基于多級模糊綜合評價的水利工程健康狀態(tài)診斷研究

(普蘭店市皮口國土資源管理所，遼寧 大連 116200)

近年來，隨著我國水利工程建設(shè)的不斷發(fā)展和大量資金的投入，水利基礎(chǔ)設(shè)施體系已基本建成。但是，隨著時間的推移水利設(shè)施的運行環(huán)境和工作條件極其復(fù)雜，在設(shè)施運行過程中往往會存在不同程度的損傷和裂化問題，對水利工程設(shè)施的效益和功能的正常發(fā)揮造成不利影響[1]。因此，全面客觀地對水利工程健康狀態(tài)進行評級并及時有效地對水利設(shè)施病害進行診斷是管理和維護水利基礎(chǔ)設(shè)施的前提和重要內(nèi)容。目前，考慮工程的安全可靠性能是進行水利設(shè)施健康狀態(tài)診斷的核心內(nèi)容，往往對工程結(jié)構(gòu)的適用性、耐久性、可靠性和穩(wěn)定性等方面進行健康診斷，而對影響水利設(shè)施健康狀態(tài)的因素及其在健康評價指標體系的比重研究相對較少，還未形成較為成熟、科學的評價體系[2]。據(jù)此，本研究對水利工程的健康內(nèi)涵利用建筑類人性化觀點進行定義，在分析了水利設(shè)施三維健康影響因素的基礎(chǔ)上構(gòu)建了系統(tǒng)科學的健康狀態(tài)診斷指標體系，并對各指標的權(quán)重采用改進熵權(quán)法與層次分析法相結(jié)合的方法進行綜合賦權(quán)，對水利工程的健康狀態(tài)采用多級模糊綜合評價模型進行客觀科學的診斷，以期為現(xiàn)代水利工程的管理與維護提供一定的決策依據(jù)和理論支撐[3]。

1 水利工程健康狀態(tài)基本內(nèi)涵

水利工程健康狀態(tài)基本內(nèi)涵是指水利工程所表現(xiàn)出的工程設(shè)施與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)性能良好、設(shè)施結(jié)構(gòu)安全、工程質(zhì)量優(yōu)良且在工程管理過程中科學的完美狀態(tài)[4]；其內(nèi)涵主要涵蓋三個維度：工程實體健康E：工程機械設(shè)備運行狀態(tài)良好、設(shè)施結(jié)構(gòu)安全且建筑外觀完好；工程管理科學M：工程設(shè)施管理單位具有良好的資金、人員和制度管理水平；工程適用性與環(huán)境協(xié)調(diào)性S：在區(qū)域系統(tǒng)內(nèi)工程設(shè)施能夠充分發(fā)揮其作用效益，在實現(xiàn)工程價值的基礎(chǔ)上做到與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)相處，其中工程實體的健康狀況可對工程適應(yīng)性與環(huán)境協(xié)調(diào)性產(chǎn)生直接的影響作用[5]。

水利工程類似于其他生命個體，具有類似的壽命周期，水利工程相對于人類的出生、成長、成熟和死亡的各個階段，其全壽命周期主要包括規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)實施、投入運行和報廢退役的整個過程。隨著時間的不斷變化，水利工程的健康狀態(tài)產(chǎn)生變化，其生命周期最長的階段為水利設(shè)施的投入運行階段，水利設(shè)施受內(nèi)外部因素的作用影響以及隨著時間的推移逐漸表現(xiàn)出機理老化、陳舊損壞等健康問題，而工程設(shè)施在運行階段的健康狀況將直接影響到工程價值和效益的正常發(fā)揮[6]。據(jù)此，本文將水利工程的投入運行時期作為其壽命周期健康狀態(tài)評價的研究范圍。

2 構(gòu)建水利工程健康診斷模型

2.1 多級模糊綜合評價基本理論

步驟一：構(gòu)建評價對象因素集。根據(jù)文中所述水利工程健康基本內(nèi)涵，引入水利工程綜合健康H，分別由E、M和S三個維度組成，并標記H=(E,M,S)。設(shè)定各個維度的健康包含i個主控因子，各因子對應(yīng)于j個評價指標；選取工程實體健康E，其一級指標集和二級指標集可表述為E={E1,E2,…,Ei}、Ei={Ei1,Ei2,…,Eij}。

