基于VIKOR法输电线路工程全过程机械化施工方案群决策研究

冯炳 朱江峰 李攀峰 庞南生

摘要： 实施输电线路工程全过程机械化施工，设计和制定一个合理和完善的施工方案是一基本要求和前提条件，而这一施工方案的制定需要综合评判各种因素影响，由于这些影响因素在实际中往往又是定性的、难以量化分析的，这一问题给方案评判工作带来很大的困难。本文基于VIKOR法原理，结合全过程机械化施工的施工目标等要求，构建了全过程机械化施工方案的评价指标，对指标体系中的各种定性因素按照区间数、直觉模糊数和语言变量等进行了有效处理，确定了各评价指标权重系数，并利用专家小组的知识与经验，提出了输电线路工程全过程机械化施工方案的群决策方法，通过工程实例分析，也说明本文提出的方法是可信和合理的。

Abstract： It is the basic requirement and precondition to design a reasonable and perfect construction scheme for the whole process mechanized construction of transmission line engineering， however， in the process of formulating this construction scheme， it is necessary to comprehensively evaluate the influence of various factors. Since these factors are often qualitative and difficult to quantify in practice， this problem brings great difficulties to the program evaluation work. Based on the principle of VIKOR method and requirements of whole process mechanized construction， such as construction target， this paper constructs the evaluation index of the whole process mechanized construction scheme. According to the interval numbers， intuitionistic fuzzy numbers and linguistic variables， the various qualitative factors in the index system are effectively processed， and the weight coefficients of each evaluation index are determined. Then， using the knowledge and experience of the expert group， we propose a group decision making method for whole process mechanized construction scheme of transmission line engineering. Finally， it is certificated the credibility and rationality of the method proposed in this paper， by analysising of practical engineering example.

關键词： 输电线路工程；全过程机械化施工；机械配置；群决策

Key words： transmission line engineering；whole process mechanized construction；mechanical configuration；group decision making

中图分类号：TM726.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）03-0063-05

0 引言

输电线路工程全过程机械化施工是一种创新的施工建设模式，也是国网公司全面推广的电网工程一种施工模式，它是以施工机械代替人力完成输电线路全部施工工序的作业活动，这一模式的实施改变了传统的输电线路施工以“以人为主，机械为辅”的方式，实现了输电线路施工作业由劳动密集型向技术型和机械化方向的转变。

输电线路工程施工特点是线路长、作业点分散、地质地形条件复杂、高空作业多危险性大、投入人员多等，采取机械化施工将有利于简化施工作业内容、降低施工人员的投入和劳动强度、减少施工安全风险性、扩大作业范围、提高施工效率、保护生态环境、降低施工成本、缩短工期和提高施工质量。

要实现工程的机械化施工和发挥出全过程机械化施工产生的良好效果，在设计阶段，一方面设计单位需要将工程的设计与施工、各专业之间进行有效的协调配合，要转换设计理念和方法，以机械化施工为设计导向，结合工程的实际情况，对输电线路工程全部作业工序进行整体的施工设计，以满足全过程机械化施工的要求。另一方面，施工单位在施工前，还需要结合工程的施工图设计、施工目标、现场施工条件等具体实际情况，拟定出多个全过程机械化施工方案，并综合考虑多种评价因素进行方案的比较选择。在拟定方案中要考虑各工序之间的紧密性和关联性，施工方案不仅能够对各施工工序的机械化施工起到指导与支持作用，更重要是通过这一施工方案的实施在机械化施工过程中产生出整体的最佳的经济、社会和环境效益。

1 全过程机械化施工工序及施工机械配置

输变电工程全过程的施工工序包含了临时道路修建、物料运输、基础开挖、混凝土工程、铁塔组立、展放导线、接地装置敷设等，其中，临时道路修建、物料运输与后续的基础开挖、混凝土工程、杆塔组立等在施工机械配置、工序工程量、施工工期、环境保护、施工成本、机械化程度等方面有较大的相互影响。

1.1 临时道路修建

临时道路修建需要结合塔位、地质地形、物料和机具设备的运输量、重量和外形尺寸等因素，综合考虑路径选择、道路拓宽、加固等施工方案，需要施工机械主要有推土机、挖掘机、铲运机等。

1.2 物料运输

传统的物料运输方式主要是以人力和畜力，这种方式劳动强度大、危险性高、施工工期长和效率低等。机械化的运输设备主要有轮胎式运输车、履带式运输车、混凝土罐车、货运索道运输、飞艇运输、直升机运输等。轮胎式运输车适合于平地地区，对道路条件要求不高，履带式运输车一般用在山地、丘陵、泥沼等地区、可减少开山筑路范围，但对植被环境影响较大，索道运输适合于高山、深谷、河流等地形的材料运输，不会造成环境破坏。

