基于层次分析法的综合交通枢纽供电方案研究

魏海洋

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

基于层次分析法的综合交通枢纽供电方案研究

魏海洋

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

目前供电方案研究方法大多为定性分析法，具有一定的模糊性。应用层次分析法从工程投资、实施难度及满足工期筹划方面研究综合交通枢纽供电方案，对方案选择过程进行定量分析，解决定性评价的模糊性，给出清晰明确的答案，为枢纽供电方案的选择提供一条新思路。

综合交通枢纽；层次分析法；供电方案

国家铁路网中有一种重要的节点——综合交通枢纽，其在城市所有公共交通网中的地位也是举足轻重。鉴于枢纽工程通常工程规模大、布局复杂、产权和管理单位交织等种种的特殊性，对其供电方案加以科学的专门研究显得尤为重要[1]。目前采用的方案研究方法大多为定性分析法，此方法存在指标量纲不统一、没有归一化等问题，方案的最终决策存在一定的模糊性。

层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是1971年由美国匹兹堡大学教授T.L.Satty提出的一种实用的多因素决策方法[1]。该方法将各个问题层次化、分块化，能定量地处理各种决策因素，具有系统灵活和清晰的优点。应用AHP从工程投资、实施难度及满足工期筹划等方面研究了综合交通枢纽供电方案，应用此方法，能对供电方案选择的思维过程进行定量分析，解决了定性评价进行方案选择的模糊性，给出了清晰明确的答案，为枢纽供电方案的选择提供了一条新思路。

1 层次分析法的评价过程

AHP的核心思想可以归纳为“先分解后综合”。基于AHP的综合评判决策包括以下步骤[2-7]：①选取参数指标及建立层次结构；②建立方案因素决策表；③形成判断矩阵；④求解判断矩阵权重；⑤综合权重计算和排序。

1.1 选取参数指标及建立层次结构

层次结构的建立过程是首先确定决策目标，其次罗列出与该目标相关的各种因素，然后分析这些因素间的逻辑关系，最后绘制决策的层次结构图，层次结构如图1所示。

图1 层次结构

1.2 建立方案因素决策表

在图1的层次结构中，各方案与最底层因素间的连线可构成一个二维表，称为方案因素决策表(简称决策表)。该表中数据称为因素数据，记录了待选方案关于各决策因素的信息。决策表是综合评判决策中的基础数据，因素数据可以分为定量数据和定性数据两类。

1.3 形成判断矩阵

建立决策表后，需要根据决策表中数据求得各方案关于最底层因素的方案权重，采用层次分析法中的相对评价方法对方案进行两两比较。绝对评价可采用专家直接打分的方法。若有n个比较量，则让每一个量与其他量分别进行共n-1次两两比较，第i个量与第j个量的比较结果记为aij，再加上与自身的比较结果aii，可形成一个n×n的方阵，称为判断矩阵。

1.4 求解判断矩阵权重

用每列元素的和分别去除该列各元素(即对每列进行规一化)，然后对所得各行元素分别求和并除以该行元素个数，得到一个权重向量，即行向量平均值标准化法

(1)

由比较判断出发通过计算，决策者可以建立递阶层次结构中某一层元素对相邻上一层某一元素的排序。

1.5 综合权重计算和排序

得到关于层次结构中最底层因素的方案权重和各层的因素权重后，采用以下公式计算方案对上一层因素的权重

(2)

按照公式(2)从最底层开始逐层向上计算，最终可求得各方案关于总目标G的综合权重。综合权重的分量大小就表示了与之相对应的方案间的优势强弱，从而通过综合权重分量的排序得到方案的排序。

