基于云模型的病險(xiǎn)水閘除險(xiǎn)加固效果綜合評(píng)價(jià)

(1.常州大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210098； 3.太湖流域管理局 蘇州管理局，江蘇 蘇州 215011)

1 研究背景

截止2017年底，全國(guó)已完成多項(xiàng)病險(xiǎn)水閘的除險(xiǎn)加固，如江蘇省的射陽(yáng)河閘、江都西閘、萬(wàn)福閘、太浦閘等，但針對(duì)各加固治理工程取得的實(shí)際效果的系統(tǒng)評(píng)價(jià)尚未全面展開(kāi)。根據(jù)系統(tǒng)工程理論，病險(xiǎn)水利工程除險(xiǎn)加固效果的綜合評(píng)價(jià)是一個(gè)多因素、多層次、具有復(fù)合不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)工程[1-2]。而當(dāng)前除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)主要是基于數(shù)值模擬、理論計(jì)算、監(jiān)測(cè)反分析等對(duì)比評(píng)估加固前后工程服役性能中的單指標(biāo)提升程度，以及根據(jù)工程效益增量與除險(xiǎn)加固費(fèi)用之間的關(guān)系進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)等[3-4]。對(duì)于除險(xiǎn)加固效果的綜合評(píng)價(jià)則處于剛剛起步階段，目前尚缺乏系統(tǒng)、完善的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，且已有研究成果主要是針對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)大壩[5-7]。

圖1 病險(xiǎn)水閘除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Evaluation index system for the reinforcementeffect of dangerous sluices

云模型是一種用于定性與定量之間轉(zhuǎn)換的模型，可同時(shí)考慮事物的模糊性、隨機(jī)性和離散性，已廣泛用于多個(gè)領(lǐng)域的綜合評(píng)價(jià)中[8-10]。水閘除險(xiǎn)加固效果綜合評(píng)價(jià)中獲取的基礎(chǔ)層評(píng)價(jià)指標(biāo)信息、評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重等均具有明顯的不確定性；同時(shí)，作為加固治理效果評(píng)語(yǔ)集的“極佳、較好、一般、較差和極差”等評(píng)價(jià)等級(jí)，也不是一個(gè)“點(diǎn)”的概念，而是一個(gè)范圍。對(duì)此，本文結(jié)合云模型理論，在構(gòu)建病險(xiǎn)水閘除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，研究建立除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)的權(quán)重云模型和評(píng)語(yǔ)集云模型，以及評(píng)價(jià)結(jié)果的云模型表征方法，進(jìn)而同時(shí)反映評(píng)價(jià)指標(biāo)信息、權(quán)重和評(píng)語(yǔ)集的模糊性與不確定性，以提高綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的系統(tǒng)性和精確性。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

依據(jù)《中央政府投資項(xiàng)目后評(píng)價(jià)管理辦法》，并結(jié)合病險(xiǎn)水閘除險(xiǎn)加固工程的特點(diǎn)，筆者建立了如圖1所示的病險(xiǎn)水閘除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，包含5個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)和21個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)[11]。

2.2 評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

綜合評(píng)價(jià)等級(jí)的確定需要以基礎(chǔ)層評(píng)價(jià)指標(biāo)信息為基礎(chǔ)，常用方法可歸納為2類，即基于加權(quán)綜合評(píng)分值和最大等級(jí)隸屬度的確定方法。前者通過(guò)逐層加權(quán)匯總各標(biāo)準(zhǔn)化的評(píng)價(jià)指標(biāo)值得到綜合評(píng)價(jià)值，再根據(jù)事先擬定的評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定其綜合評(píng)價(jià)等級(jí)；后者則首先從基礎(chǔ)層評(píng)價(jià)指標(biāo)開(kāi)始，分別計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)的單一隸屬度，然后加權(quán)匯總生成目標(biāo)層的綜合隸屬度，并以最大綜合隸屬度對(duì)應(yīng)的等級(jí)作為綜合評(píng)價(jià)等級(jí)。對(duì)此，本文在進(jìn)行病險(xiǎn)水閘除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)時(shí)，采用各評(píng)價(jià)指標(biāo)滿分100制的專家打分方案，通過(guò)加權(quán)匯總得到綜合評(píng)分值。根據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn)，評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分采用5級(jí)評(píng)價(jià)制，描述性語(yǔ)言依次為：“效果極佳、效果較好、效果一般、效果較差、效果極差”，對(duì)應(yīng)的評(píng)分值如表1所示[5-6]。