1.3 基础开挖

杆塔的基础型式主要有大开挖式基础、掏挖式基础、灌注桩基础、预制基础、锚杆岩石基础及新型基础等，大开挖式基础开挖以及钢筋和混凝土用量都较大，对植被破坏也较大，掏挖式基础对土壤地质条件要求高、一般用于地下水位低的硬塑、可塑黏性土等地质，对环境影响小，灌注桩基础施工产生的泥浆对环境影响大。基础施工机械主要有履带式挖掘机、旋挖钻机、反循环钻机等。

1.4 混凝土工程

混凝土浇筑可采用现场搅拌混凝土、商品混凝土，当道路条件允许时，可混凝土罐车运输、混凝土泵车浇筑，在山地地形时可采用自卸式三轮车倒料。

1.5 铁塔组立

随着铁塔重量和高度不断变化，组塔方式也不断发展，铁塔组立的方式有悬浮抱杆内（外）拉线式组塔、吊车组塔、塔机组塔、飞艇组塔等，抱杆组塔不受地形、塔高等限制、适用较广，但高空作业较多、施工速度慢，吊车组塔主要应用于塔高较低、山地坡度较小等地形条件宽阔的塔位，优势是施工工期短。

1.6 展放导线

展放导线的方式主要是张力放线，张力放线使用的主要设备有张力机、牵引机、导线线轴支架、牵引绳重绕机、导引绳展放支架、导引绳、牵引绳及抗弯连接器、牽引板等。初级导引绳可采用动力伞或无人机或直升机等进行展放，全程不落地放线。利用动力伞等施放引绳技术能有效的降低施工难度、提高施工效率和缩短施工工期，还能有效降低线路施工对周边环境的影响。

1.7 接地装置敷设

接地施工装备主要有水平定向钻机、专用接地挖掘机和垂直钻机。水平定向钻机可在最小开挖地表的情况下，是一种实用、安全、高效、环保的新技术。专用接地挖掘机是利用挖掘机取土在接地位置直接掏挖的机械，对环境破坏较大；垂直钻机主要用于垂直接地施工中的钻机，可减少对地表植被的破坏。

2 全过程机械化施工方案评价指标选取

输电线路工程全过程机械化施工需要完成多个不同施工内容的施工工序，为实现机械化施工，各工序需要进行施工机械配置和采取相应的施工方法，制定出合理而完善的施工方案。由于各工序之间存在着相互关联和制约关系，特别是前期具有施工准备性质的施工工序，如临时道路修建和物料运输，其不同的施工机械配置和施工方法又直接影响到后期施工工序在施工机械设备选择和施工方法制定；而每一工序又可以通过多个不同的施工方案来实施，从而又将会产生不同的全过程的经济、社会与环境效益。为此，全过程机械化施工方案的制定和选择应从全过程和整体的角度去考虑，需要拟定全过程的机械化施工方案的评价指标。通过对输变电工程全过程施工工序的分析和结合全过程机械化施工的要求，全过程机械化施工方案的评价指标可以考虑以下指标：

2.1 施工成本

施工成本是指在各工序施工中发生的所有成本，包括人工费、材料费、机具台班费、维修保养费、设备租赁费、设备进出场运输费费、设备转场费、青苗补偿费等。在施工方案中，应优选和配置设备投入少、维修保养简单、能耗低的施工机械，以取得降本增效的效果。

2.2 施工工期

由于不同的施工机械其施工生成率是不同的，其完成工序所消耗时间也将不同，各工序施工应优先配置施工生产率较高的施工机械，以加快施工速度，缩短施工建设周期。如灌注桩反循环钻机施工比旋挖钻机工序要复杂，其作业完成时间显然要长些。又如吊住组塔可以地面组装，整片吊装，起吊重量大，吊装次数少，相比抱杆吊装采取的单件吊装的作业效率高。

2.3 施工质量

施工质量可通过工序完成的合格率、缺陷数、偏差值等指标反映。各工序配置的施工机械技术性能指标和参数应满足各工序施工质量设计规范和质量验收标准的要求；应选择施工技术成熟、先进和施工质量可控的施工方法。如，旋挖钻机成孔的基础定位准确，成孔尺寸、垂直度精度高，成孔过程沉渣较少，成孔质量好。又如，采用吊车组立铁塔，可以将塔铁件在地面完成大部分的组装工作，铁塔的螺栓紧固强度高，构件变形情况小，施工质量好。

