灰色系統理論在核電廠選址中的應用

李明

(中廣核工程有限公司,廣東深圳 518172)

灰色系統理論在核電廠選址中的應用

李明

(中廣核工程有限公司,廣東深圳 518172)

核電廠選址在地震、地質、水資源、環境、安全等方面有嚴格的要求,而前期普選階段各個可能廠址的條件復雜多樣,需要經過技術經濟比較后取舍和優選。灰色系統理論針對傳統的優選方法中的不足,結合核電廠廠址評價分級指標體系,應用灰色關聯分析法,定量綜合評價各個可能廠址條件,依據關聯度大小對方案優劣進行排序。以某個廠址普選過程為例,說明灰色系統優選方案應用。

灰色系統 關聯度分析 核電廠 廠址選擇 綜合評價

灰色系統理論是20世紀80年代,由中國華中理工大學鄧聚龍教授首先提出并創立的一門基于數學理論的系統工程學科,是一種研究少數據、貧信息不確定性問題的有效方法。用“黑”表示信息未知,用“白”表示信息完全明確,用“灰”表示部分信息明確、部分信息不明確。相應地,部分信息明確、部分信息不明確的系統稱為灰色系統。灰色系統理論以“貧信息”不確定性系統為研究對象,最大的特色是經過分析、建模可以解決大量實際存在的工作量大、定量指標受限、灰色因素較多的復雜方案優選決策問題,廣泛應用于工程領域。

圖1 核電廠普選階段廠址選擇基本程序略圖

圖2

核電廠廠址選擇是核電建設的重要工作環節,選址是否合理,對項目決策、工程投資、建設質量、運行安全、經濟效益起著決定性作用。核電廠選址在地震、地質、水資源、環境、安全等方面有嚴格的要求,而前期普選階段各個可能廠址的條件復雜多樣,傳統方式一般采用技術經濟指標分析表比較論證,但不確定性灰色因素較多時,則難以定量表達。廠址選擇就是一個典型的灰色系統,在綜合評價體系中許多信息是已知的,可以進行定量描述,但也有部分信息是未知的,只能進行定性分析。例如在占地、拆遷、移民情況、進廠公路與交通運輸條件、土石方工程量、水源及取排水條件等方面能夠定量給出與廠址相關費用,而與安全相關條件如地震活動、地表斷裂、地基斜坡穩定性、極端氣象、外部人為事件、與周圍環境及區域規劃相容性等方面選址階段往往只能定性地描述各個廠址之間的差異,如果比選廠址均不存在顛覆性因素且廠址條件差異較小時,缺乏定量的分析,就難以做出最優決策。本文基于灰色系統理論在核電廠普選階段廠址選擇綜合評價中的應用,探討定量化的廠址優選方法。

1 廠址選擇工作的基本程序及應考慮的基本因素

核電廠廠址選擇的過程,通常包括對廠址選擇技術任務書中規定的一個大的區域的調查和研究,以選擇兩個或若干個優選廠址,繼而詳細評價那些優選廠址的可接受性,以最終選定推薦廠址。廠址普選工作應按(圖1)所示的基本程序進行。

從廠址選擇工作開始到最終選定推薦廠址的全過程中,均須充分考慮以下幾個方面的因素,并必須在廠址選擇報告中予以明確論述。

(1)適于建造和運行擬建核電廠的與技術可行性因素相關的廠址特征;(2)所選廠址所在區域可能發生的外部認為事件和自然事件對核電廠影響;(3)可能影響所釋放的放射性物質向人體轉移的廠址特征及其環境特征;(4)與實施應急措施的可能行及評價個人和群體風險所需要的有關外圍地帶的人口密度、分布及其其他特征;(5)影響在所選廠址上建造和運行擬建核電廠的經濟合理性的廠址特征。

2 廠址選擇的評價指標體系

綜合評價多個候選廠址,需要建立能對照和衡量各個候選廠址的評價尺度,即評價指標體系,對指標進行橫向比較后,進行優劣排序。因此,評價指標體系必須具有全面、科學和權威,涵蓋廠址選擇所應考慮的五個方面的因素。根據以往普選階段的工作經驗,廠址選擇評價指標體系可如圖2所示。

3 灰色關聯評價方法

灰色關聯分析基本思路是根據對系統統計序列曲線幾何形狀的相似程度的比較,來刻畫系統中多因素間的關聯程度。通過分析灰色系統中各個廠址因素的關聯度,計算各廠址條件與最優廠址的相似度,并對兩者之間的相對誤差和絕對誤差兩個方面進行比較,誤差越小,則關聯度越大。一般步驟如下。

