基于物元分析法的泵站管理現(xiàn)代化評價(jià)研究

高玉琴， 劉云蘋， 葉 柳， 黃顯峰, 胡玉勝

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司， 廣東 深圳 518040)

1 研究背景

泵站工程通過消耗能源改變水資源的位置與分布，具有灌溉、供水、排洪排澇、跨流域調(diào)水等功能，推動(dòng)了我國工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展。泵站管理現(xiàn)代化是保障水利工程管理現(xiàn)代化的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)水資源靈活優(yōu)化配置的基礎(chǔ)和保障。鐘漢東等[1]從泵站現(xiàn)代化組織管理、現(xiàn)代化技術(shù)管理、現(xiàn)代化經(jīng)營管理等方面探討了泵站現(xiàn)代化管理的基本內(nèi)容，構(gòu)建了泵站現(xiàn)代化管理體系和現(xiàn)代化管理技術(shù)經(jīng)濟(jì)考核指標(biāo)體系；王芳[2]和王雪琴[3]從泵站的技術(shù)經(jīng)濟(jì)狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、老化狀態(tài)、管理狀態(tài)和設(shè)備完整性等方面建立了大型泵站的綜合評價(jià)指標(biāo)體系，構(gòu)建了多層次模糊綜合評價(jià)模型；仇寶云等[4]以南水北調(diào)東線工程為研究背景，根據(jù)大型梯級泵站的技術(shù)要求和特點(diǎn)，從運(yùn)行可靠性、經(jīng)濟(jì)性和維修性3個(gè)方面構(gòu)建了梯級泵站技術(shù)管理評價(jià)指標(biāo)體系。但這些研究多集中于泵站技術(shù)管理指標(biāo)體系的建立，對泵站管理評價(jià)方法的研究相對較少；且泵站管理評價(jià)主要局限于泵站本身運(yùn)行、技術(shù)性能和老化狀態(tài)方面，忽視了對管理單位的整體評價(jià)，使得泵站管理單位不能有效查找工作中的不足，明確與現(xiàn)代化管理目標(biāo)存在的差距[5]。

隨著水環(huán)境保護(hù)形勢的日益嚴(yán)峻，實(shí)現(xiàn)管理信息化和自動(dòng)化成為必然發(fā)展趨勢。泵站管理現(xiàn)代化內(nèi)涵的進(jìn)一步深化，不僅要求完善水利工程基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，還要求管理理念現(xiàn)代化、管理機(jī)制法制化和規(guī)范化、管理手段信息化等[6]。為客觀科學(xué)評價(jià)泵站管理水平的現(xiàn)代化程度，解決各評價(jià)指標(biāo)間不相容的問題，指導(dǎo)管理單位現(xiàn)代化建設(shè)，本文通過構(gòu)建泵站管理現(xiàn)代化評價(jià)模型，提出科學(xué)合理的評價(jià)方法，并應(yīng)用于鳳凰頸泵站的現(xiàn)代化管理水平評價(jià)中，為泵站管理技術(shù)改革創(chuàng)新提供科學(xué)決策依據(jù)。

2 泵站管理現(xiàn)代化評價(jià)指標(biāo)體系的建立

進(jìn)入21世紀(jì)，大中型泵站作為綜合性水利工程，僅承擔(dān)防洪、抗旱、供水等任務(wù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。泵站工程不但要實(shí)現(xiàn)以水資源科學(xué)調(diào)度為主的社會效益，還需節(jié)水節(jié)能、美化環(huán)境，兼顧經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益。然而社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)3方面效益的實(shí)現(xiàn)需要依靠良好、高效的工程設(shè)施[7]。因此，泵站現(xiàn)代化管理的主要工作是依靠先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段，對工程設(shè)施進(jìn)行檢查、觀測、監(jiān)測、維修養(yǎng)護(hù)、更新改造等[8]。泵站工程管理現(xiàn)代化的內(nèi)涵可以概括為：建立具有先進(jìn)科學(xué)管理思想和高專業(yè)技術(shù)水平的管理隊(duì)伍。利用先進(jìn)的科學(xué)管理新技術(shù)，加強(qiáng)信息化管理的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，培養(yǎng)信息化管理高端技術(shù)人才，建立泵站信息自動(dòng)化程度高的監(jiān)測、監(jiān)控、信息管理系統(tǒng)[9]，完善跨區(qū)域的統(tǒng)一調(diào)水排水管理體系和以市場為導(dǎo)向的管理體系，改進(jìn)泵站工程設(shè)施，保障泵站工程良好地運(yùn)行[10]。

