基于多準則決策的高鐵站房給排水系統(tǒng)施工優(yōu)化研究

鄧凌霄

（中鐵十二局集團建筑安裝工程有限公司，山西 太原 030000）

高鐵站房給排水系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響了高鐵站的舒適性及便捷性，其重要性不言而喻[1]。許多專家針對高鐵站房給排水系統(tǒng)施工質(zhì)量進行豐富的研究工作，熊青[2]以實際工程為研究對象，深入分析了高鐵車站給排水設(shè)計要點；曹健[3]以上饒火車站為例，闡述了站房給排水設(shè)計內(nèi)容；吳窮[4]對車站給排水施工質(zhì)量問題進行研究，并提出針對性控制措施。該文在前人研究的基礎(chǔ)上，引入多準則決策方法和全生命周期成本最小值概念作為評價方法，對徐州東站擴建工程給排水施工過程進行分析，提高高鐵站房給排水系統(tǒng)施工質(zhì)量。

1 給排水系統(tǒng)優(yōu)化方法

1.1 高鐵站房給排水系統(tǒng)優(yōu)化要點

優(yōu)化高鐵站房給排水系統(tǒng)施工過程是一個綜合考慮成本最小化和可靠性最大化的多目標問題，其中，成本最小化需要綜合考慮建設(shè)成本和后續(xù)運維成本[5]。為全面解決該問題，該文引入了全生命周期成本最小值的概念。生命周期成本最小值計算過程如公式（1）～公式（5）所示。

式中：Hi為第i處水管水頭，m；Hmin為連接處最小水頭，m。

式中：HLi為連接處的揚程損失，m；Ep為泵升部分的能量，kg·m/s；Qin為某節(jié)點的流入量，m3/s；Qout為某節(jié)點的流出量，m3/s。

式中：Qi為管道i中的流量，m3/s；Li為管道i的長度，m；Di為管道i的直徑，m；Vi為管道i中的流速，m3/s。

生命周期成本如公式（6）所示。

式中：LCC為生命周期成本；IC為初始安裝成本；BC為運維成本，包括維修和更換費用。

其中，可根據(jù)管道長度和直徑計算初始安裝成本IC，如公式（7）所示。

式中：np為管道節(jié)點數(shù)。

計算運維成本BC如公式（8）所示。

式中：BRi為第i段斷裂后維修成本，元；RCi為第i段管道更換成本，元；ARi為在計劃范圍內(nèi)第i段管道更換維修成本，元。

在實際工程中，給排水系統(tǒng)的運維成本有一定的不確定性，該文假設(shè)運維過程的不確定性服從變異系數(shù)為0.1的正態(tài)分布，計算運維成本如公式（9）所示。

式中：qi*為任意節(jié)點i所需的最小流量，m3/s；hi*為任意節(jié)點i所需的水頭，m；hi為節(jié)點i處的實際水頭，m；qR，k為系統(tǒng)所有的流量，m3/s；hR，k為系統(tǒng)所有的水頭，m。

結(jié)合全生命周期成本最小值的高鐵站房給排水系統(tǒng)的建設(shè)過程需要找出在不同階段增加的并行管道的數(shù)量、尺寸和位置，從而使增加的并行管道的生命周期成本最低，其基本步驟如下：1）考慮未來一定時間內(nèi)的預測需求，確定分配給配水管網(wǎng)的初始管道尺寸。2）在規(guī)劃期的后續(xù)階段，在每個階段確定并行管道的位置、數(shù)量和大小，使不同可靠性水平下的管道生命周期成本最小。

1.2 多準則決策方法

針對多準則決策問題，現(xiàn)階段主要包括定性分析以及定量分析2 種評價方法，其中，定性分析方法主要包括專家咨詢、熵權(quán)法、案例研究和德爾菲法等；定量分析法主要包括層次分析法、主成分分析法、因子分析法、模糊綜合評價法、色綜合評價法、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法（DEA 法）以及灰云評價法等。

根據(jù)研究對象的特點選擇評價方法。該文結(jié)合高鐵站房給排水系統(tǒng)的特點[6-7]，選擇層析分析法作為多準則決策方法。

層析分析法需要針對含有n個因子B={B1，B2，…，Bn}采用兩兩比較的方式建立對比矩陣，如公式（10）所示。

式中：Aij為比較選取2 個因子Bi、Bj重要程度，即Bi對Bj的重要程度，經(jīng)常采用1～9 尺度賦值方法，衡量兩者的重要程度，其中1、3、5、7、9 分別代表同等重要、稍重要、明顯重要、強烈重要以及極其重要，而2、4、6、8 作為相鄰判斷的中間值。

當建立判斷矩陣后，需要判斷判斷矩陣的一致性，檢驗一致性如公式（11）所示。

式中：λmax為判斷矩陣最大特征根，RI為一致性指標，其取值見表1。

當CR等于0 時，認為判斷矩陣A完全具有一致性，當CR≤0.1 時，認為判斷矩陣A具有一致性，當CR＞0.1 時，認為矩陣A不滿足一致性檢驗，須重新進行調(diào)整直至滿足一致性需求。

