博弈論和云模型在輸電線路工程施工安全評價(jià)中的應(yīng)用

陳博文 江波 王輝

(中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司 武漢 430071 )

0 引言

為有效控制并減少輸電線路工程施工安全事故的發(fā)生，研究輸電線路工程施工安全評價(jià)模型具有理論和現(xiàn)實(shí)意義。針對我國輸電線路工程的施工特點(diǎn)，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了系統(tǒng)研究。王朋等[1]利用層次分析法(AHP)和變精度粗糙集(VPRS)對構(gòu)建的3層輸變電施工安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行了指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算和排序，結(jié)果表明該綜合評價(jià)方法有助于減少安全事故的發(fā)生，具有一定的實(shí)用性和有效性。高楊楊等[2]基于三角模糊數(shù)和云模型構(gòu)建了輸變電工程項(xiàng)目安全評價(jià)模型，通過Matlab仿真分析驗(yàn)證了該模型的可行性和適用性。李越[3]運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了特高壓輸電線路工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型，并通過Matlab實(shí)現(xiàn)了可視化的安全預(yù)警系統(tǒng)。柳達(dá)[4]利用危險(xiǎn)等級劃分法(LEC)對輸電線路工程項(xiàng)目安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評價(jià)，結(jié)果表明該方法能很快得出風(fēng)險(xiǎn)值和風(fēng)險(xiǎn)等級。梁信哲[5]綜合運(yùn)用德爾菲法、聚類分析和結(jié)構(gòu)熵權(quán)法構(gòu)建了輸電線路工程風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評價(jià)模型，結(jié)果表明該評價(jià)模型具有實(shí)際有效性。綜上所述，輸電線路施工安全評價(jià)的有效性主要取決于評價(jià)模型及其指標(biāo)賦權(quán)，其中，指標(biāo)賦權(quán)是研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

針對輸電線路工程施工安全評價(jià)的模糊性和隨機(jī)性，提出利用合作博弈理論對評價(jià)指標(biāo)的主觀權(quán)重(層次分析法)和客觀權(quán)重(熵值法)進(jìn)行綜合賦權(quán)，構(gòu)建基于云模型的安全評價(jià)模型，以期對輸電線路施工過程的安全性做出科學(xué)、合理的評價(jià)。

1 輸電線路工程施工安全評價(jià)指標(biāo)體系

輸電線路工程施工涉及基礎(chǔ)、桿塔和架線施工等多過程，具有施工環(huán)境復(fù)雜、施工難度大、不可預(yù)見因素多等特點(diǎn)，特別是近年來“十二五”規(guī)劃的“三縱一環(huán)”、大氣污染防治“四交五直”和“十三五”規(guī)劃的“五交八直”等特高壓電網(wǎng)的發(fā)展，使得施工環(huán)境更加復(fù)雜，施工技術(shù)要求和難度更高。為此，在結(jié)合現(xiàn)代安全管理理論和輸電線路工程施工特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，從人員、設(shè)備、環(huán)境和管理4個(gè)因素出發(fā)，選取對輸電線路工程施工安全影響程度大的代表性指標(biāo)，構(gòu)建輸電線路工程施工安全評價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

2 輸電線路工程施工安全評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2.1 層次分析法

AHP是由美國運(yùn)籌學(xué)家SAATY提出的一種廣泛應(yīng)用于多目標(biāo)決策問題的方法，其求解步驟如圖2所示。

圖1 輸電線路工程施工安全評價(jià)指標(biāo)體系

圖2 層次分析法求解步驟

由于傳統(tǒng)1～9標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣存在一致性和標(biāo)度權(quán)重?cái)M合度差且不適用于多準(zhǔn)則下的排序問題[6]，本文采用e0/4～e8/4標(biāo)度法(如表1所示)構(gòu)造判斷矩陣。

表1 e0/4～e8/4標(biāo)度描述

2.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法是利用信息熵原理計(jì)算評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的一種客觀賦權(quán)法[7]，其求解步驟如圖3所示。

圖3 熵權(quán)法求解步驟

2.3 基于博弈論的組合權(quán)重

采用層次分析法和熵權(quán)法可分別確定輸電線路工程施工安全評價(jià)指標(biāo)的主觀和客觀權(quán)重，為尋求權(quán)重的最優(yōu)值，引入博弈論的思想融合主客觀權(quán)重的優(yōu)點(diǎn)，得出輸電線路工程施工安全評價(jià)指標(biāo)的組合權(quán)重[8-9]。基于博弈論的組合權(quán)重求解步驟如圖4所示。

圖4 基于博弈論的組合權(quán)重求解步驟

為求解權(quán)重系數(shù)αk，引入對策模型為

(1)

則式(1)最優(yōu)化一階導(dǎo)數(shù)條件為

(2)