表1 病險(xiǎn)水閘除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Criterion of rating the reinforcementeffect of dangerous sluices

3 基于云模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重及評(píng)語(yǔ)集

3.1 云模型理論

云模型基本原理為：設(shè)U是一個(gè)用精確數(shù)值表示的定量論域，C為U空間中的定性概念，對(duì)于任意定量值x∈U，且x為C的一次隨機(jī)事件，若x對(duì)C的隸屬度μ(x)∈[0,1]是一定概率分布的隨機(jī)數(shù)，即滿足：μ:U→[0,1],?x∈U,x→μ(x)，則x在論域U上的分布稱為云，x稱為云滴。在概念表征上，云模型通過(guò)期望Ex、熵En和超熵He3個(gè)特征參數(shù)來(lái)共同表示一個(gè)概念，分別反映云滴在論域空間的中心值、不確定度和云滴的厚度。

調(diào)查樣本數(shù)目較少時(shí)，不足以直接按照頻度分析法形成隸屬度信息，對(duì)此可按照無(wú)隸屬度信息的逆向云發(fā)生器計(jì)算云模型的特征參數(shù)(Ex，En，He)，并利用MatLab軟件，按照正向云模型發(fā)生器，生成各組特征參數(shù)對(duì)應(yīng)的云模型。逆向云發(fā)生器中云模型的特征參數(shù)計(jì)算如下：

(1)

(2)

(3)

式中:n為調(diào)查樣本總數(shù)；Qj為第j個(gè)調(diào)查樣本中的指標(biāo)值。

病險(xiǎn)水閘除險(xiǎn)加固效果綜合評(píng)價(jià)結(jié)果取決于基礎(chǔ)層評(píng)價(jià)指標(biāo)信息。在此過(guò)程中，涉及到權(quán)重云和基礎(chǔ)層指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果云之間的運(yùn)算。對(duì)于云模型而言，云朵與云朵之間的運(yùn)算可轉(zhuǎn)化為云模型特征參數(shù)之間的運(yùn)算，具體運(yùn)算法則如表2所示。

表2 云模型運(yùn)算法則Table 2 Algorithms of cloud model

3.2 權(quán)重云模型

為確定指標(biāo)權(quán)重，設(shè)計(jì)了病險(xiǎn)水閘除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系權(quán)重調(diào)查問(wèn)卷。調(diào)查問(wèn)卷采用專家打分法，本次共回收有效問(wèn)卷41份，基于專家打分歸一化值計(jì)算得到的指標(biāo)權(quán)重云模型特征參數(shù)如表3所示，一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重云模型如圖2所示。

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果云模型

按照本文所建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，評(píng)價(jià)結(jié)果云模型包含3種：二級(jí)(基礎(chǔ)層)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果云、一級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果云和綜合評(píng)價(jià)結(jié)果云。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，評(píng)價(jià)指標(biāo)按其能否用精確數(shù)值描述分為2類：定性評(píng)價(jià)指標(biāo)和定量評(píng)價(jià)指標(biāo)。除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)中，雖然部分評(píng)價(jià)指標(biāo)可以采用除險(xiǎn)加固后狀態(tài)值與加固前狀態(tài)值的比較來(lái)進(jìn)行量化分析，但在進(jìn)行等級(jí)劃分時(shí)仍缺乏明確的劃分標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)此，本文將所有指標(biāo)全部視為定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，參照指標(biāo)內(nèi)涵解釋，采用專家打分法，并根據(jù)多位專家的打分結(jié)果按照逆向云發(fā)生器計(jì)算云模型特征參數(shù)，再由正向云發(fā)生器給出可視化的云圖形，并將其作為二級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果云。然后，在得到指標(biāo)權(quán)重云和二級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果云的基礎(chǔ)上，按照表2所示運(yùn)算法則，逐層加權(quán)匯總，分別生成一級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果云和綜合評(píng)價(jià)結(jié)果云。

表3 各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重云模型特征參數(shù)Table 3 Characteristic parameters of the weightcloud model for evaluation indexes

圖2 一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重云模型Fig.2 Cloud models for the weights of first levelevaluation indexes