2.1 指標(biāo)體系的建立

泵站管理現(xiàn)代化建設(shè)涉及內(nèi)容廣泛，包括機(jī)制、體制、設(shè)施、手段、人才隊(duì)伍等諸多方面，指標(biāo)眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、要素紛繁，具有復(fù)雜性、多樣性和動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)，需要構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)指標(biāo)體系，宏觀地考慮各個(gè)方面的要求，把握核心和本質(zhì)。

根據(jù)我國泵站管理工作的實(shí)際情況，綜合分析泵站現(xiàn)代化管理的影響因素，并將水生態(tài)保護(hù)、信息化等內(nèi)容納入考慮范圍，遵循先進(jìn)性、系統(tǒng)性、可操作性與導(dǎo)向性等原則，注意定量與定性指標(biāo)相結(jié)合，層次性與可比性相結(jié)合的原則，力求做到全方位、多層次、科學(xué)客觀、應(yīng)用靈活[11]。按照上述原則，根據(jù)現(xiàn)代化管理的目標(biāo)和泵站管理的特點(diǎn)，采用理論分析法，以現(xiàn)代化管理的內(nèi)涵與內(nèi)容為指導(dǎo)，從全面性、必要性、系統(tǒng)性出發(fā)，結(jié)合管理實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)和不足，根據(jù)管理現(xiàn)代化的構(gòu)成要素和內(nèi)在聯(lián)系選取具有代表性的評價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建泵站管理現(xiàn)代化評價(jià)指標(biāo)體系，其中包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。目標(biāo)層是評價(jià)的總目標(biāo)，即泵站管理現(xiàn)代化程度；準(zhǔn)則層是評價(jià)的子目標(biāo)，是當(dāng)前泵站管理現(xiàn)代化建設(shè)方向，其中包括5個(gè)一級指標(biāo)，以B1～B5表示；指標(biāo)層是用于量化和描述的直接評價(jià)指標(biāo)，根據(jù)泵站特點(diǎn)從中選取24項(xiàng)指標(biāo)作為泵站管理現(xiàn)代化評價(jià)二級指標(biāo)，以C1～C24表示。具體評價(jià)指標(biāo)體系見表1。

2.2 組合權(quán)重法確定指標(biāo)權(quán)重

由于泵站管理現(xiàn)代化評價(jià)指標(biāo)體系的研究創(chuàng)新性強(qiáng)，在理論和實(shí)踐上都處于探索階段，通過采取專家賦權(quán)法能廣泛吸收有關(guān)專家學(xué)者的意見，有效利用已有經(jīng)驗(yàn)知識，但該方法主觀因素較強(qiáng)[12]；熵權(quán)法依據(jù)指標(biāo)真實(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算確定指標(biāo)權(quán)重，可避免主觀因素對指標(biāo)權(quán)重的影響[13]。因此，本文將熵權(quán)法與專家賦權(quán)法耦合，確定各指標(biāo)權(quán)重，綜合考慮決策者個(gè)人經(jīng)驗(yàn)與樣本數(shù)據(jù)之間的真實(shí)關(guān)系，提高指標(biāo)權(quán)重的準(zhǔn)確性[14]。綜合權(quán)重確定主要步驟如下：

(1)確定熵權(quán)Wi=(w1,w2,…,wm)。

設(shè)有n個(gè)樣本，m個(gè)評價(jià)指標(biāo)，將各指標(biāo)歸一化后通過單因素模糊判斷構(gòu)建相對優(yōu)屬度矩陣R=(xij)m×n,(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)，按照傳統(tǒng)的熵概念可定義指標(biāo)的熵為：

(1)

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

相對優(yōu)屬度矩陣求解時(shí)，若xij=0，則lnfij沒有意義，為了使lnfij有意義，不悖于熵的含義，將fij修正為：

(2)

相應(yīng)的第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)定義為：

(3)

表1 泵站管理現(xiàn)代化評價(jià)指標(biāo)體系

(3)確定綜合權(quán)重φ=(φ1,φ2,…,φm)。主客觀權(quán)重的耦合方式如下：

(4)

