基于多元聯(lián)系數(shù)的水閘運(yùn)行安全態(tài)勢綜合評判

，，，

(1.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098； 2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098)

1 研究背景

水閘是一種調(diào)節(jié)水位、控制流量的低水頭水工建筑物，具有擋水和泄水雙重功能[1]。我國水閘工程眾多，在灌溉、防洪、治澇、供水、航運(yùn)等水利工程中占有重要地位[2]。但是由于這些水閘大部分建于20世紀(jì)50—60年代，隨著工程投入使用時間的不斷增加，再加上當(dāng)時施工水平和技術(shù)條件的限制，很多水閘已經(jīng)處于病險狀態(tài)，存在安全隱患[3-4]。為排除這些隱患，保證水閘正常、安全的運(yùn)行，除了應(yīng)加強(qiáng)日常監(jiān)控之外，還應(yīng)在現(xiàn)場監(jiān)測資料的基礎(chǔ)上運(yùn)用水閘安全態(tài)勢評判方法，對水閘的安全性、適用性、耐久性等指標(biāo)進(jìn)行評判，確定水閘的安全級別和運(yùn)行態(tài)勢。

目前，常用的水閘安全態(tài)勢評判方法有層次分析法、灰色評估法、模糊綜合判斷法和物元法等。李東方[5]在層次分析法的基礎(chǔ)上引入模糊綜合判斷方法，分層逐項(xiàng)地對評判指標(biāo)進(jìn)行檢查評價；孫琪琦[6]采用層次分析法和灰色評估法相結(jié)合的綜合評判方法對太浦閘進(jìn)行了安全評判；張利青[7]提出了多層次灰色模糊綜合評判法；徐磊等[8]將物元可拓理論引入水閘安全評判。

這些方法在水閘安全態(tài)勢評判中起到了一定作用，但由于水閘工程具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、影響因素多樣性等特點(diǎn)[9-10]，且以上評判方法主觀性較強(qiáng)，未能充分考慮評判系統(tǒng)中的確定與不確定因素，本文將集對分析多元聯(lián)系數(shù)理論引入水閘安全態(tài)勢評判，在實(shí)際觀測資料的基礎(chǔ)上建立綜合評判模型，充分考慮確定性和不確定性因素的相互作用，對水閘的安全態(tài)勢作出評判，并預(yù)測水閘的運(yùn)行趨勢和風(fēng)險。

圖1 水閘安全評判體系Fig.1 System of safety evaluation for sluice

2 基于多元聯(lián)系數(shù)集對分析的水閘安全態(tài)勢評判模型

集對分析理論由我國學(xué)者趙克勤[11]提出，是一種用聯(lián)系數(shù)來處理確定和不確定問題的系統(tǒng)分析方法。其核心思想是用“同一”和“對立”刻畫確定性，用“差異”刻畫不確定性，通過引入聯(lián)系數(shù)將事物從同、異、反3個方面來分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)評判系統(tǒng)中確定性與不確定性的統(tǒng)一。

2.1 水閘安全評判指標(biāo)體系

水閘安全評判指標(biāo)體系的建立應(yīng)秉持科學(xué)性、層次性、完備性、簡明性、獨(dú)立性和相關(guān)性等原則。在水閘評判指標(biāo)建立前,首先應(yīng)對水閘的實(shí)際情況和當(dāng)前存在的問題進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)相關(guān)的規(guī)范和文獻(xiàn)初步制定一些評判指標(biāo)。進(jìn)而根據(jù)采取的評判方法和評判著重點(diǎn)對評判指標(biāo)進(jìn)行篩選和合并，使評判指標(biāo)在滿足上述原則的前提下，指標(biāo)的分類清晰且合理，指標(biāo)數(shù)量與評判方法相適應(yīng)。

本文基于多元聯(lián)系數(shù)方法對水閘運(yùn)行安全態(tài)勢進(jìn)行評判，根據(jù)所選實(shí)例中水閘存在的問題并參考水閘評判及安全鑒定的相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)[12-15]，最終建立水閘安全態(tài)勢評判體系，如圖1所示。

整個評判體系分為3層：第1層是總目標(biāo)層，總目標(biāo)為水閘安全態(tài)勢評判；第2層是子目標(biāo)層，包含安全性、適用性、耐久性3個子目標(biāo)；第3層是因素層，包含19個影響水閘安全的基礎(chǔ)評判指標(biāo)。同時，整個體系構(gòu)成了2級評判結(jié)構(gòu)：第1級評判由因素層構(gòu)成的評判指標(biāo)實(shí)現(xiàn)對子目標(biāo)層的評判，為基礎(chǔ)評判；第2級評判由子目標(biāo)層構(gòu)成的評判指標(biāo)實(shí)現(xiàn)對總目標(biāo)的評判，即水閘安全態(tài)勢的綜合評判。

