地下工程施工方案优选的综合评价系统

'水电站设计第16卷第2期DHPS2000年6月地下工程施工方案优选的综合评价系统李艳玲,王民寿,华国春,杨兴国(四川大学水电学院,四川成都610065)摘　要:地下工程施工涉及的因素较多,属内部结构复杂、外部联系广泛的大系统。方案优选时若单一地采用传统的评价方法可能使问题失真,导致决策失误,不能适应实际工作需要。综合评价系统从系统的角度出发,将传统的经济评价指标与其它各种“非经济因素”结合进行分析,以实现方案的综合决策。关键词:地下工程;施工方案;优选;综合评判;系统;数学模型;模糊子集构造法中图法分类号:TU94文献标识码:A文章编号:1003-9805(2000)02-0001-061　前　　言地下工程施工具有不受气象条件(风、雪、雨、雾等)的影响,对环境保护有利,对地面上的工作和活动干扰影响很少等优点;同时也具有一些缺点,如施工场地狭小、施工工序较多、彼此干扰大,围岩安全稳定性要求严格,工程地质条件复杂等。随着地下工程被广泛地应用于水利、交通等多种行业中,如何选择评价方法以优选出技术可行、施工便捷、经济合理的施工方案越来越得到决策者的重视。传统的评价方法如净现值法、内部回收率法等均只能考虑一些能用货币单位计量的定量指标。随着社会的进步,一些无法用货币单位计量的“非经济因素”对决策的影响往往又是不容忽视的,诸如自然条件、技术条件、生态保护等。这样,若仍然单一地采用传统的评价方法,仅考虑经济因素以优选方案则可能使问题失真,导致决策失误。为弥补传统经济评价方法的不足,提高决策的准确可靠性,本文提出了地下工程施工方案优选的综合评价系统。2　地下工程施工方案优选的综合评价系统综合评价系统可有效地弥补传统评价方法的不足,将传统的经济评价指标与其它各种“非经济因素”综合考虑进行方案优选。它以模糊数学、层次分析理论、数理统计理论、计算机技术为理论基础,将各种“非经济因素”的定性描述和各专家的经验智慧相结合实现定量化,从而与经济指标相统一,实现对方案的综合决策。综合评价系统的基本思路是,首先建立正确合理的层次结构图,再计算各方案对应的总评判值,最后根据总评判值的大小排列方案优劣序,决策最佳方案。收稿日期:1999-09-01;改回日期:2000-01-19作者简介:李艳玲(1975-),女,四川蒲江人,硕士,助教;王民寿(1936-),男,四川成都人,硕士,教授;华国春(1972-),男,江苏宜兴人,硕士,助教;杨兴国(1969-),男,云南绥晋人,硕士,讲师。1©1995-2003TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 2.1　地下工程施工方案优选的层次结构模型结合地下工程施工的具体特点并广泛听取专家意见后,拟定地下工程施工方案优选的层次结构模型如图1。施工方案主要费用施工工期施工条件施工围岩稳定塑爆其最最最性破他大大大区动因变拉剪范力素位应应围影影力力人工费响响机械费材料费已施施施施施建工工工工工工干交机通安程扰通械风全钻通装运其钻炸火锚预锚水风其的情运利情孔风渣输它头药工杆应索泥水它施况输用况设设设设机器及力施砂电材工方程备备备备械材其锚工浆油料经便度费附索材及费验程件料水度泥图1　地下工程施工方案优选的层次结构模型由于施工方案优选是根据方案的优劣序作决策,因此没有必要具体计算实际花费的全部工程费用,更无必要在科研中去完成设计的概(预)算工程,进行绝对经济比较。在进行综合评价时,应侧重“比较”二字,选择具有代表性和控制性的经济指标进行相对的经济比较,故在计算相应费用时不考虑计划利润、税金等因素。图1中机械费与定额中的机械费不同,它仅是其中的第一类费用,第二类费用则纳入相应的材料费、人工费中,而第三类费用则不予计入。其它机械费和材料费主要包括实际施工可能用上而在层次结构图上未细致分项列出的机械和材料消耗费,如速凝剂、锚杆粘结剂等。这样既可提高系统的通用性,又不使之过于冗长。施工工期是影响方案决策的重要指标。它的长短取决于关键线路上各道工序延时的长短,它受物力、人力、财务投入的制约,也受可供施工工作空间大小的制约。其值取决于工程规模大小、施工的难易程度、资源投入的多少。施工条件包括施工人员的素质和经验、施工机械利用程度、施工工作面的大小和交通条件等,这些都将直接影响施工质量、工程进度和成本。针对地下工程施工的特点,层次结构图中考虑了施工中可能遇到的最具代表性的6个“非经济因素”,即6项定性指标。施工围岩稳定程度直接影响施工安全、工期和费用,也是综合评价中不可缺少的指标,它包含三个定性指标和三个定量指标(见图1)。