2 天津站交通枢纽工程供电方案的选择

从天津站交通枢纽工程市政部分被铁路站房分割为前广场和后广场两部分。前广场包括主广场和海河东路隧道工程、副广场、地面景观工程、公交工程、三经路西地块、五经路地道及广场西侧的控制中心工程。根据政府要求，为了保证广场景观效果，地面不能出现任何建筑物。后广场包括轨道换乘中心工程、停车中心及酒店广场、综合配套楼广场、长途公交工程等。由于拆迁难度太大，可供开发的土地非常紧张。另外前后广场之间有位于铁路站房下的地下人行联络信道工程。定位为城市地下人行隧道，根据现行消防规范，严禁在隧道内敷设高压电缆。从市政部分工期筹划方案看，前广场要配合铁路站房在2008年中期奥运会前投入使用，后广场则配合地铁2、3、9号线在2012年投入使用。

以上现场条件及工期方案都是影响供电方案的重要因素。经过分析确定以下两个方案进行比较研究[8-12]。

方案一：1座35/10 kV主变电站方案

在后广场城际站房西侧地面设一座35/10 kV主变电站，采用三路电源受电。安装容量为3×12.5 MVA。其出线采用电缆井进入地下一层，为前后广场负荷供电，前广场的馈出线经过联络通道引入前广场。

其运行方式为三路电源同时运行，互为备用，当一路电源失电时，由另两路电源负责后广场全部负荷供电，当两路电源失电时，由另一路电源负责后广场全部一、二级负荷供电。如图2所示。

图2 1座35/10 kV主所方案供电示意

该方案10 kV侧电压等级较低，电缆截面较大。另外由于前后广场工期不一致，主所设在后广场，不满足前广场的供电要求，故前广场需要申请临时电源进行过渡；另外主所向前广场供电的线路需要通过前后广场联络通道，根据消防局的要求，电缆信道须与人行信道独立设置，并设置灭火设备系统，目前仍没有理想的方案，且投资很大。

方案二：2座35 kV开关站方案

前广场在主广场地下设1座35 kV开关站，为前广场各子项供电，外部电源进线及景观、五经路地道工程出线采用电缆井、顶板开孔、地面电缆沟或排管方案；副广场采用电缆桥架经地下空间送电。其运行方式为两路电源同时运行，互为备用。当一路电源失电时，由另一路电源负责前广场全部负荷供电。如图3所示。

图3 前广场供电示意

后广场在轨道换乘中心地下一层设1座35 kV开关站，为后广场各子项供电。其电源进线经公交中心，经电缆竖井引入。其运行方式为三路电源同时运行，互为备用，当一路电源失电时，由另两路电源负责后广场全部负荷供电，当两路电源失电时，由另一路电源负责后广场全部一、二级负荷供电。如图4所示。

图4 后广场供电示意

该方案由于不设主变压器，对房屋净空、荷载要求不高，可以方便地在各子项内选址，位置容易深入负荷中心，进出线比较方便，且不需要额外增加土建投资。

另外，该方案可以适应工期筹划方案，分期实施，而且避免了前后广场之间敷设高压电缆的困难。

在决定主所方案的设置决策上，认为供电可靠性均能满足要求，有3个主要影响因素分别为工程投资(包括主所主体工程投资、临时工程费用及运营期基本电费等)、实施难度(包括前后广场沟通条件、主所占地及电缆截面)及满足工期筹划方案。以下利用AHP 理论对以上两个方案进行分析。首先，依条件可画出该决策的层级结构图，如图5所示。

图5 天津站供电方案层级结构

因此下一步就可利用成对比较矩阵来运算出在各个不同的因素考虑下每个选择方案的权重值。

(1)影响因素的成对比较矩阵

首先可以先算出影响因素的权重，根据每个因素的重要性，得出满足枢纽整体工期筹划方案比实施难度更重要，其重要性程度赋予3；满足枢纽整体工期筹划方案比工程投资更重要，其重要性程度赋予9；另外实施难度比工程投资也更重要，赋予6。故可得比较矩阵，见表1。

表1 影响因素的成对比较矩阵

(2)影响因素的权重

接着将以行向量平均值标准化法求解权重，应用式(1)以求得标准化之值，见表2。

表2 影响因素标准化成对比较矩阵

依照行向量平均值标准化法公式可知，将列加总求平均就可得各因素权重值，见表3。

表3 层影响因素权重值向量

当计算出权重之后，对其一致性进行验算，C.I.称为一致性指标，R.I.称为平均随机一致性指标。随机一致性比率C.R.=C.I./R.I.=0.0466≤1，一致性是可以接受的。

