水電站決策模型組合賦權(quán)TOPSIS法應(yīng)用研究

楊　義

(甘肅省靖遠(yuǎn)縣水務(wù)局， 甘肅 靖遠(yuǎn)　730600)

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水電站決策模型組合賦權(quán)TOPSIS法應(yīng)用研究

楊義

(甘肅省靖遠(yuǎn)縣水務(wù)局， 甘肅 靖遠(yuǎn)730600)

【摘要】本文針對(duì)水電站梯級(jí)規(guī)劃方案的選擇問題，采用組合賦權(quán)TOPSIS方法，構(gòu)建水電站決策模型，建立水電站決策評(píng)估體系。應(yīng)用實(shí)例表明：水電站決策模型對(duì)于優(yōu)選水電站梯級(jí)規(guī)劃方案具有較強(qiáng)的適用性。本研究可為水電站梯級(jí)規(guī)劃方案的優(yōu)選評(píng)估提供決策依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】水電站決策模型；組合賦權(quán)TOPSIS；水電站梯級(jí)規(guī)劃

水電站梯級(jí)合理開發(fā)有益于提升水資源使用效率，緩解水資源各項(xiàng)利用之間的矛盾。同時(shí)，針對(duì)水電站梯級(jí)開發(fā)方案進(jìn)行優(yōu)選評(píng)估，可有效提高工程效益、節(jié)約水資源成本及減輕工程建設(shè)對(duì)環(huán)境的不利影響。水電站規(guī)劃建設(shè)階段為了客觀評(píng)估工程建設(shè)成本與效益、生態(tài)影響以及電能規(guī)劃合理性，決策部門通常采用逼近理想解法(TOPSIS法)的多指標(biāo)決策方法，理性選擇合理開發(fā)方案。上述方法主要優(yōu)勢(shì)是可準(zhǔn)確反映水電站原始數(shù)據(jù)信息，但其評(píng)估集合僅考慮工程信息屬性，未涵蓋專家組對(duì)規(guī)劃核心信息的關(guān)注，且評(píng)估結(jié)果與實(shí)際易產(chǎn)生偏差。鑒于此，本文采取基于傳統(tǒng)組合賦權(quán)法與非線性主客觀相結(jié)合的組合賦權(quán)TOPSIS法，構(gòu)建水電站決策模型與指標(biāo)評(píng)估體系，以期為水電站梯級(jí)開發(fā)方案的優(yōu)選提供有益借鑒。

1組合賦權(quán)TOPSIS法

TOPSIS法通過假設(shè)所有工程信息擁有單調(diào)性效用屬性，依據(jù)單個(gè)信息屬性在全部方案中的最優(yōu)解和最差解，確定方案理想與負(fù)理想解，決策階段設(shè)全部方案為可能解，選擇空間上與理想解具有最小歐氏距離和負(fù)理想解具有最大歐氏距離的方案作為最優(yōu)方案。其選擇的方案介于理想與負(fù)理想方案之間，其與前者的差距較小，與后者的差距較大。但僅采用TOPSIS法作為決策指標(biāo)方法具有局限性，為了更好地構(gòu)建水電站決策模型，通常由決策者提供工程重要信息屬性基數(shù)，且這部分信息往往使用屬性權(quán)重集方式表達(dá)，二者分別采用非線性主客觀組合賦權(quán)法與傳統(tǒng)的組合賦權(quán)法獲取指標(biāo)權(quán)重。兩種方法既有相同也有差別，二者都將主客觀的影響因素作為考慮范疇，但前種方法主要是主觀賦權(quán)過程中將客觀信息反映到其中，后種方法則將主觀賦權(quán)重新組合。

