基于VIKOR法輸電線路工程全過程機械化施工方案群決策研究

馮炳 朱江峰 李攀峰 龐南生

摘要： 實施輸電線路工程全過程機械化施工，設計和制定一個合理和完善的施工方案是一基本要求和前提條件，而這一施工方案的制定需要綜合評判各種因素影響，由于這些影響因素在實際中往往又是定性的、難以量化分析的，這一問題給方案評判工作帶來很大的困難。本文基于VIKOR法原理，結合全過程機械化施工的施工目標等要求，構建了全過程機械化施工方案的評價指標，對指標體系中的各種定性因素按照區間數、直覺模糊數和語言變量等進行了有效處理，確定了各評價指標權重系數，并利用專家小組的知識與經驗，提出了輸電線路工程全過程機械化施工方案的群決策方法，通過工程實例分析，也說明本文提出的方法是可信和合理的。

Abstract： It is the basic requirement and precondition to design a reasonable and perfect construction scheme for the whole process mechanized construction of transmission line engineering， however， in the process of formulating this construction scheme， it is necessary to comprehensively evaluate the influence of various factors. Since these factors are often qualitative and difficult to quantify in practice， this problem brings great difficulties to the program evaluation work. Based on the principle of VIKOR method and requirements of whole process mechanized construction， such as construction target， this paper constructs the evaluation index of the whole process mechanized construction scheme. According to the interval numbers， intuitionistic fuzzy numbers and linguistic variables， the various qualitative factors in the index system are effectively processed， and the weight coefficients of each evaluation index are determined. Then， using the knowledge and experience of the expert group， we propose a group decision making method for whole process mechanized construction scheme of transmission line engineering. Finally， it is certificated the credibility and rationality of the method proposed in this paper， by analysising of practical engineering example.

關鍵詞： 輸電線路工程；全過程機械化施工；機械配置；群決策

Key words： transmission line engineering；whole process mechanized construction；mechanical configuration；group decision making

中圖分類號：TM726.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2019）03-0063-05

0 引言

輸電線路工程全過程機械化施工是一種創新的施工建設模式，也是國網公司全面推廣的電網工程一種施工模式，它是以施工機械代替人力完成輸電線路全部施工工序的作業活動，這一模式的實施改變了傳統的輸電線路施工以“以人為主，機械為輔”的方式，實現了輸電線路施工作業由勞動密集型向技術型和機械化方向的轉變。

輸電線路工程施工特點是線路長、作業點分散、地質地形條件復雜、高空作業多危險性大、投入人員多等，采取機械化施工將有利于簡化施工作業內容、降低施工人員的投入和勞動強度、減少施工安全風險性、擴大作業范圍、提高施工效率、保護生態環境、降低施工成本、縮短工期和提高施工質量。

要實現工程的機械化施工和發揮出全過程機械化施工產生的良好效果，在設計階段，一方面設計單位需要將工程的設計與施工、各專業之間進行有效的協調配合，要轉換設計理念和方法，以機械化施工為設計導向，結合工程的實際情況，對輸電線路工程全部作業工序進行整體的施工設計，以滿足全過程機械化施工的要求。另一方面，施工單位在施工前，還需要結合工程的施工圖設計、施工目標、現場施工條件等具體實際情況，擬定出多個全過程機械化施工方案，并綜合考慮多種評價因素進行方案的比較選擇。在擬定方案中要考慮各工序之間的緊密性和關聯性，施工方案不僅能夠對各施工工序的機械化施工起到指導與支持作用，更重要是通過這一施工方案的實施在機械化施工過程中產生出整體的最佳的經濟、社會和環境效益。

1 全過程機械化施工工序及施工機械配置

輸變電工程全過程的施工工序包含了臨時道路修建、物料運輸、基礎開挖、混凝土工程、鐵塔組立、展放導線、接地裝置敷設等，其中，臨時道路修建、物料運輸與后續的基礎開挖、混凝土工程、桿塔組立等在施工機械配置、工序工程量、施工工期、環境保護、施工成本、機械化程度等方面有較大的相互影響。

