基于灰色模糊理論的智慧工程實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)

張武毅，徐 偉，桑景紅，張利莎

(1. 浙江交科工程檢測(cè)有限公司，浙江 杭州 311215；2. 溫州市交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督局，浙江 溫州 325015；3. 溫州市交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，浙江 溫州 325011；4. 浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

隨著建筑行業(yè)的高速發(fā)展，高樓林立是現(xiàn)代城市的標(biāo)簽，質(zhì)量檢測(cè)這一過(guò)程貫穿著整個(gè)工程的始終。作為工程質(zhì)量檢測(cè)載體的工程質(zhì)量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，能否以公正的行為、科學(xué)的手段、準(zhǔn)確的結(jié)果形象呈現(xiàn)，亦成為檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)管理的關(guān)鍵。智慧工程實(shí)驗(yàn)室的綜合評(píng)價(jià)，重要的是其評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的可應(yīng)用性，通過(guò)評(píng)價(jià)指標(biāo)的確立，反映出其建設(shè)發(fā)展?fàn)顩r，及時(shí)分析所存在的問(wèn)題，為制訂相關(guān)技術(shù)方案提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持，并針對(duì)不同問(wèn)題作出相應(yīng)的方案。

羅春賀[1]將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與地鐵安全檢測(cè)相結(jié)合，采用基于熵權(quán)的模糊綜合評(píng)價(jià)方法建立地鐵安全預(yù)警模型，能夠?qū)Φ罔F事件進(jìn)行有效預(yù)警。陳旺等[2]將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入邊坡檢測(cè)中，以動(dòng)態(tài)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系為基礎(chǔ)，結(jié)合層次分析法和模糊數(shù)學(xué)理論，建立邊坡穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)模型。王世雄[3]、齊樂(lè)樂(lè)[4]將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于建筑施工安全管理中，分別利用層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)如何預(yù)防和減少事故發(fā)生和損傷進(jìn)行定性與定量的評(píng)價(jià)。傳統(tǒng)檢測(cè)方法信息封閉，難以互通。筆者通過(guò)分析智慧工程實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而構(gòu)建系統(tǒng)、科學(xué)的綜合評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享模式，為舒適、安全的城市環(huán)境提供有效數(shù)據(jù)，以達(dá)到更實(shí)用的目的。

1 智慧工程實(shí)驗(yàn)室概述

隨著RFID、ZigBee技術(shù)以及傳感器、攝像頭、手機(jī)終端等設(shè)備的大規(guī)模應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)室可以準(zhǔn)確接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。因此，人們將“物聯(lián)設(shè)備”“實(shí)驗(yàn)室”通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)緊密結(jié)合起來(lái)，對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行“智慧化”。建立開放、協(xié)作、具有一定智能分析功能的實(shí)驗(yàn)室綜合信息服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各種信息資源的有效匯集、分析和應(yīng)用功能[5]。

智慧工程實(shí)驗(yàn)室以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，迎合工程建設(shè)質(zhì)量檢測(cè)發(fā)展需求，集智能化管理、遠(yuǎn)程管理、傳感與視頻聯(lián)動(dòng)及能源節(jié)約等功能于一體[6]，采用統(tǒng)一的管理服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)采集、處理和服務(wù)等各環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)共享模式。其較傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室，最大的特點(diǎn)是交互的及時(shí)性、靈活性和準(zhǔn)確性。

2 智慧工程實(shí)驗(yàn)室體系設(shè)計(jì)

智慧工程實(shí)驗(yàn)室框架模型由信息感知層、傳輸層和檢測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用層組建。感知層是構(gòu)建智慧工程實(shí)驗(yàn)室的關(guān)鍵，它主要依靠在試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備上設(shè)置配套的傳感設(shè)備來(lái)實(shí)時(shí)采集各類數(shù)據(jù)信息。通過(guò)傳感器設(shè)備，實(shí)驗(yàn)室中的很多物理變量，如溫度、濕度、距離、壓力、電流等，皆可通過(guò)傳感網(wǎng)絡(luò)，逐層傳遞數(shù)據(jù)[7]。網(wǎng)絡(luò)層作為智慧工程實(shí)驗(yàn)室的中間層，主要借助有線網(wǎng)或無(wú)線網(wǎng)承載數(shù)據(jù)的傳輸，感知層和網(wǎng)絡(luò)層最終服務(wù)于檢測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用層。檢測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用層提供的可靠、快捷、智能的服務(wù)，彰顯實(shí)驗(yàn)室的智慧性[11]。實(shí)驗(yàn)室框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 智慧工程實(shí)驗(yàn)室框架設(shè)計(jì)模型圖Fig.1 Framework design model diagram of intelligent engineering laboratory

