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高拱坝施工方案优化研究

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《水力发电学报》2016年第五期

摘要:

高拱坝施工方案优化需要综合考虑多个随机指标,属于随机多属性决策过程。当前针对高拱坝施工方案优化的研究,基本上没有完整考虑各指标的随机特性,降低了方案优化结果的准确性。同时,在当前随机多属性决策中,指标融合权重多是人为设定,难以客观表达不同指标之间的重要性。针对以上问题,本研究提出了基于随机占优度的高拱坝施工方案优化方法。根据仿真计算结果,得到各方案的施工进度指标的概率分布;基于随机占优理论及随机占优度,得到各方案对之间的随机占优度;将PROMETHEEⅡ方法进行改进,采用CRITIC方法建立各评价指标权重,并进行指标融合,得到各施工方案优先排序。工程实例表明,此方法可以在考虑施工进度指标随机性的情况下,实现高拱坝施工方案的优化。

关键词:

水利工程施工;高拱坝施工方案优化;随机占优度;改进的PROMETHEEⅡ方法

高拱坝施工是一个复杂的随机动态过程,受到天气、施工机械运行状态等众多随机因素的影响。施工进度仿真为高拱坝施工方案制定及优化提供了重要手段。根据不同施工方案的施工进度仿真结果,对施工方案进行优化分析,得到综合最优的施工方案。然而由于高拱坝施工过程及仿真计算的随机性,在施工进度优化过程中,各评价指标均具有一定的随机性,因此高拱坝施工方案优化过程属于随机多属性决策过程。在当前已有高拱坝施工方案优化研究中,基本上没有考虑评价指标的随机性,或者将评价指标的随机性进行简化,可能导致施工方案优化结果的偏差;同时,在当前随机多属性决策中,指标融合过程中权重多是人为设定,难以客观表达不同指标之间的重要性。为此,本研究提出基于随机占优度的高拱坝施工方案优化方法,实现高拱坝施工方案优化分析。

针对高拱坝施工方案优化分析,当前已有部分研究。练继亮等[1]综合考虑指标特征值的模糊性,采用专家打分法确定各指标权重,建立了混凝土施工方案的多目标多层次综合评价体系;刘全等[2]采用熵权法得到各指标权重,以获取最优的施工方案;张孝远等[3]采用三角模糊数和互补两两比较赋权法确定各指标权重体系中各层的权重,实现了高混凝土坝施工方案优选的模糊多属性决策;刘锋等[4]采用改进的灰色关联法,从整体角度寻求系统的最优设计方案;卞小草等[5]提出施工方案评价指标具有模糊性和灰色关联的特点,为了增强指标权重的客观性和可信度,引入前景价值函数来描述决策者的风险态度,构建改进后的灰靶评价模型。然而当前已有研究中,部分没有考虑评价指标的随机性,或者将各评价指标的模糊性或随机性进行简化,没有完整体现各指标的随机特征,降低了方案优化结果的准确性。为了实现高拱坝施工方案的优化分析,需要采用随机多属性决策理论进行研究。

