基于模糊層次分析法的大壩安全評價(jià)程序開發(fā)

芮智 潘瑾筠 童雨潔 吳超睿

摘 ?要：文章將傳統(tǒng)的大壩安全評價(jià)方法與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合，以擺脫傳統(tǒng)方法中的主觀因素，提高安全評價(jià)的可靠性。并將該方法歸結(jié)運(yùn)用到應(yīng)用程序中，為安全評價(jià)提供一個(gè)便捷準(zhǔn)確的途徑，使得非安全評價(jià)專業(yè)人員也可進(jìn)行安全評價(jià)。

關(guān)鍵詞：層次分析法;模糊數(shù)學(xué);安全評價(jià)

中圖分類號：TV698 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）19-0043-02

Abstract： This paper combines the traditional dam safety evaluation method with fuzzy mathematics to get rid of the subjective factors in the traditional method and improve the reliability of safety evaluation. The method is applied to the application program to provide a convenient and accurate way for safety evaluation， which makesit possible for non-safety evaluation professionals to conduct safety evaluation.

Keywords： Analytic Hierarchy Process; fuzzy mathematics; safety evaluation

引言

我國是世界上擁有水壩最多的國家[1]。大壩在為人民帶來便利的同時(shí)，也帶來了大量的安全隱患。這些大壩或多或少的存在著人為和非人為影響的危險(xiǎn)源。為了保證人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，對大壩進(jìn)行科學(xué)可靠的安全評價(jià)便顯得尤為重要。

在傳統(tǒng)的安全評價(jià)中，由于評價(jià)方法單一，評價(jià)指標(biāo)復(fù)雜多樣，評價(jià)方式概念模糊，易受主觀因素影響，便使得大壩安全評價(jià)結(jié)論存在差異性。

為了確保安全評價(jià)具有客觀性和準(zhǔn)確度，我們將傳統(tǒng)安全評價(jià)方法與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合，采用層次分析法評判指標(biāo)權(quán)重，并模糊化處理所得評價(jià)矩陣，通過計(jì)算得到評價(jià)結(jié)果，確保安全評價(jià)的客觀性和可靠性，并將該方法歸結(jié)到應(yīng)用程序當(dāng)中。

1 大壩安全評價(jià)指標(biāo)體系

1.1 評價(jià)指標(biāo)體系的建立

通過國際大壩會(huì)議研究記錄的一千余座大壩事故，及相關(guān)文獻(xiàn)記載，我們總結(jié)了大壩事故的誘因有以下五種：（1）發(fā)生特大洪水、設(shè)計(jì)洪水不足和泄洪裝置故障，導(dǎo)致的洪水漫頂事故。（2）工程運(yùn)營管理不規(guī)范，安全檢測及維護(hù)不及時(shí)導(dǎo)致的事故。（3）設(shè)備老化、材料變質(zhì)及施工不當(dāng)，引起材料強(qiáng)度降低導(dǎo)致的事故。（4）地質(zhì)條件復(fù)雜、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和基礎(chǔ)破壞導(dǎo)致的事故。（5）地下水滲漏過多、滲透坡降引起壩基滲透變形。

我們將以上五種誘因歸類得到了以下五類準(zhǔn)則層指標(biāo)，共17項(xiàng)因素層指標(biāo)[2]（見圖1）。

1.2 層次分析法確定各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重

1.2.1 判斷矩陣的建立

運(yùn)用層次分析法將所有因素的相對重要性進(jìn)行兩兩比較，以得到各因素對目標(biāo)的影響，并將結(jié)果進(jìn)行量化，最終以數(shù)值來表示。一般選用1～9標(biāo)度方法來完成，其內(nèi)容見表1。

矩陣中元素aij（i=1，2…，n;j=1，2…，n）為因素之間的相對重要性量化表現(xiàn)，矩陣中的元素aij需滿足：（1）aij>0;（2）aii=1;（3）aij=1/aji。