1.1 臨時道路修建

臨時道路修建需要結合塔位、地質地形、物料和機具設備的運輸量、重量和外形尺寸等因素，綜合考慮路徑選擇、道路拓寬、加固等施工方案，需要施工機械主要有推土機、挖掘機、鏟運機等。

1.2 物料運輸

傳統的物料運輸方式主要是以人力和畜力，這種方式勞動強度大、危險性高、施工工期長和效率低等。機械化的運輸設備主要有輪胎式運輸車、履帶式運輸車、混凝土罐車、貨運索道運輸、飛艇運輸、直升機運輸等。輪胎式運輸車適合于平地地區，對道路條件要求不高，履帶式運輸車一般用在山地、丘陵、泥沼等地區、可減少開山筑路范圍，但對植被環境影響較大，索道運輸適合于高山、深谷、河流等地形的材料運輸，不會造成環境破壞。

1.3 基礎開挖

桿塔的基礎型式主要有大開挖式基礎、掏挖式基礎、灌注樁基礎、預制基礎、錨桿巖石基礎及新型基礎等，大開挖式基礎開挖以及鋼筋和混凝土用量都較大，對植被破壞也較大，掏挖式基礎對土壤地質條件要求高、一般用于地下水位低的硬塑、可塑黏性土等地質，對環境影響小，灌注樁基礎施工產生的泥漿對環境影響大。基礎施工機械主要有履帶式挖掘機、旋挖鉆機、反循環鉆機等。

1.4 混凝土工程

混凝土澆筑可采用現場攪拌混凝土、商品混凝土，當道路條件允許時，可混凝土罐車運輸、混凝土泵車澆筑，在山地地形時可采用自卸式三輪車倒料。

1.5 鐵塔組立

隨著鐵塔重量和高度不斷變化，組塔方式也不斷發展，鐵塔組立的方式有懸浮抱桿內（外）拉線式組塔、吊車組塔、塔機組塔、飛艇組塔等，抱桿組塔不受地形、塔高等限制、適用較廣，但高空作業較多、施工速度慢，吊車組塔主要應用于塔高較低、山地坡度較小等地形條件寬闊的塔位，優勢是施工工期短。

1.6 展放導線

展放導線的方式主要是張力放線，張力放線使用的主要設備有張力機、牽引機、導線線軸支架、牽引繩重繞機、導引繩展放支架、導引繩、牽引繩及抗彎連接器、牽引板等。初級導引繩可采用動力傘或無人機或直升機等進行展放，全程不落地放線。利用動力傘等施放引繩技術能有效的降低施工難度、提高施工效率和縮短施工工期，還能有效降低線路施工對周邊環境的影響。

1.7 接地裝置敷設

接地施工裝備主要有水平定向鉆機、專用接地挖掘機和垂直鉆機。水平定向鉆機可在最小開挖地表的情況下，是一種實用、安全、高效、環保的新技術。專用接地挖掘機是利用挖掘機取土在接地位置直接掏挖的機械，對環境破壞較大；垂直鉆機主要用于垂直接地施工中的鉆機，可減少對地表植被的破壞。

2 全過程機械化施工方案評價指標選取

輸電線路工程全過程機械化施工需要完成多個不同施工內容的施工工序，為實現機械化施工，各工序需要進行施工機械配置和采取相應的施工方法，制定出合理而完善的施工方案。由于各工序之間存在著相互關聯和制約關系，特別是前期具有施工準備性質的施工工序，如臨時道路修建和物料運輸，其不同的施工機械配置和施工方法又直接影響到后期施工工序在施工機械設備選擇和施工方法制定；而每一工序又可以通過多個不同的施工方案來實施，從而又將會產生不同的全過程的經濟、社會與環境效益。為此，全過程機械化施工方案的制定和選擇應從全過程和整體的角度去考慮，需要擬定全過程的機械化施工方案的評價指標。通過對輸變電工程全過程施工工序的分析和結合全過程機械化施工的要求，全過程機械化施工方案的評價指標可以考慮以下指標：

