基于GIS和模糊层次分析法的输电线路路径方案评价

李小宝 杨阔 胡梦锦

（1.石家庄市第一医院 2.国网厦门供电公司 3.国网河北省电力公司经济技术研究院）

基于GIS和模糊层次分析法的输电线路路径方案评价

李小宝1杨阔2胡梦锦3

（1.石家庄市第一医院 2.国网厦门供电公司 3.国网河北省电力公司经济技术研究院）

输电线路路径方案评价是指在设计人员选好的几个路径方案中选出最适宜的方案，由于需要考虑较多地理因素，方案评估工作的进行较为困难。本文通过GIS技术提取规划区域内复杂的地理信息，使得地理信息数据能够得到充分利用。通过采用模糊层次分析法建立输电线路路径优选模型，对输电线路路径方案进行全面综合的评价，得到的最终路径方案更加科学合理。

输电路径方案评价；地理信息系统；模糊层次分析法

0 引言

输电线路设计是一项包含了路径选择、杆塔定位、电气设计等多个设计工作的系统工程，其中，路径选择是整个线路设计的基础，路径选择的结果直接关系整个工程的造价、施工和安全。传统人工进行输电线路路径方案评估时，由于需要考虑的因素较多，且这些因素大部分无法进行定量描述，对输电线路的影响程度也不一致，只能根据设计人员主观经验判定。随着输电线路的发展，对输电线路路径的要求也越来越高,评估输电线路路径方案的优劣，除了需要考虑线路长度等经济性因素外，还要考虑输电线路沿线的地形、地质、人为建筑、公路等自然和社会因素。因此单独依靠人工经验来评价已经无法满足输电线路路径方案优选的要求，需要借助现代技术和分析方法完成线路路径优选工作。

文献[1]对输电线路路径优选问题进行了研究，采用模糊综合评价法对安新新建线路路径方案进行优选；文献[2]中采用模糊综合评价法结合专家理论进行输电线路路径方案评估;文献[3]将层次分析法与专家知识相结合,实现全部因素的权值排序。上述文献处理过程均有一个缺点：只考虑线路长度、跨越河流湖泊等障碍的数量等因素，没有能够很好地综合地理信息数据。这就导致了在进行输电线路路径方案优选时，作为关键影响因素的地理因素不能得到有效分析。

地理信息系统（GIS）是一种特定的空间信息系统，它是能够对地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、分析、显示和描述的技术系统[4,5]。GIS能够对地理信息数据进行有效分析，既能保证地理信息的时效性，又减少了人员现场勘查，节省了大量人力。本文提出了基于GIS和模糊层次分析法的输电线路路径方案优选方法，以GIS为平台，根据输电线路路径优选的特点，应用GIS技术空间分析的各种手段对相关的地理信息空间数据进行处理，分析备选的输电线路沿线的地理情况，最终能够得出科学合理的优选方案。

1 输电线路路径优选考虑的因素

输电线路路径优选需要考虑的因素很多，主体上由四个部分构成。

1）导线因素：导线所占费用约在工程本体造价的20%左右，导线的选择对之后杆塔的选择有决定性作用。导线型号和分裂数的选择，除了跟输送容量相关之外，还要考虑输电线路沿线的风速、覆冰、温度分布的情况。

2）杆塔因素：塔型、塔高和塔数的确定，除了与电压等级和交叉跨越情况相关外，还需要综合考虑选择的路径沿线的地形、气象等条件的影响，其造价约占本体造价的30%以上，是线路本体造价中占比重较大的部分，并且是杆塔基础大小的重要影响因素之一。

3）基础工程因素：主要包括杆塔所处位置地面的基础工程和土石方工程等，约占线路总造价的15%～30%，施工时间大约占线路施工总时间的30%～50%。塔基的影响因素主要包括杆塔类型、地形和地质，采用不同的类型成本相差很大。