当前随机多属性决策研究主要有:姜广田等[6]针对具有正态随机变量的多属性决策问题,将随机变量转化为区间变量,通过区间数的比较建立两两方案之间比较的优势可能度矩阵,并利用PROMETHEEⅡ方法得到方案的排序结果;汪新凡等[7]针对属性权重信息不完全确定、属性值为正态分布随机变量且数据信息来自于不同时期的动态随机多属性决策问题,提出了动态随机多属性决策方法;李庆胜等[8]提出了一种VIKOR决策新方法,通过构建前景值决策矩阵,运用VIKOR方法,在可接受优势和决策过程稳定的条件下对方案进行择优;陈振颂等[9]针对具有正态三角模糊随机变量且属性权重未知的多属性决策问题,提出基于前景均值–方差(M-V)准则的正态三角模糊随机多属性决策方法。郝晶晶等[10]提出了基于前景理论的多阶段随机多准则决策方法,对于随机参数,将其转化为三角模糊函数进行描述;王坚强等[11]提出一种基于WC-OWA算子的多准则决策方法,根据3σ原则,将正态分布转化为区间数,以进行方案优化排序;CuizhenNiu[12]提出了近似高阶随机占优理论,并对近似高阶随机占优理论的特点进行了分析;Montes[13]等针对不确定条件下自然状态的概率分布不清晰,或者不同方案的效应函数不明确的情况,给出了多个决策模型进行方案决策;ChunqiaoTan[14]等针对具有期望水平的离散多属性决策问题,提出了基于前景随机占优的多属性决策方法。然而当前随机多属性决策研究中,部分是将随机指标转化为区间型变量,这种方法导致了指标分布特性的消失。采用随机占优准则,可以在保持原有统计分布的前提下,实现多方案的对比分析。然而在当前针对随机占优准则的研究中,在指标融合时,指标权重部分是决策者人为设定,主观性较强,难以客观体现指标之间关系。因此,本研究针对随机占优度指标融合过程中的指标融合权重进行改进,通过采用CRITIC方法,实现对各指标权重的自适应更新。

综上所述,当前高拱坝施工方案优化研究中,基本上都没有完整考虑各指标的随机特征,降低了方案优化结果的准确性;同时,当前随机多属性决策中,部分将属性参数转化为区间型变量,导致了各指标分布特征的消失,且指标融合过程中权重多是人为设定,难以客观表达不同指标之间的重要性。针对以上问题,本文提出了基于随机占优度的高拱坝施工方案优化方法。采用随机占优度,得到各指标之间定量随机占优关系,同时采用CRITIC方法对指标融合过程进行改进,建立指标之间客观权重,实现指标融合,建立了高拱坝施工方案优化方法。

1数学模型

根据高拱坝施工特点,针对高拱坝施工方案优化,建立高拱坝施工方案优化数学模型。在高拱坝施工方案优化过程中,根据多个方案的仿真计算结果得到各属性值的概率密度函数。在进行高拱坝施工方案优化过程中,必须保证施工总工期T(i)、第l个关键节点工期形象面貌M(i,l)满足计划要求,同时各方案最大施工强度Imax(i)要小于最大施工能力Imax。

2基于随机占优度的高拱坝施工方案决策

根据高拱坝实时施工进度仿真分析结果,得到多个方案施工进度参数。针对各个施工方案评价指标,采用随机占优度理论,得到针对各施工评价指标的方案对优先度。在指标融合过程中,对传统的PROMETHEEⅡ方法进行改进,采用CRITIC方法得到各评价指标权重,并得到各施工方案综合净流量。通过对比分析,得到各施工方案综合排序,实现施工方案的优化分析。基于随机占优度的高拱坝施工方案优化流程如图1所示。

2.1随机占优准则及随机占优度方案A和方案B,对于评价指标C的属性值分别为区间[a,b]上的随机变量XA和XB,方案A与方案B之间的随机占优关系与随机变量XA和XB之间随机占优关系一致。F(x)和G(x)分别为随机变量XA和XB的累积密度函数,E(XA)和E(XB)分别为随机变量XA和XB的期望,则各阶随机占优准则表述如下。根据以上定义,可以得到更高阶的随机占优关系,但是更高阶的随机占优关系在实际中应用比较少[16]。然而以上随机占优理论仅能对两个方案之间的随机占优关系进行定性判断,在方案优化过程中,为了进行定量分析,需要获得方案之间的随机占优度。

2.2基于随机占优度的高拱坝施工方案优化根据多次仿真计算,得到高拱坝不同备选施工方案的仿真计算结果,得到各施工方案对各评价指标的决策矩阵X,X中每一个属性值均为随机变量。