2.1 施工成本

施工成本是指在各工序施工中發生的所有成本，包括人工費、材料費、機具臺班費、維修保養費、設備租賃費、設備進出場運輸費費、設備轉場費、青苗補償費等。在施工方案中，應優選和配置設備投入少、維修保養簡單、能耗低的施工機械，以取得降本增效的效果。

2.2 施工工期

由于不同的施工機械其施工生成率是不同的，其完成工序所消耗時間也將不同，各工序施工應優先配置施工生產率較高的施工機械，以加快施工速度，縮短施工建設周期。如灌注樁反循環鉆機施工比旋挖鉆機工序要復雜，其作業完成時間顯然要長些。又如吊住組塔可以地面組裝，整片吊裝，起吊重量大，吊裝次數少，相比抱桿吊裝采取的單件吊裝的作業效率高。

2.3 施工質量

施工質量可通過工序完成的合格率、缺陷數、偏差值等指標反映。各工序配置的施工機械技術性能指標和參數應滿足各工序施工質量設計規范和質量驗收標準的要求；應選擇施工技術成熟、先進和施工質量可控的施工方法。如，旋挖鉆機成孔的基礎定位準確，成孔尺寸、垂直度精度高，成孔過程沉渣較少，成孔質量好。又如，采用吊車組立鐵塔，可以將塔鐵件在地面完成大部分的組裝工作，鐵塔的螺栓緊固強度高，構件變形情況小，施工質量好。

2.4 施工安全性

施工安全性可通過危險源分析、安全成本等指標反映。各工序應采用技術先進和生產率水平較高的施工機械，以減少人工勞動力的投入；應優選降低和避免施工人員進行危險性作業的施工方案；應采用施工難度小的施工方案，優先選擇施工道路條件好，施工設備進場便利的施工方案；對危險性較大的作業活動應進行評估，采取安全防范措施。如在鐵塔組立中，在沿線道路條件便利和鐵塔呼高不高的情況下，應優先選用吊車分解或整體組塔方案，減少高空作業工作量，安全性好。

2.5 機械化程度

機械化施工程度可采用設備構成比、機修工修配勞動量等指標來衡量。在施工方案中，高效和專用的機械設備所占比重越大，利用機械完成的工程量就越多，機械化施工程度就越高，人力勞動量就越小，應優選機械化設備配置比例較高的施工方案。通過機械化施工，不僅可以降低施工人員的作業強度，更是可以在不適宜人工作業的場所避免或減少勞動傷害，擴大施工范圍。

2.6 生態環境保護

臨時道路修建、基礎開挖、鉆機作業時泥漿護壁、架線等作業，都會在不同程度上對植被環境造成破壞。在施工方案中應優選和配置對環境破壞小的施工機械和施工方法。如，旋挖鉆機相比反循環鉆機由于設備具有自身取土的功能，無需采用泥漿循環，不需要利用地下水造漿，減少了對周邊生態環境影響。又如，接地裝置敷設采用垂直接地體，選用與接地線相匹配的鉆機，可以直接打孔，可以避免挖掘機挖放射槽，減少了對地表、對植被的破壞。

2.7 施工便捷性

應優選工序間的相互干擾程度小、施工難易程度低，機械施工效率高，操作方便、工具又簡單的施工方案。施工便捷性有利于加快施工速度，降低施工成本，提高施工質量和施工安全性。

3 VIKOR法群決策原理

VIKOR法是由南斯拉夫的Opricovic教授于1998年提出的一種基于理想點法的折衷排序方法。其特點是在選擇方案是考慮了群體效益的最大化，同時，也最小化了個體遺憾，而且融合了決策者的主觀偏好。