由式(2)可得(α1,α2,…,αm)，然后對其進(jìn)行歸一化為

(3)

3 基于博弈論和云模型的輸電線路工程施工安全評價(jià)模型

3.1 云模型概述

云模型是用以表示定性與定量之間的不確定性轉(zhuǎn)換的模型[10]。一般通過3個(gè)數(shù)字特征值來表征云模型，即期望Ex、熵En和超熵He，其中Ex表示論域中模糊概念的中心值；En表示定性概念的模糊度及可度量粒度；He表示模糊性與隨機(jī)性的關(guān)聯(lián)性[10-11]。

3.2 安全等級標(biāo)準(zhǔn)云的確定

采用式(4)將具有邊界約束(Cmin,Cmax)的評語轉(zhuǎn)化為云模型的數(shù)字特征值[2]為

(4)

式中，Cmin，Cmax分別表示評語集的最小和最大值；k為常數(shù)，其值可視變量的模糊閾度進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)輸電線路工程施工特點(diǎn)，將其安全評價(jià)等級劃分為5個(gè)等級，評價(jià)區(qū)間分別為(9,10]，(8,9]，(6,8]，(5,6]和(0,5]。由式(4)可得出輸電線路工程安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云模型和云圖，分別見表2和圖5。

表2 輸電線路工程施工安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云模型

圖5 輸電線路工程施工安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云圖

3.3 綜合云模型的構(gòu)建

采用逆向云發(fā)生器[11]對n位專家的評分xi(1≤i≤n)進(jìn)行處理，可得各指標(biāo)層的云模型數(shù)字特征值為

(5)

其中

(6)

(7)

(8)

根據(jù)指標(biāo)層的云模型數(shù)字特征值和權(quán)重，基于綜合云算法[12]可得輸電線路工程施工安全評價(jià)綜合評價(jià)云模型為

(9)

4 實(shí)例分析

4.1 工程概況

為落實(shí)國家西電東送規(guī)劃，進(jìn)一步提升云南電力外送通道能力，促進(jìn)解決“十三五”末及中長期云南富余水電消納問題，保障廣東、廣西電力供應(yīng)，促進(jìn)兩省(區(qū))用能結(jié)構(gòu)優(yōu)化，擬建某特高壓多端直流輸電工程。

某特高壓多端直流輸電工程建設(shè)內(nèi)容包括新建直流輸電線路全長約1 489 km，涉及云南、貴州、廣西和廣東共4省(區(qū))、16個(gè)地市和41個(gè)縣區(qū)，全線位于高山、山地、丘陵和平地比例分別為44.7%，41.9%，9.3%和4.1%。

4.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

邀請5位專家對某特高壓多端直流輸電工程施工安全指標(biāo)進(jìn)行打分，運(yùn)用層次分析法和熵權(quán)法分別計(jì)算主觀和客觀權(quán)重，并基于博弈論計(jì)算得出組合權(quán)重，如表3所示。

表3 某特高壓多端直流輸電工程施工安全評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

續(xù)表3

4.3 綜合云模型

根據(jù)式(5)至式(8)可得出某特高壓多端直流輸電工程施工安全評價(jià)綜合云模型的數(shù)字特征值，如表4所示。

將表3中的權(quán)重和表4中的數(shù)字特征值帶入式(9)可得某特高壓多端直流輸電工程施工安全評價(jià)綜合云模型數(shù)字特征值，即Ex=7.15，En=1.30，He=0.25。

表4 某特高壓多端直流輸電工程施工安全評價(jià)綜合云模型的數(shù)字特征值

采用正向云發(fā)生器可得某特高壓多端直流輸電工程施工安全評價(jià)綜合云圖，如圖6所示。

圖6 某特高壓多端直流輸電工程施工安全評價(jià)綜合云圖

由圖6可得，某特高壓多端直流輸電工程施工安全綜合評價(jià)等級介于較低風(fēng)險(xiǎn)和中等風(fēng)險(xiǎn)之間，且趨近于中等風(fēng)險(xiǎn)，表明施工處于中等風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。其主要是由于施工沿線地形以高山和山地居多，施工環(huán)境條件復(fù)雜且施工難度大，由此可見，基于博弈論和云模型的安全評價(jià)結(jié)果與工程實(shí)際相符。

5 結(jié)論

(1)采用層次分析法和熵權(quán)法分別確定輸電線路工程施工安全評價(jià)指標(biāo)的主觀和客觀權(quán)重，引入博弈論思想確定組合權(quán)重，并構(gòu)建基于博弈論和云模型的輸電線路工程施工安全評價(jià)模型。

(2)工程實(shí)例研究表明，基于博弈論和云模型的輸電線路工程施工安全評價(jià)模型評價(jià)結(jié)果合理、可靠，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。