基于改进TOPSIS的电力基建项目评价机制与应用

聂文海,刘 丽,傅 昊,宋 斌,梁大鹏

(国网冀北电力有限公司 经济技术研究院,北京 101404)

随着我国创新驱动发展战略的实施,建立科学有效的电力基建项目的质量评价体系已成为电力体制改革中的一个重要任务。目前,我国已经相继出台了与电力基建项目质量评价体系相关的法律法规,但尚未形成完善的电力基建项目质量偏差评价体系,导致企业缺乏基建项目质量偏差评价的科学性指导。因此,如何对电力基建项目的质量偏差实施更加准确的评价,成为亟待解决的问题。

TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution)方法是多目标决策分析中一种常用的有效方法,又称为优劣解距离法[1]。该方法通过检测评价对象与最优解、最劣解的距离,实现对评价对象优劣性的可靠排序。项目质量偏差本质上可以表示为项目评审指标实际值与最优值的距离,这与TOPSIS方法的工作原理相契合。因此,TOPSIS方法为解决电力基建项目存在的质量偏差评价问题提供了研究方向和参考依据。

国内外已有研究显示了TOPSIS 方法在项目质量评价领域中的多种应用。周贤正[2]建立了基于灰色模糊评价和TOPSIS 方法的大型公共工程投资决策模型,实现项目投资优先级的确定,完成最佳项目投资建设的选择。郭朝先等[3]运用改进的熵权TOPSIS方法对竣工项目投入使用后的运行管理效果进行分阶段评估,得出不同的管理效益值,为进一步完善项目质量管理策略提供参考。Hoseinabadi等[4]结合TOPSIS模型对众多污水处理厂PPP 项目进行比较,完成最适宜投资项目的优选阶段。Sari[5]通过使用模糊TOPSIS方法获得的优先级指数,计算项目的最终排名,完成所需项目的最优性选取。Li等[6]利用TOPSIS方法对住房项目进行风险性评估,为项目质量评价管理提供一套标准和准则。Chowdhury等[7]提出了一种基于博弈论和灰色关联投影的电网项目综合风险评估方法,可有效识别出电网风险较高的运行模式,保障电网项目质量风险性指标的可靠测评。上述文献将TOPSIS方法应用于项目质量评价体系,完成对项目质量的评审,为电力基建项目质量偏差度评价模型的构建提供了参考和借鉴。但是,基于马氏距离的TOPSIS方法存在项目数量与指标数量相互制约的局限性,因此,该方法不适用于所有评审项目。另外,仅根据距离进行排序,会导致各项目内部因素的变化趋势与标准方案之间的差异偏大,因而不被重视。

受上述文献启发,本文提出了一种基于改进TOPSIS方法的电力基建项目质量偏差度评价模型。首先,围绕电力基建项目质量评审合理性的影响因素进行分析,构建一套以工程概述、系统部分、变电部分以及输电部分为一级指标的质量偏差量化评价指标体系。然后,利用层次分析法和熵权法确定主、客观权重;在此基础上,采用组合赋权法,完成综合权重的计算。最后,依据余弦相似度和灰色关联度对TOPSIS 方法进行改进,使得应用改进TOPSIS方法的项目质量偏差度评审体系更加完善,为更客观地评审项目质量提供依据。

1 电力基建项目与项目质量偏差度评价方法概述

1.1 电力基建项目

电力基础建设项目主要包括变电站和电力线路两大类[8]。变电站项目分为升压站、换流站、降压站和负荷站等,电力线路项目分为架空电力线路、电缆线路、交流线路以及直流线路等。

电力基建项目一般存在施工周期长、建设成本高以及外部影响因素较多等特点[9],因此,如何对电力基建项目质量进行合理测评是项目评审过程中的关键性问题。

1.2 项目质量偏差度评价方法

项目质量偏差度测评指标是评定项目优劣的决定性指标,为此,本文特别提出基于改进TOPSIS方法的电力基建项目质量偏差度评价模型。TOPSIS方法通过对有限个评价对象与理想化目标的接近程度进行排序,实现对现有对象进行相对优劣评价的目的,该方法又称为优劣解距离法。

正理想解和负理想解是TOPSIS 方法的两个基本概念[10]。当正理想解的各个属性值都达到备选方案中的最优值时,对应的解便为最优方案的解;而当负理想解的各个属性值都达到备选方案中的最劣值时,此时的解为最劣方案的解。利用方案排序规则把各备选方案与理想解和负理想解进行比较,若其中有一个方案接近理想解的同时又远离负理想解,则该方案为备选方案中的最优选择。因此,项目的质量偏差可以定义为评价指标实际值与正负理想解欧氏距离的相对贴进度。但当各指标间存在关联性时,运用欧式距离求解的数值将不再合理。因此,可采用马氏距离代替欧氏距离,完成对TOPSIS方法的改进。此时,项目的质量偏差可表示为评价指标实际值与正负理想解马氏距离的相对贴进度。然而,马氏距离也存在局限性,当评价指标个数大于项目数时,马氏距离的计算结果也将失去效用。因此,本文将TOPSIS方法进一步改进,引入余弦相似性方法,计算评价指标值与正负理想解的余弦相似度,使得基于改进TOPSIS 方法的项目质量偏差度评审模型应用范围更加广泛。