3 評(píng)價(jià)方法原理分析

調(diào)查表明，智慧工程實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在以下5個(gè)方面：

1) 建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)室雖在信息系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方面涉及較多，但由于暫未統(tǒng)一建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致各企業(yè)沒(méi)有明確的發(fā)展方向。

2) 物聯(lián)網(wǎng)改造的方式。智能硬件設(shè)備的互聯(lián)智能化效果得益于物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，又受限于其初級(jí)階段狀態(tài)。

3) 綜合管理平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)室綜合管理系統(tǒng)普遍缺失，系統(tǒng)仍有待改善。

4) 有痕追溯。有痕追溯是側(cè)重過(guò)程的追溯，需要大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)時(shí)事件進(jìn)行及時(shí)處理。

5) 數(shù)據(jù)分析。通過(guò)對(duì)零星數(shù)據(jù)的整理分析，研究出一套數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)，以供商業(yè)決策。

基礎(chǔ)設(shè)施是否健全、實(shí)驗(yàn)室開展信息化程度、智能化和信息化的應(yīng)用程度以及其效益情況與決策者、實(shí)施者以及客戶密切相關(guān)。項(xiàng)目評(píng)價(jià)體系的研究始于找到一種客觀可行的評(píng)價(jià)方法。目前國(guó)內(nèi)主要的方法有成功度評(píng)價(jià)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、比較評(píng)價(jià)法、網(wǎng)絡(luò)分析法和AHP法。各評(píng)價(jià)方法都存在不同程度的局限性。模糊層次分析法[8]可為智慧工程實(shí)驗(yàn)室的研究現(xiàn)狀提出較好的科學(xué)依據(jù)，它不僅符合項(xiàng)目的定性分析，而且可用于多層次、多種類的評(píng)價(jià)分析。具體評(píng)價(jià)過(guò)程如下：

1) 確定評(píng)價(jià)對(duì)象，構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)即A={Α1，Α2，…，Αn}。

2) 構(gòu)建判斷矩陣。比例標(biāo)度及其含義見下表1。

表1 比例標(biāo)度及其含義表Table 1 Fuzzy scale and its meaning

3) 確定各層指標(biāo)權(quán)重值。通常采用較為直觀的專家評(píng)價(jià)法，但是當(dāng)專家基數(shù)較少或研究領(lǐng)域重疊較少時(shí)，難以利用基于大樣本數(shù)據(jù)的概率統(tǒng)計(jì)進(jìn)行分析，使得評(píng)價(jià)結(jié)果過(guò)于主觀性。因此，選擇灰色關(guān)聯(lián)度[9]作為輔助，即求每一組數(shù)據(jù)集與最優(yōu)的數(shù)據(jù)集之間的灰色關(guān)聯(lián)度。兩者結(jié)合確定各因素的權(quán)重，具體步驟為

(1) 將n個(gè)專家評(píng)分結(jié)果整理并排序。確立灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)，將專家的打分結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、排序，將其作為比較序列，然后從中選出各個(gè)指標(biāo)的最優(yōu)值作為參考序列，依次計(jì)算兩者的絕對(duì)值，即

(1)

式中：ρ為分辨系數(shù)，在(0，1)內(nèi)取值，一般取0.5；

(2) 確立判斷矩陣，可得

(2)

(3) 計(jì)算最大特征值，即

(3)

(4) 一致性檢驗(yàn)，對(duì)于1～9階判斷矩陣Saaty給出RI值如下表2所示。

表2 RI值表Table 2 RI value table

若CR≤0.1，則表示計(jì)算所得的判斷矩陣具有符合要求的一致性，否則，即要通過(guò)修改判斷矩陣直到符合條件。

4) 確定隸屬度。設(shè)V={v1,v2,…,vn},V代表評(píng)價(jià)等級(jí)的評(píng)語(yǔ)集合，一般把等級(jí)分為3～5個(gè)，從備選集中選出最優(yōu)評(píng)價(jià)的各個(gè)因素，建立隸屬函數(shù)需考慮各項(xiàng)指標(biāo)的變化規(guī)律[10]。當(dāng)指標(biāo)較多時(shí)，必須對(duì)指標(biāo)進(jìn)行細(xì)致的分類，根據(jù)各個(gè)指標(biāo)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的隸屬度矩陣Ri，即