1.1非線性主客觀組合賦權(quán)法

經(jīng)過指標(biāo)選擇，依據(jù)所選擇的指標(biāo)建立決策評(píng)估指標(biāo)體系。首先，構(gòu)建l行n列的初始矩陣Al×n=(yij)l×n，l代表待選擇方案，n代表決策評(píng)估指標(biāo)，其中矩陣中的評(píng)估指標(biāo)經(jīng)廣泛征求專家組意見后，有序排列。通過下式對(duì)決策模型評(píng)估指標(biāo)yij進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

(1)

決策矩陣中，第j個(gè)評(píng)估指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差值σj為

(2)

其中

計(jì)算評(píng)估指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差σj估算毗鄰之間重要程度比值Q：

(3)

依據(jù)重要程度比值Qn確定原則層第j個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的原則層權(quán)重Wj：

(4)

同理知總目標(biāo)中第m個(gè)原則層對(duì)應(yīng)的權(quán)重為W″，第j個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的評(píng)估指標(biāo)權(quán)重αj：

(5)

1.2傳統(tǒng)組合賦權(quán)法

a.依據(jù)非線性主客觀組合賦權(quán)法確定評(píng)估指標(biāo)權(quán)重γj1，綜合考慮專家組評(píng)估意見確定評(píng)估指標(biāo)排列關(guān)系，同時(shí)制定出毗鄰指標(biāo)之間的賦值重要程度比值Qj，見表1。

表1　參考賦值

總目標(biāo)指標(biāo)層的評(píng)估指標(biāo)權(quán)重γj1由式(4)和式(5)計(jì)算求得。

b.評(píng)估指標(biāo)權(quán)重γj2可由非線性主客觀組合賦權(quán)的離差法計(jì)算確定。依據(jù)非線性主客觀組合賦權(quán)法計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)差值σj，確定目的層的標(biāo)準(zhǔn)差值權(quán)重γj2。假設(shè)組合系數(shù)μ=0.52，則：

(6)

(7)

其中，由此得到組合權(quán)重δj：

(8)

1.3計(jì)算過程與步驟

根據(jù)評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建l行n列的初始矩陣Al×n=(yij)l×n，為了消除效益類評(píng)估指標(biāo)的量綱，達(dá)到統(tǒng)一評(píng)估指標(biāo)的目的，標(biāo)準(zhǔn)化初始矩陣中變量，建立標(biāo)準(zhǔn)化矩陣：

(9)

標(biāo)準(zhǔn)化矩陣為:

(10)

根據(jù)式(9)和式(10)建立的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣，進(jìn)一步構(gòu)建加權(quán)矩陣C=(cij)l×n，cij=bijθj，其中非線性主客觀組合賦權(quán)法和傳統(tǒng)組合賦權(quán)法的θj值分別等于αj和δj。

基于以上計(jì)算，確定理想方案D1和負(fù)理想方案D2：

(11)

式中，Z1、Z2分別為效益類評(píng)估指標(biāo)集和成本類評(píng)估指標(biāo)集。

計(jì)算確定各自方案與理想方案D1、負(fù)理想方案D2的最小歐氏距離和最大歐氏距離L1、L2及理想接近度D3：

(12)

2工程運(yùn)用實(shí)例

2.1工程簡(jiǎn)述

瓦崗河發(fā)源于大涼山脈中部北麓，干流河道長(zhǎng)約27km，河流多年平均流量為3.49m3/s，河道落差約2598m，為美姑河流域右岸一級(jí)支流，流域面積為160km2。為了理性開發(fā)河段電能，規(guī)劃修建梯級(jí)水電站，綜合考慮流域水資源分布和施工條件，將河流劃分為三段規(guī)劃：主源段、普通段、河流匯口以下干流段。規(guī)劃主源段修建三個(gè)梯級(jí)；普通段修建一個(gè)梯級(jí)；河流匯口以下干流段存在一處報(bào)廢水電站，根據(jù)河段地質(zhì)條件，提出一級(jí)、二級(jí)和四級(jí)開發(fā)水電站方案。一級(jí)開發(fā)方案：河流匯口處修建水電站，尾水位為598m，水電站發(fā)電利用落差為503m，水電站裝機(jī)容量為1萬kW，選定壩址位于河流匯口下游25m，壩體控制流域面積約為97.5km2，河段多年平均流量為2.16m3/s。二級(jí)開發(fā)方案：由于河流匯口存在支流補(bǔ)充，在一級(jí)開發(fā)方案水電站附近規(guī)劃建設(shè)二級(jí)水電站，兩級(jí)水電站可使用的落差為487m，水電站總裝機(jī)容量為1.12萬kW。四級(jí)開發(fā)方案：在報(bào)廢處水電站的上游與下游分別布置與二級(jí)開發(fā)方案中相同的水電站，四級(jí)水電站可使用的落差為487m，水電站總裝機(jī)容量為1.16萬kW。