在輸電線路工程機械化施工方案評價指標中，一些指標如施工便捷性、施工安全性、機械化程度等由于缺少信息，在實際工作中，是很難或很準確地用確定性指標值去定量衡量的，而決策管理部門又更習慣于采用不確定性量如語言變量、區間數和直覺模糊數等去描述，因此，用于方案的評價信息基礎是一含有確定性指標值、語言變量、區間數和直覺模糊數所構成的混合型決策信息， VIKOR法正是適合于解決這種決策信息的評價問題的一種方法。

3.1 區間數、直覺模糊數概念

稱 為R上的一個區間數，xl表示區間的下界，xu表示區間的上界，R為實數域。當0

稱 為X上的一個直覺模糊集，μA（x）和νA（x）分別為X中元素x屬于A的隸屬度和非隸屬度，μA（x）∈[0，1]，νA（x）∈[0，1]，0？燮μA（x）+νA（x）？燮1，？坌x∈X，此外，稱πij=1-μA（x）-νA（x）為X中元素x屬于A的猶豫度或不確定度。由X中元素x屬于A的隸屬度和非隸屬度組成的有序對，稱為直覺模糊數。

一般地，直覺模糊數記為a=（μa，νa），μa∈[0，1]，νA∈[0，1]，0？燮μa+νa？燮1。設有任意兩個直覺模糊數a=（μa，νa）和b=（μa，νa），則a和b的海明距離為，

d（a，b）

3.2 語言變量的處理

語言變量是以自然語言的形式表達，專家組成員利用熟悉簡單的語言短語對備選方案進行定性判斷，更符合專家個體的主觀意愿。對于語言變量類型的數據通常采用轉化的方式進行處理，在這里將語義評價信息轉化為直覺模糊數，語義變量標度和相對應的直覺模糊數如表1。

3.3 規范化專家個體決策矩陣

考慮多屬性群決策問題，設方案集為Ai（i=1，2，…，m），屬性集為Xj（j=1，2，…，n），決策者集dk（k=1，2，…，s），專家針對各目標給出的多種數據類型的屬性值為x ，假設屬性權重信息wj（j=1，2，…，n）已知，且wj？叟0，j=1，2，…，n， w =1；專家組專家的權重信息λk（k=1，2，…，s）已知，且wk？叟0，k=1，2，…，s， w =1。構建的專家組專家個體的主客觀評價信息的混合決策矩陣為 。

設規范化決策矩陣為 。最常見的屬性有效益性、成本性指標，令Ij（j=1，2）分別表示效益性、成本性的下標集，M={1，2，…，m}，有，

對于實數數據，規范化后數據，為，

效益性指標：

成本性指標：

對于區間數，規范化后數據，為，

效益性指標：

成本性指標：

3.4 根據專家個體決策矩陣，利用集結算子構建群決策下的直覺模糊數矩陣

在群決策分析中，需要將專家組個體專家的決策信息，集結為群決策矩陣R=r ，j=1，2，…，m，j=1，2，…，n，為達到這一目的，可利用IFWA（Intuitionistic Fuzzy Weighted Averaging）直覺模糊數加權平均算子集結。

設αk=（μαk，ναk）（k=1，2，…，s）為一組直覺模糊數，λk（k=1，2，…，s）為αk（k=1，2，…，s）的權重向量，λk∈[0，1]，k=1，2，…，s， λk=1 ，則稱

為直覺模糊數加權平均算子。其中， 。

將專家組個體專家的決策信息，集結為群決策信息，除使用集結算子外，一些文獻也介紹采取均值法等。

3.5 確定各評價屬性的客觀權重和專家個體客觀權重

對于各評價屬性的客觀權重，可以采用熵值法計算，利用各數據類型的熵值公式確定權重可以更客觀地反映評價屬性的重要程度。

在屬性集Xj（j∈J1）下的實數熵值為，

在屬性集Xj（j∈J2）下的區間數熵值為，

其中， ，i=1，2，…，m；j=1，2，…，n，dij為相離度矩陣D=（d ） 中的元素，d =d（zij，z*j），z*j為在規范化決策矩陣Z=（z ） 中第j個屬性下的效益性或成本性屬性的理想值。