3.4 評(píng)語(yǔ)集云模型

評(píng)語(yǔ)集云模型的確定與評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)密切相關(guān)。在已知評(píng)價(jià)等級(jí)取值范圍的情況下，可采用基于正態(tài)分布的雙邊約束條件下的云參數(shù)求解公式，并取He=0.1En?？紤]到精確邊界約束值是連續(xù)2個(gè)等級(jí)的理論分割處，因此采用云模型對(duì)等級(jí)邊界模糊化處理后，精確邊界值應(yīng)同時(shí)隸屬于相鄰2個(gè)等級(jí)，且具有相同的隸屬度0.5，則可推導(dǎo)出第i個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的云模型特征參數(shù)為：

(4)

(5)

表4 評(píng)語(yǔ)集云模型的特征參數(shù)Table 4 Characteristic parameters of the cloud modelfor evaluation result

圖3 評(píng)語(yǔ)集云模型Fig.3 Cloud models for the evaluation result ofreinforcement effect

在基于云運(yùn)算法則得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果云的基礎(chǔ)上，再與表4或圖3中給出的評(píng)語(yǔ)集云進(jìn)行比較，即可直觀評(píng)判出所研究病險(xiǎn)水閘的除險(xiǎn)加固效果等級(jí)。

4 工程實(shí)例研究

太浦閘位于江蘇省吳江市境內(nèi)的太浦河進(jìn)口段，西距東太湖約2 km，是太湖東部骨干泄洪及環(huán)太湖大堤重要口門的控制建筑物，由太湖流域管理局蘇州管理局負(fù)責(zé)運(yùn)行管理。該閘建成于1959年，由于歷史原因，建成時(shí)就留有質(zhì)量隱患，雖經(jīng)大修、加固處理，仍不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求和安全運(yùn)行需要。2000年11月，太浦閘經(jīng)安全鑒定為三類閘，建議采用老閘拆建結(jié)合興建船閘的方案與老閘加固方案做技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。鑒于太浦閘閘墩、底板等水下建筑物質(zhì)量普遍較差，設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)偏低，且已運(yùn)行50多年而從未加固過(guò)，接近工程折舊年限，因此經(jīng)反復(fù)論證后，確定太浦閘除險(xiǎn)加固工程建設(shè)任務(wù)為在原址對(duì)原水閘建筑物進(jìn)行拆除重建，消除工程安全隱患，以滿足流域防洪、泄洪及向下游地區(qū)供水需求。2012年9月關(guān)閉太浦閘，開(kāi)始除險(xiǎn)加固工程施工，2013年5月工程具備通水條件并通過(guò)通水驗(yàn)收，2014年7月全部工程完工，并獲得2015—2016年度中國(guó)水利工程優(yōu)質(zhì)(大禹)獎(jiǎng)。結(jié)合本文所示評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，太浦閘除險(xiǎn)加固工程的各指標(biāo)特征描述見(jiàn)表5[12-16]。

基于上述評(píng)價(jià)指標(biāo)特征描述，本次邀請(qǐng)7位具有高級(jí)職稱且從事水利工程相關(guān)研究或管理的專家對(duì)太浦閘除險(xiǎn)加固效果進(jìn)行打分，并根據(jù)逆向云發(fā)生器計(jì)算基礎(chǔ)層指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果云的特征參數(shù)，如表6所示。從表6中可以看出：21個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中，17個(gè)指標(biāo)的期望值處于“效果極佳”等級(jí)，剩余4個(gè)處于“效果較好”等級(jí)；資源可持續(xù)利用程度二級(jí)指標(biāo)E3得分最低，期望值為82.14，主要原因?yàn)椴鸪睦祥l廢棄混凝土和塊石大部分外運(yùn)，沒(méi)有作為再生骨料而就地加以利用。

在此基礎(chǔ)上，基于云模型運(yùn)算法則，逐層加權(quán)匯總得到如表7所示的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果云的特征參數(shù)，其與評(píng)語(yǔ)集云模型的對(duì)比如圖4所示。從表7和圖4中可以看出：綜合評(píng)價(jià)結(jié)果云的期望值為92.95，因此從期望值可以判定太浦閘的除險(xiǎn)加固效果處于“效果極佳”等級(jí)；但本次綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的熵En為12.98，超熵He為4.27，兩者數(shù)值均偏大，云圖中云滴主要分布在85～100之間，但70～85之間仍有大量云滴存在，表明此次太浦閘除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定性較大，且這種不確定性對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的穩(wěn)定性也有較大影響，應(yīng)分析造成這種不確定的成因。

