高拱壩施工方案優化研究范文

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《水力發電學報》2016年第五期

摘要：

高拱壩施工方案優化需要綜合考慮多個隨機指標，屬于隨機多屬性決策過程。當前針對高拱壩施工方案優化的研究，基本上沒有完整考慮各指標的隨機特性，降低了方案優化結果的準確性。同時，在當前隨機多屬性決策中，指標融合權重多是人為設定，難以客觀表達不同指標之間的重要性。針對以上問題，本研究提出了基于隨機占優度的高拱壩施工方案優化方法。根據仿真計算結果，得到各方案的施工進度指標的概率分布；基于隨機占優理論及隨機占優度，得到各方案對之間的隨機占優度；將PROMETHEEⅡ方法進行改進，采用CRITIC方法建立各評價指標權重，并進行指標融合，得到各施工方案優先排序。工程實例表明，此方法可以在考慮施工進度指標隨機性的情況下，實現高拱壩施工方案的優化。

關鍵詞：

水利工程施工；高拱壩施工方案優化；隨機占優度；改進的PROMETHEEⅡ方法

高拱壩施工是一個復雜的隨機動態過程，受到天氣、施工機械運行狀態等眾多隨機因素的影響。施工進度仿真為高拱壩施工方案制定及優化提供了重要手段。根據不同施工方案的施工進度仿真結果，對施工方案進行優化分析，得到綜合最優的施工方案。然而由于高拱壩施工過程及仿真計算的隨機性，在施工進度優化過程中，各評價指標均具有一定的隨機性，因此高拱壩施工方案優化過程屬于隨機多屬性決策過程。在當前已有高拱壩施工方案優化研究中，基本上沒有考慮評價指標的隨機性，或者將評價指標的隨機性進行簡化，可能導致施工方案優化結果的偏差；同時，在當前隨機多屬性決策中，指標融合過程中權重多是人為設定，難以客觀表達不同指標之間的重要性。為此，本研究提出基于隨機占優度的高拱壩施工方案優化方法，實現高拱壩施工方案優化分析。

針對高拱壩施工方案優化分析，當前已有部分研究。練繼亮等[1]綜合考慮指標特征值的模糊性，采用專家打分法確定各指標權重，建立了混凝土施工方案的多目標多層次綜合評價體系；劉全等[2]采用熵權法得到各指標權重，以獲取最優的施工方案；張孝遠等[3]采用三角模糊數和互補兩兩比較賦權法確定各指標權重體系中各層的權重，實現了高混凝土壩施工方案優選的模糊多屬性決策；劉鋒等[4]采用改進的灰色關聯法，從整體角度尋求系統的最優設計方案；卞小草等[5]提出施工方案評價指標具有模糊性和灰色關聯的特點，為了增強指標權重的客觀性和可信度，引入前景價值函數來描述決策者的風險態度，構建改進后的灰靶評價模型。然而當前已有研究中，部分沒有考慮評價指標的隨機性，或者將各評價指標的模糊性或隨機性進行簡化，沒有完整體現各指標的隨機特征，降低了方案優化結果的準確性。為了實現高拱壩施工方案的優化分析，需要采用隨機多屬性決策理論進行研究。