4）施工因素：导线经过地区需要综合考虑线路跨越地区的地形、地质和运输条件，地形状况的不同，直接影响到施工的难易程度和人力运输距离的长短；地质条件的不同，则表现为基坑挖方的难易程度和挖方费用的高低。因此地形、地质对施工的成本影响较大。

地理信息和气象条件会影响到以上各因素的成本，从而决定输电线路路径方案的优劣。

2 输电线路路径优选FAHP模型

输电线路路径方案优选的最终目标是得到便于施工、具有较高经济性的输电线路。影响因素路径优选的自然因素有如：地形、地质、风速等，人为因素有如：房屋拆迁、公路和铁路跨越、耕地等，这些因素量纲各不相同，无法直接计算其对路径选择的影响程度。

层次分析法兼顾主观定性判断和系统逻辑分析，它可以通过把路径选择评价最终指标分解、分层分析各层对其上一层的影响、每层两种影响因素间两两比较、综合分析计算，根据最终得到的评价指标值来决策。输电线路路径优选是无明显结构特性的系统，层次分析法对于这类复杂的多准则系统尤其适用。

2.1 模糊层次分析法（FAHP）

2.1.1 基本层次分析法（AHP）

层次分析法是一种定性与定量结合的、系统化、层次化的分析方法，它把复杂问题中的各种因素划分成相互之间有联系的有序层次，根据客观事实对每一层次的相对重要性给予定量表示，利用数学方法确定每一层次每个元素的相对重要性次序的权值，最终根据排序来决定方案，如图1所示。

图1 层次分析法层次示意图

层次分析法具有以下几个优点：①分析方法具有系统性。层次分析法通常将一个问题系统地分为方案层、准则层和目标层几个层次,在分析的过程中，每个该层因素对上一层的因素的影响程度都是量化的，非常清晰、明确。②决策方法简单实用。层次分析法一方面注重数学分析，另一方面也兼顾逻辑、推理，把定性和定量分析方法有机地结合起来，把人的思维过程数字化、系统化。③所需定量的信息较少。层次分析法主要从评价者对评价因素的理解出发，对人主观的要求只有人对各因素相对重要性的判断。但是层次分析法存在以下几个问题：①当判断矩阵不具有一致性时，矩阵的调整过程反复且较为繁琐。②检验判断矩阵一致性的依据：CR＜0.1，缺乏科学根据。

因此，本文在基本层次分析法的基础上，引入模糊分析法，通过模糊层次分析法构造模糊一致判断矩阵来解决以上问题。

2.1.2 模糊层次分析法（FAHP）

将模糊分析法和层次分析法结合，形成模糊层次分析法（FAHP），通过构造模糊一直矩阵，可以很好解决层次分析法思维的一致性难以得到保证问题。模糊层次分析法和基本层次分析法的区别在于：①建立判断矩阵的不同，层次分析法是通过两元素间相互比较建立判断一致矩阵，模糊层次分析法是通过两两元素间相互比较建立判断模糊一致矩阵。②求解矩阵中各元素的相对影响程度的权重的方法不同，模糊层次分析法有效地避免了传统层次分析法构建判断矩阵所存在的缺点。

模糊层次分析法的层次结构建立过程。

1）建立优先关系矩阵：就每一层中的每个因素对上一层中的每个因素的相对重要性构造模糊互补矩阵R=（rij）n×n，其中0≤rij≤1，且满足rij+rij=1。标度及其定义与说明如表1所示。

2）将模糊互补矩阵改造为模糊一致矩阵：对矩阵R=（rij）n×n按行求和，即

对模糊互补阵的元素进行如下改造：

3）计算该层因素对上层某一目标的权重：根据文献[6]的证明，采用此方法求因素i对目标k权重因素：

表1 标度及其定义与说明

4）层次综合：综合中间层和顶层、底层间的层次关系，将局部的层次间的重要性权值转化为相对于总目标的综合权值。

2.2 输电线路路径优选FAHP模型

2.2.1 地理信息栅格模型

栅格数据的规则性以及其直接记录属性的特点，可以较好地对输电线路经过的地理环境建模。本文采用将规划区域对输电线路影响较大因素的图层栅格化处理，通过GIS提取其属性信息，使用模糊层次分析法对这些因素处理，得到栅格成本模型，计算不同输电线路路径方案所经过栅格的成本值，最终根据成本值的大小来决定最优路径。

