李洪亮，王鈺明，范菲陽(yáng)，羅欣宇，劉海蓉

（1.南通大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.林森物流集團(tuán)有限公司，江蘇 南通 226002）

近年來(lái)，我國(guó)風(fēng)電行業(yè)規(guī)模迅速擴(kuò)大，2019 年全國(guó)風(fēng)電新增并網(wǎng)裝機(jī)2 574 萬(wàn)kW，其中陸上風(fēng)電新增裝機(jī)2 376 萬(wàn)kW[1]。風(fēng)電機(jī)組設(shè)備具有重量大、尺寸長(zhǎng)和運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性要求較高等特點(diǎn)，并且國(guó)內(nèi)大型山地風(fēng)電場(chǎng)道路設(shè)計(jì)目前無(wú)規(guī)范可依，導(dǎo)致道路運(yùn)輸方案設(shè)計(jì)選線非常困難[2-3]。此外，制定運(yùn)輸方案時(shí)，須要進(jìn)行前期的道路勘查工作，導(dǎo)致整體經(jīng)濟(jì)性和時(shí)效性下降[4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者從運(yùn)輸方案制定方法、安全性和經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。楊先剛[5]從風(fēng)電項(xiàng)目設(shè)備運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)分析角度提出了風(fēng)電項(xiàng)目設(shè)備運(yùn)輸中的安全風(fēng)險(xiǎn)管控方法與措施。等[6]全面定性分析了風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸路線制定的各類原則，針對(duì)運(yùn)輸?shù)木C合性制定了可靠策略。侯新文[7]從風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸?shù)牟町愋?、安全性和協(xié)調(diào)性，提出了風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸過(guò)程中安全管理措施以及合理的裝載技術(shù)和方法。Arbib 等[8]在分析風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸任務(wù)定價(jià)和定位的基礎(chǔ)上，為提高運(yùn)輸活動(dòng)的收益和效率，提出了一種三級(jí)式運(yùn)輸方案制定的流程。柴獲等[9]提出了時(shí)空協(xié)調(diào)優(yōu)化方法制定運(yùn)輸線路，指出危險(xiǎn)品運(yùn)輸路線應(yīng)當(dāng)考慮節(jié)點(diǎn)時(shí)空相異和時(shí)空安全距離以及運(yùn)輸線路經(jīng)濟(jì)性。邊展等[10]基于時(shí)間和成本構(gòu)建優(yōu)化模型，選擇滿足時(shí)間限制且成本最小的最優(yōu)路徑。Shin 等[11]基于一階可靠性算法，對(duì)風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸路線的平曲線進(jìn)行了可靠性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。胡意新等[12]利用層次分析法建立了風(fēng)電項(xiàng)目重大件設(shè)備運(yùn)輸?shù)臄?shù)學(xué)模型，并驗(yàn)證了該模型的實(shí)用性。郭迎福等[13]從風(fēng)電設(shè)備山地運(yùn)輸車輛轉(zhuǎn)彎半徑和道路占用等方面，提出了更加安全合理的運(yùn)輸方案。Gargoum等[14]從事故分析角度出發(fā)，研究了風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸路線中道路物理?xiàng)l件和氣候因素對(duì)運(yùn)輸過(guò)程安全的影響。

AutoTURN 能夠根據(jù)不同風(fēng)電設(shè)備尺寸自定義運(yùn)輸車輛長(zhǎng)度，直觀模擬車輛轉(zhuǎn)彎情形，進(jìn)而檢驗(yàn)運(yùn)輸路線的道路通過(guò)性[15]，并能有效提高道路設(shè)計(jì)的合理性及準(zhǔn)確性，在一定程度上節(jié)約設(shè)計(jì)成本，縮短工期，為設(shè)計(jì)人員選擇道路設(shè)計(jì)參數(shù)和管理人員提高運(yùn)輸活動(dòng)管理水平的提供一定的參考依據(jù)。

本文以實(shí)際工程案例為背景，從安全性角度進(jìn)行運(yùn)輸路線初選，利用AutoTURN 軟件進(jìn)行仿真模擬，得到備選線路。對(duì)線路進(jìn)行復(fù)選時(shí)，利用層次分析法（analytic hierarchy process，AHP），基于路基路面、橋梁、轉(zhuǎn)彎半徑等方面從安全性、經(jīng)濟(jì)性、時(shí)效性及技術(shù)性角度對(duì)備選路線進(jìn)行分析，最終得到最優(yōu)運(yùn)輸方案。