當前隨機多屬性決策研究主要有：姜廣田等[6]針對具有正態隨機變量的多屬性決策問題，將隨機變量轉化為區間變量，通過區間數的比較建立兩兩方案之間比較的優勢可能度矩陣，并利用PROMETHEEⅡ方法得到方案的排序結果；汪新凡等[7]針對屬性權重信息不完全確定、屬性值為正態分布隨機變量且數據信息來自于不同時期的動態隨機多屬性決策問題，提出了動態隨機多屬性決策方法；李慶勝等[8]提出了一種VIKOR決策新方法，通過構建前景值決策矩陣，運用VIKOR方法，在可接受優勢和決策過程穩定的條件下對方案進行擇優；陳振頌等[9]針對具有正態三角模糊隨機變量且屬性權重未知的多屬性決策問題，提出基于前景均值–方差(M-V)準則的正態三角模糊隨機多屬性決策方法。郝晶晶等[10]提出了基于前景理論的多階段隨機多準則決策方法，對于隨機參數，將其轉化為三角模糊函數進行描述；王堅強等[11]提出一種基于WC-OWA算子的多準則決策方法，根據3σ原則，將正態分布轉化為區間數，以進行方案優化排序；CuizhenNiu[12]提出了近似高階隨機占優理論，并對近似高階隨機占優理論的特點進行了分析；Montes[13]等針對不確定條件下自然狀態的概率分布不清晰，或者不同方案的效應函數不明確的情況，給出了多個決策模型進行方案決策；ChunqiaoTan[14]等針對具有期望水平的離散多屬性決策問題，提出了基于前景隨機占優的多屬性決策方法。然而當前隨機多屬性決策研究中，部分是將隨機指標轉化為區間型變量，這種方法導致了指標分布特性的消失。采用隨機占優準則，可以在保持原有統計分布的前提下，實現多方案的對比分析。然而在當前針對隨機占優準則的研究中，在指標融合時，指標權重部分是決策者人為設定，主觀性較強，難以客觀體現指標之間關系。因此，本研究針對隨機占優度指標融合過程中的指標融合權重進行改進，通過采用CRITIC方法，實現對各指標權重的自適應更新。

綜上所述，當前高拱壩施工方案優化研究中，基本上都沒有完整考慮各指標的隨機特征，降低了方案優化結果的準確性；同時，當前隨機多屬性決策中，部分將屬性參數轉化為區間型變量，導致了各指標分布特征的消失，且指標融合過程中權重多是人為設定，難以客觀表達不同指標之間的重要性。針對以上問題，本文提出了基于隨機占優度的高拱壩施工方案優化方法。采用隨機占優度，得到各指標之間定量隨機占優關系，同時采用CRITIC方法對指標融合過程進行改進，建立指標之間客觀權重，實現指標融合，建立了高拱壩施工方案優化方法。

1數學模型

根據高拱壩施工特點，針對高拱壩施工方案優化，建立高拱壩施工方案優化數學模型。在高拱壩施工方案優化過程中，根據多個方案的仿真計算結果得到各屬性值的概率密度函數。在進行高拱壩施工方案優化過程中，必須保證施工總工期T(i)、第l個關鍵節點工期形象面貌M(i,l)滿足計劃要求，同時各方案最大施工強度Imax(i)要小于最大施工能力Imax。

2基于隨機占優度的高拱壩施工方案決策

根據高拱壩實時施工進度仿真分析結果，得到多個方案施工進度參數。針對各個施工方案評價指標，采用隨機占優度理論，得到針對各施工評價指標的方案對優先度。在指標融合過程中，對傳統的PROMETHEEⅡ方法進行改進，采用CRITIC方法得到各評價指標權重，并得到各施工方案綜合凈流量。通過對比分析，得到各施工方案綜合排序，實現施工方案的優化分析。基于隨機占優度的高拱壩施工方案優化流程如圖1所示。

2.1隨機占優準則及隨機占優度方案A和方案B，對于評價指標C的屬性值分別為區間[a,b]上的隨機變量XA和XB，方案A與方案B之間的隨機占優關系與隨機變量XA和XB之間隨機占優關系一致。F(x)和G(x)分別為隨機變量XA和XB的累積密度函數，E(XA)和E(XB)分別為隨機變量XA和XB的期望，則各階隨機占優準則表述如下。根據以上定義，可以得到更高階的隨機占優關系，但是更高階的隨機占優關系在實際中應用比較少[16]。然而以上隨機占優理論僅能對兩個方案之間的隨機占優關系進行定性判斷，在方案優化過程中，為了進行定量分析，需要獲得方案之間的隨機占優度。

2.2基于隨機占優度的高拱壩施工方案優化根據多次仿真計算，得到高拱壩不同備選施工方案的仿真計算結果，得到各施工方案對各評價指標的決策矩陣X，X中每一個屬性值均為隨機變量。

