基于层次分析法的水电站重大件运输方案研究

胡意新，余卓轩

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024)

近年来，随着工程建设项目的快速推进，水电工程建设项目的规模越来越大，而与这些规模巨大的水电站配套的设备尺寸也非常庞大，如水轮机、主变压器等，这些设备形状复杂、价格昂贵、精度较高，单件设备的质量从几十吨到上千吨。可见，重大件运输在整个水电站建设中占有重要地位。这些重大件往往是水电建设项目的关键核心设备，能否顺利运送到水电站场区内，对水电工程能否顺利开工、按时发电具有十分重要的意义。

李士明[1]论述了解决大朝山水电站大件设备在铁路、公路运输中存在的问题，通过类比经济分析确定转运站选址最佳方案；何帆、王支荣[2]针对龙滩水电站机电设备公路运输工程量大、运输线路长、运输周期长等特点，论述了解决龙滩水电站大件设备在铁路、公路运输中存在的问题；Tong等[3]提出了一个多目标的水电站重大件运输随机整数模型，并提出运用Benders分解算法求解；李修树[4]针对我国大型水电站分布情况，分析了水电站机电设备重大件的运输问题，详细阐述了水电站水轮机、主变压器及其他机电设备运输中的难题，并提出了相应的解决措施及建议；吴祖淇[5]从运输车辆选择，另辟新途，排除道路障碍3个主要方面问题，论述百龙滩水电站水轮机大件运输方式优选并付诸实施，从而确保运输安全；唐朝桂[6]通过对岩滩水电站水轮机大件运输路线和运输方案的调查和核实，从而确保大型水轮机能够安全地运抵安装现场，保证机组的按时投产发电。

本文基于层次分析法建立水电站重大件设备运输的数学模型，并以敦化抽水蓄能电站重大件运输线路的选择进行初步分析。通过实例分析，提出该模型在水电站重大件运输路线的选择问题中具有较强的实用性。

1 数学模型

1.1 参数假设

1.1.1 路网的模型描述

水电站重大件运输线路可以看作是网络图中的边，边的长度Lij表示该路段的长度，同时给该条边赋予一定的权值W，表示水电站重大件由节点i→j通过该条边的单位费用。水电站重大件从生产厂家运到施工现场的运输问题反映到路网上就是在一个有限的路网范围内，从设定的生产厂家S到施工现场T会有多个线路方案可供选择，按照以总的运输费用最小和花费时间最少的原则总能找到一条最优的线路。路网的网络模型如图1所示。

图1 路网网络模型示意

1.1.2 路网参数的假设与设定

在上述模型确定的基础上，构建合理的重大件运输线路选择网络图是设计水电站运输重大件运输线路选择算法的重要因素。

(1)节点假设。在实际情况下节点是连接线路区段的收费站。根据水电站重大件运输的特点，在可供重大件运输车辆走行的路网内节点分为终端节点和中间节点：中间节点为水电站重大件运输完成一个线路区段的运输任务后，在下一运输区段即将采取相同或者不同线路选择方案的转折点，若在某节点的下一步线路方案不可改选，则称该节点为不可转线节点(例如图1中的i节点)，若在某节点的下一步线路选择方案可以改选，则称该节点为可转线节点(例如图1中的j节点)；终端节点即为起始节点和终到节点，也可称为不可转线节点。

(2)线路区段假设。在节点假设的基础上，认为线路运行的区段均满足大件货物载运车辆的通行。

(3)路网的封闭性假设。假设路网是封闭的，即可选的方案是有限的，不存在其他的支路或可行的运输方案。

(4)路网的可行性假设。路网中所列出来的路段和节点均是可通行的，即满足线路选择影响因素中技术性和安全性的要求。

1.2 线路选择方案的基本模型

水电站重大件运输的运输方案评价指标包括运输时间、运输距离、运输成本、安全性和可靠性等指标。

层级结构最高层只有一个元素即决策目标：最合适的运输路线。中间层次是有关决策的影响因素：主要有安全(安全性)、经济(运输距离和运输成本)、技术(可靠性)和快捷(运输时间)四个因素。安全因素主要是指由于所运输的设备属于超重、超高、超限的水电站重大件，故在选择运输线路时要重点考虑所选线路的运输条件要能完全确保运输过程的安全。经济因素主要指在重大件运输线路选择过程中，运输距离和运输费用对运输线路选择的影响。技术性影响因素主要是指运送重大件货物的车辆或车组在运输过程中要受到路段连通性或交通拥堵等因素所造成的限制(可靠性指标)。快捷性主要指重大件设备运输要满足工程工期的要求，所选线路不同会造成运输时间相差甚大，因此重大件货物运输选线一定要根据工期要求考虑时效性影响因素。同时，需要考虑到重大件运输中桥梁涵洞、弯道、路基路面、纵横坡以及其他因素对重大件运输技术性、安全性、经济性和时效性的影响。