表5 太浦閘除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)指標(biāo)特征描述Table 5 Descriptions of evaluation indexes for the reinforcement effect of Taipu sluice

注：《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2001)為太浦閘除險(xiǎn)加固工程開(kāi)展時(shí)的現(xiàn)行規(guī)范

表6 二級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果云的特征參數(shù)Table 6 Cloud model parameters of evaluation results forthe second-level indexes

表7 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果云的特征參數(shù)Table 7 Cloud model parameters of the comprehensiveevaluation result

圖4 太浦閘除險(xiǎn)加固效果綜合評(píng)價(jià)結(jié)果云Fig.4 Cloud model for the comprehensive evaluationresult of reinforcement effect of Taipu sluice

基于云模型的病險(xiǎn)水閘除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)，不確定性主要來(lái)源于2個(gè)方面，即權(quán)重的不確定和基礎(chǔ)層評(píng)價(jià)指標(biāo)打分結(jié)果的不確定，且涉及兩者之間的乘法和加法運(yùn)算，進(jìn)而導(dǎo)致不確定性的傳播效應(yīng)。對(duì)此，本文通過(guò)敏感性分析，研究了這兩方面不確定性對(duì)最終評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，對(duì)權(quán)重云和基礎(chǔ)層指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果云兩者特征參數(shù)中的En和He進(jìn)行折減(如權(quán)重0.2倍方案中，將所有指標(biāo)權(quán)重的En和He同時(shí)乘以0.2；定值權(quán)重方案中，En和He均取為0)。

敏感性分析結(jié)果如表8和圖5所示，從中可以看出權(quán)重的不確定性對(duì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定性有較大影響，而基礎(chǔ)層指標(biāo)打分結(jié)果的不確定性的影響則相對(duì)較小。

表8 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果中不確定性的敏感性分析Table 8 Sensitivity analysis of uncertainty incomprehensive evaluation

圖5 太浦閘除險(xiǎn)加固效果云模型綜合評(píng)價(jià)的參數(shù)敏感性分析Fig.5 Sensitivity analysis for comprehensive evaluation ofreinforcement effect of Taipu sluice based oncloud model

在建立好通用的病險(xiǎn)水閘除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系之后，對(duì)其確定的權(quán)重也具有廣泛通用性。而針對(duì)某一實(shí)際工程進(jìn)行基礎(chǔ)層指標(biāo)打分時(shí)，所能邀請(qǐng)到的專家數(shù)量有限，導(dǎo)致專家打分結(jié)果的不確定性是難以避免的。因此，可邀請(qǐng)數(shù)量較多的專家參與權(quán)重的擬定，形成主流意見(jiàn)，以此來(lái)降低所擬定權(quán)重的不確定性，形成定值權(quán)重或不確定性較小的權(quán)重，進(jìn)而降低綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定性。

5 結(jié) 論

病險(xiǎn)水閘除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)中涉及大量的模糊性與不確定性，本文提出了基于云模型的綜合評(píng)價(jià)方法。利用云模型中的熵和超熵可較好地表征評(píng)價(jià)指標(biāo)信息和權(quán)重的不確定性，且熵和超熵的數(shù)學(xué)運(yùn)算可量化綜合評(píng)價(jià)過(guò)程中各類不確定性的傳播效應(yīng)。依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果云不僅可以對(duì)除險(xiǎn)加固效果的等級(jí)狀態(tài)作出合理判斷，也可以反映出評(píng)價(jià)結(jié)果的可信性和穩(wěn)定性。

太浦閘工程實(shí)例分析結(jié)果表明：

(1)基于云模型的病險(xiǎn)水閘除險(xiǎn)加固效果綜合評(píng)價(jià)方法方便有效，本文提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和云模型評(píng)價(jià)方法也可用到其他病險(xiǎn)水利工程的除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)中。

(2)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的不確定性對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響較大，而基礎(chǔ)層評(píng)價(jià)指標(biāo)專家組打分結(jié)果的不確定性對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響較小，建議后期在進(jìn)行病險(xiǎn)水閘除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)時(shí)，廣泛征集多位專家意見(jiàn)，形成具有通用性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，以便合理減弱單個(gè)工程評(píng)價(jià)時(shí)由于評(píng)審專家數(shù)量有限而引起的不確定性。