基于层次灰色熵的流域水电开发评价指标体系

基于层次灰色熵的流域水电开发评价指标体系

许多研究人员采用了不同的方法。在文献中，采用基于熵的投影决策方法，直接根据每个方案和相应的目标值构成评价矩阵，确定每个方案的熵，然后使用目标值的熵确定每个方案的熵，然后应用投影法对方案进行优化。在分类电、水和土壤开发的基础理论和方法，以表征评价指数特征值之间的差异变异系数作为权重，建立了基于水电规划方案的属性识别模型。该模型充分利用原始数据的信息，在一定程度上减少了权重确定的主观性。吴泽宁等人使用人力资源网络方法研究了水电规划方案的优化。门宝辉等人根据项目的不同因素，建立了一个具有特定特征的长期决策灰色相关性的设计模型。根据系统可分性原则，评价因素按其属性划分为几个子系统，每个子系统包括几个子，每个子系统都应该是一个小部分。定量和定量结合的系统思想和方法可以用来描述系统方案的优缺点。根据系统分发的原理，评价因素被分解为几个子系统，每个子系统根据其属性有几个子系统，然后对每个子系统进行一组灰色评估，以确定每个子系统的“优秀”关系，每个子系统根据其属性从属于不同的子系统中进行。然后，根据每个子系统的属性，对每个子系统进行一组排列，并确定每个子系统的灰色优良评估。该系统的每个系统都可以包括几个子系统，每个子系统都可以是几个子系统。定量和定量结合的系统思想和方法可以描述系统方案的优点和缺点。根据系统可分性原则，评价因素按其属性划分为几个子系统，然后对每个子系统进行一组噪声和优质监控，并确定每个子系统的不同方案的“优秀”关系。评估指标的权重以关系数的形式进行输入熵方法。然后，根据每个子系统的不同形象，在同一级别进行一组噪声和优质监控，最终获得系统方案的良好顺序。1水电开发系统设计的灰色系统流域生态环境是一个复杂的大系统,流域经济的可持续发展离不开能源的供给,清洁能源水电的开发就成为必然,开发过程中不构成对流域生态环境的破坏成为必须保证的条件.为更加充分有效利用水资源开发梯级水电站是有效的手段,而梯级水电开发次序问题,不仅决定了水电开发的经济效益,同时对流域的生态环境也有重要的影响作用.开发方案的影响因素错综复杂,涉及技术、经济、社会、生态环境等各个方面.选择合适的开发方案,就是通过选择一些能够反映流域社会、经济、技术和环境的评价指标,对这些评价指标进行综合考虑,选择出既能保证经济效益又能保障生态环境安全、促进社会进步的方案.在确定方案时,各种指标及其在方案中的相对重要性,其间的相互关联、相互制约的未知性和不确定性,从本质上讲是一种灰色关系,即可把水电开发系统作为灰色系统.1.1评价指标体系的建立根据我国水电工程的特点,考虑西藏尼洋河流域地处生态环境脆弱的青藏高原,水电开发以保护生态环境健康为前提,将影响工程决策的因素分为:生态环境因素、技术因素、经济因素、社会因素及其它因素.其中不同的因素又包括若干个指标,评价指标的选择是决定开发方案的基础,遵循如下原则:目的性,即和评价目标保持一致能够反映排序优劣的实际情况;重点性,梯级水电开发受很多因素的影响,在指标选择的过程中不可能将所有的情况统统考虑进去,只能在研究和决策过程中,针对现状和发展趋势,重点选择能反映水电站基本特征的指标;可行性,指标的数据易采集,采用便于理解和应用的方法表示,尽量使其量化,其优劣程度应具有明显的可度量性,并具有可比性,方便技术人员的操作.由于影响梯级开发的众多因素具有明显的层次性,评价指标体系可以按以下3个层次来建立,即:目标层、准则层、指标层.以选择梯级水电最优开发次序为目标层,梯级水电开发的目标是确保流域生态环境健康的基础上,协调社会经济技术因素获得最有利的开发次序.以生态环境因素、社会因素、经济因素、技术因素和其他因素的特征为准则层,各准则层由包括能体现相应特征的指标构成.根据评价指标构成原则,由流域社会经济发展的实际情况,选择的指标除常规的评价指标外,增加了一些特色指标.生态环境因素考虑当地农村及部分城镇居民习惯以薪材作为生活和取暖燃料,水电站的建设所提供的电力可以减少当地居民砍伐森林的面积,而森林在本区的生态作用是十分显著的,因此选择年发电量折合木材量作为评价指标之一,同时为确保河流生态环境的安全,枯水季节河道必须保障一定的生态流量,选择发电机组最大引用流量占多年平均流量的百分数作为指标之一;在社会因素中,因本区适宜耕种的土地有限,水电开发淹没引起的迁移人口,也是影响水电开发的较重要因素,人均用电量的多少体现了经济发展、社会文明进步的程度,作为评价指标也是必须的;经济因素中选择了总投资、单位千瓦投资及单位保证出力投资三个具体的指标;在技术因素中,装机容量、保证出力、多年平均发电量和年利用小时数能够反映电站技术特征,也是常用的指标;其他因素指标的考虑上,由于本区地理条件特殊,交通较为落后,水电开发中便利的交通条件就成为影响的重要因素,由于电站规模不是很大,希望在较短的时间建成发电,因而工期也考虑为评价指标.