STEP1:建立標準化決策矩陣,即定義描寫目標的特征變量幾何,確定比較數據列。例如核電廠廠址選擇過程中,根據分級評價指標體系,結合選址經驗,選取與廠址投資決策相關的關鍵性指標,如征地面積、拆遷人口、土石方工程量、交通運輸條件、接入系統、巖土工程條件、水源和取排水條件等對比作為技術經濟指標數據列,稱為比較數據列。設A為m個廠址比選方案集合,A={A1,A2,..Am};每個方案又有n個評價因子,則數據列為:

表1 可能廠址的技術經濟指標比較表

表2 各項技術指標標準化

表3 指標因子與理想數列絕對差值

表4 關聯系數ξ0i和灰關聯度r0i

數據列中部分指標是定性的,如巖土工程條件、規劃相容性等,需要對非量化的灰色指標進行白化函數的量化處理。本文將最高與最低指標的白化值取1和0,通過插入法求出各方案的白化值。最高和最低數值可以通過統計數據取得,或由專家小組綜合評分。

STEP2:選取最理想方案的指標組合

其中,a0(1)是a1(1),a2(1),…, am(1)中的最優數據。

STEP3:求關聯系數。關聯系數ξ(j)是比較數據和最優數據在第j個元素的相對差值,其大小可作為關聯程度的衡量尺度。根據灰色系統理論定義,任意兩個數據列A0(j)與Ai(j)之間的關聯系數為:

ρ為分辨系數,ρ∈[0,1],為了削弱最大絕對差值因過大失真影響,以提高關聯系數之間的差異顯著性,通常取ρ=0.5。

STEP4:計算各變量采樣數據之間的灰關聯度,并按閾值準則劃分數據序列集,計算公式為:

STEP5:方案優劣排序。根據計算的n個方案關聯度大小,確定各個方案的優先級順序,關聯度越大,說明方案越優。

4 實例分析

某廠址普選項目共有3個可能廠址,根據分級指標確定征地面積、土方工程量、拆遷人口、交通運輸條件、接入系統條件、巖土工程地質、水源和取排水條件、周圍環境及外部人為事件這8個指標對三個廠址進行優選。其相應的技術經濟指標如(表1)所示。

其中征地面積、拆遷人口、土方工程量、交通運輸條件、取排水工程方案可以定量說明,而接入系統條件、巖土工程地質、外部人為事件,該階段對其進行定性描述,在實際應用過程中則可以通過專家評分法對定性指標白化處理。本文簡單起見,對于定性評價等級劃分為優、良、差3個等級,按照白化曲線插入法取值分別為0.75、0.5、0.25。定量指標則設定最優指標為最大值1,其余則相對最優值白化處理,處理后各項指標值參見(表2)。

根據(表2)所給的數據,可知理想廠址的因素指標為:

A0={0.91,0.47,0.45,0.69,0.75,0.75,0.61,0.5},各方案比較數據列于最優參考數據的差值,如表3所示。

計算各廠址條件的關聯系數ξ0i和灰關聯度r0i,如表4所示,根據這3個可能廠址的關聯度排序為:r01＞r02＞r03,則方案排序為A1＞A2＞A3,方案1為最佳決策方案,與實際結果優選廠址排序一致,故本方法用于核電廠選址綜合評價是可行的。

5 結語

灰色系統理論對核電廠廠址選擇綜合評價提供了一種新的定量分析的方法,通過實例分析其結果與傳統的技術經濟比較法相吻合,真實有效的反應了特征指標的差異性,相比傳統評價方法,通過白化處理灰數因子,使得各個指標之間可以橫向對比,且該方法對特征指標數據要求較低,易于掌握。在廠址選擇的工作中,可以在此方法基礎上再通過專家評分、統計調查等方法確定特征指標權重,使得評價結果更加客觀、科學和有效。

[1]丁威.《工業企業總圖布置方案灰色系統的優選方法》.蘭州理工大學學報,2008,2,pp.116-119.

[2]王秋平.《基于離差最大化的灰色關聯投影法在廠址選擇綜合評價中的應用》.西安建筑科技大學學報,2013,6,pp.356-360.

[3]國防科學技術工業委員會《核電廠廠址選擇基本程序》.(EJ/T 1127-2001).

[4]雷明.《工業企業總平面設計》.陜西科學技術出版社,1998.