1 風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸方案影響因素分析

1.1 安全性

風(fēng)電設(shè)備屬大件超限貨物，在運(yùn)輸方案中主要考慮綁扎安全性，風(fēng)電設(shè)備所受力和力矩隨著車輛的行駛狀態(tài)、道路條件、環(huán)境情況影響，一旦出現(xiàn)受力不平衡或者力矩不平衡的狀態(tài)，就會(huì)發(fā)生滑動(dòng)或傾倒。公路運(yùn)輸中最危險(xiǎn)的3 種工況分別是平直路面緊急制動(dòng)工況、下坡路面平緩制動(dòng)工況及橫坡或超高路面工況。因此，運(yùn)輸方案設(shè)計(jì)中應(yīng)保證在這些危險(xiǎn)工況下風(fēng)電設(shè)備能夠達(dá)到受力和力矩平衡，滿足整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程中的安全要求。

1.2 經(jīng)濟(jì)性

風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸方案的制定應(yīng)當(dāng)在保證運(yùn)輸作業(yè)合理性的前提下，使得總運(yùn)輸費(fèi)用達(dá)到較低水平。一般來(lái)說(shuō)，風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸?shù)馁M(fèi)用主要包含專用運(yùn)輸車費(fèi)用，人工費(fèi)用和道路加寬、橋梁加固等基礎(chǔ)設(shè)施的基建費(fèi)用3 個(gè)方面，總費(fèi)用為

式中：E 為風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸總費(fèi)用；Eveh為風(fēng)電設(shè)備專用車費(fèi)用；Ewkr為人工費(fèi)用；Efkt為橋梁加固和道路加寬費(fèi)用。

風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸專用車根據(jù)運(yùn)輸?shù)娘L(fēng)電設(shè)備來(lái)確定，以XE105-2000 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例，其主要組成部分技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 風(fēng)電設(shè)備技術(shù)參數(shù)Tab.1 Parameters of wind power equipment

風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸車費(fèi)用主要包括車輛租用費(fèi)用和油耗費(fèi)用。由于不同類型的風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸車油耗不同，假設(shè)風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸車的油耗與載重成正比例關(guān)系。在運(yùn)輸計(jì)劃制定中，運(yùn)輸專用車的選取一般來(lái)說(shuō)費(fèi)用相對(duì)統(tǒng)一，不考慮風(fēng)電運(yùn)輸車的租賃費(fèi)用，則運(yùn)輸車輛費(fèi)用為Eveh=k × M × S × c，其中k為油耗系數(shù)，L/（t·km）；M 為載重，t；S 為運(yùn)輸里程，km；c 為油價(jià)，元/L。

運(yùn)輸作業(yè)中雇傭司機(jī)費(fèi)用的差別較大，與運(yùn)輸?shù)貐^(qū)、運(yùn)輸距離等因素直接相關(guān)，無(wú)法具體統(tǒng)計(jì)，因此，根據(jù)2019 年運(yùn)輸行業(yè)指導(dǎo)薪金進(jìn)行設(shè)定，司機(jī)單程工資為2 500 元，忽略貨物裝載中使用的人力費(fèi)用等其他費(fèi)用。

道路加寬和橋梁加固等基礎(chǔ)設(shè)施的基建費(fèi)用為

式中：H 為橋梁超標(biāo)承重重量；M 為運(yùn)輸專用車與風(fēng)電設(shè)備總重量；Mb為橋梁標(biāo)準(zhǔn)承重量；k1為道路加寬費(fèi)用相關(guān)系數(shù)（由于直接與道路需加寬長(zhǎng)度直接相關(guān)，包括泥土、砂石、人工等費(fèi)用，因此用一個(gè)系數(shù)來(lái)代替具體費(fèi)用分配）；同樣，k2為橋梁的加固直接與超標(biāo)承重重量相關(guān)系數(shù)。

1.3 時(shí)效性

風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸作業(yè)任務(wù)具有一次性的特點(diǎn)，且一般來(lái)說(shuō)運(yùn)輸?shù)貐^(qū)地形較為復(fù)雜，氣候環(huán)境較為惡劣。以西南山區(qū)為例，夏季和秋季的路面無(wú)結(jié)冰，可進(jìn)行風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸作業(yè)，但夏秋兩季較大的氣候變化可能會(huì)使得運(yùn)輸作業(yè)延誤，造成建設(shè)工期加長(zhǎng)。本文主要目的在于確定合適的運(yùn)輸計(jì)劃和運(yùn)輸路線，并且氣候的影響是呈區(qū)域性的，對(duì)不同運(yùn)輸路線的影響也不盡相同，但總體來(lái)說(shuō)影響不大。因此，主要依據(jù)路線距離進(jìn)行時(shí)效性分析，即路線越長(zhǎng)則運(yùn)輸時(shí)間越長(zhǎng)，路線越短則運(yùn)輸時(shí)間越短。