根據(jù)《水閘安全評價導(dǎo)則》(SL 214—2015)[12]和《水閘安全鑒定規(guī)定》(SL 214—1998)[13]，將水閘等級分為4類，記為V={V1,V2,V3,V4}。相對應(yīng)的安全等級分別為：安全、基本安全、較危險、危險。

2.2 四元聯(lián)系數(shù)及其計(jì)算

給定2個集合A，B，設(shè)N為集合A和B組成集對的特征總數(shù)；S為集對中A和B相同的特征數(shù)；P為A和B所對立的特征數(shù)；F=N-S-P為A和B處于相同和對立之間的特征數(shù)[16]。聯(lián)系數(shù)μ表示為

(1)

式中：a′為同一度；b′為差異度；c′為對立度；i為差異度系數(shù)；j為對立度系數(shù)；a′,b′,c′滿足歸一條件，即a′+b′+c′=1。

四元聯(lián)系數(shù)是集對分析的一種擴(kuò)展和延伸[17]，將式(1)中的差異度細(xì)化，分為偏同異性和偏反異性，這樣使集對分析的刻畫更全面、更完整，并能更準(zhǔn)確地刻畫不確定性因素的信息[18]。四元聯(lián)系數(shù)的表達(dá)式為

μ=a+bi+cj+dk。

(2)

式中：a為同一度；b為偏同異度；c為偏反異度；d為對立度；a,b,c,d滿足歸一性且都在[0,1]上取值；i和j為差異度系數(shù)，滿足i∈[-1,1]，j∈[-1,0]；k為對立度系數(shù)，在運(yùn)算時恒取-1。本文i,j,k僅作為標(biāo)記使用，不予賦值。

因?yàn)閍,b,c,d滿足歸一性，即a+b+c+d=1，且a,b,c,d都在[0,1]上取值，則可以將a,b,c,d與水閘的4個安全級別對應(yīng)起來：用a來表示一類水閘V1，用b來表示二類水閘V2，用c來表示三類水閘V3，用d來表示四類水閘V4。

充分考慮評判系統(tǒng)中的模糊因素，對原聯(lián)系數(shù)的計(jì)算作出改進(jìn)，使指標(biāo)處于某一安全級別時既有確定性概率的刻畫又有向鄰近安全級別變化的概率描述。

效益型指標(biāo)和成本型指標(biāo)改進(jìn)后的聯(lián)系數(shù)計(jì)算式分別為式(3)和式(4)：

(3)

(4)

式中：μj為第j個指標(biāo)的聯(lián)系數(shù)；x為量化的評判指標(biāo)值；S1，S2，S3為各個指標(biāo)的界限值。為方便計(jì)算聯(lián)系數(shù)，效益型指標(biāo)中一類標(biāo)準(zhǔn)的上限值和成本型指標(biāo)中四類標(biāo)準(zhǔn)的上限值取S3+1，其實(shí)際范圍應(yīng)為x∈(S3,+)。

當(dāng)考慮指標(biāo)的權(quán)重時，綜合聯(lián)系數(shù)的計(jì)算式為

a+bi+cj+dk。

(5)

式中Wj為第j個指標(biāo)的權(quán)重。

2.3 集對勢

當(dāng)對立度d≠0時，四元聯(lián)系數(shù)集對勢shi(μ)滿足shi(μ)=a/d[19]。當(dāng)shi(μ)>1時稱為同勢，表示系統(tǒng)的狀態(tài)與理想標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)具有同一趨勢，即處于安全態(tài)勢，風(fēng)險等級為低風(fēng)險；當(dāng)shi(μ)=1時稱為均勢，表示系統(tǒng)的狀態(tài)與理想標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)表現(xiàn)為勢均力敵的態(tài)勢，即處于中等安全態(tài)勢，風(fēng)險等級為中等風(fēng)險，需要加強(qiáng)監(jiān)察；當(dāng)shi(μ)<1時稱為反勢，表示系統(tǒng)的狀態(tài)與理想標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)具有相反趨勢，即處于危險態(tài)勢，風(fēng)險等級為高風(fēng)險，需要除險加固，排除風(fēng)險[20]。根據(jù)集對勢原理，可以判斷水閘運(yùn)行的狀態(tài)，并預(yù)測水閘的運(yùn)行趨勢和風(fēng)險。