3 泵站管理現(xiàn)代化評價(jià)的物元分析模型

3.1 物元分析法的基本概念

物元分析法是研究物元及其變化，解決不相容問題規(guī)律的方法，由我國學(xué)者蔡文首先提出。物元理論主要研究物元的可拓性和可變性，探索事物的變化過程，通過物元變化尋求解決問題的方法，物元是事物基本元素的簡稱，是由3個(gè)要素組成的有序三元組R=(N,C,X)，其中三元組R就是描述事物的基本元，即物元；N為事物名稱；C為特征；X為事物關(guān)于特征的量值[15-18]。

泵站管理現(xiàn)代化評價(jià)概念具有模糊性，評價(jià)體系中涉及多個(gè)評價(jià)指標(biāo)，其中既包括定量評價(jià)也包括定性評價(jià)，且單項(xiàng)指標(biāo)評價(jià)結(jié)果互不相容。針對該問題，物元分析法相較于模糊綜合評價(jià)、灰色系統(tǒng)評價(jià)等方法，可有效地處理評價(jià)過程中不相容問題，物元分析可通過建立簡單的物元模型實(shí)現(xiàn)質(zhì)與量的轉(zhuǎn)化，系統(tǒng)評價(jià)研究對象[19]，得到更加明確的泵站管理現(xiàn)代化等級。

3.2 構(gòu)建物元分析評價(jià)模型

(1)構(gòu)建物元矩陣。泵站管理現(xiàn)代化評價(jià)指標(biāo)體系中有多個(gè)評價(jià)指標(biāo)，記為n個(gè)特征，相應(yīng)物元矩陣可以表示為：

(5)

式中：R為n維泵站管理現(xiàn)代化物元；P0為待評單元；Ci(i=1,2,…,n)為待評單元中第i項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)；Xi(i=1,2,…,n)為對應(yīng)評價(jià)指標(biāo)Ci的量值。

(2)確定經(jīng)典域和節(jié)域物元。將泵站管理現(xiàn)代化劃分為5個(gè)等級，記作Nj(j=1,2,…,5)，Xji=[aji,bji]為Nj關(guān)于Cj的量值范圍，即經(jīng)典域，經(jīng)典域物元矩陣記作Rj，Rj為所劃分的泵站管理現(xiàn)代化程度的第j個(gè)評價(jià)等級。

(6)

所有評價(jià)等級的Nj構(gòu)成泵站管理現(xiàn)代化程度的標(biāo)準(zhǔn)對象Np,Xpi=[api,bpi]為Np關(guān)于Ci的量值范圍，即節(jié)域，節(jié)域物元記作Rp,則泵站管理現(xiàn)代化程度的節(jié)域物元矩陣為：

(7)

(3)關(guān)聯(lián)度函數(shù)和關(guān)聯(lián)度計(jì)算

關(guān)聯(lián)函數(shù)Kj(xi)表示物元符合所要求的取值范圍的程度,則：

(8)

式中：xi(i=1,2,…,n)為評價(jià)指標(biāo)實(shí)測值;ρ(xi,Xji)為xi到經(jīng)典域區(qū)間Xji的距;ρ(xi,Xpi)為xi到經(jīng)典域區(qū)間Xpi的距。

(9)

(10)

|xji|=|aji-bji|

(11)

(4)計(jì)算綜合關(guān)聯(lián)度

待評價(jià)單元P0關(guān)于各等級j的綜合關(guān)聯(lián)度記為Kj(P0)：

(12)

(5)確定待評物元P0等級

若Kj=max{Kj(P0)}(j=1,2,…,m)，則待評物元P0等級為第j級。

當(dāng)0

4 實(shí)例研究

4.1 鳳凰頸泵站概況

安徽省鳳凰頸泵站位于長江北岸的巢湖流域無為縣境內(nèi)，具有防洪、排灌和引江灌溉等功能，是巢湖流域綜合治理的水利骨干工程，也是安徽省規(guī)劃興建的引江濟(jì)淮、引江濟(jì)巢的龍頭工程，受益范圍達(dá)26.67×104hm2，站內(nèi)安裝6臺立式軸流泵，配套同步電機(jī)6臺，最大設(shè)計(jì)機(jī)排流量240 m3/s，最大設(shè)計(jì)機(jī)灌流量200 m3/s，最大設(shè)計(jì)自排、引灌流量均為380 m3/s，單站流量和單站裝機(jī)容量均為全省最大。站身采用“X”型雙向流道，每臺機(jī)組閘站結(jié)合，各具有8條進(jìn)出水流道，泵站長江側(cè)和西河側(cè)均具有12扇高孔閘門及其卷揚(yáng)式啟閉機(jī)、12扇低孔閘門及其卷揚(yáng)式啟閉機(jī)、12扇低孔進(jìn)口攔污柵，是一座國家級大型泵站，其現(xiàn)代化管理必不可少。