2 分析方法

2.1 彎道通過(guò)性模擬分析方法

根據(jù)運(yùn)輸任務(wù)初選符合運(yùn)輸作業(yè)安全性條件的運(yùn)輸路線，即確定運(yùn)輸路線的平面曲線半徑及路面加寬值等。風(fēng)電設(shè)備中葉片尺寸最大，其通過(guò)性也相對(duì)較差，因此在進(jìn)行運(yùn)輸路線方案制定時(shí)，選取最大尺寸的葉片進(jìn)行通過(guò)性分析，即應(yīng)選用合適的葉片運(yùn)輸車輛，以減小運(yùn)輸過(guò)程中道路轉(zhuǎn)彎半徑，葉片運(yùn)輸車輛模型如圖1 所示。

圖1 葉片運(yùn)輸車輛模型示意圖（單位：m）Fig.1 Model of blade transportation vehicle（Units:m）

AutoTURN 可用于模擬車輛轉(zhuǎn)彎，檢驗(yàn)運(yùn)輸方案路線設(shè)計(jì)的合理性，尤其能檢驗(yàn)較小半徑彎道的通過(guò)性，選取的葉片運(yùn)輸車輛的轉(zhuǎn)彎模擬如圖2 所示。

圖2 葉片運(yùn)輸車輛轉(zhuǎn)彎模擬示意圖（單位：mm）Fig.2 Turning simulation of blade transport vehicle（Units:mm）

將葉片運(yùn)輸車輛牽引車和掛車之間的鉸接角作為自變量，計(jì)算平面曲線半徑和滿足運(yùn)輸路線的路面寬度后可得到平面曲線的相應(yīng)參數(shù)和路面需要加寬的寬度值，運(yùn)輸車輛轉(zhuǎn)彎半徑如圖3 所示。

圖3 葉片運(yùn)輸車輛轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算示意圖Fig.3 Turning radius calculation of blade transportation vehicle

葉片運(yùn)輸車輛的牽引車前端轉(zhuǎn)彎半徑[16]計(jì)算公式為

式中：W 為道路寬度；a 為牽引車前懸；b 為牽引車軸；f 為半掛車牽引銷鉸接點(diǎn)至半掛車前部的距離在水平面上的投影；g 為牽引車后懸；e 為牽引車后軸中心線與掛車縱軸線的交點(diǎn)到鉸接點(diǎn)的距離在水平面上的投影；c 為牽引車后軸中心線與掛車的縱軸的交點(diǎn)到掛車后軸中心線的距離的水平面投影，c=41.76 -f -g -e；d1為牽引車的車寬；d2為半掛車的車寬；θ 為鉸接角；R′為牽引車前端轉(zhuǎn)彎半徑；R 為平曲線半徑；r 為半掛車后端回轉(zhuǎn)半徑。

2.2 層次分析法

層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）是由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家T.L.Saaty 提出的通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論以及多目標(biāo)評(píng)價(jià)方法解決多目標(biāo)問(wèn)題定性和定量分析的一種決策方法[17]。AHP 可使相關(guān)人員能依據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷各目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)，并依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)給出相對(duì)權(quán)重，最后利用權(quán)數(shù)得到不同方案的優(yōu)劣程度，基于風(fēng)電設(shè)備的運(yùn)輸方案，應(yīng)用AHP 的分析步驟如下：

1）構(gòu)建決策問(wèn)題。將決策的目標(biāo)、影響因素和決策對(duì)象按照相互關(guān)系分為最高層、中間層和最低層，繪制出層次結(jié)構(gòu)圖。最高層一般為決策的目的、要解決的問(wèn)題；中間層為相關(guān)影響因素和決策的依據(jù)；最低層為目標(biāo)的各個(gè)備選方案。對(duì)于相近的兩個(gè)層次，高層為目標(biāo)層，低層為因素層。

2）建立評(píng)估矩陣。將每一層各元素之間的相對(duì)重要性用標(biāo)度值來(lái)表示，使用成對(duì)值和k 階評(píng)估矩陣A 定義，其中每個(gè)元素aij（i，j∈{1，2，…，k}）表示個(gè)體與替代方案Aj相比后，專家對(duì)替代方案Ai的偏好，評(píng)估矩陣為

