灰色系统理论在核电厂选址中的应用

李明

(中广核工程有限公司,广东深圳 518172)

灰色系统理论在核电厂选址中的应用

李明

(中广核工程有限公司,广东深圳 518172)

核电厂选址在地震、地质、水资源、环境、安全等方面有严格的要求,而前期普选阶段各个可能厂址的条件复杂多样,需要经过技术经济比较后取舍和优选。灰色系统理论针对传统的优选方法中的不足,结合核电厂厂址评价分级指标体系,应用灰色关联分析法,定量综合评价各个可能厂址条件,依据关联度大小对方案优劣进行排序。以某个厂址普选过程为例,说明灰色系统优选方案应用。

灰色系统 关联度分析 核电厂 厂址选择 综合评价

灰色系统理论是20世纪80年代,由中国华中理工大学邓聚龙教授首先提出并创立的一门基于数学理论的系统工程学科,是一种研究少数据、贫信息不确定性问题的有效方法。用“黑”表示信息未知,用“白”表示信息完全明确,用“灰”表示部分信息明确、部分信息不明确。相应地,部分信息明确、部分信息不明确的系统称为灰色系统。灰色系统理论以“贫信息”不确定性系统为研究对象,最大的特色是经过分析、建模可以解决大量实际存在的工作量大、定量指标受限、灰色因素较多的复杂方案优选决策问题,广泛应用于工程领域。

图1 核电厂普选阶段厂址选择基本程序略图

图2

核电厂厂址选择是核电建设的重要工作环节,选址是否合理,对项目决策、工程投资、建设质量、运行安全、经济效益起着决定性作用。核电厂选址在地震、地质、水资源、环境、安全等方面有严格的要求,而前期普选阶段各个可能厂址的条件复杂多样,传统方式一般采用技术经济指标分析表比较论证,但不确定性灰色因素较多时,则难以定量表达。厂址选择就是一个典型的灰色系统,在综合评价体系中许多信息是已知的,可以进行定量描述,但也有部分信息是未知的,只能进行定性分析。例如在占地、拆迁、移民情况、进厂公路与交通运输条件、土石方工程量、水源及取排水条件等方面能够定量给出与厂址相关费用,而与安全相关条件如地震活动、地表断裂、地基斜坡稳定性、极端气象、外部人为事件、与周围环境及区域规划相容性等方面选址阶段往往只能定性地描述各个厂址之间的差异,如果比选厂址均不存在颠覆性因素且厂址条件差异较小时,缺乏定量的分析,就难以做出最优决策。本文基于灰色系统理论在核电厂普选阶段厂址选择综合评价中的应用,探讨定量化的厂址优选方法。

1 厂址选择工作的基本程序及应考虑的基本因素

核电厂厂址选择的过程,通常包括对厂址选择技术任务书中规定的一个大的区域的调查和研究,以选择两个或若干个优选厂址,继而详细评价那些优选厂址的可接受性,以最终选定推荐厂址。厂址普选工作应按(图1)所示的基本程序进行。

从厂址选择工作开始到最终选定推荐厂址的全过程中,均须充分考虑以下几个方面的因素,并必须在厂址选择报告中予以明确论述。

(1)适于建造和运行拟建核电厂的与技术可行性因素相关的厂址特征;(2)所选厂址所在区域可能发生的外部认为事件和自然事件对核电厂影响;(3)可能影响所释放的放射性物质向人体转移的厂址特征及其环境特征;(4)与实施应急措施的可能行及评价个人和群体风险所需要的有关外围地带的人口密度、分布及其其他特征;(5)影响在所选厂址上建造和运行拟建核电厂的经济合理性的厂址特征。

2 厂址选择的评价指标体系

综合评价多个候选厂址,需要建立能对照和衡量各个候选厂址的评价尺度,即评价指标体系,对指标进行横向比较后,进行优劣排序。因此,评价指标体系必须具有全面、科学和权威,涵盖厂址选择所应考虑的五个方面的因素。根据以往普选阶段的工作经验,厂址选择评价指标体系可如图2所示。

3 灰色关联评价方法

灰色关联分析基本思路是根据对系统统计序列曲线几何形状的相似程度的比较,来刻画系统中多因素间的关联程度。通过分析灰色系统中各个厂址因素的关联度,计算各厂址条件与最优厂址的相似度,并对两者之间的相对误差和绝对误差两个方面进行比较,误差越小,则关联度越大。一般步骤如下。