2.4 施工安全性

施工安全性可通过危险源分析、安全成本等指标反映。各工序应采用技术先进和生产率水平较高的施工机械，以减少人工劳动力的投入；应优选降低和避免施工人员进行危险性作业的施工方案；应采用施工难度小的施工方案，优先选择施工道路条件好，施工设备进场便利的施工方案；对危险性较大的作业活动应进行评估，采取安全防范措施。如在铁塔组立中，在沿线道路条件便利和铁塔呼高不高的情况下，应优先选用吊车分解或整体组塔方案，减少高空作业工作量，安全性好。

2.5 机械化程度

机械化施工程度可采用设备构成比、机修工修配劳动量等指标来衡量。在施工方案中，高效和专用的机械设备所占比重越大，利用机械完成的工程量就越多，机械化施工程度就越高，人力劳动量就越小，应优选机械化设备配置比例较高的施工方案。通过机械化施工，不仅可以降低施工人员的作业强度，更是可以在不适宜人工作业的场所避免或减少劳动伤害，扩大施工范围。

2.6 生态环境保护

临时道路修建、基础开挖、钻机作业时泥浆护壁、架线等作业，都会在不同程度上对植被环境造成破坏。在施工方案中应优选和配置对环境破坏小的施工机械和施工方法。如，旋挖钻机相比反循环钻机由于设备具有自身取土的功能，无需采用泥浆循环，不需要利用地下水造浆，减少了对周边生态环境影响。又如，接地装置敷设采用垂直接地体，选用与接地线相匹配的钻机，可以直接打孔，可以避免挖掘机挖放射槽，减少了对地表、对植被的破坏。

2.7 施工便捷性

应优选工序间的相互干扰程度小、施工难易程度低，机械施工效率高，操作方便、工具又简单的施工方案。施工便捷性有利于加快施工速度，降低施工成本，提高施工质量和施工安全性。

3 VIKOR法群决策原理

VIKOR法是由南斯拉夫的Opricovic教授于1998年提出的一种基于理想点法的折衷排序方法。其特点是在选择方案是考虑了群体效益的最大化，同时，也最小化了个体遗憾，而且融合了决策者的主观偏好。

在输电线路工程机械化施工方案评价指标中，一些指标如施工便捷性、施工安全性、机械化程度等由于缺少信息，在实际工作中，是很难或很准确地用确定性指标值去定量衡量的，而决策管理部门又更习惯于采用不确定性量如语言变量、区间数和直觉模糊数等去描述，因此，用于方案的评价信息基础是一含有确定性指标值、语言变量、区间数和直觉模糊数所构成的混合型决策信息， VIKOR法正是适合于解决这种决策信息的评价问题的一种方法。

3.1 区间数、直觉模糊数概念

称 为R上的一个区间数，xl表示区间的下界，xu表示区间的上界，R为实数域。当0

称 为X上的一个直觉模糊集，μA（x）和νA（x）分别为X中元素x属于A的隶属度和非隶属度，μA（x）∈[0，1]，νA（x）∈[0，1]，0？燮μA（x）+νA（x）？燮1，？坌x∈X，此外，稱πij=1-μA（x）-νA（x）为X中元素x属于A的犹豫度或不确定度。由X中元素x属于A的隶属度和非隶属度组成的有序对，称为直觉模糊数。

一般地，直觉模糊数记为a=（μa，νa），μa∈[0，1]，νA∈[0，1]，0？燮μa+νa？燮1。设有任意两个直觉模糊数a=（μa，νa）和b=（μa，νa），则a和b的海明距离为，

d（a，b）

3.2 语言变量的处理

语言变量是以自然语言的形式表达，专家组成员利用熟悉简单的语言短语对备选方案进行定性判断，更符合专家个体的主观意愿。对于语言变量类型的数据通常采用转化的方式进行处理，在这里将语义评价信息转化为直觉模糊数，语义变量标度和相对应的直觉模糊数如表1。

3.3 规范化专家个体决策矩阵

考虑多属性群决策问题，设方案集为Ai（i=1，2，…，m），属性集为Xj（j=1，2，…，n），决策者集dk（k=1，2，…，s），专家针对各目标给出的多种数据类型的属性值为x ，假设属性权重信息wj（j=1，2，…，n）已知，且wj？叟0，j=1，2，…，n， w =1；专家组专家的权重信息λk（k=1，2，…，s）已知，且wk？叟0，k=1，2，…，s， w =1。构建的专家组专家个体的主客观评价信息的混合决策矩阵为 。