其中的其它因素影响指标包括围岩地质条件影响,塑性区范围及最大拉应力、最大变位出现在围岩不同部位对稳定性的影响,不同开挖顺序对围岩稳定性的影响等多方面。2.2　总评判值的求解(i)(i)2.2.1　计算方案对评判指标Vj的单项标评判值Fj(i)(i)设方案A对Vj的单指标评判为模糊子集Rj,(i)(i)(i)(i)(i)(i)(i)(i)Rj=(rj1,rj2,rj3,rj4,rj5,rj6,rj7)2©1995-2003TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 则有:7(i)(i)Fj=6(8-k)rjk(1)k=1综合评价系统对定量指标和定性指标分别采用不同的模糊子集的构造方法以实现两者的有机结合,从而进行综合评价。下面分别介绍定量指标与定性指标的模糊子集构造法。2.2.1.1　定性指标的模糊子集构造法定性指标的模糊子集可采用“语气副词评判方法”构造而成,一般可采用(很好、好、较好、一般、较差、差、很差)七级评语。若请10位专家对方案某评判指标评判,3人认为“好”,5人认为“很好”,2人认为“一般”,而无其他评判,则其模糊子集为(5/10,3/10,0,2/10,0,0,0)。定性指标模糊子集的构造相当简单,但涉及的主观因素较多,为保证其客观性应注意消除或减弱专家个人的主观片面性。因此,在选择专家组成员时,应注意专家组人数、专家组成员的年龄结构和知识结构等问题。2.2.1.2　定量指标的模糊子集构造法定量指标的模糊子集的构造采用模糊化处理方式。(i)设指标值为Vi,其模糊子集Ri=(0,⋯,0,x,1-x,0,⋯,0)第L分量　第L+1分量选取指标的分级标准为(μi1,μi2,⋯,μi7),其中μi1≤μi2⋯≤μi7且Vi介于μi1与μi1+1间,则x可由下式计算求解:μiLx+μiL+1(1-x)=Vi(2)　　分级标准的选取具有较大的任意性,只要保证定量指标值介于两级标准之间且各级标准间呈等差数列即可。分级标准的任意性必定会带来这样一个问题:对同一评判指标若选取不同的分级标准势必会有一不同的模糊子集,这是否会影响最终评判结果呢?模糊子集是模糊层次综合评价中所用到的一中间变量,模糊子集的不同必将导致某方案单指标评价值、综合评判值、总评判值的不同,但决策的目的并非是求指标评判值或总评判值,而是方案优劣的排序。总评判值不具任何实际意义仅是方案排序的依据,也即仅用于比较。只要不同方案的同一评判指标采用相同的分级标准,则所得出的总评判值具可比性。(i)2.2.2　计算综合评判值F计算公式如下:ni(i)(i)(i)F=6ajFj(i=1,2,⋯,m)(3)j=1(i)aj表示赋予各指标的权重,它反映了不同指标在构成总体质量中的重要性程度。计算权重的方法多种多样,有区间打分法、定性排序定量转换法、特征向量法、特尔斐法等,决策者可根据实际情况(对某方法的熟悉程度、实施某方法的难易程度等)自行选择。系统中采用特征向量法,限于篇幅,具体的求解方法及相应的理论依据可查阅文献[5]和[1]。2.2.3　计算方案的总评判值计算公式如下:m(i)(i)F(x)=6aF(4)i=1　　根据总评判值即可进行方案排序,最优方案为F(x)值最大的方案。2.3　综合评价系统的程序设计综合评价系统使用了程序设计语言QBASIC和数据库语言。程序采用结构化、模块化编3©1995-2003TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 制,在主控制程序下设6个子程序,程序清晰易懂,操作简便,且通用性较好,能适应不同层次用户的各种需要。各种数据和指标值均存放在数据库文件中,实现了数据的有效、有序管理并方便查询,同时采用数据库语言实现了诸多数据的统计与处理问题,有效地避免了人工处理繁多数据时间过长且易发生错误等缺点。综合评价系统的程序操作流程见图2。原始数据输入专家组评判意见机械费库人工费库材料费库(JXE·DBF)(RGF·DBF)(CLF·DBF)用FOXPRO用FOXPRO用FOXPRO程序计算程序计算程序计算计算结果存计算结果存计算结果存入JX·DBF入RG·DBF入CL·DBF数据库数据转化存入mox6存入相应的为·TXT文件数据文件中数据文件中*进入QBASIC运用系统程序计算得出方案的总评价值用评价值排出方案的优劣序图2　综合评价系统流程图3　算　　例某超大型地下洞室群施工方案的优选有四种方案,各方案有关指标见表1。表1中,由于采用相对经济评价的方法,故主要费用一项并非实际所需的工程费用,仅是实际工程费用的一部分。运用综合评价系统进行计算后所得的结果见表2、3。根据表3中总评判值的大小,即可进行方案的排序。总评判值越大则方案越优,也即总评判值最大者为最佳方案。