2.3基于改进PROMETHEEⅡ的指标融合在PROMETHEEⅡ方法中,利用出流量及入流量判断各方案的优先程度。施工方案入流量表示其他方案对于本方案的优先度,出流量表示本方案相比于其他方案的优先度。方案入流量及出流量如图3所示。根据以上得到的随机占优度,分别建立各方案对各指标的出流量Φ+j(Ai)、入流量Φ-j(Ai)与净流量Φj(Ai)。CRITIC法最早由Diakoulaki提出[19],其基本思想为:利用指标的对比强度和冲突度来衡量指标客观权重。其中对比强度表示同一指标各个评价方案之间取值差距的大小,以标准差的形式表示;指标之间的冲突性以指标间的相关性为基础,若指标间有较强的正相关,说明两个指标冲突性降低。由于CRITIC既兼顾了指标之间的相关性,又考虑到了数据之间的对比强度,因此是一个比较完善的客观赋值方法[20]。

3工程实例

采用以上理论方法,对中国西南地区某拱坝施工进度进行了研究。此高拱坝最大坝高210m,总混凝土方量约313万m3,共分为29个坝段。现场共有两台拌合楼和四台缆机进行混凝土的生产和运输。根据第八年4月1日高拱坝形象面貌进行分析,高拱坝形象面貌如图4所示。截至此时间,已经浇筑570个坝块,共浇筑混凝土127.93万m3,共有5#至24#共20个坝段进行浇筑。根据实时施工进度,对不同悬臂高度的施工情况进行仿真计算分析,分别对非孔口坝段悬臂高度70m与孔口坝段悬臂高度60m(方案一),非孔口坝段悬臂高度60m与孔口坝段悬臂高度50m(方案二),非孔口坝段悬臂高度80m与孔口坝段悬臂高度70m(方案三),进行对比分析,根据高拱坝施工特点,选择总工期天数(d)(以下简称C1)、最大月浇筑强度(万m3/月)(以下简称C2)、平均间歇天数(d)(以下简称C3)及龄期超过14d的坝块所占比例(以下简称C4)作为评价指标,根据仿真计算,得到各方案指标如表1所示。以上综合考虑了各施工指标的随机性,如不考虑施工指标的随机性,分别选取各施工方案施工工期距离平均工期最近的仿真计算结果,进行方案对比分析。各方案仿真结果指标参数如表7所示。通过对比,在不考虑随机性的情况下,虽然各方案之间的排序不变,但是采用本文方法,各方案之间综合评价指标的区分度明显增加,因此,对于属性值均值较为接近的施工方案之间,同样可以采用基于随机占优度的施工方案优化方法进行优化,从而提高施工方案优化效率。在本文施工方案排序的建立过程中,权重的确定均是以实际仿真参数结果客观确定。然而当前主要研究中,指标权重大部分都是主观确定。采用文献[6]方法对各施工方案进行分析,不同主观权重的计算结果如表9所示。在不同主观权重情况下,各方案的综合指标及方案排序均会出现变化,相比于本文提出的方法,采用主观权重方法,难以为现场提供客观评价依据,导致施工方案难以有效指导现场施工。

4结论与展望

针对当前高拱坝施工方案优化研究中,基本上都没有完整考虑各指标的随机特征,同时,当前随机多属性决策中,指标融合过程中权重多是人为设定,难以客观表达不同指标之间的重要性的问题,本研究提出了基于随机占优度的高拱坝施工方案优化方法。根据仿真计算结果,建立各方案对各评价指标属性值的概率分布,根据随机占优度定义,得到各评价指标中各方案对的随机占优度。通过对PROMETHEEⅡ进行改进,采用CRITIC方法,建立了各指标的客观权重,实现了指标融合。根据对某高拱坝施工进行分析表明,此方法可以实现对高拱坝施工方案的优化分析。然而在当前研究中,仅考虑了施工进度指标对施工方案优化的影响,尚未考虑经济指标、施工难度指标等对施工方案优化的影响。在下一步研究中,应将这些施工因素考虑到施工方案优化中,以进一步提高本方法在现场施工中的指导作用。

作者:关涛 钟登华 任炳昱 单位:天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室

水力发电学报责任编辑:杨雪    阅读:人次
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