4.2 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及泵站管理現(xiàn)狀水平

運(yùn)用物元分析現(xiàn)代化評價(jià)模型對鳳凰頸泵站進(jìn)行綜合評價(jià)，研究其管理現(xiàn)代化水平。根據(jù)前述各項(xiàng)指標(biāo)的含義，定性指標(biāo)以含義為依據(jù)，通過專家打分法確定其等級，將定性指標(biāo)達(dá)標(biāo)級別分為5個(gè)等級，指標(biāo)等級及其對應(yīng)分級區(qū)間如表2所示，其中各指標(biāo)對應(yīng)分值即為該指標(biāo)的現(xiàn)狀水平值。

表2 指標(biāo)等級及其對應(yīng)分級區(qū)間

定量指標(biāo)根據(jù)其實(shí)際現(xiàn)狀值與對應(yīng)目標(biāo)值之間的比值作為現(xiàn)狀水平值，其中部分指標(biāo)的目標(biāo)值及實(shí)際現(xiàn)狀值計(jì)算方法如表3所示。

表3 部分指標(biāo)目標(biāo)值

定量指標(biāo)與定性指標(biāo)經(jīng)歸一化處理后得到現(xiàn)狀水平標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)鳳凰頸泵站已有數(shù)據(jù)資料，計(jì)算可得其工程管理現(xiàn)狀水平標(biāo)準(zhǔn)值如表4所示。

表4 鳳凰頸泵站工程管理現(xiàn)狀水平

4.3 泵站管理現(xiàn)代化評價(jià)

(1)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算。為避免主觀因素影響，采用熵權(quán)法和專家賦權(quán)法確定各指標(biāo)綜合權(quán)重。根據(jù)熵權(quán)法運(yùn)算公式(1)～(3)并運(yùn)用MATLAB工具計(jì)算得到各指標(biāo)層客觀權(quán)重，根據(jù)專家賦權(quán)法確定準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的權(quán)重進(jìn)而得到主觀權(quán)重，根據(jù)公式(4)將主客觀權(quán)重耦合得到各指標(biāo)對應(yīng)于目標(biāo)層的綜合權(quán)重。各評價(jià)指標(biāo)專家賦權(quán)值、主觀權(quán)重值、客觀權(quán)重值(熵權(quán))及綜合權(quán)重值計(jì)算結(jié)果如表5所示。

(2)確定經(jīng)典域和節(jié)域。將泵站管理現(xiàn)代化程度分為5個(gè)評價(jià)等級，分別為不合格、合格、中等、良好和優(yōu)秀，對應(yīng)序號j分別為1,2,…,5,確定經(jīng)典域Rj分別為[0.4,0.6)，[0.6,0.7)，[0.7,0.8)，[0.8,0.9)，[0.9,1.0]，則節(jié)域?yàn)镽p=[0.4,1.0]。

表5 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

(3)關(guān)聯(lián)度計(jì)算。將各評價(jià)指標(biāo)的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)(表4)Ci(i=1,2,…,24)及各項(xiàng)指標(biāo)綜合權(quán)重值(表5)輸入物元分析評價(jià)模型，通過MATLAB工具計(jì)算得到鳳凰頸泵站管理現(xiàn)代化程度各評價(jià)指標(biāo)關(guān)于各等級的關(guān)聯(lián)度及綜合關(guān)聯(lián)度，計(jì)算結(jié)果如表6所示。