故方案排序为:方案四、方案三、方案二、方案一。由于综合评价系统涉及专家组打分的问题,也即含有一些主观、人为因素,作者分别对目标权重的方案价值进行灵敏度分析后发现,这些主观、人为因素对方案决策的影响并不敏感,也即决策结果具有较高的稳定、可靠性。同时,为进一步验证综合评价系统的客观稳定性,还利用灰色关联理论与之对比分析,两者决策结果吻合较好。4©1995-2003TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 表1　各方案评价指标比较评判指标方案一方案二方案三方案四施工工期/月94949188钻孔设备8820144886919695641239453179施工经验好一般较好好通风设备562137642145572121566122施工干扰情况较小较小一般较小装渣设备4169128396118042251154258197施施工运输状况好较好一般好工运输设备18017125182441221817912118495131条机械利用情况一般一般较好较好其它机械1239115123315812371241257131件施工通风较好较好一般较好主人　　工1703157168319817111451725124要钻　　头759120768147770149789147施工安全较好较好好好费用炸　　药1588115159415316021141632193塑性区范围一般较大较小较小/火工器材479180485184483199493110万爆破动力影响较大较小一般一般元锚杆及附件212177214154214155217161施工预应力锚索5795165588812658141535916144围其它因素影响一般较差较好较好锚索施工材料1860178190316518711171903129岩最大位移/cm4154418141414141稳水泥砂浆及水泥1197103120618012051421243105定最大拉应力/MPa21821218311152411524风、水、电、油7214114726212673751927408183其他材料费11421155113461291156613611726155最大剪应力/MPa151412151422161553161533表2　各　　权　　重　　汇　　总权　　重　　分　　配　　值机械费(014193,010961,012640,011597,010609)主要D层材料费(013225,010885,010885,010384,011921,011921,010384,010214,010181)费用C层(015402,011630,012968)施工C层(010418,011603,010998,012526,010627,013828)条件施工围C层(013928,012626,010422,011008,011008,011008)岩稳定B层(012778,014681,010947,011594)表3　综合评判值及总评判值汇总　　4　结　　语名　　称方案一方案二方案三方案四(1)F413711413307411718411598综综合评价系统为地下工程施工方案优选提供合F(2)316000316000319000412000评(3)了一种科学合理、简便易行的方法,结合该系统在判F418689418923419940513939值F(4)315974411647416417416417实际工程中的运用情况,作者提出以下几点建议:总评判值319340410154411973412527(1)综合评价系统中最重要的问题是层次结构模型的建立,只有基于完整、合理的层次结构图的方案决策,才可能是正确的、客观的。决策者在建立层次结构图时不仅应充分掌握工程资料,了解工程特点,还应多方面、多层次地广泛听取意见。(2)综合评价系统虽是针对地下工程施工设计的,但只要根据实际情况对层次结构图和程序作增加、删减、修改即可使之适用于其他工程施工方案优选。由于程序采用结构化、模块化编制,且各子程序功能明确,决策者的修改工作量少而简便,不会影响系统的总体完整性。(3)综合评价系统中涉及专家组打分的问题,为提高决策的准确度,在选择专家组成员时,应注意专家组人数、专家组成员的年龄结构和知识结构等问题。从理论上讲,专家组成员越多,年龄、知识结构越合理,则评价结果越客观、真实。5©1995-2003TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 参考文献:[1]史海珊,何似龙.水电工程建设系统综合评判方法[M].