在屬性集Xj（j∈J3）下的直覺模糊熵值為， ，j∈J3

上式中，J1為實數型數據屬性下標集，J2為區間數型數據屬性下標集，J3為直覺模糊數型數據屬性下標集。

各屬性Xj（j=1，2，…，n）的權重wj為，

，j=1，2，…，n

對于專家個體客觀權重，可根據專家對備選方案給出的屬性評價信息中的猶豫度值來確定。對某個專家而言，專家給出的評價信息中的猶豫度值大小反映了專家對評價對象的不確定性程度。若猶豫度越小，反映了專家對評價問題掌握的信息越多，給出的評價結果可靠性也越高，則對該屬性賦予的權重也應越大。所以，可以根據熵原理建立專家信任函數以確定專家的客觀權重。

定義的專家信任函數為Bk（π），專家個體客觀權重為λk，有，

式中，π 為第k個決策者給出的第i方案關于第j個屬性評價信息轉化為直覺模糊數中的猶豫度值。

3.6 根據群決策信息R=r ，確定正理想解r*j和負理想解r-j

屬性有不同的類型，一般情況下分為效益性和成本性。

式中，r 為方案Ai關于屬性Xj的屬性值，J1和J2分別為效益性目標和成本性目標的下標集。

3.7 備選方案的群體效益Si、個體遺憾值Ri和折衷值Qi

式中，S*= ，S-= ，R*= ，R-= ，Si、Ri和Qi的取值均是越小越好，ν為決策機制系數，ν=[0，1]，表示決策者對群體意見和個體遺憾值的傾向度。若ν>0.5時就表示決策者更傾向于根據最大化群體效益所占比重較大的方式來進行決策，若ν<0.5表示更傾向于最小化個體遺憾值來進行決策，ν=0.5表示決策者不存在明顯的偏好，采取均衡折衷方式。在VIKOR法中，一般取ν=0.5，即均衡折衷以使群體效益最大化和個別遺憾最小化。

3.8 確定折衷解

當下面兩個條件成立時，可根據Qi（i=1，2，…，m）值的大小對方案排序，值越小，意味著方案越好。設最小值Qi所對應的備選方案為Ai，若最小值Qi同時滿足以下兩個條件C1和C2，則方案Ai為最佳折衷解。

條件C1：可接受度優勢Q2-Q1？叟1/（m-1），式中，Q1和Q2分別為按Qi（i=1，2，…，m）排序的最小和次最小的綜合值，m為備選方案數。

條件C2：在Qi排序中，最佳方案Ai對應的Si值或Ri值也是最小的。

若以上兩種條件不能同時成立，則得到折衷解方案，分為兩種：若不滿足條件C1，則A1，A2，…，Ar為折衷解，其中，r的最大值由Qr-Q1<1/（m-1）確定，這些方案都接近理想方案；若不滿足條件C2，則備選方案A1和A2為折衷解。

算法步驟：

step 1.對客觀屬性值進行規范化，將語言變量轉化為直覺模糊數，計算屬性客觀權重wj和專家客觀權重λk；

step 2.將專家個體的決策信息Dk=[x ] ，利用直覺模糊數加權平均算子IFWA對專家個體信息進行集結，形成的完整的群決策矩陣R=r ；

step 3.根據群決策矩陣，利用熵值法，計算屬性權重wj；

step 4. 確定理想解r*j和負理想解r-j；

step 5. 計算備選方案的群體效用值Si、個體遺憾值Ri和折衷值Qi；

step 6. 按照Si、Ri和Qi值的大小分別按降序進行排序，值越小代表方案越優；

setp 7. 確定折衷解。

4 實例分析

某220kV輸電線路工程地處在丘陵地段、經過現場勘查，沿線地層以黏性土及粉土為主，線路沿線大部分地區地下水埋深較深。本工程桿塔主要采用直立式角鋼塔，基礎以掏挖基礎、板式基礎為主。現擬定了3個全過程機械化施工方案，用Ai（i=1，2，3）表示，各施工方案的機械配置如表2所示，選取了7個施工方案的評價指標，用Xj（j=1，2，…，7），其中，X1和X2為成本性指標，其余為效益性指標，且X1、X2和X5為客觀性指標，X3～X4和X6～X7為主觀性指標，如表3所示。