3）檢驗(yàn)一致性。對(duì)于上一層次的某個(gè)元素而言，將本層次中與其相關(guān)元素重要性排序。

首先，對(duì)判斷矩陣求積

然后，求Mi的k 次方根

其次，進(jìn)行歸一化處理

式中Wi為元素的相對(duì)權(quán)重值。

再次，計(jì)算判斷矩陣最大特征值

式中A 為進(jìn)行上述步驟處理后的判斷矩陣。聯(lián)立公式計(jì)算后即可得到最大特征值。

最后，求解一致性系數(shù)

式中：k 為判斷矩陣的階數(shù)；RI 為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，該指標(biāo)取值與判斷矩陣階數(shù)相關(guān)，如表2 所示。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)取值Tab.2 Value of the average random consistency index

當(dāng)CR ＜0.1 時(shí)，就認(rèn)為判斷矩陣的不一致性在容許的范圍以內(nèi)，即該判斷矩陣具有“滿意的一致性”；當(dāng)CR≥0.1 時(shí)，則表示判斷矩陣的不一致不在容許的范圍以內(nèi)，即需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行修正。

3 運(yùn)輸方案實(shí)例分析

本文選取四川省攀枝花市鹽邊鎮(zhèn)萬(wàn)家山某在建風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目為案例，對(duì)運(yùn)輸方案進(jìn)行分析研究。

3.1 運(yùn)輸方式選擇

四川省境內(nèi)具有鐵路運(yùn)輸路線和公路運(yùn)輸路線，在選擇風(fēng)電設(shè)備的運(yùn)輸方式時(shí)，采用模糊綜合評(píng)價(jià)后確定

其中：u1為安全性；u2為經(jīng)濟(jì)性；u3為時(shí)效性。對(duì)于上述因素的評(píng)價(jià)，通過(guò)整體考慮可表示為：好、較好和差3 個(gè)等級(jí)。

風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)輸首先需關(guān)注的是安全性，其次是經(jīng)濟(jì)性，第三是時(shí)效性，因此，三因素權(quán)重分配如下：

對(duì)于安全性，一般來(lái)說(shuō)鐵路運(yùn)輸相較于公路運(yùn)輸較為安全，因此設(shè)定鐵路運(yùn)輸?shù)挠绊懥?，公路運(yùn)輸?shù)挠绊懥?.3；對(duì)于經(jīng)濟(jì)性，鐵路運(yùn)輸隨著運(yùn)輸距離的增加經(jīng)濟(jì)性越高，因此設(shè)定鐵路運(yùn)輸對(duì)于經(jīng)濟(jì)性的影響力為1，公路運(yùn)輸對(duì)于經(jīng)濟(jì)性的影響力為1.2；對(duì)于時(shí)效性，鐵路運(yùn)輸無(wú)法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)輸，時(shí)效性無(wú)法合理保證，因此設(shè)定公路運(yùn)輸對(duì)于時(shí)效性的影響力為1，鐵路運(yùn)輸對(duì)于時(shí)效性的影響力為1.2。因此，得到評(píng)價(jià)結(jié)果：

其中B1，B2，B3分別代表了鐵路運(yùn)輸、公路運(yùn)輸和公鐵混合運(yùn)輸?shù)脑u(píng)價(jià)結(jié)果。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸相對(duì)有利，當(dāng)鐵路無(wú)法直達(dá)目的地時(shí)公鐵混合運(yùn)輸相對(duì)有利?；谖覈?guó)風(fēng)電資源分布，大部分情況下，鐵路無(wú)法直達(dá)，因此，對(duì)于非風(fēng)電主設(shè)備，若在條件允許的情況下，選擇公鐵運(yùn)輸相對(duì)有利。

3.2 運(yùn)輸路線選擇

在進(jìn)行運(yùn)輸路線選擇時(shí)，首先通過(guò)AutoTURN轉(zhuǎn)彎模擬分析軟件進(jìn)行路線初選，然后利用層次分析法進(jìn)行路線復(fù)選。

3.2.1 路線初選

本文選取的風(fēng)電設(shè)備供應(yīng)商地址位于自貢市貢井區(qū)南環(huán)路，風(fēng)電場(chǎng)地址位于攀枝花市鹽邊縣萬(wàn)家山。根據(jù)本文路線初選規(guī)則，選取3 條運(yùn)輸路線作為備選方案，路線信息如表3 所示。

3.2.2 路線復(fù)選

在葉片運(yùn)輸過(guò)程中，在涼山彝族自治州境內(nèi)，路線1 有多處彎道需進(jìn)行加寬，對(duì)于其中一處彎道，其總長(zhǎng)度為101 m，利用AutoTURN 進(jìn)行運(yùn)輸車輛通過(guò)性仿真模擬分析，如圖4 所示。