北京:水利电力出版社,1994.[2]　王民寿,张军,沙仲方,等.大坝混凝土质量评价的层次分析法[J].水利水电技术,1991(1):5～10.[3]　陈守煜.系统模糊决策理论与应用[M].大连:大连理工大学出版社,1994.[4]　国家计划委员会.建设项目经济评价方法与参数[M].北京:中国计划出版社,1987.[5]　李艳玲.地下洞室群合理施工方案优选及经济评价[D]:[硕士学位论文].成都:四川大学,1999.SyntheticAssessmentSystemforOptimizingConstructionSchemesofOndergroundWorksLIYan2ling,WANG,Min2shou,HUAGuo2chun,YANGXing2guo(DepartmentofHydraulicEngineering,SichuanUniversity,610065)Abstract:Constructionofundergroundprojectisalargesystemwhichiscomplicatedininternalstructure,contactwiththeexternalworldinwiderangeandconcludesmanyfactors.Ifonlyusingtraditionalevaluationmethodinoptimizingcon2structionscheme,maybeitleadsthequestiontolackfidelityandresultsinmakingafaultydecision.Fromsystemview2point,comprehensiveevaluationsystemconsidersalleconomictargetsanduneconomicfactorstooptimizeconstructionplan.Usingitinacertainprojectcanmeettheneedsoftheuserandtheresultofoptimizingisobjective,stableandreli2able.Theprogramdesignofcomprehensiveevaluationsystemiseasytoundestandandfavourabletostore,administerandinquireaboutthedata.Thesystemiseasyandsimpletohandleanditsapplicabilityisgood.Itprovidesascientificandra2tionalmethodforoptimizingundergroundproject′sconstructionscheme.Keywords:undergroundengineering;constructionscheme;optimumplan;comprehensiveevaluation;sysytem;mathematicmodel二　滩　赋(成都勘测设计研究院　何其修)广袤天府,九派纵横。巴蜀苗胄,赖以繁荣。兴利除弊,亘古而贯今。叹不舍之昼夜,诵雅砻其殊名。昌意颛顼,降若水而步神器;司马长卿,靖边陲以请长缨。诸葛亮五月渡泸,杨升庵取道滇行。石达开,率部伍,洗尘饮马;刘伯承,走彝域,结义歃盟。悠哉雅砻,千古兮辉煌犹在;秀欤若水,山川兮灿烂光明。唯我尖兵,衔命西行。沐雨栉风,踽峥嵘而苦步;披星戴月,奋躬瘁以耘耕。几多俊彦,或抱病,或流血;或致残,或不治而蹈幽冥。难矣哉!设计之用心良苦;苦也乎!选点之研讨伤神。方案足可充栋,算稿乃至盈室;焚膏油以继晷,费运筹而积年。标书编就,世行列为范本;设计精妙,何逊先鞭美英。业主开发建署,赢得凤　桐林。招标属重点,投壶尤公正。资金筹集于中外,闭关初启;运作开接轨之先,端绪繁纷。领袖关怀,频频莅临指导;指点江山,殷殷促其早成。及至枢纽施工,更集四海精英。主体工程,殊邦与华人共建;循法监理,胥条款律例严明。双曲拱坝,巍然与钢城相映;翠谷长湖,装点出水丽山青。创五项天下之冠,获十序国中之精。铁塔托银线,何愁国不荣。迨至今朝,二滩始成发电;凯歌高奏,追古篆额勒铭。临风怀旧事,往者何须评。雄矣哉!举世瞩目之电站;壮也乎!西部开发之先声。际此丰功伟绩,岂可青史无名。不揣孤陋,敢陈赋文。拟古一曲,四韵皆成:万顷碧波一镜开,闲云野鹤两徘徊。若非泸水滔滔涌,岂有财源滚滚来。名士共图千仞坝,云瀑抛落震九垓。勒石燕然铭盛世,煞费江郎苦剪裁。6©1995-2003TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.'