步驟二：劃分水利工程健康狀態(tài)等級。結(jié)合醫(yī)學上對人體健康的描述和規(guī)定，并參考壩工工程對健康等級劃分的相關(guān)要求，本文將水利工程劃分為健康、亞健康、病變和病危四個狀況等級標準，所構(gòu)建的健康評價集V={v1,v2,v3,v4}={健康、亞健康、病變、病危}。

步驟三：構(gòu)建評判矩陣。通過建立Ei、Mj、Sk到F(V)的模糊映射可對各二級指標進行單因素的評價分析，即利用各因素評價集V的隸屬函數(shù)進行該因素對Vi的隸屬度計算。其中定性指標和定量指標的計算分別如下：

b.定量指標計算方法。利用水利工程監(jiān)測統(tǒng)計數(shù)據(jù)作為隸屬度計算的初始數(shù)據(jù)，為了便于計算和描述，引入Xi作為三級評價指標符號，其隸屬度可用下式計算：

(1)

式中h1=|xi-(bij+aij)/2|-(bij-aij)/2；

h2=|xi-(bpj+apj)/2|-(bpj-apj)/2；

xi——Xi指標的初始值；

[aij,bij]——各評價等級的取值區(qū)間；

[apj,bpj]——Xi指標可允許的取值范圍。

步驟四：對各評價指標的權(quán)重進行計算。不同評價指標對健康狀況的影響作用存在一定的差異，據(jù)此可利用組合權(quán)重法對各診斷指標的權(quán)重進行計算，并以此消除不同指標之間的不可通透性。

步驟五：對健康狀態(tài)進行診斷。利用所構(gòu)建的判別矩陣和各指標的權(quán)重及對指標進行逐級的模糊診斷，并進行綜合評價集的計算，然后采用隸屬度向量評價集可求得健康狀態(tài)綜合診斷結(jié)果。

2.2 構(gòu)建診斷指標體系

客觀、全面地對工程健康狀態(tài)指標進行選取不僅直接影響到診斷指標體系的構(gòu)建，并對診斷結(jié)果的真實性和可靠性產(chǎn)生影響，而且可有效提高診斷計算結(jié)果的效率和速度[7]。結(jié)合工程健康狀態(tài)實際情況，指標的選取在遵循科學、客觀、可操作和完整性等基本原則的基礎(chǔ)上，采用層次分析法對影響健康狀態(tài)的各要素進行考慮并構(gòu)建健康診斷評價指標體系，利用工程健康內(nèi)涵分別從工程管理、實體健康以及環(huán)境協(xié)調(diào)三個維度建立評價體系準則對工程運行狀態(tài)進行真實客觀的表征[8]。構(gòu)建的工程健康狀態(tài)評價指標體系見表1。

表1 水利工程健康評價指標體系

2.3 診斷指標規(guī)范化處理

不同評價指標的單位和量綱存在差異，為消除各指標之間的不可通透性并對工程健康狀態(tài)的優(yōu)劣程度進行數(shù)值表征[9]，在進行診斷分析前需對各指標進行規(guī)范化統(tǒng)一處理，評價指標根據(jù)其值的大小和所代表的含義可劃分為數(shù)值越大健康狀態(tài)越優(yōu)、數(shù)值越小健康狀態(tài)越優(yōu)兩種類型，其計算公式分別見式(2)、式(3)，其中定性和定量評價指標數(shù)值的獲取分別采用專家調(diào)查賦值法和監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計法進行。

數(shù)值越大越優(yōu)型指標：

Zij=(xij-xmin)/(xmax-xmin)

(2)

數(shù)值越小越優(yōu)型指標：

Zij=(xmax-xxij)/(xmax-xmin)

(3)

