基于FAHP的備用供電設(shè)備安裝工藝生命周期評(píng)估方法

沈 嶸， 張向順， 李培培， 王為昦， 邢冬冬

(1. 南京市建設(shè)工程消防審驗(yàn)服務(wù)中心， 江蘇 南京 210000； 2. 中建八局第三建設(shè)有限公司， 江蘇 南京 210000)

0 引 言

安裝工藝生命周期屬于一種管理工具， 能夠有效定量化分析現(xiàn)有安裝工藝的沖突， 也能夠評(píng)價(jià)安裝工藝中包含的全部問(wèn)題[1-3].

備用供電設(shè)備安裝工藝對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性存在一定影響， 高超的安裝工藝可確保電力系統(tǒng)運(yùn)行流暢， 避免其陷入癱瘓. 為此， 研究備用供電設(shè)備安裝工藝生命周期評(píng)估方法可提高電企的服務(wù)質(zhì)量， 在電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性方面意義重大[4].

層次分析法(AHP)融合了定性與定量的層次化分析方法， 在解決繁瑣問(wèn)題中具有較高的實(shí)用性， 但其數(shù)學(xué)運(yùn)算復(fù)雜度較高， 導(dǎo)致大部分學(xué)者無(wú)法完全掌握并使用該方法.

為了優(yōu)化AHP法， 文獻(xiàn)[5]提出了一種基于模糊AHP評(píng)價(jià)與拓?fù)鋭?shì)熵最小原理的模型， 以安全性因素和互適性因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)， 利用模糊AHP評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)協(xié)同規(guī)劃方案， 利用拓?fù)鋭?shì)熵最小原理優(yōu)化規(guī)劃方案； 文獻(xiàn)[6]充分考慮安全綜合評(píng)價(jià)過(guò)程中的模糊性和隨機(jī)性， 引入云模型理論確定模糊隸屬度； 針對(duì)AHP法未考慮到因素之間的影響， 引入DEMATEL法優(yōu)化指標(biāo)權(quán)重構(gòu)建安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.

基于以上研究成果， 本文利用模糊數(shù)學(xué)優(yōu)化AHP法的運(yùn)算區(qū)域， 形成模糊層次分析法(FAHP)， 理論理解難度大大降低， 利于廣大學(xué)者使用， 操作簡(jiǎn)單、 精準(zhǔn)性高. 基于FAHP的備用供電設(shè)備安裝工藝生命周期評(píng)估方法能夠精準(zhǔn)評(píng)估安裝工藝生命周期， 更好地服務(wù)于電力企業(yè)， 提升用電安全性與穩(wěn)定性.

1 基于FAHP的備用供電設(shè)備安裝工藝生命周期評(píng)估方法

1.1 評(píng)估指標(biāo)體系

備用供電設(shè)備與主供電設(shè)備有一定不同， 備用供電設(shè)備具有以下特點(diǎn)：

1) 備用供電設(shè)備是相對(duì)于主供電設(shè)備而言的， 要求備用電源引自與主電源相對(duì)獨(dú)立的電源， 并非一個(gè)系統(tǒng)軟件的電；

2) 備用供電設(shè)備一般狀況下是停止運(yùn)營(yíng)的， 但當(dāng)主供電設(shè)備斷電時(shí)， 能夠自動(dòng)或者手動(dòng)啟動(dòng)輸出， 保證用電的可靠性；

3) 備用供電設(shè)備是由12 V或24 V電壓進(jìn)行供電的， 一般稱(chēng)之為弱電.

4) 備用供電設(shè)備的電會(huì)傳至緊急供配電系統(tǒng)， 包含高壓開(kāi)關(guān)柜等.

5) 備用供電設(shè)備能夠選用直流電逆變電源， 還可以迅速啟動(dòng)柴油機(jī)柴油發(fā)電機(jī).

最重要的是， 備用供電設(shè)備的安裝工藝與主供電設(shè)備不同. 根據(jù)以上備用供電設(shè)備的特點(diǎn)， 從備用供電設(shè)備安裝工藝角度出發(fā)， 綜合考慮安裝工藝技術(shù)先進(jìn)性與經(jīng)濟(jì)合理性等方面， 構(gòu)建備用供電設(shè)備安裝工藝生命周期評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.

技術(shù)屬性代表安裝工藝生命周期內(nèi)不同技術(shù)的先進(jìn)性， 用于評(píng)估安裝工藝的安全性與拆卸性等.

環(huán)境屬性代表安裝工藝生命周期內(nèi)和環(huán)境相關(guān)的指標(biāo). 安裝供電設(shè)備過(guò)程中會(huì)直接或間接損耗能量， 形成有害氣體， 導(dǎo)致大氣污染； 安裝過(guò)程中形成的廢水流入水體中， 會(huì)導(dǎo)致液體污染； 安裝過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生有害廢物， 影響人們的健康， 其產(chǎn)生原因是安裝工藝中未考慮拆卸性與可回收性.