综上，水电站重大件运输路线的层次结构为：①目标层，线路选择的最优性；②准则层，满足技术性、安全性、经济性要求和时效性准则；③子准则层，根据线路选择过程中会遇到的障碍设定包括桥梁涵洞、弯道、路基路面、纵横坡以及其他方面的一些要求；④方案层，逐层优化，选择最优方案。

2 算法设计

层次分析法(The Analytic Hierarchy Process， AHP)[7- 8]是美国著名的运筹学专家匹兹堡大学教授T.L Saaty于20世纪70年代提出的一种定性与定量分析相结合的多目标决策方法。用层次分析法进行系统决策时，首先要把决策问题层次化，将其按照总体目标、子层目标、评价准则和备选方案的顺序分解至不同等级结构，其次求出低层级每个元素相对于上层级各个元素的优先权重，再加权递介至最高层级，最终权重最大的为最优方案。具体步骤如下：

(1)构造层次模型。先对问题所涉及的因素进行分类，建立一个各因素相互连结层次结构模型。一般分为最高层、中间层、最低层。最高层为目标层，中间层为准则层和子准则层，最低层为方案层。画出层次分析结构见图2。

图2 层次分析结构

(2)建立判断矩阵。在层次分析法中，先对每一层中各元素的相对重要性给出判断，这些判断用合适的标度值表示出来。例如，某项目A层中元素与下一层B中的元素B1,B2,…,Bn有联系，将它们的重要性两两比较，比值可构造判断矩阵，其中，aij为Bi和Bj比较权重，当i=j时,aij=1,当i≠j时,aij=1/aji,aij按表1中元素间重要程度标度取值。

表1 元素间重要程度标度

表2 平均随机一致性指标RI值

(5)计算综合重要度，并进行综合一致性检验。设准则层各要素对目标层的相对权重为ω1,ω2,…,ωk，方案层各要素对准则层的相对权重为ϖ1i,ϖ2i,…,ϖni，方案层各方案对目标层的权重为

(1)

式中，Vj表示方案j的综合权重。求出总排序后，进行总排序的一致性检验，即

(2)

式中，CIi为相应单排序一致性指标。

(6)根据综合总排序选出最优方案。

3 数值试验

本文以敦化抽水蓄能电站重大件运输为例，应用前文建立的模型进行计算分析。假定该项目所需的重大件由天津运往敦化。由于吉林省敦化市属于内陆地区，考虑到该项目的重大件需要门到门的运输，公路运输是典型的门到门的运输。因此，假定该项目的重大件选择公路运输。基于运距、时间、运费等因素，共选取如下4条路线：①D1，天津—G205—G102—G202—敦化；②D2，天津—沈阳—G11—敦化；③D3，天津—沈阳—G1212—吉林—敦化；④D4，天津—沈阳—长春—G12—敦化。

(1)构造判断矩阵。在运用层次分析方法进行决策分析时，一般采用专家打分法进行分析，即每个专家都可以给出一个比较判断矩阵，然后再根据这些比较判断矩阵进行最终的决策。可以采用比较判断矩阵综合法，即将各个专家的比较判断矩阵综合为一个判断矩阵，然后求出这个矩阵的排序向量。常用的比较判断矩阵综合法有2种：加权几何平均法和加权算术平均法。本算例采用几何平均法来确定判断矩阵，采用1-9标度法分别就各层对其上一层的重要影响程度打分，得到判断矩阵。

(2)一致性检验。判断矩阵是由专家根据各自的经验评定给出，用上述计算权重方法时，当判断矩阵过于偏离一致性，其可靠程度就不值得信任，因此，对于每一层次作单准则排序时，均需要作一致性检验。计算单层的单排序权值以及检验每个判断矩阵的一致性。结果为

计算出所有单排序的CR均小于0.1，认为每个判断矩阵的一致性都是可以接受的。

4 结 语

本文对水电站重大件设备在运输过程中的线路选择，运用层次分析法，建立了水电站重大件运输的线路选择层次模型，并采用敦化抽水蓄能电站的重大件运输作为实例进行了初步分析，从算例可以看出，采用层次分析对水电站重大件设备运输路线进行优选，能够科学、客观、准确地确定各评价指标的权重和各个方案的综合权重，而且此方法简洁、易实现、具有较好的实用性。