2.2組合賦權(quán)TOPSIS法工程運(yùn)用

2.2.1評(píng)估指標(biāo)選擇

將決策評(píng)估指標(biāo)體系劃分為層與級(jí)，不同的層與級(jí)表達(dá)的決策模型內(nèi)涵不同，將評(píng)估體系設(shè)置為原則層、目的層、評(píng)估指標(biāo)層。流域綜合開發(fā)效益歸為目的層，需依據(jù)的影響因子內(nèi)容包括經(jīng)濟(jì)效益影響Y1、生態(tài)影響Y2、庫(kù)區(qū)淹沒影響Y3與土地占用影響Y4。建立的水電站決策模型指標(biāo)評(píng)估體系見表2，根據(jù)工程實(shí)例，初始矩陣為A3×16=(yij)3×16。

表2　水電站決策模型的指標(biāo)評(píng)估體系以及屬性值

2.2.2確定評(píng)估指標(biāo)屬性值

項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)與審查研究階段，通過廣泛征求專家組意見，制定出各原則層和評(píng)估指標(biāo)層與原則層之間有序關(guān)系。依據(jù)方案布置，表2反映出了原則層定量指標(biāo)之間序列關(guān)系及評(píng)估指標(biāo)屬性值。

2.2.3計(jì)算評(píng)估指標(biāo)權(quán)重

a.非線性主客觀組合賦權(quán)模型。依據(jù)非線性主客觀組合賦權(quán)原理，可計(jì)算出評(píng)估指標(biāo)對(duì)總目的層的權(quán)重αj，見表3。

表3　非線性主客觀組合賦權(quán)權(quán)重

續(xù)表

b.傳統(tǒng)組合賦權(quán)模型。依據(jù)傳統(tǒng)組合賦權(quán)原理，可計(jì)算出評(píng)估指標(biāo)對(duì)總目的層的權(quán)重δj，見表4。

表4　傳統(tǒng)組合賦權(quán)權(quán)重

2.2.4決策方案分析

利用傳統(tǒng)組合賦權(quán)法與非線性主客觀賦權(quán)法取得的評(píng)估指標(biāo)權(quán)重αj、δj構(gòu)建初始矩陣Al×n=(yij)l×n，確定理想方案D1和負(fù)理想方案D2，最終確定各自方案與理想方案D1、負(fù)理想方案D2的最小歐氏距離和最大歐氏距離L1、L2及理想接近度D3，見表5。

表5　TOPSIS法各方案計(jì)算成果

由表5可知，非線性主客觀賦權(quán)法理想接近度計(jì)算結(jié)果表明：二級(jí)開發(fā)方案為最優(yōu)，一級(jí)開發(fā)方案次之，四級(jí)開發(fā)方案最差；傳統(tǒng)組合賦權(quán)法理想接近度計(jì)算結(jié)果表明：二級(jí)開發(fā)方案為最優(yōu)，四級(jí)開發(fā)方案次之，一級(jí)開發(fā)方案最差。雖然兩種計(jì)算方案對(duì)一級(jí)開發(fā)方案和四級(jí)開發(fā)方案的理想接近程度不同，對(duì)二者的評(píng)估結(jié)果也不同，但是綜合考慮二者計(jì)算結(jié)果，工程以采取二級(jí)開發(fā)方案為最優(yōu)，其在流域天然落差的電能開發(fā)效率最高，生態(tài)環(huán)境影響最小，投資效益也最低，符合工程的實(shí)際要求。