(4)

5) 根據(jù)各指標(biāo)層權(quán)重與隸屬函數(shù)矩陣得出一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)模糊評(píng)價(jià)。

4 浙江交科工程檢測(cè)有限公司綜合評(píng)價(jià)

4.1 建立評(píng)價(jià)模型

為進(jìn)一步推動(dòng)信息化建設(shè)工作，浙江交科工程檢測(cè)有限公司將物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)室建設(shè)管理之中，開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室綜合管理平臺(tái)。以智慧工程實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀為目標(biāo)層，確立3級(jí)指標(biāo)層，并采用電子郵件和實(shí)地調(diào)研的方法，特邀請(qǐng)工程檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室方面的30位專家，這批專家大多數(shù)來(lái)自高校和檢測(cè)局的管理人員。以機(jī)房建設(shè)權(quán)重的計(jì)算過(guò)程為例，計(jì)算步驟為

2) 根據(jù)式(3，4)，最大特征值為λmax=3.08。

表3 指標(biāo)權(quán)重Table 3 Weight of indexes

4) 構(gòu)造隸屬度函數(shù)。將智慧工程實(shí)驗(yàn)室的綜合評(píng)價(jià)分成4個(gè)等級(jí)[11]，即優(yōu)秀v1(85～100分)、良好v2(65～85分)、一般v3(55～65分)、較差v4(0～55分)。通過(guò)對(duì)前人文獻(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行大量統(tǒng)計(jì)，以及咨詢相關(guān)方向的專家，按照4個(gè)等級(jí)對(duì)各級(jí)指標(biāo)進(jìn)行打分，見表4。

表4 專家對(duì)智慧工程實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 Experts’ comprehensive evaluation results on the status quo of the wisdom laboratory

(5)

5) 一級(jí)模糊評(píng)價(jià)。以B1機(jī)房設(shè)置層為例，其模糊關(guān)系矩陣RB1為

得出一級(jí)模糊評(píng)價(jià)結(jié)果為

同理可得B層其他因素評(píng)價(jià)結(jié)果，如表5所示。

表5 一級(jí)模糊評(píng)價(jià)結(jié)果ETable 5 First-order fuzzy evaluation result E

6) 二級(jí)模糊評(píng)價(jià)。構(gòu)造二級(jí)模糊關(guān)系矩陣為

7) 三級(jí)模糊評(píng)價(jià)為

8) 各指標(biāo)層的綜合分值。繪制B層各指標(biāo)得分，如表6所示。B層各項(xiàng)指標(biāo)均可觀，其中供氣設(shè)施、安全設(shè)施、檢測(cè)能力、人員配置、效率和競(jìng)爭(zhēng)力方面均處于“優(yōu)秀”。

表6 B層各指標(biāo)得分Table 6 B-level indicator score

結(jié)合各指標(biāo)層所得分值，得出浙江交科工程檢測(cè)有限公司的智慧工程實(shí)驗(yàn)室綜合分值為76.01，屬于“良好”。通過(guò)評(píng)價(jià)模型基本反應(yīng)出該公司實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)完善，業(yè)務(wù)、管理信息化程度高，經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益顯著，但業(yè)務(wù)檢測(cè)門類偏少，實(shí)驗(yàn)室安防、資產(chǎn)管理、大數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用等方面的建設(shè)有待加強(qiáng)，建議今后在相關(guān)建設(shè)上增加投入。

5 結(jié) 論

智慧工程實(shí)驗(yàn)室是在基于“互聯(lián)網(wǎng)+”和物聯(lián)網(wǎng)的思想上，利用網(wǎng)絡(luò)和智能硬件建設(shè)適用于建設(shè)工程檢測(cè)的智慧工程實(shí)驗(yàn)室。其中心思想是將實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備整合到一個(gè)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)動(dòng)作，達(dá)到信息的交換、提取、共享，讓實(shí)驗(yàn)室更加智能化、人性化、簡(jiǎn)便化。筆者采用灰色模糊理論進(jìn)行評(píng)價(jià)，其權(quán)重的確定是基于確定指標(biāo)原則和專家評(píng)審意見及灰色關(guān)聯(lián)度相綜合的結(jié)果。對(duì)于某些特殊情況，其指標(biāo)權(quán)重或有所改變，如所在市場(chǎng)發(fā)生變化或新政策出臺(tái)等，都需進(jìn)行必要的改動(dòng)以確保評(píng)價(jià)體系的準(zhǔn)確性和可靠性。