表3 運(yùn)輸方案路線信息Tab.3 Route information of transportation scheme

圖4 AutoTURN 轉(zhuǎn)彎模擬示意圖Fig.4 Schematic diagram of AutoTURN turning simulation

通過(guò)AutoTURN 進(jìn)行轉(zhuǎn)彎模擬分析后，獲得其鉸接角度為19.45°，牽引車前端轉(zhuǎn)彎半徑為34.78 m。因此，滿足風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸車輛通行條件的路面寬度h 為4.1 m，道路設(shè)計(jì)寬度hd為3.5 m，道路增加寬度hl為0.6 m，其余道路彎道加寬信息如表4 所示。

表4 彎道加寬值Tab.4 Road widening valuem

基于AutoTURN 的模擬分析數(shù)據(jù)，可對(duì)經(jīng)濟(jì)性和時(shí)效性進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用AHP 可以得到較優(yōu)路線。

3.2.3 運(yùn)輸方案評(píng)價(jià)

AHP 雖然在一定程度上將定性分析轉(zhuǎn)變?yōu)槎糠治?，但是其在判斷、?jì)算的過(guò)程中得到的結(jié)果不夠精確，主觀因素在分析中所占比例較大，使得與實(shí)際運(yùn)輸路線的特性相差較大。因此本文基于AHP，從初步制定的運(yùn)輸路線中選擇出較為合理的方案，同時(shí)分析運(yùn)輸路線中各個(gè)影響因素的實(shí)際影響效果，對(duì)運(yùn)輸路線進(jìn)行復(fù)選，使得選擇的運(yùn)輸路線在目前的技術(shù)及客觀情況下達(dá)到最優(yōu)。分析風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸方案對(duì)時(shí)將最優(yōu)運(yùn)輸路線作為目標(biāo)層，將安全性、經(jīng)濟(jì)性和時(shí)效性作為準(zhǔn)則層，繪制層次結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。

圖5 層次結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Hierarchical structure

通過(guò)計(jì)算得到經(jīng)濟(jì)性因素結(jié)果，路線1 成本為33.34 萬(wàn)元，路線2 成本為45.28 萬(wàn)元，路線3 成本為32.65 萬(wàn)元，分析后獲得判斷矩陣

根據(jù)公式計(jì)算得到相對(duì)權(quán)重值W=[0.106，0657，0.237]T，最大特征值λmax=3.331，RI=0.58，一致性系數(shù)CR=0.033，因此，滿意度符合規(guī)范。同理可以得到3 種運(yùn)輸路線方案的判斷矩陣為

3 種運(yùn)輸路線方案的相對(duì)權(quán)重值為

因此，可得層次總排序如表5 所示。

表5 層次總排序Tab.5 Hierarchical order

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)于運(yùn)輸路線3，雖然道路橋梁加固拓寬成本最低，但其運(yùn)輸距離長(zhǎng)，地形跨越較大使得安全性大大降低，難以保證風(fēng)電設(shè)備在合理的周期內(nèi)運(yùn)達(dá)項(xiàng)目所在地，可能使得整個(gè)項(xiàng)目出現(xiàn)誤工風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于運(yùn)輸路線2，雖然運(yùn)輸距離較短，但其經(jīng)過(guò)的道路中需要彎道加寬及橋梁加固的區(qū)間較多，使得運(yùn)輸成本大大增加。因此，路線1 可作為最佳運(yùn)輸方案。

4 結(jié)論

針對(duì)風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸困難引起的造價(jià)上升、周期延誤、質(zhì)量下降等問(wèn)題，利用AutoTURN 轉(zhuǎn)彎模擬分析軟件和AHP 對(duì)相應(yīng)運(yùn)輸方案進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，主要結(jié)論如下：

1）利用AutoTURN 轉(zhuǎn)彎模擬分析軟件可以快速、準(zhǔn)確地模擬風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸車輛的平曲線轉(zhuǎn)彎半徑和彎道加寬值，對(duì)運(yùn)輸方案道路平曲線參數(shù)進(jìn)行輔助優(yōu)化，并能直觀顯示。

2）在優(yōu)先保證運(yùn)輸安全性的前提下，可以通過(guò)AHP 從初定的運(yùn)輸路線中選擇出較為合理的方案，同時(shí)分析各個(gè)因素的實(shí)際影響效果，在目前的技術(shù)及客觀情況下獲得最優(yōu)運(yùn)輸路線。

3）基于AutoTURN 和AHP 的風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸方案設(shè)計(jì)優(yōu)化方法能夠降低工程造價(jià)，對(duì)運(yùn)輸活動(dòng)管理水平的提高提供一定參考依據(jù)。