2 电力基建项目质量偏差度评价指标体系的构建

2.1 影响电力基建项目质量评审合理性的因素

一般而言,电力基建项目具有多方面、多层次、系统性等特点,可看作是一个构成要素相对不明确的复杂系统,必须运用科学合理的方法对其进行综合分析评价[11]。由于项目资料的完整性是对所有项目进行评价的先决条件,故本文结合电力基建项目评审资料的内容,将决定电力基建项目质量偏差度的因素分为技术型和非技术型两大类。技术类因素是指工程技术优劣性影响质量评审结果的因素,非技术类因素是指非工程技术类资料的环境保护以及经济收益部分等影响质量评审结果的因素。技术类因素主要包括工程概述部分、系统部分、变电部分以及输电部分等,非技术类因素主要包括环境保护部分和技术经济部分等。其中:技术类因素是评价项目质量的关键性因素,基本上决定了电力基建项目质量偏差度评价的合理性;而非技术类因素作为辅助评定因素也是必不可少的,随着国家节能减排政策的推进[12],电力基建项目的环境保护特性是响应节能环保号召的最有效的表现。另外,对于合约双方而言,项目的收益必定是首要考虑的因素。对于电力基建项目质量评审而言,技术类因素和非技术类因素同等重要,都是不可忽视的。上述各种因素间的关系可概括如图1所示的树形架构,它们直接影响电力基建项目评审的合理性。

图1 影响电力基建项目质量偏差度评审合理性的因素架构图

2.2 电力基建项目质量偏差度评价指标体系的建立

从决策学角度看,决策结果的科学性以及准确性取决于评价指标体系的构建方式是否合理,而质量偏差度属于多属性的决策问题,不能由单一因素所决定。因此,本文基于已有研究成果,结合电力基建项目评审原则和特点,建立了基于技术型和非技术型因素的电力基建项目质量偏差度评价指标体系,如图2所示。

图2 电力基建项目质量偏差度的评价指标体系

设置6 个一级指标,即工程概述、系统部分、变电部分、输电部分、环境保护部分以及技术经济部分;10个二级指标,即设计依据[13]、主要设计原则[14]、系统一次[15]、站址选择[16]、主要设计原则和工程设想[17]、线路工程[18]、变电站进出线情况[19]、电缆选择[20]、节能减排[21]以及投资估算[22]。其中主要设计原则是指整个项目工程的设计要求,它是度量项目质量偏离程度的综合性指标。项目质量越接近主要设计原则,则所对应项目的质量越优异。

3 基于改进TOPSIS的项目质量偏差度评价机制

为充分利用各种技术和非技术类因素,采用改进的TOPSIS方法为基本评价模型,设计了如图3所示的电力基建项目质量偏差度评价机制。首先,利用层次分析法和熵权法确定主、客观权重;然后,通过权重组合方法获取综合权重系数;最后,根据改进的TOPSIS方法进行排序,形成电力基建项目质量偏差度评价结论。

图3 电力基建项目质量偏差度评价机制示意图

3.1 评价指标体系中权重值的确定

3.1.1 确定主观权重的AHP 方法 层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是综合定性与定量分析过程而对多目标多准则的系统进行评价的一种主观感知量化方法[23]。通过构造两两比较的判断矩阵,计算判断矩阵的最大特征值和特征向量,进而得到层次单排序与总排序指标权重,最终确定主观权重。主要分析步骤如下:

步骤1构造两两比较的判断矩阵。假设每一层的决策目标为P,根据每一层的评价指标集合Ω={a1,a2,…,an}构建n×n阶两两判断矩阵A。通过上述判断矩阵的构建来实现每层层内评价指标的两两比较,以此确定每个层内指标相对于上层指标的重要程度。采用1～8标度进行判断,1表示同等重要,数值越大表示重要程度越大。

步骤2权重计算。利用方根法确定权重。

(1)计算几何平均值

(2)对每一行的几何平均值做归一化处理,确定层次单排中各因素在上层评价因素中所占的比重,即

(3)一致性检验。当CR=CI/RI＜0.1,则认为矩阵通过一致性检验;否则,调整判断矩阵。其中:

步骤3层次总排序及其一致性检验。计算同一层次所有决策因素相对于总目标的排序权值,同时进行一致性检验。

3.1.2 确定客观权重的熵权法 熵权法首先对原始数据进行无量纲化和标准化,通过计算熵值来确定客观权重,其中熵值越大,指标权重越高。其主要步骤如下:

步骤1数据标准化。构建原始数据阵X=(xij)m×n,并对其进行无量纲化和标准化处理。

步骤2确定熵值。

步骤3确定指标权重。

式中,wj∈[0,1]且=1。

3.1.3 组合权重确定 由于主观权重和客观权重自身都会有局限性,为了更加充分地体现主观认知和客观数据所反映的规律,采用组合赋权法来确定综合权重系数。具体方法如下:

步骤1确定综合权重。仍用wj表示综合权重,则有

式中:wAj、wBj分别为第j个指标的技术类和非技术类权重;α、β分别为技术类和非技术类权重偏好系数。

步骤2引入欧式距离函数,计算偏好系数D(wAj,wBj)以获取最终综合权重,即

3.2 基于改进TOPSIS方法的项目质量偏差度评价模型

由于传统的TOPSIS 方法评价结果必定会受到指标相关性的影响,故采用马氏距离代替欧式距离,可以提高评价结果的准确性。但是,马氏距离的隐含要求是评价指标个数不能大于方案个数,故采用基于马氏距离的TOPSIS 方法在评价项目质量偏差度时具有局限性。综合上述分析,将TOPSIS方法进一步改进,采用余弦相似度代替马氏距离,实现项目质量偏差度评价结果准确性的进一步完善。另外,由于传统的TOPSIS方法忽视曲线趋势,只计算了评价对象与标准要求的相对距离,导致评价结果与实际情况不吻合的问题。因此,本文通过将灰色关联分析引入TOPSIS方法中,使得项目质量评审结果的可信度大大提高。具体步骤如下:

(1)构建原始评价指标矩阵。假设项目群有m个子项目,评价指标有n个,xij为第i个子项目的第j个指标评价值,由此形成初始判断矩阵V=(xij)m×n。

(2)标准化处理。由于电力基建项目中各个指标的量纲并不都是相同的,故需要对决策矩阵进行标准化处理,V'=(bij)m×n表示标准化后的判断矩阵,且

(3)构建加权判断矩阵

式中,bj(j=1,2,…,n)为矩阵V'的列向量。

(4)获取正负理想解。根据加权判断矩阵获取评价目标的正负理想解,收益性指标越大,对评价结果越有利,损耗性指标越小,对评价结果越有利;反之,则对评价结果不利。正负理想解的计算分别为:

式中:J*为收益性指标集,表示在第i个指标上的最优值;J'为损耗性指标集,表示在第i个指标上的最劣值。

式中,ρ为分辨率,其取值根据电力基建项目质量评审的具体要求而定。由此得:

(7)余弦相似度与灰色关联度综合计算:

式中,γ+ξ=1且γ、ξ由评审者设定,而

(8)计算各方案的相对贴近度。根据C*i的值按从小到大的顺序对各评价目标进行排列。排序结果贴近度值越大,该评价指标越优,质量偏差最小,值最大的为质量最优的项目。计算公式为

4 算例分析

4.1 算例数据

本文对国内某电力公司的5个基建项目进行质量评价,分别邀请电力经济专家与电力工程专家各10人,结合本文建立的电力基建项目质量偏差量化评价指标,分别对质量进行评分,其综合判断值列于表1。

表1 电力基建项目质量初始判断值

4.2 算例结果分析

基于电力经济专家的判别数据,利用本文提出的基于改进TOPSIS方法的评价模型,完成对所选取的5个项目质量偏差度的排序操作。

(1)根据表1中的数据以及式(11),得到如表2所示的标准化矩阵V'。

表2 标准化矩阵表

(2)根据综合权重法得到电力基建项目指标权重w=(0.2,0.2,0.1,0.3,0.1,0.1),由式(12)可得如表3所示的加权判断矩阵。

表3 加权判断矩阵表

(3)在获得质量加权评价矩阵的基础上,通过式(13)、(14),计算可得正理想解向量和负理想解向量分别为:

根据式(15)～(19)计算余弦相似度以及灰色关联度,计算结果列于表4。

表4 基于改进TOPSIS方法的项目质量偏差度评价参数值

(4)由式(20)、(21)得到归一化余弦相似度和灰色关联度。在γ=ξ=0.5的情况下最后结合式(22)得出项目质量偏差度的综合贴近度,如表5所示。

表5 电力基建项目综合评价参数

由表5可以看出,电力基建项目3的相对贴近度的值最高为0.687 3,故项目3的质量偏差最小。因此,本文提出的基于TOPSIS方法的电力基建项目质量偏差量化评价模型符合应用实际,评价方法合理性较高,具有借鉴意义,可以为电力基建项目的质量评审提供参考依据。

5 结语

为了更好地解决电力基建项目在评审过程中存在的评价指标不完善、测评结果不符合实际情况等问题,本文提出了基于改进TOPSIS方法的电力基建项目质量偏差度评价模型。通过分析制约项目质量评审结果合理性的因素,构建了电力基建项目质量偏差度评价指标体系。利用层次分析法和熵权法分别计算主、客观权重值,在此基础上,运用组合赋权法得到综合权重系数。考虑到基于马氏距离的TOPSIS方法存在项目数量和指标数量相互制约的局限性,本文采用了余弦相似度代替马氏距离,并引入灰色关联分析,实现了对TOPSIS方法的有益改进。算例分析表明,本文所提出的基于改进TOPSIS方法的电力基建项目质量偏差度评价模型能够满足实际准则要求,提升了评审结果的合理性,可使电力基建项目的质量评审得到进一步改良。同时表明,运用改进的TOPSIS方法进行电力基建项目评审,能够使评审结果的准确性得到极大提高。