上二式中xij——評價指標的初始值；

[xmax,xmin]——評價指標的正常趨勢區(qū)間。

2.4 診斷指標的組合賦權(quán)

不同評價指標對工程健康狀態(tài)的重要程度不同，選取合理的指標權(quán)重計算方法可獲得可靠的評價結(jié)果。當前，主觀和客觀賦權(quán)法是指標權(quán)重計算常用的方法，然而在工程健康綜合評價過程中二者均表現(xiàn)出一定的缺陷。本研究采用改進熵值法與層次分析法相結(jié)合的方法對各指標的權(quán)重進行組合賦權(quán)，不僅考慮了客觀統(tǒng)計數(shù)據(jù)的作用，而且從健康機理上反映了對水利工程的經(jīng)驗認識。

本文結(jié)合工程健康指標層次結(jié)構(gòu)，利用專家調(diào)查法對各指標在整體健康診斷中的貢獻率進行計算，對各指標的權(quán)重進行確定[10]。首先對各指標進行兩兩對比分析，并采用五標度法對j條件下的i指標相對于上層目標的重要程度進行評價分析，并構(gòu)件健康狀態(tài)判別矩陣A，表達式如下：

(4)

然后采用根法對各指標的權(quán)重進行計算，計算公式如下：

(5)

對上述判別矩陣進行一致性比例和一致性指標計算，公式如下：

C1=(λmax-n)/(n-1),CR=C1/R1

(6)

以上式中λmax——判別矩陣的最大特征值；

n——指標權(quán)重個數(shù)；

R1——評價一致性判別指標，從相關(guān)表格中獲取。

CR值的大小代表了判別矩陣的一致性檢驗結(jié)果，其值小于0.1時可認為判別矩陣符合一致性檢驗要求；其值位于其他區(qū)間時則認為判別矩陣需進行重新調(diào)整。

診斷指標的變異程度是熵值法計算的理論依據(jù)，它是將計算得到的信息熵作為指標熵權(quán)的客觀賦權(quán)法。為規(guī)避傳統(tǒng)熵值法出現(xiàn)的熵值過小或過大對熵權(quán)造成較大影響的缺陷，本研究采用改進熵值法進行各指標的客觀權(quán)重計算，診斷指標j的熵值Ej計算公式如下：

(7)

式中rij——健康等級為j時，指標i的隸屬度。

(8)

(9)

式中n為診斷指標的個數(shù)，據(jù)此可求得各評價指標的綜合權(quán)重向量C=(η1,η1,…ηn)。

2.5 確定健康等級

引入w和R分別作為權(quán)重向量和判別矩陣，判斷結(jié)果可采用H=wR=(h1,h2,…,nm)進行表征，其中m代表健康等級數(shù)。通常情況下評價結(jié)果利用最大隸屬度進行評價，即綜合評價等級為隸屬度最大值所對應(yīng)的評價等級。然而最大隸屬度原則往往忽略了其他信息對評價結(jié)果的影響，其結(jié)果雖然顯現(xiàn)出了優(yōu)勢類比所占的比重,但仍具有一定的片面性。據(jù)此，考慮評價指標隸屬度有效性原則，科學地選擇貼進度分析法與最大隸屬度相結(jié)合法對指標進行評判。評判指標最大隸屬度有效性原則可采用下式進行表述，并引入指標μ：

μ=(ma-1)/[2β(m-1)]

(10)

式中α、β分別為H中最大與次大隸屬度所占綜合隸屬度的比例。當μ不小于0.5時，μ越大越優(yōu)并認為最大隸屬度原則比貼近度分析法更加有效可靠，并采用該方法進行健康狀態(tài)的評判；當μ小于0.5時，貼進度分析法較為有效，應(yīng)利用貼進度分析法對健康狀態(tài)進行評判。

貼進度分析法的基本過程為：首先引入V=(v1,v2,…,vm)作為健康狀態(tài)評價集，則評價結(jié)果vi的模糊特征子集為Dj=(0,…,1,…,0)=(d1,…,dj,…,dm)，貼進度N(H,Dj)可采用下式進行表征：