构成图1所示的层次结构.1.2xh1xhm2g灰色系统理论认为,系统中任何两个行为序列都不可能是严格不相关联的.灰色关联是指事物之间、系统内部因子之间或者因子对主行为之间的不确定关联.流域梯级水电开发作为一个系统,各个方案之间、各影响因素对系统的作用都存在不确定关联,因此可以利用灰色关联度来选择方案.灰色关联分析的基本思路是:由各比较数列集构成的曲线族与参考数列曲线进行几何相似度的比较,来确定比较数列集与参考数列间的关联度,两者的几何形状越相似,则关联度越大,反之越小.由此可以推论,可用灰色关联分析法来评价水电开发次序,即在待开发的水电站各项指标中选择出相对优指标构成参考序列,待选电站指标与最优指标进行灰色关联分析,根据灰色关联度来确定电站的开发次序.设有水电系统中待优选的n个方案组成系统的一方案集A,A={方案1,方案2,…,方案n},按评价因素不同属性将评价每一方案优劣程度的评价因素或指标集分为V个子系统,V={V1,V2,…,Vh},即准则层,每一子系统分别有m1,m2,…,mj个评价指标.评价过程包括如下6个步骤:步骤1评价指标构成判断矩阵.对全体待优选的n个方案的mj个评价指标特征值用矩阵表示为:xhij=(xhm11xhm12\:xhm1nxhm21xhm22\:xhm2n⋮xhmi1xhmi2\:xhmin)‚xhij=⎛⎝⎜⎜⎜⎜⎜⎜xhm11xhm21xhmi1xhm12xhm22xhmi2\:\:⋮\:xhm1nxhm2nxhmin⎞⎠⎟⎟⎟⎟⎟⎟‚其中,i=m1,m2,\:,mi;h=V1,V2,\:,Vh;j=1,2,\:,n.对越大越优型指标采用式(1)处理:rhij=xhij∨jxhij+∧jxhij,(1)rhij=xhij∨jxhij+∧jxhij,(1)对越小越优型指标采用式(2)处理:rhij=1-xhij∨jxhij+∧jxhij,(2)rhij=1−xhij∨jxhij+∧jxhij,(2)式中∨,∧分别为取大、取小符.经过规范化处理后的矩阵为:rhij=(rhm11rhm12\:rhm1nrhm21rhm22\:rhm2n⋮rhmi1rhmi2\:rhmin).rhij=⎛⎝⎜⎜⎜⎜⎜⎜rhm11rhm21rhmi1rhm12rhm22rhmi2\:\:⋮\:rhm1nrhm2nrhmin⎞⎠⎟⎟⎟⎟⎟⎟.步骤2确定各方案与参考序列的关联系数.关联系数的确定是计算下一步指标权重的基础.由于水电系统中全体n个方案的优选具有比较上的相对性,在第h个子系统中的优选是相对于该子系统中的mi个评价因素而言的,故先选一个理想优等的方案,记为:Fhi=[fhm1,fhm2,\:,fhmi]‚Fhi=[fhm1,fhm2,\:,fhmi]‚式中,fhihi=max(rhi1hi1,rhi2hi2,\:,rhinhin),i=m1,m2,\:,mi,即Fhihi中的mi各评价指标是参加优选的全体n各方案中相应评价因素的最大值,将它作为标准的优等方案.将优等方案作为参考序列,n个方案分别作为比较序列.参考序列与比较序列之间的数据几何关系相近程度,通常用关联度大小来衡量.记ξhFjhFj(i)为j个(j=1,2,\:,n)比较序列与Fhihi参考序列中i指标的关联系数,由式(3)计算.记ξhFj(i)=minjmini|fhi-rhij|+ρmaxjmaxi|fhi-rhij||fhi-rhij|+ρmaxjmaxi|fhi-rhij|,j=1,2,\:,n;i=m1,m2,\:,mi,(3)ξhFj(i)=minjmini|fhi−rhij|+ρmaxjmaxi|fhi−rhij||fhi−rhij|+ρmaxjmaxi|fhi−rhij|,j=1,2,\:,n;i=m1,m2,\:,mi,(3)式中,ρ∈[0,1],一般取ρ=0.5.步骤3各评价指标权重的确定.1948年,香农将熵的概念引入信息论,用以表示系统的不确定性、稳定程度和信息量.按照熵思想,人们在决策中获得信息的多少和质量,是决策的精度和可靠性大小的决定因素之一.而熵应用于不同决策过程的评价或安全的效果评价时是一个很理想的尺度.同样由熵还可以度量获取的数据所提供的有用信息量.可见由熵的大小能够表示各指标在决策中所起的作用及重要程度.利用熵确定评价指标权重的步骤如下:1)第Vh个子系统的熵定义为:Ηvh=-1lnnn∑j=1ξhFj(i)n∑j=1ξhFj(i)lnξhFj(i)n∑j=1ξhFj(i),(4)Hvh=−1lnn∑j=1nξhFj(i)∑j=1nξhFj(i)lnξhFj(i)∑j=1nξhFj(i),(4)式中,j=1,2,\:,n;i=m1,m2,\:,mi.2)权重由(5)式计算:wvh=1mvh-E(1-Ηvh),(5)式中E=mi∑i=m1Hvh,有0≤wvh≤1,mi∑i=m1wi=1.