小水電水工建筑物健康診斷灰色理論模型

李 益,蔡 新,3,徐錦才,舒 靜,戴雙喜

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇南京 210098;2.河海大學力學與材料學院,江蘇南京 210098;3.河海大學水利水電學院,江蘇南京 210098;4.水利部農村電氣化研究所,浙江杭州 310012)

小水電作為一種清潔可再生能源,在我國經濟建設、社會發(fā)展和環(huán)境保護等方面效益顯著.水工建筑物是小水電的重要組成部分,其安全運行是小水電發(fā)揮巨大作用的前提.因此,小水電水工建筑物健康診斷研究十分重要.

近年來,國內已有學者對大中型水庫大壩的安全進行研究,其中多采用可靠度理論和模糊綜合評價理論[1-10],而對小水電的安全研究相對較少.可靠度理論以結構不確定性為基本思想,以概率論和數(shù)理統(tǒng)計為數(shù)學基礎,以結構隨機變量為研究因素,分析結構的可靠度水平.由于確定所分析因素的概率分布比較困難,可靠度理論在實際工程中應用有限[11].模糊綜合評價理論是以模糊數(shù)學為理論基礎的評價方法.該方法從影響問題的主因出發(fā),根據模糊評判標準對復雜問題做出不同程度的模糊劃分,通過模糊數(shù)學運算,得到定量的綜合評價結果.在確定各評價指標對評價集的隸屬度時,模糊綜合評價理論需求各因素的隸屬函數(shù)并對指標進行特征化處理,不同的處理方法得到的結果差異較大,會給評價帶來誤差[12].一般情況下,小水電工程規(guī)模小、檢測設備少、檢查力度低、統(tǒng)計資料匱乏,這更加制約了可靠度理論和模糊綜合評價理論在小水電工程安全評估中的運用.灰色理論則研究可靠度理論和模糊綜合評價理論難以解決的“小樣本,貧信息,不確定”問題,亦能較好解決評價指標復雜、模糊的問題,是目前一種較為先進、科學、客觀的評價理論.基于以上原因,本文引入灰色理論對小水電水工建筑物健康診斷進行研究.

1 基于灰色理論的健康診斷模型

1.1 健康診斷指標體系

小水電水工建筑物是一個復雜的系統(tǒng),在對其進行健康診斷時應盡量全面考慮影響系統(tǒng)安全的關鍵因素,診斷指標的選取應遵循科學性、規(guī)范性、全面性、層次性、獨立性和可行性等基本原則.我國制定的SL 258—2000《水庫大壩安全評價導則》建議從工程質量、結構安全、滲流安全、抗洪安全、抗震安全以及運行管理[13]6方面對水庫大壩安全水平進行評估.在水利部農村電氣化研究所現(xiàn)場調研并對調查資料統(tǒng)計分析的基礎上,根據SL 258—2000中指標選取的建議以及小水電自身的特點,本文提煉出影響小水電水工建筑物健康的主要因素為:結構質量,結構變形、穩(wěn)定、滲透,結構防洪、抗震以及日常管理等.

本文以小水電水工建筑物健康值為評估目標,參考結構可靠度評估的安全性、適用性、耐久性等基本思想,以影響小水電水工建筑物健康值的主要因素為基本診斷指標,構建小水電水工建筑物健康診斷指標體系,如圖1所示.

1.2 健康診斷模型

本文建立小水電水工建筑物健康診斷模型的基本思路為:在健康診斷指標體系的基礎上,對基礎指標的灰類進行判別及白化處理,確定基礎指標的權重值,應用灰色理論計算方法可最終評定水工建筑物健康所屬灰類.

1.2.1 評價群體和統(tǒng)計灰類

由圖1可得,本文建立的小水電水工建筑物健康診斷指標體系采用3層評價指標體系,總指標層記為A;子指標層Ai(i=1,2,3)為1級評價指標,其組成的集合構成總指標A,即 A={A1,A2,A3},對應權重集為W={W1,W2,W3};基礎指標層Aij為2級評價指標,其組成的集合構成子指標 Ai,即 Ai={Ai1,Ai2,…,Aij},對應的權重集為 Wi={Wi1,Wi2,…,Wij}.

根據健康診斷指標體系確定評價灰類的等級數(shù)、灰數(shù)以及白化權函數(shù).小水電水工建筑物健康診斷指標體系將水工建筑物健康狀況按健康、亞健康、病變和病危劃為4類[9],評分標準見表1.由典型白化權函數(shù)[14]形式和表1確定灰類的白化權函數(shù),如圖2所示.