2.2.2 栅格成本值设置

1）地理因素等级评分：通过对输电线路建设成本影响因素的分析，本文从这七个因素考虑其影响：地形地貌、地质条件、风速、气温、污秽分布、覆冰情况、用地类型。因为各因素自身量纲不同，无法对其直接运算，也无法直接通过这些条件估算实际工程造价，所以本文通过对国家电网输电线路工程典型造价的分析以及专家评分的方法，以等级评分的形式对其进行量化处理，评分标准如表2所示。

表2 地理因素评分等级

2）建立层次分析结构：目标层F为栅格成本值，第一准则层S根据输电线路造价成本特点分为：导线成本、杆塔成本、基础工程成本和施工成本四个，而这四个成本又受到具体的地理因素和气象条件等的影响，因此将第二准则层P设置为影响第一准则层各项成本的具体因素，且第二准则层中的某些因素可能会对第一准则中的多项成本产生不同程度的影响，其层次结构模型如图2所示。

图2 输电线路地理信息层次模型

3）构造优先关系矩阵：结合专家意见和工程实际情况，以S-F和P-S中的“导线成本S1”为例，该成本下包括风速P1、覆冰P2、污秽P3和气温P4四个因素。其余准则层的求解方法相同。建立优先关系矩阵如表3、表4所示。

表3 P-S1优先关系矩阵

表4 S-F优先关系矩阵

4）计算各因素权值。根据式（3）计算模糊一致矩阵中各因素的权值，为了提高排序结果的分辨率，取S-F权重为：

P-S权重为：

计算P-F层各子目标相对总目标的综合权值为：

将同种影响因素的权值合并，最终得到综合权值如表5所示。

3 算例分析

以重庆某地区220kV线路为例，比较两个选线方案，得出优选结果。

通过GIS平台采集并整合两方案沿线地理信息，通过层次分析法，计算得到地理信息因素和电力信息因素对于输电线路影响的评价。结果如表6所示。

表6 评价对比表

将数据代入表5的权值公式，计算得方案一成本值为278.809，方案二成本值为271.986，从计算结果可以得出，综合所有指标因素对两个方案进行比较评价，方案二的综合评价优于方案一，因此可以选择方案二作为输电线路路径优选结果。

4 结束语

通过GIS平台得到的地理信息数据能够保证数据的时效性和准确性，同时大大节约了人力物力，提高了效率。通过GIS强大的数据整合和处理能力及模糊层次分析法，可以评估输电线路沿线各项影响因素，为输电线路路径优选提供数据支持。

表5 各因素综合权值

本文建立的模糊层次分析法模型能够与地理信息系统有效结合，通过客观事实和专家评分的方式给予具体影响因素量化处理，并进行综合分析，选出最优方案。通过引入模糊分析法构造模糊一致矩阵，解决了传统层次分析法由于考虑因素较多而难以满足判断矩阵一致性校验的问题，提高了效率；全面分析决策代替了传统的考虑单一因素与片面经验判断，结果更加科学与准确。

[1]张烈金, 刘高培. 输电线路路径方案评选方法探讨[J].煤炭工程, 1995(11)：27-29.

[2]李朝夫. 影响输电线路路径选择的因素及其重要性研究——路径选择的方法[J]. 通讯世界, 2014(11)：86-88.

[3]朱义中, 程次来, 陈雄波. 利用基于GIS的输电线路决策支持系统优选路径方案[J]. 电力信息与通信技术, 2008, 6(2)：80-82.

[4]王小兵，孙久运．地理信息系统综述[J]．地理空间信息，2012，10(1)：25-28．

[5]王成芳. GIS和RS技术在城市规划设计中的应用探讨[J]. 测绘科学, 2008, 33(5)：218-219.

2016-12-27）