)算數(shù)據(jù)量大，僅以b15指標(biāo)為例進(jìn)行計(jì)算分析，其評(píng)價(jià)值為（4.5，3.5，2.6，3），根據(jù)公式（4）分別計(jì)算得出其5個(gè)狀態(tài)指標(biāo)評(píng)估系數(shù)為：

同步計(jì)算出fν2=2.1、fν3=0.5、fν4=0、fν5=0，再以式（5）、式（6）計(jì)算出其灰色評(píng)價(jià)權(quán)為（0,0.81,0.19,0,0）。

以此計(jì)算出全部二級(jí)指標(biāo)權(quán)重，采用式（8）綜合計(jì)算得出工程數(shù)字化設(shè)計(jì)質(zhì)量的總體評(píng)價(jià)結(jié)果為：（0.12，0.18，0.32，0.22，0.16），根據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)來(lái)看，該工程數(shù)字化設(shè)計(jì)成果質(zhì)量總體一般偏較好。

同時(shí)計(jì)算出5個(gè)一級(jí)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果值為：

變電電氣（0.16，0.24，0.40，0.1，0.1）

變電土建（0.18，0.31，0.25，0.16，0.1）

線路電氣（0.19，0.27，0.29，0.16，0.09）

線路結(jié)構(gòu)（0.09，0.11，0.31，0.35，0.14）

支撐服務(wù)（0.28，0.21，0.26，0.14，0.11）

根據(jù)計(jì)算結(jié)果及確定的評(píng)價(jià)等級(jí)可知，變電電氣設(shè)計(jì)質(zhì)量為“一般”，變電土建設(shè)計(jì)質(zhì)量為“較差”，線路電氣設(shè)計(jì)質(zhì)量為“一般”，線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量為“較好”，支撐服務(wù)質(zhì)量為“差”。以上計(jì)算得出的工程整理數(shù)字化設(shè)計(jì)質(zhì)量及各個(gè)一級(jí)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)論與實(shí)際情況也較為吻合，驗(yàn)證了灰色聚類及層次分析法對(duì)數(shù)字化設(shè)計(jì)質(zhì)量評(píng)價(jià)的實(shí)用性。

5 結(jié)束語(yǔ)

電網(wǎng)工程數(shù)字化設(shè)計(jì)成果內(nèi)容眾多，各指標(biāo)均對(duì)成果質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。在向數(shù)字電網(wǎng)轉(zhuǎn)型發(fā)展的過(guò)程中，通過(guò)數(shù)字化設(shè)計(jì)作為電網(wǎng)數(shù)字化發(fā)展的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)成果質(zhì)量直接決定了其在電網(wǎng)全壽命周期中產(chǎn)生的價(jià)值作用，通過(guò)科學(xué)合理的對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，不斷提升設(shè)計(jì)質(zhì)量水平具有重要意義。通過(guò)層次分析法及灰色聚類對(duì)數(shù)字化設(shè)計(jì)質(zhì)量進(jìn)行了客觀定量分析評(píng)價(jià)，并進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。