基于ELECTRE法的排水管材選型研究

唐其林

（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

1 管材選型指標(biāo)體系

創(chuàng)建管材選型系統(tǒng)首先需考慮管材的指標(biāo)體系。在不同的工程環(huán)境下，需對(duì)管材指標(biāo)進(jìn)行篩選，選出對(duì)工程建設(shè)目標(biāo)影響較大的指標(biāo)。市政工程中排水管材對(duì)工程有影響的指標(biāo)，可分為定量和定性指標(biāo)。

定量指標(biāo)通常在管材出廠(chǎng)規(guī)格中有說(shuō)明或可通過(guò)試驗(yàn)獲得，包括力學(xué)性能、水力學(xué)性能、重量、綜合成本和使用壽命等；定性指標(biāo)是指能定性描述的指標(biāo)，包括防腐、耐磨、抗?jié)B、基礎(chǔ)適應(yīng)性、施工難易和接頭抗變形能力等指標(biāo)，定性指標(biāo)值都可用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研或?qū)＜掖蚍值姆绞将@取。為了使定性指標(biāo)量化，需在專(zhuān)家打分時(shí)給出打分標(biāo)準(zhǔn)，通常采用標(biāo)度法對(duì)定性指標(biāo)進(jìn)行賦值，表1為5級(jí)標(biāo)度，如果候選的管材種類(lèi)較多，可選擇分級(jí)更細(xì)的標(biāo)度，如9級(jí)標(biāo)度。

表1 管材定性指標(biāo)的5級(jí)標(biāo)度

2 ELECTRE法基本原理

2.1 決策矩陣

在管材選型時(shí)，需將定量和定性指標(biāo)同時(shí)考慮，可借助矩陣解決這個(gè)問(wèn)題。將所有候選管材的各種指標(biāo)值寫(xiě)入同一個(gè)矩陣，稱(chēng)為決策矩陣D。假設(shè)A={A1，…，Am}為候選管材矩陣，X={X1，…，Xn}為管材指標(biāo)集合，決策矩陣D可寫(xiě)成如下形式：

式中，xij為第i種管材的第j種指標(biāo)的值；m，n分別為管材種類(lèi)數(shù)和管材指標(biāo)數(shù)。

不同的管材指標(biāo)具有不同的單位，為了能將各種指標(biāo)進(jìn)行比較，需將決策矩陣中的元素xij進(jìn)行歸一化處理：

式中，歸一化指標(biāo)值rij的取值范圍為［0，1］，變化后的決策矩陣表示為d。

2.2 權(quán)重

指標(biāo)的權(quán)重通常通過(guò)專(zhuān)家打分的方式確定，但受專(zhuān)家主觀(guān)判斷的影響，同一種情況下，不同的專(zhuān)家給出的權(quán)重不一樣，因此本文采用熵理論[12]來(lái)獲得權(quán)重，結(jié)果將更加客觀(guān)。管材的第j個(gè)指標(biāo)的熵可表示為：

熵Ej也在0～1。為了使權(quán)重滿(mǎn)足Σωj＝1，第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重可表示為：

根據(jù)熵理論的定義，管材指標(biāo)值的變化范圍越大，熵Ej越小，其權(quán)重ωj則越大。這說(shuō)明，不同管材同一種指標(biāo)值變化范圍越大，對(duì)管材選型的結(jié)果影響越大，需更多關(guān)注。