(11)

式中μH(hj)、μD(hj)分別為H、Dj對應(yīng)于評價結(jié)果vj的隸屬度。當N(H,Dj)滿足N(H,Dj)=max1≤j≤mN(H,Dj)時，則健康狀況評價結(jié)果為vj。

3 實例應(yīng)用

本研究選取遼寧省大連市普蘭店區(qū)碧流河水庫為研究對象，該水庫的功能是防洪、發(fā)電、灌溉、養(yǎng)殖、旅游等，并于1986年完成建設(shè)并投入運行。該水庫大壩為混凝土重力壩。通過查找資料并對工程現(xiàn)場進行實地調(diào)研，該水利工程質(zhì)量狀況良好，無較大的安全隱患，工程表觀及設(shè)備正常運行；工程功能及效益發(fā)揮基本正常，監(jiān)測系統(tǒng)和日常維護管理工作符合相關(guān)要求，運行狀況保持良好[11]。

3.1 確定指標權(quán)重

首先對評價指標體系的二級指標權(quán)重用層次分析法進行計算，并結(jié)合二級指權(quán)重計算記過和隸屬度可構(gòu)建一級指標判別矩陣，各指標值的計算結(jié)果和判別矩陣如下：

結(jié)合上述計算結(jié)果并采用層次分析法與指標熵權(quán)法可求得各指標的主觀權(quán)重，并用式(9)求得各指標的組合權(quán)重，計算結(jié)果見表2。

表2 水利工程健康診斷在不同維度的因子權(quán)重計算結(jié)果

3.2 模糊診斷結(jié)果與分析

利用文中所述相關(guān)公式最終可得到各指標的綜合權(quán)重向量，計算結(jié)果分別如下：

CEi=(0.055,0.287,0.214,0.195,0.249)

CMj=(0.118,0.305,0.387,0.189)

CSk=(0.135,0.216,0.215,0.307,0.227)

利用判別矩陣R(E)、R(M)、R(S)以及綜合權(quán)重向量CEi、CMj、CSk計算結(jié)果可進行判別矩陣向量的計算，計算結(jié)果分別如下：

H(E)=CEiR(E)=(0.070,0.577,0.312,0.040)

H(M)=CmjR(M)=(0.435,0.411,0.126,0.028)

H(S)=CSkR(S)=(0.277,0.562,0.108,0.052)

結(jié)合最大隸屬度有效原則對水利工程健康狀態(tài)評價等級分別選擇合適指標進行判斷，最終求得各維度下的健康評價結(jié)果分別為μE=0.697、μM=0.297、μS=0.756。據(jù)此可知μE及μS計算結(jié)果均大于0.5，符合隸屬度原則基本要求，所以采用最大隸屬度原則對工程環(huán)境協(xié)調(diào)性和實體健康狀態(tài)進行診斷分析；采用貼進度分析法對工程的管理過程進行健康狀態(tài)評價分析。工程環(huán)境協(xié)調(diào)性S與工程實體健康E的評價等級根據(jù)最大隸屬度原則評價結(jié)果，可評定為v2等級，此維度的健康水平處于亞健康狀態(tài)；然后利用式(11)分別對N(M,D1)、N(M,D2)、N(M,D3)、N(M,D4)進行計算，結(jié)果分別為0.471、0.475、0.381和0.355，其中N(M,D2)=max1≤j≤4N(H,D2)，由此可知工程管理健康水平處于亞健康狀態(tài)。根據(jù)單一指標評價結(jié)果值可知，本文所選取的碧流河水庫整體外觀狀態(tài)處于良好水平，而實體健康狀態(tài)受結(jié)構(gòu)滲透作用影響較大；工程管理健康狀態(tài)研究表明，仍需要進一步加強對監(jiān)測系統(tǒng)的管理；工程功能健康狀態(tài)基本保持正常，其工程效益和作用基本滿足相關(guān)要求，該診斷評價結(jié)果與工程實際健康狀態(tài)調(diào)研結(jié)果基本一致。