3 水閘安全評判指標(biāo)組合賦權(quán)

利用四元聯(lián)系數(shù)可對因素層各指標(biāo)的態(tài)勢作出評判，當(dāng)考慮指標(biāo)的權(quán)重時，由式(5)可推導(dǎo)出因素層指標(biāo)的態(tài)勢對子目標(biāo)層和總目標(biāo)層的影響，進(jìn)而確定水閘運(yùn)行安全綜合態(tài)勢。目前，水閘評判指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算多為層次分析法或熵權(quán)法。本文結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，利用組合賦權(quán)方法計(jì)算權(quán)重。

3.1 層次分析法計(jì)算權(quán)重

層次分析法是一種將定量分析與定性分析相結(jié)合的確定指標(biāo)權(quán)重的可靠方法[21]。其主要的計(jì)算步驟為：

(1)根據(jù)圖1確定的評判指標(biāo)體系，逐層對評判指標(biāo)兩兩比較，相關(guān)領(lǐng)域的專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷兩者的重要性程度并采用1～9標(biāo)度法對其重要性賦予標(biāo)度，構(gòu)造出判斷矩陣R。

(2)利用式CR=CI/RI檢驗(yàn)判斷矩陣R的一致性。其中CR為矩陣R的一致性比率，一般認(rèn)為CR<0.1時矩陣R滿足一致性；CI為矩陣R的一致性指標(biāo)； RI為矩陣R的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。

(3)當(dāng)判斷矩陣R通過一致性檢驗(yàn)時，利用式RW=λmaxW計(jì)算指標(biāo)權(quán)重W，其中λmax為判斷矩陣R的最大特征值。

利用層次分析法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重簡單方便，能夠得到較準(zhǔn)確的結(jié)果。但是在指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算過程中人為因素參與過多，受主觀性影響較強(qiáng)，有時其準(zhǔn)確率會下降。

3.2 熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重

熵權(quán)法是一種客觀的賦權(quán)方法[22]。熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重的主要步驟為：

(1)由m個評判指標(biāo)、n個評判對象得到初始數(shù)據(jù)矩陣X=[xij]n×m。通過標(biāo)準(zhǔn)化處理得到矩陣Y=[yij]n×m，原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理可由式(6)和式(7)計(jì)算。

對于效益型指標(biāo)，有

(6)

對于成本型指標(biāo)，有

(7)

式中：yij為原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的值；xj,max和xj,min分別為第j個指標(biāo)的最大值和最小值。

(3)利用式(8)和式(9)計(jì)算熵值ej和指標(biāo)權(quán)重Wj，即：

(8)

(9)

熵值法計(jì)算權(quán)重具有客觀性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，尤其對于評判指標(biāo)差異性大的問題，其可得到準(zhǔn)確率較高的權(quán)重[23]。但是當(dāng)評判指標(biāo)的差異性較小時，熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重的準(zhǔn)確性往往不高。

3.3 水閘安全評判指標(biāo)權(quán)重確定

層次分析法和熵權(quán)法在計(jì)算指標(biāo)權(quán)重時各有缺點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，通過組合賦權(quán)的方法將兩者結(jié)合起來能起到揚(yáng)長避短、優(yōu)勢互補(bǔ)的效果。

式中θ為層次分析法計(jì)算的權(quán)重在組合權(quán)重中的占比。

為減小隨意性和人為因素的干擾，根據(jù)文獻(xiàn)[24]，采用變異系數(shù)法計(jì)算θ，計(jì)算式為

4 水閘運(yùn)行安全態(tài)勢綜合評判實(shí)現(xiàn)過程

基于多元聯(lián)系數(shù)的水閘安全態(tài)勢綜合評判實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示。

圖2 聯(lián)系數(shù)-組合賦權(quán)評判流程Fig.2 Flowchart of comprehensive evaluation based on connection number and combinatorial weighting

水閘運(yùn)行安全態(tài)勢的綜合評判主要的實(shí)現(xiàn)步驟為：

(1) 構(gòu)建圖1所示的水閘安全態(tài)勢評判體系，整理水閘監(jiān)測資料和專家對于模糊評判指標(biāo)的評分。

(2)利用層次分析法和熵權(quán)法分別計(jì)算評判指標(biāo)的權(quán)重，由式(11)計(jì)算權(quán)重系數(shù)θ，進(jìn)而確定組合權(quán)重Wj。