1.3 優(yōu)化步驟

結(jié)合上述多目標優(yōu)化方法以及全生命周期成本的最小值制定針對高鐵站房給排水系統(tǒng)的施工優(yōu)化步驟，該文采用的多準則決策分析方總體框架如圖1 所示。在該文所建立的分析步驟中，需要確定設(shè)計及排水量需求，并結(jié)合層次分析法建立分析模型，通過對模型計算所得Pareto 最優(yōu)解和權(quán)重分布情況進行分析，找到給排水施工過程中的關(guān)鍵節(jié)點，并有針對性地提出解決方法。

圖1 多準則決策分析方法的總體框架圖

2 案例分析

2.1 工程簡介

徐州東站擴建工程屬于新建徐宿淮鹽鐵路建設(shè)過程中重要的高鐵站房建設(shè)項目。站房站型為線側(cè)式旅客站房以及高架候車廳，站房總建筑面積為29998m2，其中，給排水部分主要包括站房內(nèi)給水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、雨水系統(tǒng)以及消防系統(tǒng)設(shè)計。給水系統(tǒng)接自地下給水加壓泵房，水量、水壓須滿足生活用水需求，經(jīng)計算，該建筑總用水量為166.98m3/d，所需壓力0.48MPa，供水壓力應(yīng)大于0.2MPa。在排水系統(tǒng)中，污廢水量約為150.28m3/d，室內(nèi)生活污水采用合流制，經(jīng)室外排水系統(tǒng)接入園區(qū)化糞池，排水方式地面以上采用重力流排水，地面以下為潛污泵抽升排水，二層候車廳部分衛(wèi)生間全部采用污水提升設(shè)備壓力排水。

2.2 優(yōu)化計算

根據(jù)徐州東站站房給排水系統(tǒng)設(shè)計實際需求，所設(shè)置層次結(jié)構(gòu)見表2。

表2 高鐵站房給排水系統(tǒng)層析結(jié)構(gòu)

根據(jù)層析分析法相關(guān)內(nèi)容構(gòu)建判斷矩陣見表3。

表3 判斷矩陣

對計算所得權(quán)重矩陣進行一致性檢驗：CR=0.0543<0.1。

該文所建立權(quán)重矩陣通過一致性檢驗。

建立指標層對準則層的權(quán)重排序，并將其綜合為各指標對總目標的權(quán)重，見表4。結(jié)合表2、表3，權(quán)重最高的指標為方案可實施性（B11），權(quán)重為0.1730，其次為供水安全（B31），權(quán)重為0.1346、消防安全（B33），權(quán)重為0.0981、工期安排（B41），權(quán)重為0.0968。因此，該工程施工的關(guān)鍵是保障施工方案安全、系統(tǒng)供水安全，并對施工過程中的工期進行控制。

表4 各指標對總目標的權(quán)重

2.3 優(yōu)化給排水系統(tǒng)施工措施

為保證工程質(zhì)量，該文針對上述研究結(jié)果對施工方案的安全性、系統(tǒng)供水安全以及施工工期控制等方面提出以下5 種優(yōu)化措施：1）施工前，應(yīng)嚴格按照國家現(xiàn)行施工規(guī)范和驗評標準組織編寫工程施工組織設(shè)計。認真組織學習執(zhí)行有關(guān)規(guī)章制度，全體員工進行質(zhì)量意識教育，樹立“質(zhì)量是企業(yè)的生命”和為用戶服務(wù)“的思想。2）對給排水工程的施工工藝流程進行優(yōu)化，優(yōu)化后如圖2 所示。形成橫向從安裝、制作及各分包項目；縱向從項目經(jīng)理到作業(yè)班組的質(zhì)量管理網(wǎng)絡(luò)。使質(zhì)量保證體系延伸到各施工單位、公司內(nèi)部各專業(yè)分公司，實現(xiàn)質(zhì)量目標。3）建立完善的施工管理體系。以分項目經(jīng)理、分項目總工程師的領(lǐng)導控制、專業(yè)工程師基層檢查、作業(yè)層的操作質(zhì)量管理三級質(zhì)量管理系統(tǒng)。推行專業(yè)工程師和質(zhì)量工程師責任制，對施工全過程工程質(zhì)量進行監(jiān)控。4）工期控制問題和施工方案問題。在工程施工前，組織專家和實際施工人員制定詳盡且符合工程建設(shè)的施工方案。根據(jù)工程建設(shè)過程，建立工期責任制度，壓實工期控制責任。5）建立高度靈敏的質(zhì)量信息反饋系統(tǒng)，以試驗、技術(shù)管理、質(zhì)量檢查為信息中心，負責搜集、傳遞質(zhì)量信息，決策機構(gòu)負責發(fā)布指令并將新的指令信息傳遞到執(zhí)行機構(gòu)，調(diào)整施工部署，糾正質(zhì)量偏差，實現(xiàn)優(yōu)良目標。

圖2 優(yōu)化后的施工工藝流程簡圖

3 結(jié)論

該文采用層析分析方法建立高鐵站房給排水系統(tǒng)優(yōu)化的多準則決策方法，并對實際案例進行分析，得到以下2 個結(jié)論：1）考慮生命周期成本以及系統(tǒng)穩(wěn)定性2 個方面，建立基于層次分析法的高鐵站房給排水系統(tǒng)多準則決策優(yōu)化方法。2）應(yīng)用該方法對實際工程進行分析。該工程施工質(zhì)量重點內(nèi)容包括方案可實施性、供水安全和施工工期安排等方面，提出針對性的優(yōu)化措施，該文研究內(nèi)容對于提高高鐵站房給排水系統(tǒng)施工質(zhì)量具有一定指導意義。