得到第Vh子系统、mi个指标权重组成的权向量为:wvhmi=[wvhm1,wvhm2,\:,wvhmi].步骤4构成关联度矩阵.根据得到的各指标权重与步骤2的关联系数复合,计算每个参考序列与比较序列的关联度:Rvhj=wvhmiξhFj(i),j=1,2,\:,n,(6)对Vh个子系统分别计算其关联度,得到Vh各子系统n各方案组成的关联度矩阵.RVh×n=(R11R12\:R1nR21R22\:R2n⋮RVh1RVh2\:RVhn).步骤5子系统权重的确定.在步骤4确定的关联度矩阵中选出优等方案即参考序列,其余为比较序列,与式3类似,计算得到参考序列与比较序列的关联系数ξFj(v),再利用熵权法计算出Vh个子系统的权重:wv=[wv1,wv2,\:,wvh]且vh∑v1wv=1.步骤6子系统的权重与步骤5得到的关联系数复合最终得到系统的综合评价关联度,由关联度的大小决定梯级电站开发次序.则系统综合评价关联度为:2评价指标权重尼洋河流域规划建设7座梯级水电站,以适应本区域高速发展的经济形势,7座电站的开发顺序的优劣决定了能否充分利用流域资源,对整个流域的水电开发具有重要的作用.根据上面的系统多层次灰色熵优选理论,对尼洋河流域规划开发的水电站进行排序研究.按照式1、式2对各指标进行规格化处理,根据以上系统多层次灰色熵优选理论,计算得到各评价指标的权重以及5个子系统的权重,计算结果见表2.以第一个子系统生态环境为例说明计算过程,7个电站规格化后的两个评价指标组成的理想优等方案为F1=[0.9310.819],将优等方案作为参考序列,7个方案分别作为比较序列,由式3计算出7个电站对应的两个指标与优等方案之间的关联系数为:ξ1=[0.4270.3560.3330.5860.54110.60.4980.5850.3330.73310.9460.949]‚利用求得的关联系数根据式4,计算出两个指标的熵H1=0.966,H2=0.969,由式5得到两个评价指标的权重为w1=0.523,w2=0.477,即生态因素中的年发电量折合木材量、发电机组最大引用流量占多年平均流量的百分数两个指标的权重为0.523和0.477,其余计算类似,得到14个评价指标的权重.类似于指标权重的计算过程得到5个评价因素即子系统的权重,由7式计算出系统综合评价关联度.由以上的计算结果可以看到,5个子系统中评价指标权重最大的分别是生态环境因素中的年发电量折合木材量,社会因素中的移民人口,经济因素中的单位千瓦投资,技术因素中的保证出力以及其他因素中的交通便利条件.5个子系统的权重分别为生态环境因素0.302、社会因素0.134、经济因素0.183、技术因素0.161、其他因素0.22,对尼洋河流域而言,由于特殊的地理位置和独特的自然条件,生态环境脆弱的现实条件决定了生态环境的安全是必须放在第一位的,任何资源的开发利用必须在维持生态环境健康发展的基础上进行,这是本区域发展经济的前提也是水电开发必须遵守的原则,因此生态环境因素所占的权重最大;社会、经济、技术因素所占权重比较接近,经济因素略高于技术和社会因素,主要原因是由于本地经济发展状况和国家对西藏政策决定了水电建设资金几乎来自于政府投资,融资途径单一;社会和技术因素二者所处的地位相当,对方案的决策作用没有太大的区别;其他因素的权重,略高于社会、经济、技术因素的权重,由于尼洋河流域经济发展速度增长在西藏地区处于前列,电力短缺已成为影响经济发展的重要因素,工期较短能较快发挥水电优势,就显得较为重要,而水电站前期工作深度、交通便利条件,在本流域都是决定水电站是否建设的较重要因素.可见运用上述理论,确定的权重是合乎流域实际情况的.则系统的综合评价关联度为:根据关联度越大排序应越前的原则,7个水电站优化排序依次为电站6,4,5,3,1,7,2.由以上的排序结果看到新华电站排在第一,老虎嘴电站排在第二位,贡日电站排在第三位,从描述电站的指标来看,新华电站多年平均发电量折合木材量最大,发电机组最大引用流量占多年平均流量的百分数较小,体现了在尼洋河流域对水能资源的开发,为保护脆弱的生态环境,在资源开发利用的同时,必须将对环境的保护放在第一位.对尼洋河流域而言,森林的生态作用是决定性的,因此,保存现有森林资源的面积就是对生态环境的保护,发电机组引用流量的多少决定了河流生态环境的健康,这两点的优势决定了新华电站应在首先开发之列,正是体现了流域开发以保障生态环境健康的原则.老虎嘴电站在多年