设规范化决策矩阵为 。最常见的属性有效益性、成本性指标，令Ij（j=1，2）分别表示效益性、成本性的下标集，M={1，2，…，m}，有，

对于实数数据，规范化后数据，为，

效益性指标：

成本性指标：

对于区间数，规范化后数据，为，

效益性指标：

成本性指标：

3.4 根据专家个体决策矩阵，利用集结算子构建群决策下的直觉模糊数矩阵

在群决策分析中，需要将专家组个体专家的决策信息，集结为群决策矩阵R=r ，j=1，2，…，m，j=1，2，…，n，为达到这一目的，可利用IFWA（Intuitionistic Fuzzy Weighted Averaging）直觉模糊数加权平均算子集结。

设αk=（μαk，ναk）（k=1，2，…，s）为一组直觉模糊数，λk（k=1，2，…，s）为αk（k=1，2，…，s）的权重向量，λk∈[0，1]，k=1，2，…，s， λk=1 ，则称

为直觉模糊数加权平均算子。其中， 。

将专家组个体专家的决策信息，集结为群决策信息，除使用集结算子外，一些文献也介绍采取均值法等。

3.5 确定各评价属性的客观权重和专家个体客观权重

对于各评价属性的客观权重，可以采用熵值法计算，利用各数据类型的熵值公式确定权重可以更客观地反映评价属性的重要程度。

在属性集Xj（j∈J1）下的实数熵值为，

在属性集Xj（j∈J2）下的区间数熵值为，

其中， ，i=1，2，…，m；j=1，2，…，n，dij为相离度矩阵D=（d ） 中的元素，d =d（zij，z*j），z*j为在规范化决策矩阵Z=（z ） 中第j个属性下的效益性或成本性属性的理想值。

在属性集Xj（j∈J3）下的直觉模糊熵值为， ，j∈J3

上式中，J1为实数型数据属性下标集，J2为区间数型数据属性下标集，J3为直觉模糊数型数据属性下标集。

各属性Xj（j=1，2，…，n）的权重wj为，

，j=1，2，…，n

对于专家个体客观权重，可根据专家对备选方案给出的属性评价信息中的犹豫度值来确定。对某个专家而言，专家给出的评价信息中的犹豫度值大小反映了专家对评价对象的不确定性程度。若犹豫度越小，反映了专家对评价问题掌握的信息越多，给出的评价结果可靠性也越高，则对该属性赋予的权重也应越大。所以，可以根据熵原理建立专家信任函数以确定专家的客观权重。

定义的专家信任函数为Bk（π），专家个体客观权重为λk，有，

式中，π 为第k个决策者给出的第i方案关于第j个属性评价信息转化为直觉模糊数中的犹豫度值。

3.6 根据群决策信息R=r ，确定正理想解r*j和负理想解r-j

属性有不同的类型，一般情况下分为效益性和成本性。

式中，r 为方案Ai关于属性Xj的属性值，J1和J2分别为效益性目标和成本性目标的下标集。

3.7 备选方案的群体效益Si、个体遗憾值Ri和折衷值Qi

式中，S*= ，S-= ，R*= ，R-= ，Si、Ri和Qi的取值均是越小越好，ν为决策机制系数，ν=[0，1]，表示决策者对群体意见和个体遗憾值的倾向度。若ν>0.5时就表示决策者更倾向于根据最大化群体效益所占比重较大的方式来进行决策，若ν<0.5表示更倾向于最小化个体遗憾值来进行决策，ν=0.5表示决策者不存在明显的偏好，采取均衡折衷方式。在VIKOR法中，一般取ν=0.5，即均衡折衷以使群体效益最大化和个别遗憾最小化。

3.8 确定折衷解

当下面两个条件成立时，可根据Qi（i=1，2，…，m）值的大小对方案排序，值越小，意味着方案越好。设最小值Qi所对应的备选方案为Ai，若最小值Qi同时满足以下两个条件C1和C2，则方案Ai为最佳折衷解。

條件C1：可接受度优势Q2-Q1？叟1/（m-1），式中，Q1和Q2分别为按Qi（i=1，2，…，m）排序的最小和次最小的综合值，m为备选方案数。

条件C2：在Qi排序中，最佳方案Ai对应的Si值或Ri值也是最小的。

若以上两种条件不能同时成立，则得到折衷解方案，分为两种：若不满足条件C1，则A1，A2，…，Ar为折衷解，其中，r的最大值由Qr-Q1<1/（m-1）确定，这些方案都接近理想方案；若不满足条件C2，则备选方案A1和A2为折衷解。