由施工企業組成的3個專家小組，用Dk（k=1，2，3）表示，對施工方案進行評價，同時，完成對7個指標的評價。經調研統計出本輸電線路（單基）的施工方案客觀性指標的原始數據如表4所示，3個專家小組對本工程施工方案的主觀評價數據如表5～7所示。

①對施工方案的實數和區間數客觀屬性值進行規范化，同時利用語言變量與直覺模糊數的轉換關系，將語言變量屬性值轉化為直覺模糊數。再根據3個專家小組D1～D3給出主觀屬性值，利用專家信任函數確定專家客觀權重λk（k=1，2，3）；根據3個專家小組D1～D3給出的主觀屬性值直覺模糊數中的猶豫度，可求出的3位專家信任函數分別為B1（π）=-0.3198，B2（π）=-0.3121和B3（π）=-0.2827，則3個專家小組的客觀權重λ1=0.3496，λ2=0.3413和λ3=0.3091。

②根據求出的專家的客觀權重，利用直覺模糊數加權平均算子IFWA對3位專家個體信息進行集結，并與客觀屬性值信息合并后，形成的群決策矩陣 ；

③根據集結后的群決策矩陣 ，利用熵值法計算權重。先計算各屬性的熵值，再計算屬性權重wj；

④根據集結后的群決策矩陣 ，確定理想解r*j和負理想解r-j；

r*j={0.8269，0.8605，（0.8214，0.1148），（0.8500，0.1000），[0.5790，0.6243]，（0.7554，0.1274），（0.7695，0.1000）}

r-j={1.0000，1.0000，（0.6047，0.2935），（0.6337，0.2506），[0.5181，0.5725]，（0.5675，0.2267），（0.5333，0.2000）}

⑤計算備選方案的群體效用值Si、個體遺憾值Ri和折衷值Qi，并按降序排序，在這里，取v=0.5。

從計算結果Qi值看，備選方案的排序為A2？莨A1？莨A3，其中，Qi值最小的對應方案是A2，再檢驗方案A2是否滿足其它兩個條件C1和C2。對于條件C1，Q（A3）-Q（A2）=0.5679？叟1/（3-1）=0.5000，滿足條件C1；對于條件C2，方案A2的Si值和Ri值也都是最小的，也滿足條件C2。所以，方案A2為最優的施工方案。

5 結論

輸電線路工程全過程機械化施工是一全新的工程建設模式，相較于傳統的“以人為主”建設模式具有明顯的優勢，能夠產生出良好的社會、經濟和環境效益。這一新的建設模式實施和效益的發揮，其施工方案起著重要的指導作用。因此，在工程施工前，在設計和制定輸電線路工程全過程機械化施工方案中，施工單位就需結合輸電線路工程施工特點和全過程機械化施工目標要求，通過對全過程各施工工序的分析，對全過程各工序的機械化施工進行合理的機械配置、人員配置以及施工方法的制定，并通過擬定多個施工方案和在綜合考慮影響因素后，對施工方案加以評價決策。由于這一決策過程，需要考慮輸電線路工程全過程各工序之間各種錯綜復雜的影響因素，本文為了找到能夠實現機械化施工的綜合效益的最佳施工方案，利用專家知識與經驗和群決策理論，提出了輸電線路工程全過程機械化施工方案群決策方法，該方法原理清晰，計算簡便，并能有效處理和考慮各種復雜因素。通過具體工程實例分析及其決策結果，也驗證說明了本文提出的決策方法是合理的和可行的。

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