(3)由式(3)和式(4)計(jì)算第一級評判中因素層指標(biāo)的四元聯(lián)系數(shù)，考慮權(quán)重后求得子目標(biāo)層聯(lián)系數(shù)，進(jìn)而求得第二級評判中總目標(biāo)層的聯(lián)系數(shù)，即水閘安全態(tài)勢的綜合聯(lián)系數(shù)。

(4)分析各層評判指標(biāo)的聯(lián)系數(shù)和集對勢，確定水閘運(yùn)行態(tài)勢，由綜合聯(lián)系數(shù)確定水閘級別，評判水閘綜合態(tài)勢。

5 實(shí) 例

某樞紐工程為Ⅱ等大(2)型工程，進(jìn)洪閘、節(jié)制閘等主要建筑物為2級，次要建筑物為3級。根據(jù)水閘的實(shí)際監(jiān)測資料和專家評分?jǐn)?shù)據(jù)對水閘的安全等級進(jìn)行鑒定，并對其安全態(tài)勢和風(fēng)險趨勢作出評判。

5.1 原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理

本文選取6座水閘的運(yùn)行數(shù)據(jù)作為計(jì)算權(quán)重的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。利用有限元計(jì)算或者監(jiān)測資料得到定量評判指標(biāo)的數(shù)據(jù)值，通過領(lǐng)域內(nèi)專家評分得到定性評判指標(biāo)的數(shù)據(jù)值。由于反映水閘運(yùn)行安全態(tài)勢的各評判指標(biāo)的量綱和標(biāo)度不同，為方便評判和比較，利用式(6)或式(7)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，使評判數(shù)據(jù)取得在[0,1]之間的無量綱值。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 水閘安全態(tài)勢評判指標(biāo)規(guī)范化數(shù)據(jù)Table 1 Standardized data of evaluation indicators for the safety situation of sluice gate

領(lǐng)域內(nèi)專家根據(jù)待測水閘的運(yùn)行狀況對子目標(biāo)層評判指標(biāo)評分，規(guī)范化數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 子目標(biāo)層水閘安全態(tài)勢評判指標(biāo)規(guī)范化數(shù)據(jù)Table 2 Standardized data of evaluation indicators for the safety situation of sluice gate in the subtarget layer

5.2 評判指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

5.2.1 層次分析法計(jì)算權(quán)重

以子目標(biāo)層層次分析法計(jì)算權(quán)重為例，判斷矩陣R為

(12)

計(jì)算得CR=0.028<0.1，滿足一致性要求。則權(quán)重為：

同理可得因素層各評判指標(biāo)的權(quán)重為：

5.2.2 熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重

以子目標(biāo)層的熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重為例，由表2，可求得特征比重矩陣P為

(14)

由式(8)和式(9)可計(jì)算權(quán)重為

同理可得因素層各評判指標(biāo)的權(quán)重為

5.2.3 組合權(quán)重計(jì)算

由層次分析法確定的指標(biāo)權(quán)重，利用式(11)計(jì)算系數(shù)θ為

θ1=(θ11,θ12,θ13)=(0.18,0.29,0.15)；θ2=0.49 。

則組合權(quán)重為：

5.3 計(jì)算聯(lián)系數(shù)

根據(jù)《水閘安全鑒定規(guī)定》(SL 214—1998)[13]中對于4種水閘安全級別的規(guī)定和《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2001)[25]中對于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的定量要求，參考文獻(xiàn)[26]中對于評判指標(biāo)的分類標(biāo)準(zhǔn)，最終確定的水閘安全評判指標(biāo)分類標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

評判指標(biāo)實(shí)際值的確定方法不盡相同：指標(biāo)C7,C11,C12,C17,C19的實(shí)際值為專家評分后加權(quán)計(jì)算的量化值；指標(biāo)C15和C16的實(shí)際值為監(jiān)測值；其余指標(biāo)的實(shí)際值通過計(jì)算得到，計(jì)算方式分為下面2種。

表3 指標(biāo)分類標(biāo)準(zhǔn)及因素層聯(lián)系數(shù)Table 3 Indicator classification criteria and connection numbers of factor layer

注：本文裂縫密度、最大裂縫寬度、平均碳化深度、體積損失率等評判指標(biāo)只考慮水閘水面以上部分

(1)根據(jù)評判指標(biāo)的定義直接求解，如評判指標(biāo)裂縫密度C14的實(shí)際值M14為

(15)