針對大壩安全評價(jià)，我們閱讀了大量論文，參考了一些公認(rèn)正確的判斷矩陣，最終得到了如下判斷矩陣（見表2）：

1.2.2 權(quán)向量的計(jì)算

此處本文選用“根法”計(jì)算權(quán)重向量w[3]。計(jì)算公式如下：

在得到特征向量W={wi}（i=1，2，…，n）后，還應(yīng)計(jì)算最大特征值λmax，檢驗(yàn)其一致性。本文不再進(jìn)行贅述。

2 模糊綜合評價(jià)

2.1 評價(jià)集的確定

依據(jù)《水庫大壩安全評價(jià)導(dǎo)則》，我們把大壩安全評級劃分成安全、基本安全、不安全三個(gè)等級，確定的評價(jià)集：V={v1，v2，v3}={安全，基本安全，不安全}。

2.2 隸屬函數(shù)的構(gòu)建

隸屬函數(shù)的確定遵從：在多相模糊集中，相鄰兩相間分界點(diǎn)最為模糊，區(qū)段中間的點(diǎn)最為清晰。降嶺形函數(shù)用于首段隸屬函數(shù)，窄域嶺形函數(shù)用于中間段隸屬函數(shù)，升嶺形函數(shù)則用于末段。本文選用文獻(xiàn)[2]所構(gòu)造的隸屬函數(shù)，如下：

各區(qū)段的中點(diǎn)分別對應(yīng) a1、a2、a3。

2.3 模糊評判矩陣及評判模型

確定評判模型時(shí)，指標(biāo)集中各指標(biāo)需要進(jìn)行單因素評價(jià)，以得到指標(biāo)與評語的隸屬度關(guān)系。因素層各指標(biāo)對評價(jià)集的模糊子集為：Ri={ri1，ri2，ri3}，將所有指標(biāo)的模糊子集歸并在一起，便得到模糊綜合評價(jià)矩陣。準(zhǔn)則層5個(gè)指標(biāo)Ui（i=1，2，3，4，5）附屬的因素層指標(biāo)Uij對評價(jià)集V的綜合評價(jià)矩陣（一級綜合評價(jià)矩陣）為Ri（i=1，2，3，4，5）

因素層各指標(biāo)的權(quán)重向量為Wi（1），得一級評價(jià)結(jié)果：

本文選用加權(quán)平均模糊算子“o”。運(yùn)用最大隸屬原則，可得到最終綜合評價(jià)結(jié)果，確定最終評級。

3 軟件程序開發(fā)

大壩安全評價(jià)程序運(yùn)用了matlab與python結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)，將上述安全評價(jià)方法轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)語言，簡化了人工計(jì)算過程。使用matlab編寫層次分析法相關(guān)程序，輸入給定的比較矩陣，通過一致性檢驗(yàn)后運(yùn)算得到對應(yīng)的各級指標(biāo)權(quán)重向量，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)打開Excel讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，通過后臺(tái)運(yùn)算顯示預(yù)測結(jié)果。其運(yùn)行流程圖如圖2。

4 結(jié)束語

本文通過運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)以消除傳統(tǒng)安全評價(jià)中的主觀性因素，并以此方法開發(fā)了大壩安全評價(jià)程序，使得安全評價(jià)更加便捷、準(zhǔn)確。定期對大壩進(jìn)行安全評價(jià)，不但能夠了解大壩的安全狀況，及時(shí)對大壩進(jìn)行維護(hù)補(bǔ)強(qiáng)，還能夠?qū)⒋髩芜\(yùn)營管理的相關(guān)內(nèi)容量化，判斷出影響大壩安全的主要因素，對大壩的運(yùn)營管理起到指導(dǎo)作用，對大壩現(xiàn)狀提出改善方案，確保大壩的安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄢奮.中國農(nóng)村公共產(chǎn)品供給問題分析[D].福建師范大學(xué)，2010.

[2]陳曦，曾亞武.基于層次分析法和模糊理論水庫大壩安全綜合評價(jià)[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2017，15（06）：95-100.

[3]張健，陳兵，劉寧.城市軌道交通工程建設(shè)項(xiàng)目施工社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)分析——以青島軌道交通工程13號線為例[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2016，14（06）：174-178+189.