(3)计算选择方案的权重

计算完影响因素之权重后，对于选择方案上也是相同的计算方式来进行权重的计算；从层级结构图中可以知道在每一个因素下皆有2个需考虑的方案，因此就需站在每一个因素的观点下，去比较其选择方案的重要性。在相同的程序下完成成对比较矩阵，见表4。

表4 “满足工期筹划”下两个方案的成对比较矩阵

从以上矩阵可知，在满足工期筹划的要求下，影响因素权重值向量方案一为0.1，方案二为0.9。

从表5可知，在实施难度的要求下，影响因素权重值向量方案一为0.111 1，方案二为0.888 9。

表5 “实施难度”下两个方案的成对比较矩阵

从表6可知，在工程投资的要求下，影响因素权重值向量方案一为0.25，方案二为0.75。

表6 “工程投资”下两个方案的标准化成对比较矩阵

将影响因素之权重值，分别乘以3个分析评估值就可以得到最终的权重值(表7)。

按照式(2)，每个的评估值也就是每一列的值分别乘以所对应之影响因素之权重值并求和，就可得到加权评价值。方案一综合加权得分为0.112，方案二得分0.888。

表7 各方案的权重评估值

从以上分析可以得出如下结论：方案二比方案一优势明显。方案二的确具有不额外占地、建设投资较低、进出线方便、供电质量高、无过渡工程等优点，而且满足前后广场工期不一致的要求，避免了电缆过联络通道的困难，所以本工程最佳设计应采用方案二，即在前、后广场，各设1座35 kV开关站方案。该方案也得到了天津站枢纽工程供电系统评审专家的一致认可。

3 结语

层次分析法的应用解决了定性评价进行方案选择的模糊性，给出了清晰明确的答案，为综合交通枢纽供电方案的选择评价提供了一条新思路，此方法陆续用在了天津西站、于家堡等大型枢纽工程的主变电所设置方案选择中。实践证明，此方法是一个结果清晰明了、辅助决策高效的行之有效的好方法。

[1] Satty T L. The Analytic Hierarchy Process[M]. NewYork: McGraw-Hill， 1980.

[2] 康学东，陈燕.基于层次分析法的城际轨道交通构架研究[J].铁道标准设计，2013(9):40-43.

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[6] 姚峰，张忠会，张毅明，等.基于故障树法和层次分析法的电力变压器状态综合评估[J].电气应用，2013(11):66-69.

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[8] 刘永谦，马静波，吴大鹏，等.综合交通枢纽供配电及综合监控系统设计技术综合研究[R].天津：天津市科学技术委员会，2014.

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[11]铁道第三勘察设计院集团有限公司.天津站交通枢纽工程初步设计：供电系统[Z].天津：铁道第三勘察设计院集团有限公司，2006.

[12]杨鋆.天津站交通枢纽供电系统方案的确定[J].天津建设科技，2007,17(2):45-46.

Research on Comprehensive Transportation Hub Power Supply Scheme Based on AHP

WEI Hai-yang

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300142， China)

The research of power supply scheme employs most often qualitative analysis， which is characterized by certain ambiguity. This paper analyzes the supply scheme with AHP method in terms of investment， difficulties of implement and schedule planning so as to fulfill quantitative analysis of scheme selection， identification of the ambiguities in qualitative evaluation， to get clear and precise answers and provide a new mindset for power supply scheme selection.

Comprehensive transportation hub; Analytic Hierarchy Process(AHP); Power supply scheme

2015-01-05

铁道第三勘察设计院集团有限公司科研课题(合同编号：721045)。

魏海洋(1979—)，男，高级工程师，2005年毕业于天津大学电力系统专业，工学硕士，E-mail：echohaiyang@126.com。

1004-2954(2015)03-0126-04

U223.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.03.030