式中：n為裂縫數(shù)量；A為計(jì)算部件的表面面積(mm2)；Li為面積為A的部件上的某一裂縫長度(mm)。

體積損失率C18的實(shí)際值M18為

M18=Vs/V0。

(16)

式中：Vs為混凝土結(jié)構(gòu)損失的體積值(m3)；V0為混凝土結(jié)構(gòu)原有的體積值(m3)。

(2)除評判指標(biāo)C14和C18外，其余評判指標(biāo)(指標(biāo)C1—指標(biāo)C6、指標(biāo)C8—指標(biāo)C10、C13)的實(shí)際值=測量值/允許值。如評判指標(biāo)相對漏水流量C10的實(shí)際值M10為

M10=Qm/Qp。

(17)

式中：Qm為測量到的水閘閘門的最大漏水流量(L/s)；Qp為閘門的允許漏水流量(L/s)。

其余指標(biāo)的實(shí)際值計(jì)算可參考文獻(xiàn)[26]，由式(17)類推，限于篇幅，本文不再贅述。

取得實(shí)際值后，由式(3)或式(4)計(jì)算因素層評判指標(biāo)聯(lián)系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由式(5)可得子目標(biāo)層聯(lián)系數(shù)如表4所示。

表4子目標(biāo)層聯(lián)系數(shù)
Table4Connectionnumberofsubtargetlayer

指標(biāo)名稱權(quán)重四元聯(lián)系數(shù)安全性0.660.20+0.43i+0.31j+0.07k適用性0.180.20+0.40i+0.30j+0.10k耐久性0.160.15+0.36i+0.35j+0.14k

水閘運(yùn)行安全態(tài)勢綜合四元聯(lián)系數(shù)為

μ=0.19+0.41i+0.31j+0.09k。

5.4 安全態(tài)勢評判

由水閘運(yùn)行安全態(tài)勢綜合四元聯(lián)系數(shù)μ=0.19+0.41i+0.31j+0.09k，可知i的系數(shù)b=0.41最大，則水閘的綜合評判等級為二類水閘，與文獻(xiàn)[9]的結(jié)論和某科研機(jī)構(gòu)評估的水閘實(shí)際等級相符。水閘綜合評判的集對勢shi(μ)=0.19/0.09=2.1>1，屬于同勢，即水閘處于安全運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行風(fēng)險等級為低風(fēng)險，其向三類水閘發(fā)展的風(fēng)險較小。

從表4可以看出安全性、適用性和耐久性這3個準(zhǔn)則的四元聯(lián)系數(shù)中i的系數(shù)b均為最大，則這3個準(zhǔn)則的安全狀態(tài)均為良好，運(yùn)行安全等級為2級。且集對勢shi(μ)均>1，屬于同勢，即均處于安全態(tài)勢。但是耐久性指標(biāo)的集對勢shi(μ)=1.07，非常接近1，即非常接近均勢，說明水閘耐久性指標(biāo)已處于極限狀態(tài)，影響耐久性的因素稍有變化其運(yùn)行狀態(tài)就可能會改變，并有可能向三級安全狀態(tài)發(fā)展。因此需要留意水閘耐久性指標(biāo)的安全狀況，加強(qiáng)監(jiān)控，并采取適當(dāng)措施加固除險。水閘除險加固的具體措施可以依據(jù)表3，通過分析因素層各評判指標(biāo)的運(yùn)行狀態(tài)和集對勢來進(jìn)行。

6 結(jié) 論

(1)本文基于四元聯(lián)系數(shù)構(gòu)建水閘運(yùn)行安全態(tài)勢綜合評判模型，利用組合賦權(quán)計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，通過基于實(shí)測資料的算例分析，證明了該評判模型具有準(zhǔn)確、客觀的優(yōu)點(diǎn)，評判結(jié)論與文獻(xiàn)[9]的結(jié)果和水閘的實(shí)際安全等級一致。

(2)通過四元聯(lián)系數(shù)將水閘評判系統(tǒng)中的確定性和不確定性結(jié)合，從同、異、反3個方面評判水閘的安全態(tài)勢，能夠辯證地認(rèn)識評判系統(tǒng)中各種模糊、灰色和隨機(jī)的不確定因素。

(3)該水閘評判模型不僅可以對水閘的整體安全態(tài)勢作出評判，還可以對指標(biāo)分層逐項(xiàng)評判，并通過集對勢預(yù)測水閘的運(yùn)行風(fēng)險和安全趨勢，可以指導(dǎo)水閘的安全運(yùn)行和除險加固。