4 結(jié) 論

本文在詳細分析了水利工程健康基本內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，分別從公式適應(yīng)性與環(huán)境協(xié)調(diào)性、管理過程和實體健康三個方面，構(gòu)建了工程健康狀態(tài)診斷指標體系，并以遼寧省大連市普蘭店區(qū)碧流河水庫為研究對象進行分析，得出的主要結(jié)論如下：

a.采用改進熵值法與層次分析法相結(jié)合的方法對各指標的權(quán)重進行組合賦權(quán)，不僅考慮了客觀統(tǒng)計數(shù)據(jù)的作用，而且從健康機理上反映了對水利工程的經(jīng)驗認識，有效避免了單一地采用客觀或主觀賦權(quán)法對評價結(jié)果造成的誤差。

b.考慮評價指標隸屬度有效性原則，科學地選擇貼進度分析法與最大隸屬度相結(jié)合法對指標進行評判。當μ不小于0.5時，此時μ越大越優(yōu)并認為最大隸屬度原則比貼近度分析法更加有效可靠，并采用該方法進行健康狀態(tài)的評判；當μ小于0.5時，貼進度分析法較為有效，應(yīng)采用貼進度分析法對健康狀態(tài)進行評判。

c.本文所選取的遼寧省大連市普蘭店區(qū)碧流河水庫整體外觀狀態(tài)處于良好水平，而實體健康狀態(tài)受結(jié)構(gòu)滲透作用影響較大；工程管理健康狀態(tài)研究表明仍需要進一步加強對監(jiān)測系統(tǒng)的管理；水利工程功能健康狀態(tài)基本保持正常，其工程效益和作用基本滿足相關(guān)要求，該診斷評價結(jié)果與工程實際健康狀態(tài)調(diào)研結(jié)果基本一致。

d.水利工程健康內(nèi)涵涉及多個層次和方面，設(shè)施運行狀況受多種因素的綜合作用影響，同時還與當?shù)氐慕?jīng)濟環(huán)境、社會環(huán)境以及政府的制度政策相關(guān)，對其健康狀態(tài)進行診斷還需要進一步的完善評價指標體系。

[1] 李婷婷.混凝土壩健康診斷及其預(yù)警系統(tǒng)[D].南京：河海大學，2006.

[2] 曹邱林，蘇懷智，倪言波.基于灰色理論的水閘工程健康診斷方法[J].水電能源科學，2008，26(3)：107-109.

[3] 李益，蔡新，徐錦才，等.小水電水工建筑物健康診斷灰色理論模型[J].河海大學學報(自然科學版)，2011，39(5)：511-516.

[4] 陳紅，周繼彪，王建軍，等.公路隧道運行環(huán)境安全評價指標與方法[J].長安大學學報(自然科學版)，2013，33(4)：54-61，74.

[5] 程啟月.評測指標權(quán)重確定的結(jié)構(gòu)熵權(quán)法[J].系統(tǒng)工程理論與實踐，2010，30(7)：1225-1 228.

[6] 郭顯光.改進的熵值法及其在經(jīng)濟效益評價中的應(yīng)用[J].系統(tǒng)工程理論與實踐，1998，18(12)：98-102.

[7] 裴啟濤，李海波，劉亞群，等.基于組合賦權(quán)的巖爆傾向性預(yù)測灰評估模型及應(yīng)用[J].巖土力學，2014，35(S1)：49-56.

[8] 王化中，強鳳嬌，陳曉暾.模糊綜合評價中權(quán)重與評價原則的重新確定[J].統(tǒng)計與決策，2015(8)：24-27.

[9] 石增福.水利工程建設(shè)質(zhì)量控制與優(yōu)化管理措施探討[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2016(12)：9-10,98.

[10] 康滿生.水利工程建設(shè)管理中的典型問題及對策研究[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2014(2)：24-26.

[11] 紀中庭.關(guān)于現(xiàn)代水利工程中的生態(tài)問題探討[J].水土保持應(yīng)用技術(shù)，2016(1)：22-23.