1.2.2 決策權及決策矩陣

邀請K位專家對小水電水工建筑物健康診斷指標體系基礎指標進行診斷,第L位專家對基礎指標Aij的評分為dijl,由此構造指標Ai的評價樣本矩陣Di:

圖1 小水電水工建筑物健康指標體系Fig.1 Health diagnosis index system for hydraulic structures at small hyd ropower stations

表1 灰類評價標準Table 1 Evaluation standard for gray statistics

圖2 白化權函數(shù)Fig.2 W hitenization weight functions

第m類灰類的白化權函數(shù)為fm,2級評價指標Aij屬于第m類灰類的灰色評價系數(shù)記為Pijm,總灰色評價系數(shù)記為.所有專家對指標屬于第m類灰類的灰色評價權記為,評價指標對于各級評價灰類的灰色評價權向量記為rij,指標Ai的灰色評價權矩陣記為Ri,有:

1.2.3 改進AHP法

傳統(tǒng)的層次分析法采用1～9標度構建成對比矩陣,由于判斷差異不明顯、判斷標度不確定,在其實際使用中常出現(xiàn)成對比矩陣一致性不滿足要求的問題.同時,由于受人為主觀影響較大,在對成對比矩陣修正時又會引起指標權重分配不穩(wěn)定、失真等現(xiàn)象.為了解決上述層次分析法中存在的問題,本文采用基于指標重要性分值和熵權理論的改進AHP法計算指標權重,具體計算步驟如下.

a.專家獨立對指標重要性進行評分,評分標準如下:絕對重要為90～100;相當重要為75～90;非常重要為60～75;明顯重要為45～60;一般重要為30～45;輕微重要為15～30;不重要為0～15.對指標重要性分值兩兩進行對比運算,得到指標成對比矩陣,計算成對比矩陣最大特征值及相應特征向量,該特征向量即為該專家給出的指標權重.綜合所有專家給出的指標權重,得到指標權重矩陣W′i.

b.由指標權重矩陣W′i,計算各專家評判的熵值hik,形成熵值矩陣Hi,由Hi確定專家自身的權重cik,形成專家權重矩陣C i.

式中:eijk——第k位專家對指標Aij所做評價結論的水平;wijk—第 k位專家確定的指標Aij的權重值;hik,cik—Ai指標下,第 k位專家的熵值、權重值.

這位母親自認為沒有私心雜念，就是為孩子好，替他們多操點心多干點活，提高他們的生活質量?，F(xiàn)在被孩子“無情”拒絕，她感受到的是巨大的委屈和不甘。然而，媽媽卻忽略了，作為兒子媳婦，尤其媳婦，感受到的是“自己的家庭事務”一再被侵入的憤怒。

1.2.4 指標健康診斷

記1級評判指標的綜合評價結果為Si,灰色評價權矩陣R,綜合評價結果S,則有

2 實例分析

浙江省某水電站為我國第一批農村電氣化建設項目,集防洪、發(fā)電、灌溉為一體.1988年建成發(fā)電,年發(fā)電量4500萬kW·h.水電站擋水建筑物為鋼筋混凝土面板堆石壩,壩高89.35m,壩長198.00m.現(xiàn)場調研總體反饋資料如下:該電站擁有應急預案,且調度運行方案良好;防汛搶險物料準備到位,報警通訊系統(tǒng)正常;電站無潛在地質災害;擋水大壩整體變形正常,壩面平整,無貫穿性裂縫;有滲水現(xiàn)象,散浸輕微,無流土等現(xiàn)象.

組織6位專家根據現(xiàn)場調查情況對該水電站擋水建筑物的基礎指標健康狀況進行評判,專家給出的各級指標重要性分值矩陣f、基礎指標的評價樣本矩陣為

由各級指標重要性分值矩陣f,按改進AHP法計算得各指標權重值,計算結果見表2～5.由基礎指標的評估樣本矩陣 D及其權重值,依據上述灰色理論健康診斷方法,得1級指標的評價結果為:S1={0.426,0.442,0.132,0};S2={0.414,0.438,0.148,0};S3={0.392,0.442,0.166,0}.總評價結果為:S={0.414,0.441,0.145,0}.

表2 安全性下屬基礎指標權重計算結果Table 2 Calculated results of weight of subordinate index to safety index

表3 適用性下屬基礎指標權重計算結果Table 3 Calculated results of weight of subordinate index to app licability index

表4 耐久性下屬基礎指標權重計算結果Table 4 Calculated results of weight of subordinate index to durability index

評價結果分析:

表5 一級指標權重計算結果Table 5 Calculated results of first-grade index weight

3 結 語

a.在對小水電現(xiàn)場調研資料整理、分析基礎上,結合SL 258—2000《水庫大壩安全評價導則》,分析影響小水電水工建筑物健康的主要因素;以結構可靠度及層次結構為基本思想,構建了小水電水工建筑物健康診斷指標體系.

b.采用基于指標重要性分值和熵權理論的改進AHP法進行指標權重的計算.運用指標重要性分值構建成對比矩陣,使其自然滿足一致性要求;運用熵權理論計算專家自身權重,以專家自身權重修正專家的主觀性,所得結果更加合理、科學.

c.引入灰色理論,建立了小水電水工建筑物健康診斷模型.將模型應用于實際工程中,2種灰色綜合評價結果分析方法所得結論一致,表明本文模型評估結果較為客觀、穩(wěn)定,在小水電安全綜合評估中具有應用價值.

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