STEP1:建立标准化决策矩阵,即定义描写目标的特征变量几何,确定比较数据列。例如核电厂厂址选择过程中,根据分级评价指标体系,结合选址经验,选取与厂址投资决策相关的关键性指标,如征地面积、拆迁人口、土石方工程量、交通运输条件、接入系统、岩土工程条件、水源和取排水条件等对比作为技术经济指标数据列,称为比较数据列。设A为m个厂址比选方案集合,A={A1,A2,..Am};每个方案又有n个评价因子,则数据列为:

表1 可能厂址的技术经济指标比较表

表2 各项技术指标标准化

表3 指标因子与理想数列绝对差值

表4 关联系数ξ0i和灰关联度r0i

数据列中部分指标是定性的,如岩土工程条件、规划相容性等,需要对非量化的灰色指标进行白化函数的量化处理。本文将最高与最低指标的白化值取1和0,通过插入法求出各方案的白化值。最高和最低数值可以通过统计数据取得,或由专家小组综合评分。

STEP2:选取最理想方案的指标组合

其中,a0(1)是a1(1),a2(1),…, am(1)中的最优数据。

STEP3:求关联系数。关联系数ξ(j)是比较数据和最优数据在第j个元素的相对差值,其大小可作为关联程度的衡量尺度。根据灰色系统理论定义,任意两个数据列A0(j)与Ai(j)之间的关联系数为:

ρ为分辨系数,ρ∈[0,1],为了削弱最大绝对差值因过大失真影响,以提高关联系数之间的差异显著性,通常取ρ=0.5。

STEP4:计算各变量采样数据之间的灰关联度,并按阈值准则划分数据序列集,计算公式为:

STEP5:方案优劣排序。根据计算的n个方案关联度大小,确定各个方案的优先级顺序,关联度越大,说明方案越优。

4 实例分析

某厂址普选项目共有3个可能厂址,根据分级指标确定征地面积、土方工程量、拆迁人口、交通运输条件、接入系统条件、岩土工程地质、水源和取排水条件、周围环境及外部人为事件这8个指标对三个厂址进行优选。其相应的技术经济指标如(表1)所示。

其中征地面积、拆迁人口、土方工程量、交通运输条件、取排水工程方案可以定量说明,而接入系统条件、岩土工程地质、外部人为事件,该阶段对其进行定性描述,在实际应用过程中则可以通过专家评分法对定性指标白化处理。本文简单起见,对于定性评价等级划分为优、良、差3个等级,按照白化曲线插入法取值分别为0.75、0.5、0.25。定量指标则设定最优指标为最大值1,其余则相对最优值白化处理,处理后各项指标值参见(表2)。

根据(表2)所给的数据,可知理想厂址的因素指标为:

A0={0.91,0.47,0.45,0.69,0.75,0.75,0.61,0.5},各方案比较数据列于最优参考数据的差值,如表3所示。

计算各厂址条件的关联系数ξ0i和灰关联度r0i,如表4所示,根据这3个可能厂址的关联度排序为:r01＞r02＞r03,则方案排序为A1＞A2＞A3,方案1为最佳决策方案,与实际结果优选厂址排序一致,故本方法用于核电厂选址综合评价是可行的。

5 结语

灰色系统理论对核电厂厂址选择综合评价提供了一种新的定量分析的方法,通过实例分析其结果与传统的技术经济比较法相吻合,真实有效的反应了特征指标的差异性,相比传统评价方法,通过白化处理灰数因子,使得各个指标之间可以横向对比,且该方法对特征指标数据要求较低,易于掌握。在厂址选择的工作中,可以在此方法基础上再通过专家评分、统计调查等方法确定特征指标权重,使得评价结果更加客观、科学和有效。

[1]丁威.《工业企业总图布置方案灰色系统的优选方法》.兰州理工大学学报,2008,2,pp.116-119.

[2]王秋平.《基于离差最大化的灰色关联投影法在厂址选择综合评价中的应用》.西安建筑科技大学学报,2013,6,pp.356-360.

[3]国防科学技术工业委员会《核电厂厂址选择基本程序》.(EJ/T 1127-2001).

[4]雷明.《工业企业总平面设计》.陕西科学技术出版社,1998.