基于改进层次分析法的抽水蓄能电站上下库连接公路比选模型——以辽宁某抽水蓄能电站为例

崔皓博，向科铭，郭重霄，刘英伟，郭 兴

（中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京市 100024）

0 引言

“十四五”发展规划明确提出要优化电力生产布局，由此，进一步构建低碳清洁、安全有效的发电体系将是未来电力行业的重点发展方向，其中，在整体布局中扮演重要调峰角色的抽水蓄能电站总装机规模在我国仍有较大缺口，可见，“十四五”时期将有更多抽水蓄能电站陆续启动可行性研究工作，同时，对设计方案的科学合理性也提出了更高的要求。抽水蓄能电站设计方案研究中，上下库连接公路设计是施工总布置专题研究中的重中之重，而连接公路比选因涉及因素较多，且由于布设方案差异，比选时，往往需将场内其他连接公路布置一并考虑，对评价指标的综合性提出了更高要求。因此，本文基于改进的层次分析法，综合考虑多因素影响和相关规范要求，致力于建立一种能较好适用于抽水蓄能电站上下库连接公路比选的通用数学模型。

1 层次分析法原理及制约

层次分析法特别适用于分析解决一些结构比较复杂的多目标决策问题，该方法是一种在处理复杂的决策问题中将有关因素分解成目标、准则、方案等层次，通过对同一层次有关因素的相对重要性进行两两比较，并在规定的标度准则下赋予定量数值，再按层次从下到上，合成方案对于决策目标的测度，从而达到用一定标度对人的主观判断进行客观量化的目的[1-2]。

传统的层次分析法是由专家针对确定的准则层和方案层进行综合评估的静态评价体系，而抽水蓄能电站上下库连接公路设计是受到水力资源、地形地貌、工程规模等多因素制约的非标准化设计，不同选址条件对施工总布置格局影响较大，往往需经多轮比选确定最终方案，静态模型难以较好适应。

2 构建上下库连接公路比选模型

2.1 构建层次结构模型

根据抽水蓄能工程特点，准则层主要选取了技术、经济、工期、环境影响、路线布置及运行安全五个因素对方案进行比选，并对各因素进行了不同程度的细化，此外，为增加通用性，模型针对工期影响因素提出了一种根据不同工程特性进行动态调整的方向，具体如图1所示。

图1 模型层次结构图（未示意方案层）Figure 1 Structural model （scheme layer is not shown）

2.2 改进的层次评价体系及判断矩阵组成

针对可在方案设计初期基本明确的准则层各影响因素，其权重标定，本文采用1～9 标度[3]，通过专家评价，量化两因素之间重要程度的差异，而需进行多轮比选的方案层，其比较结果标定，文章在传统1～9 标度方法基础上，通过规范取值结合工程经验，定义了方案间不同差异程度和9 级标度之间的对应关系，以动态反映设计方案完善过程中定性尺度与定量标度之间的相互联系。

由此，通过专家评定，可直接得到准则层各因素在表1 标度含义下的权重判断矩阵A=(aij)m×m，而方案层在多因素下比较结果的判断矩阵B=(bij)n×n除需要表1 中定义的评价尺度外还需进一步明确各因素的在9 级标度体系下的评价办法。

2.2.1 技术因素

由于相较方案综合了工区所有公路布置，且各条公路运行使用频率等方面存在显著差异，而传统的层次分析法往往不再量化方案层内部因素权重，对技术指标评价精确度影响较大，因此，在技术因素比选中，本文将连接公路划分为主要连接公路（PR）和非主要连接公路（FR），分别评价并赋值，必要时可将主要连接公路进一步划分为主要和次主要连接公路（SR），其中，各条主要和次主要连接公路单独成组评价单元，非主要连接公路整体成组，也可根据工程实际适当调整，从而解决方案层内部存在权重差异问题。

此外，为更加直观地体现某因素下两方案间差异，本文采用先评分，再标度的方法量化评价结果，具体评分规则见表2。

表2 技术因素评分规则表Table 2 The scoring rules of technical factor

A1 技术因素中，方案层判断矩阵元素与方案评分对应关系见下式。

2.2.2 经济因素

经济因素是投资决策的重要指标，对总布置方案影响较大，根据费用类别，将此项划分为B7 土建费用和B8 征地费用。

A2 经济因素中，方案层判断矩阵元素bji计算公式如下。

若A2Cx-A2Cy≥ 0 则

若A2Cx-A2Cy＜ 0 则

2.2.3 工期因素

抽水蓄能电站场内公路承担了工程水泥、钢筋钢材等建筑材料、施工机械设备、生活物资、金属结构等进场运输任务，上下库连接公路更是工程开挖弃渣、混凝土浇筑和钢管安装的运输干道，某种程度上，直接制约了工程整体工期，但各条道路影响大小不一，因此，根据重要程度，将比选方案内各条道路施工工期分为B9主要连接公路工期和B10非主要道路工期，分别评价，必要时，可将主要连接公路工期进一步划分为B9-1最主要连接道路工期和B9-2次主要连接公路工期。