資源屬性與資源缺乏現(xiàn)象關(guān)系密切， 主要包含安裝所用材料資源、 信息資源與人力資源； 安裝所用材料資源比較關(guān)鍵， 其中材料利用率、 種類(lèi)與再生率均會(huì)解決資源缺乏問(wèn)題.

能源屬性與能源消耗關(guān)系密切， 在安裝工藝中使用節(jié)能性高的安裝材料， 可緩解能源缺乏現(xiàn)象[7].

經(jīng)濟(jì)屬性是指通過(guò)生命周期理論詳細(xì)調(diào)查安裝原材料采集至回收這一過(guò)程的成本[8]； 安裝工藝生命周期一直和企業(yè)、 用戶、 社會(huì)存在聯(lián)系， 這就需要考慮與這三者有關(guān)的成本與經(jīng)濟(jì)效益.

備用供電設(shè)備安裝工藝生命周期評(píng)估指標(biāo)體系如圖 1 所示.

圖 1 備用供電設(shè)備安裝工藝生命周期評(píng)估指標(biāo)體系Fig.1 Life cycle assessment index system of standby power supply equipment installation process

在評(píng)估指標(biāo)體系內(nèi)， 各一級(jí)指標(biāo)均存在不同數(shù)量的二級(jí)指標(biāo)， 將二級(jí)指標(biāo)劃分成不同數(shù)據(jù)類(lèi)型， 分別為定量統(tǒng)計(jì)、 有效與定性評(píng)估數(shù)據(jù). 定量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)屬于百分比數(shù)據(jù)與真實(shí)統(tǒng)計(jì)值； 有效評(píng)估數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式是對(duì)數(shù)， 能夠提升衡量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性； 定性評(píng)估數(shù)據(jù)包含5個(gè)級(jí)別， 從低至高分別為極差、 差、 中等、 好、 極好.

1.2 FAHP評(píng)估方法

1.2.1 確定模糊權(quán)重

通過(guò)和積法計(jì)算矩陣特征向量的0.1～0.9標(biāo)度， 建立互補(bǔ)評(píng)估矩陣， 0.1～0.9標(biāo)度法如表 1 所示.

表 1 0.1～0.9標(biāo)度法Tab.1 0.1～0.9 scale method

令評(píng)估矩陣為C=(cij)n×n， 其中， 評(píng)估矩陣元素為cij； 矩陣階數(shù)為n.通過(guò)矩陣內(nèi)兩兩指標(biāo)對(duì)比判斷， 獲取互補(bǔ)評(píng)估矩陣[9].如果cij+cji=1， 那么C為互補(bǔ)評(píng)估矩陣； 按照0.1～0.9標(biāo)度法建立互補(bǔ)評(píng)估矩陣需符合的條件如下

(1)

cii=1,

(2)

cij×cjk=cik,

(3)

其中， 式(3)非嚴(yán)格一致性條件， 僅需近似符合[10].

互補(bǔ)評(píng)估矩陣C的表達(dá)公式如下

(4)

模糊擴(kuò)展式(4)獲取指標(biāo)值的三角模糊函數(shù)， 擴(kuò)展方法公式如下

(5)

式中：d為常數(shù)，d∈[0.5,1].

通過(guò)LLSM一致性檢驗(yàn)C， 獲取指標(biāo)權(quán)重.

令指標(biāo)權(quán)重向量為wT=(w1,w2,…,wj,…,wm)， 函數(shù)Z的公式如下

(6)

式中：wi與wj為權(quán)重值；m為評(píng)估指標(biāo)數(shù)量，i,j∈m.

通過(guò)Z計(jì)算wp,p=1,2,…,m的偏導(dǎo)， 將導(dǎo)數(shù)設(shè)置成零， 偏導(dǎo)公式如下

(7)

整理式(7)獲取

(8)

因?yàn)閘ncip=-lncpi， 同時(shí)lncpp=0， 所以， 將式(8) 變?yōu)?/p>

(9)

繼續(xù)整理獲取

(10)

令p=1,2,…,m獲取w的向量， 若向量符合Z選擇最小值的要求， 該向量便為權(quán)重向量[11-13]. 通過(guò)上面LLSM方法能夠擴(kuò)展至三角模糊數(shù)求解過(guò)程.

(11)

歸一化上述公式獲取

(12)

其中， 選擇p=1,2,…,m獲取向量， 即模糊權(quán)重向量.

1.2.2 解模糊方法

利用1.2.1小節(jié)獲取的評(píng)估目標(biāo)值接近三角模糊數(shù)， 通過(guò)解模糊方法排序數(shù)個(gè)模糊數(shù)， 即令模糊數(shù)轉(zhuǎn)換成具體數(shù)值. 選擇解模糊方法中的限位系數(shù)法， 確保模糊數(shù)排序更為清晰[14].

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

通過(guò)式(19)可知， 獲取ρ的依據(jù)是模糊數(shù)本身E. 排序模糊數(shù)可減少評(píng)估主觀因素的影響， 使評(píng)估結(jié)果更為公正[15].