2.3基于改進PROMETHEEⅡ的指標融合在PROMETHEEⅡ方法中，利用出流量及入流量判斷各方案的優先程度。施工方案入流量表示其他方案對于本方案的優先度，出流量表示本方案相比于其他方案的優先度。方案入流量及出流量如圖3所示。根據以上得到的隨機占優度，分別建立各方案對各指標的出流量Φ+j(Ai)、入流量Φ-j(Ai)與凈流量Φj(Ai)。CRITIC法最早由Diakoulaki提出[19]，其基本思想為：利用指標的對比強度和沖突度來衡量指標客觀權重。其中對比強度表示同一指標各個評價方案之間取值差距的大小，以標準差的形式表示；指標之間的沖突性以指標間的相關性為基礎，若指標間有較強的正相關，說明兩個指標沖突性降低。由于CRITIC既兼顧了指標之間的相關性，又考慮到了數據之間的對比強度，因此是一個比較完善的客觀賦值方法[20]。

3工程實例

采用以上理論方法，對中國西南地區某拱壩施工進度進行了研究。此高拱壩最大壩高210m，總混凝土方量約313萬m3，共分為29個壩段。現場共有兩臺拌合樓和四臺纜機進行混凝土的生產和運輸。根據第八年4月1日高拱壩形象面貌進行分析，高拱壩形象面貌如圖4所示。截至此時間，已經澆筑570個壩塊，共澆筑混凝土127.93萬m3，共有5#至24#共20個壩段進行澆筑。根據實時施工進度，對不同懸臂高度的施工情況進行仿真計算分析，分別對非孔口壩段懸臂高度70m與孔口壩段懸臂高度60m（方案一），非孔口壩段懸臂高度60m與孔口壩段懸臂高度50m（方案二），非孔口壩段懸臂高度80m與孔口壩段懸臂高度70m（方案三），進行對比分析，根據高拱壩施工特點，選擇總工期天數（d）（以下簡稱C1）、最大月澆筑強度（萬m3/月）（以下簡稱C2）、平均間歇天數（d）（以下簡稱C3）及齡期超過14d的壩塊所占比例（以下簡稱C4）作為評價指標，根據仿真計算，得到各方案指標如表1所示。以上綜合考慮了各施工指標的隨機性，如不考慮施工指標的隨機性，分別選取各施工方案施工工期距離平均工期最近的仿真計算結果，進行方案對比分析。各方案仿真結果指標參數如表7所示。通過對比，在不考慮隨機性的情況下，雖然各方案之間的排序不變，但是采用本文方法，各方案之間綜合評價指標的區分度明顯增加，因此，對于屬性值均值較為接近的施工方案之間，同樣可以采用基于隨機占優度的施工方案優化方法進行優化，從而提高施工方案優化效率。在本文施工方案排序的建立過程中，權重的確定均是以實際仿真參數結果客觀確定。然而當前主要研究中，指標權重大部分都是主觀確定。采用文獻[6]方法對各施工方案進行分析，不同主觀權重的計算結果如表9所示。在不同主觀權重情況下，各方案的綜合指標及方案排序均會出現變化，相比于本文提出的方法，采用主觀權重方法，難以為現場提供客觀評價依據，導致施工方案難以有效指導現場施工。

4結論與展望

針對當前高拱壩施工方案優化研究中，基本上都沒有完整考慮各指標的隨機特征，同時，當前隨機多屬性決策中，指標融合過程中權重多是人為設定，難以客觀表達不同指標之間的重要性的問題，本研究提出了基于隨機占優度的高拱壩施工方案優化方法。根據仿真計算結果，建立各方案對各評價指標屬性值的概率分布，根據隨機占優度定義，得到各評價指標中各方案對的隨機占優度。通過對PROMETHEEⅡ進行改進，采用CRITIC方法，建立了各指標的客觀權重，實現了指標融合。根據對某高拱壩施工進行分析表明，此方法可以實現對高拱壩施工方案的優化分析。然而在當前研究中，僅考慮了施工進度指標對施工方案優化的影響，尚未考慮經濟指標、施工難度指標等對施工方案優化的影響。在下一步研究中，應將這些施工因素考慮到施工方案優化中，以進一步提高本方法在現場施工中的指導作用。

作者：關濤 鐘登華 任炳昱 單位：天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室