(4)評價(jià)結(jié)果分析。由評價(jià)結(jié)果(表6)可知，綜合關(guān)聯(lián)度Kj=0.0648，即鳳凰頸泵站管理現(xiàn)代化評價(jià)等級為優(yōu)秀，管理現(xiàn)代化程度較高。鳳凰頸泵站管理現(xiàn)代化單指標(biāo)評價(jià)中處于“合格”和“中等”水平的各有2個(gè)，處于“良好”水平的有6個(gè)，處于“優(yōu)秀”水平的有14個(gè)，僅通過單指標(biāo)評價(jià)也可以看出鳳凰頸泵站管理現(xiàn)代化水平相對較高。其中規(guī)范化管理指標(biāo)(C1～C4)以及設(shè)施設(shè)備管理指標(biāo)(C5～C14)評價(jià)等級均為優(yōu)秀或良好，且處于良好等級的評價(jià)指標(biāo)均具備轉(zhuǎn)化為優(yōu)秀的條件，說明其規(guī)范化及設(shè)施設(shè)備管理現(xiàn)代化程度較高，設(shè)施狀態(tài)和技術(shù)性能較好；信息化管理中水利信息數(shù)據(jù)完整度(C16)評價(jià)等級僅為合格，說明鳳凰頸泵站關(guān)于水文、工程監(jiān)測、運(yùn)行管理及地理信息等數(shù)據(jù)的信息管理現(xiàn)代化程度不高，有待進(jìn)一步加強(qiáng)；調(diào)度運(yùn)行及應(yīng)急處理能力方面現(xiàn)代化程度整體較好，但應(yīng)注意加強(qiáng)應(yīng)急管理機(jī)制建設(shè)(C19);水生態(tài)管理體系中的大部分指標(biāo)均未達(dá)到優(yōu)秀或良好，是目前鳳凰頸泵站管理現(xiàn)代化發(fā)展的短板，有關(guān)部門應(yīng)在水土流失治理和保潔綠化等方面加大力度，嚴(yán)格管理，以提高泵站整體的現(xiàn)代化管理水平。

本文評價(jià)結(jié)果與鳳凰頸泵站實(shí)際管理情況相適應(yīng)，具有較高的可信度。

表6 泵站管理現(xiàn)代化評價(jià)指標(biāo)對各評價(jià)等級的關(guān)聯(lián)度

5 結(jié) 論

(1)泵站現(xiàn)代化管理是一項(xiàng)結(jié)合水工、水力機(jī)械、電氣、管理科學(xué)和經(jīng)濟(jì)科學(xué)的綜合管理，以實(shí)現(xiàn)泵站工程效益最大化為目的，完成泵站工程達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)條件下安全可靠運(yùn)行的基本任務(wù)。目前關(guān)于泵站管理現(xiàn)代化評價(jià)方法的研究相對較少，本文基于泵站管理現(xiàn)代化內(nèi)涵，建立了泵站管理現(xiàn)代化評價(jià)指標(biāo)體系，采用熵權(quán)法和專家賦權(quán)法得到綜合權(quán)重，同時(shí)考慮決策者偏好和客觀情況，使所得結(jié)果更加科學(xué)合理，構(gòu)建物元分析法模型應(yīng)用于泵站管理現(xiàn)代化評價(jià)中，解決指標(biāo)間不相容問題，使評價(jià)過程更加簡單明了，評價(jià)結(jié)果更加明確可信，為泵站現(xiàn)代化管理決策提供科學(xué)依據(jù)。

(2)基于物元分析法的泵站管理現(xiàn)代化評價(jià)模型應(yīng)用于鳳凰頸泵站，得到其整體現(xiàn)代化管理水平等級為優(yōu)秀，與其實(shí)際情況相符，具有較高的可信度。鳳凰頸泵站規(guī)范化管理體系、設(shè)備設(shè)施管理體系和調(diào)度運(yùn)行及應(yīng)急處理能力體系現(xiàn)代化管理水平較高，基本已實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化管理；信息化管理體系總體程度較高，但水利信息資源數(shù)據(jù)管理現(xiàn)代化水平仍舊較低，需加大現(xiàn)代化管理強(qiáng)度，可通過大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)+等方式提高水利信息管理，建設(shè)工程管理、水文及地理信息數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)代化管理，有效防止數(shù)據(jù)缺損，完善信息的收集及整合；水生態(tài)管理是其管理現(xiàn)代化發(fā)展中的短板，有待進(jìn)一步提高，可制定相關(guān)的生態(tài)保護(hù)制度，加大水土保持管理力度，推動(dòng)水生態(tài)管理現(xiàn)代化進(jìn)程。