2 實(shí)驗(yàn)分析

以某電力公司的備用供電設(shè)備安裝工藝為實(shí)驗(yàn)對(duì)象， 在該公司內(nèi)隨機(jī)選取一個(gè)備用供電設(shè)備， 并為這個(gè)設(shè)備設(shè)計(jì)4種安裝工藝， 利用本文方法與文獻(xiàn)[5]方法、 文獻(xiàn)[6]方法分別評(píng)估這4種安裝工藝的生命周期.

本文方法中常數(shù)d的取值直接影響評(píng)估的精準(zhǔn)性， 通過(guò)實(shí)驗(yàn)選取最優(yōu)d值， 確保本文方法具備最優(yōu)的評(píng)估效果， 測(cè)試結(jié)果如圖 2 所示.

圖 2 測(cè)試結(jié)果Fig.2 Test results

根據(jù)圖 2 可知， 隨著d值的增加， 本文方法評(píng)估精度整體呈現(xiàn)倒V趨勢(shì)， 當(dāng)取值為0.7時(shí)， 評(píng)估精度達(dá)到最高， 因此， 常數(shù)d的最優(yōu)取值為 0.7， 后續(xù)實(shí)驗(yàn)d的取值均為 0.7.

利用本文方法求解備用供電設(shè)備安裝工藝生命周期的評(píng)估指標(biāo)的模糊權(quán)重， 如表 2 所示.

表 2 評(píng)估指標(biāo)的模糊權(quán)重Tab.2 Fuzzy weight of evaluation index

收集4種安裝工藝的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 展開(kāi)規(guī)格化處理， 將全部指標(biāo)劃分成3種類(lèi)型與5個(gè)級(jí)別， 數(shù)據(jù)值和標(biāo)度間的相應(yīng)關(guān)系如表 3 所示.

表 3 數(shù)據(jù)值和標(biāo)度間的相應(yīng)關(guān)系Tab.3 Corresponding relationship between data value and scale

結(jié)合表 2 與表 3 獲取4種安裝工藝全生命周期的評(píng)估結(jié)果， 如圖 3 所示.

圖 3 4種安裝工藝生命周期評(píng)估結(jié)果Fig.3 Life cycle assessment results of four installation processes

根據(jù)圖 3 可知， 安裝工藝2與4的生命周期評(píng)估結(jié)果較優(yōu)， 安裝工藝1與3的生命周期評(píng)估結(jié)果較差. 實(shí)驗(yàn)證明： 本文方法可有效評(píng)估備用供電設(shè)備安裝工藝生命周期， 為電力公司設(shè)備安裝過(guò)程提供可靠的技術(shù)支持.

將精準(zhǔn)率-召回率(Precision-Recall， PR)曲線與ROC-AUC曲線作為衡量本文方法評(píng)估效果的指標(biāo). PR曲線與坐標(biāo)(1,1)距離越近， 說(shuō)明評(píng)估效果越好； AUC面積越大說(shuō)明評(píng)估效果越好. 為了讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具說(shuō)服力， 以本文方法評(píng)估結(jié)果較差的安裝工藝1作為評(píng)估對(duì)象， 分別測(cè)試文獻(xiàn)[5]方法、 文獻(xiàn)[6]方法與本文方法評(píng)估安裝工藝1生命周期的結(jié)果， 如圖 4 與圖 5 所示.

圖 4 PR曲線測(cè)試結(jié)果Fig.4 PR curve test results

圖 5 ROC-AUC曲線測(cè)試結(jié)果Fig.5 ROC-AUC curve test results

根據(jù)圖 4 可知， 本文方法評(píng)估安裝工藝1生命周期時(shí)的PR曲線與坐標(biāo)(1,1)最為接近， 查全率與查準(zhǔn)率均在95%以上， 說(shuō)明本文方法評(píng)估安裝工藝生命周期的精準(zhǔn)性較高. 實(shí)驗(yàn)證明本文方法具備較優(yōu)的備用供電設(shè)備安裝工藝生命周期評(píng)估效果.

根據(jù)圖 5 可知， 本文方法在評(píng)估安裝工藝1生命周期時(shí)， AUC的面積最大， 說(shuō)明本文方法評(píng)估安裝工藝生命周期的效果較優(yōu).

3 結(jié) 論

在電力企業(yè)中， 備用供電設(shè)備的安裝工藝直接影響著居民用電的安全， 合理的安裝工藝還會(huì)解決社會(huì)資源與能源缺乏問(wèn)題. 為此研究基于FAHP的備用供電設(shè)備安裝工藝生命周期評(píng)估方法， 能夠有效評(píng)估安裝工藝的生命周期， 且評(píng)估精準(zhǔn)性較高， 效果較優(yōu)， 為電力企業(yè)設(shè)備安裝方案提供了科學(xué)依據(jù)， 間接提升了設(shè)備安裝速度， 減輕工作人員的工作壓力.