對(duì)于不同的施工環(huán)境條件，專(zhuān)家可能更傾向于關(guān)注某些指標(biāo)，因此引入權(quán)重因子f：

假設(shè) ω＝diag{ω1，…，ωn}為權(quán)重組成的對(duì)角陣，則考慮權(quán)重影響的決策矩陣d可表示為：

2.3 ELECTRE法計(jì)算流程

接下來(lái)利用ELECTRE對(duì)候選管材的優(yōu)劣進(jìn)行排序。ELECTRE法的基本思想是通過(guò)構(gòu)造一系列弱支配關(guān)系來(lái)淘汰劣的方案，從而逐漸縮小優(yōu)的方案范圍。支配關(guān)系是指建立在候選管材集合中的二元邏輯關(guān)系。假設(shè)候選管材集合中某2種管材為Aj和Ak，AjS Ak代表管材Aj綜合性能在Ak之上（或者相等）。ELECTRE法的目的就是不斷縮小候選集合，直到?jīng)]有任何管材能超越候選集合中的管材。每2種管材Aj和Ak之間定義如下一致性和不一致性參數(shù)：

式中，r為式（2）中的歸一化決策矩陣的元素，rij≥rkj代表第i種管材的第j種指標(biāo)比第k種管材的第j種指標(biāo)更優(yōu)秀。c取值在［0，1］。不一致性參數(shù)定義如下：

根據(jù)支配關(guān)系的含義，管材Ai支配Ak可定義為：

為得到管材的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的排序，需要更進(jìn)一步計(jì)算綜合一致性Ci和綜合不一致性參數(shù)Di：

分別根據(jù)Ci，Di的大小進(jìn)行排序，Ci越大，管材越優(yōu)秀；Di越小，管材越優(yōu)秀。Ci、Di排序的平均值即為管材最終排序。

2.4 管材選型的計(jì)算流程

在管材選型之前，首先需調(diào)查工程建設(shè)環(huán)境，分析對(duì)管材的性能要求，以對(duì)采購(gòu)方管材數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行篩選，挑選出符合要求的候選管材。如狹窄巷道內(nèi)明挖管道施工，由于作業(yè)空間限制，起重機(jī)械不能進(jìn)入，因此較重的鋼管、混凝土管等不考慮，優(yōu)先考慮塑料管。篩選出候選管材集合后，按照?qǐng)D1的ELECTRE計(jì)算流程，對(duì)管材的優(yōu)劣進(jìn)行排序。

圖1 管材選型計(jì)算流程

3 案例

某市為了完善沙井污水廠(chǎng)服務(wù)范圍內(nèi)污水收集管道系統(tǒng)，提高污水廠(chǎng)進(jìn)水污染物濃度，穩(wěn)定污水廠(chǎng)進(jìn)廠(chǎng)水量水質(zhì)，對(duì)6.35km2新老城區(qū)進(jìn)行雨污分流管網(wǎng)工程，區(qū)域地質(zhì)情況較差，基本為淤泥質(zhì)土和淤泥，因此需重點(diǎn)關(guān)注地基不均勻變形，將對(duì)基礎(chǔ)要求這一指標(biāo)的權(quán)重因子f設(shè)為10，其他為1。根據(jù)工程的實(shí)際情況，篩選出4種候選管材：鋼筋混凝土管、鋼管、玻璃鋼夾砂管、HDPE管。各種管材的指標(biāo)如表2所示。

表2 不同管材的指標(biāo)值

4 結(jié)語(yǔ)

本文將ELECTRE方法應(yīng)用到市政工程管材選型中，提出管材選型的多目標(biāo)決策系統(tǒng)，得出以下結(jié)論。

1）影響管材選型的指標(biāo)很多，包括定量和定性指標(biāo)。多目標(biāo)決策系統(tǒng)可減少人為主觀(guān)經(jīng)驗(yàn)的影響，結(jié)果更精準(zhǔn)、穩(wěn)定、可靠。

2）各種指標(biāo)的權(quán)重通常根據(jù)專(zhuān)家調(diào)查等方式來(lái)確定，熵法可直接通過(guò)指標(biāo)值來(lái)確定權(quán)重，結(jié)果不依賴(lài)專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)。

3）考慮到不同工程環(huán)境下對(duì)管材性能要求的側(cè)重點(diǎn)不同，需利用權(quán)重因子f來(lái)控制，今后還需對(duì)權(quán)重因子的合理取值進(jìn)行研究。