3結(jié)語(yǔ)

本文通過選定水電站梯級(jí)開發(fā)工程規(guī)劃中重要評(píng)估指標(biāo)，采納專家組意見對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)排序，進(jìn)而構(gòu)建水電站決策模型與評(píng)估指標(biāo)體系。所構(gòu)建的水電站決策模型及評(píng)估體系分別基于非線性主客觀賦權(quán)法與傳統(tǒng)組合賦權(quán)法原理，推求不同方案的理想接近度，從而優(yōu)選出最終工程實(shí)施方案，同時(shí)可避免傳統(tǒng)TOPSIS法在工程實(shí)際應(yīng)用中所產(chǎn)生的偏差。基于非線性主客觀賦權(quán)法與傳統(tǒng)組合賦權(quán)法的理想接近度推求實(shí)例顯示，工程采取二級(jí)開發(fā)方案能夠達(dá)到實(shí)際工程要求的一致性。因此，在水電站梯級(jí)規(guī)劃方案評(píng)估中，基于組合賦權(quán)TOPSIS法的水電站決策模型具有較強(qiáng)的適用性與可操作性。

參考文獻(xiàn)

[1]李立平,劉攀,張志強(qiáng),等.基于遺傳規(guī)劃的水電站群優(yōu)化調(diào)度規(guī)則研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2013(2):134-137，140.

[2]孫德懷.九宮梯級(jí)水電站調(diào)度智能化改造實(shí)踐[J].中國(guó)水能及電氣化,2013(1):77-79.

[3]徐建新,樊華,胡笑濤.熵權(quán)與改進(jìn)TOPSIS結(jié)合模型在地下水資源承載力評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2012(2):30-33，37.

[4]楊佳棟,周政民.灤河梯級(jí)橡膠壩群建設(shè)水電站探討[J].中國(guó)水能及電氣化,2013(7):20-22，4.

[5]熊新宇,趙峰,蘇利軍,等.某大型水電站工程土石方平衡與調(diào)配規(guī)劃[J].人民長(zhǎng)江,2011(16):41-43，60.

[6]延鳳茹.承德縣灤河梯級(jí)水電站規(guī)劃及效益分析[J].中國(guó)水能及電氣化,2010(10):49-52.

[7]張振東,潘妮,梁川.基于改進(jìn)TOPSIS的長(zhǎng)江黃河源區(qū)生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)[J].人民長(zhǎng)江,2009(16):81-84.

[8]隋欣,吳賽男,靳甜甜,等.烏江梯級(jí)水電站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度效果分析——以應(yīng)對(duì)20081106洪水為例[J].中國(guó)水能及電氣化,2011(12):4-10.

Research on the application of hydropower station decision-making model combination empowerment TOPSIS method

YANG Yi

(GansuJingyuanCountyWaterAuthority,Jingyuan730600,China)

Abstract:In the paper, combination empowerment TOPSIS method is adopted for constructing hydropower station decision-making model and establishing hydropower station decision-making assessment system aiming at the selection problem of hydropower station cascade planning scheme. Application examples show that hydropower station decision-making model has stronger applicability for the optimization of hydropower station cascade planning scheme. The study can provide decision-making basis for the optimization assessment of hydropower station cascade planning scheme.

Key words:hydropower station decision-making model; combination empowerment TOPSIS; hydropower station cascade planning

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.05.018

中圖分類號(hào)：TV72

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-8241(2016)05- 0061- 06

科學(xué)研究及工程設(shè)計(jì)