A3工期因素中，方案层判断矩阵元素bji计算公式如下。

若A3Cx-A3Cy≥0 则

若A3Cx-A3Cy＜ 0 则

2.2.4 环境因素

随着工程环保理念的逐步增强，环境影响评价的重要性也愈发凸显，为尽可能减少工程对环境的影响，本文重点考虑了公路征地面积B11以及施工过程中的土石平衡B12两个和路线布置紧密相关的指标，标度计算公式如下。

A4环境因素中，方案层判断矩阵元素bji计算公式如下。

若A4Cx1-A4Cy1≥ 0 则

若A4Cx1-A4Cy1＜ 0 则

2.2.5 路线布置及安全因素

由于路线布置和安全因素不易量化，为降低主观因素影响，减小评价差异，本文将该因素分解为B13整体衔接和及B14运行安全两个指标分别进行方案评价，并建立了评语集及对应分级标准，具体如表3所示。

表3 路线布置及安全因素评价表Table 3 The scoring rules of route layout and safety factors

A5路线布置和安全因素中，方案层判断矩阵元素bji计算公式如下。

若A5Cx-A5Cy≥ 0 则

若A5Cx-A5Cy＜ 0 则

2.3 一致性检验及方案排序

式中，λmax为判断矩阵的最大特征值，m(n)分别为矩阵A、B的秩。

求得CI后，根据一致性比例CR判断矩阵的一致性。

式中，RI可查表得，此外，若CR<0.1 则通过一致性检验。

最后，通过由下向上汇总计算得到最优方案，计算公式如下：

式中，WAi表示各影响因素Ai的权重，CAi表示方案在Ai因素各指标下的比较系数之和。

3 辽宁某抽水蓄能电站上下库连接公路比选案例

3.1 案例背景

该工程上下库高差较大，根据枢纽建筑物布置特点和施工场地布置条件按上库施工区、下库及厂道系统施工区两个区域进行布置，为满足工程建设和运行管理要求，围绕上下库连接路，拟订两个比选方案，同时，至下库右坝肩（Y2号公路）、地面开关站（Y3 号公路）、引水调压井平台（Y4号公路）及排风竖井口（Y5 号公路）的公路，相应布置，形成整体方案。

3.2 方案概况

3.2.1 南坡明线及短隧洞方案（方案一）

该方案上下库之间能较好地衔接，进厂条件便利，基本采用明线布置，且大部分位于南坡（阳坡），工期保障性较高，但征地面积较大，其中Y1 号公路起点位于业主营地附近，经交通洞口、下库进出水口、通风洞平台及砂石加工系统和下库混凝土生产系统后，采用明线及短隧道的方式到达上库。

3.2.2 北坡明线及长隧洞方案（方案二）

该方案Y1 号路从起点至交通洞洞口部位路线布置与方案一相同，之后采用长隧洞及明线的方式绕行至上库，并另行布置Y2 号公路至下库其他工作面，上下库整体联系较好，在缩短了整体路线长度，尤其是Y1 号公路长度的同时减少了征地面积，但为满足平均坡度等技术要求，Y1 号公路整体线形相对较差，且受地形限制，较多路线位于北坡（阴坡）展线。

3.3 各因素权重计算

由专家确定准则层各因素标度，取其平均值得到判断矩阵，并根据式（13）、式（14）分别做一致性检验求得各因素的权重。具体结果见表4。

表4 各因素权重系数表Table 4 Weight coefficients of each factor

由表4 可得，各判断矩阵均CR值均远小于0.1，通过一致性检验，权重合理。

3.4 方案评价

根据式（1）～式（12）分别计算各因素下两方案比较结果，建立方案层判断矩阵，其中，根据工程规模等相关工程特性，标度调整系数αA1至αA5均为1，此外，由于Y2 号公路承担了部分上下库连接任务，因此将在进行工期因素评价时细分主要连接公路，将Y1 号公路作为最主要连接公路、Y2 号公路作为次主要连接公路，Y3、Y4、Y5 号公路整体作为非主要连接公路。

3.5 方案评估及分析

根据表4、表5 计算结果以及式（15）可得出两方案综合比较结果，具体如表6所示。

表5 各方案比较系数表Table 5 Comparison of coefficients for each scheme

表6 方案综合评价汇总表Table 6 Summary table of comprehensive assessment

综上，虽方案一路线较长，但由于平、纵断面技术指标及经济指标较好，且路线大部分位于阳坡展线，有利于工程施工期安全施工及后期运营过程中冬季交通安全，因此，根据综合评价结果，应推荐南坡明线及短隧洞方案。

4 结束语

本文采用改进的层次分析法，提出了抽水蓄能电站上下库连接公路比选模型，并结合工程项目进行了实例计算。模型通过细化评价指标、定义差异水平与标度关系、设置标度调整系数等动态机制，分别为准则层和方案层留出了调整空间，以增强对不同选址条件和多种工程规模的通用性，同时，进一步强化动态调整机制也是未来模型的主要改进方向。