算法步骤：

step 1.对客观属性值进行规范化，将语言变量转化为直觉模糊数，计算属性客观权重wj和专家客观权重λk；

step 2.将专家个体的决策信息Dk=[x ] ，利用直觉模糊数加权平均算子IFWA对专家个体信息进行集结，形成的完整的群决策矩阵R=r ；

step 3.根据群决策矩阵，利用熵值法，计算属性权重wj；

step 4. 确定理想解r*j和负理想解r-j；

step 5. 计算备选方案的群体效用值Si、个体遗憾值Ri和折衷值Qi；

step 6. 按照Si、Ri和Qi值的大小分别按降序进行排序，值越小代表方案越优；

setp 7. 确定折衷解。

4 实例分析

某220kV输电线路工程地处在丘陵地段、经过现场勘查，沿线地层以黏性土及粉土为主，线路沿线大部分地区地下水埋深较深。本工程杆塔主要采用直立式角钢塔，基础以掏挖基础、板式基础为主。现拟定了3个全过程机械化施工方案，用Ai（i=1，2，3）表示，各施工方案的机械配置如表2所示，选取了7个施工方案的评价指标，用Xj（j=1，2，…，7），其中，X1和X2为成本性指标，其余为效益性指标，且X1、X2和X5为客观性指标，X3～X4和X6～X7为主观性指标，如表3所示。

由施工企业组成的3个专家小组，用Dk（k=1，2，3）表示，对施工方案进行评价，同时，完成对7个指标的评价。经调研统计出本输电线路（单基）的施工方案客观性指标的原始数据如表4所示，3个专家小组对本工程施工方案的主观评价数据如表5～7所示。

①对施工方案的实数和区间数客观属性值进行规范化，同时利用语言变量与直觉模糊数的转换关系，将语言变量属性值转化为直觉模糊数。再根据3个专家小组D1～D3给出主观属性值，利用专家信任函数确定专家客观权重λk（k=1，2，3）；根据3个专家小组D1～D3给出的主观属性值直觉模糊数中的犹豫度，可求出的3位专家信任函数分别为B1（π）=-0.3198，B2（π）=-0.3121和B3（π）=-0.2827，则3个专家小组的客观权重λ1=0.3496，λ2=0.3413和λ3=0.3091。

②根据求出的专家的客观权重，利用直觉模糊数加权平均算子IFWA对3位专家个体信息进行集结，并与客观属性值信息合并后，形成的群决策矩阵 ；

③根据集结后的群决策矩阵 ，利用熵值法计算权重。先计算各属性的熵值，再计算属性权重wj；

④根据集结后的群决策矩阵 ，确定理想解r*j和负理想解r-j；

r*j={0.8269，0.8605，（0.8214，0.1148），（0.8500，0.1000），[0.5790，0.6243]，（0.7554，0.1274），（0.7695，0.1000）}

r-j={1.0000，1.0000，（0.6047，0.2935），（0.6337，0.2506），[0.5181，0.5725]，（0.5675，0.2267），（0.5333，0.2000）}

⑤计算备选方案的群体效用值Si、个体遗憾值Ri和折衷值Qi，并按降序排序，在这里，取v=0.5。

从计算结果Qi值看，备选方案的排序为A2？莨A1？莨A3，其中，Qi值最小的对应方案是A2，再检验方案A2是否满足其它两个条件C1和C2。对于条件C1，Q（A3）-Q（A2）=0.5679？叟1/（3-1）=0.5000，满足条件C1；对于条件C2，方案A2的Si值和Ri值也都是最小的，也满足条件C2。所以，方案A2为最优的施工方案。

5 结论

输电线路工程全过程机械化施工是一全新的工程建设模式，相较于传统的“以人为主”建设模式具有明显的优势，能够产生出良好的社会、经济和环境效益。这一新的建设模式实施和效益的发挥，其施工方案起着重要的指导作用。因此，在工程施工前，在设计和制定输电线路工程全过程机械化施工方案中，施工单位就需结合输电线路工程施工特点和全过程机械化施工目标要求，通过对全过程各施工工序的分析，对全过程各工序的机械化施工进行合理的机械配置、人员配置以及施工方法的制定，并通过拟定多个施工方案和在综合考虑影响因素后，对施工方案加以评价决策。由于这一决策过程，需要考虑输电线路工程全过程各工序之间各种错综复杂的影响因素，本文为了找到能够实现机械化施工的综合效益的最佳施工方案，利用专家知识与经验和群决策理论，提出了输电线路工程全过程机械化施工方案群决策方法，该方法原理清晰，计算简便，并能有效处理和考虑各种复杂因素。通过具体工程实例分析及其决策结果，也验证说明了本文提出的决策方法是合理的和可行的。

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