丹山攔河閘止水工程系統(tǒng)風(fēng)險評價技術(shù)研究

許林濤

(臨沂市水利水電工程建設(shè)監(jiān)理中心，山東 臨沂 276300)

攔河閘止水工程系統(tǒng)是一種在江河、湖泊周圍修建的，用于防止洪水災(zāi)害的建筑物，主要應(yīng)用于防洪工程體系。在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，起到了維護(hù)河岸經(jīng)濟發(fā)展，提升工農(nóng)業(yè)用水量的作用。隨著近年來經(jīng)濟的迅速發(fā)展，洪水災(zāi)害頻率的增加限制了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展，嚴(yán)重威脅到當(dāng)?shù)鼐用竦娜松戆踩玔1-2]。為了緩解洪水災(zāi)害對于沿河地段居民安全與經(jīng)濟發(fā)展的影響，有必要優(yōu)化攔河閘止水工程系統(tǒng)風(fēng)險分析與評估過程，使用更加先進(jìn)的風(fēng)險評價與控制技術(shù)，為攔河閘止水工程系統(tǒng)風(fēng)險管理與決策提供數(shù)據(jù)來源。

高軍等構(gòu)建了工程項目風(fēng)險演化評價的系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型，并將大型石油工程項目作為研究對象，進(jìn)行驗證。結(jié)果可知，此方法具有一定的使用效果，但對于大型水利工程而言，還需要進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化[3]。魯惠敏等利用層次分析法確定風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重，結(jié)合集對分析的聯(lián)系度理論，運用模糊綜合評價法構(gòu)建了混合風(fēng)險評價模型，此模型使用效果較好但相對數(shù)據(jù)運算量較大，與大型水利工程的適配性較低[4]。針對此情況，在本次研究中將丹山攔河閘止水工程系統(tǒng)作為研究對象，設(shè)計新型風(fēng)險評價技術(shù)，提升止水工程系統(tǒng)的風(fēng)險分析能力與控制能力。

1 系統(tǒng)風(fēng)險評價技術(shù)設(shè)計

本次將采用多種評價方式完成風(fēng)險評價技術(shù)的設(shè)計過程，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)風(fēng)險評價技術(shù)設(shè)計流程

本次研究中將比對目前使用中的多種風(fēng)險評價技術(shù)，總結(jié)出適用于丹山攔河閘止水工程系統(tǒng)的定性、定量評估方式。收集止水工程系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)，利用科學(xué)的統(tǒng)計方法分析其對止水工程系統(tǒng)安全運行的影響程度，并構(gòu)建相應(yīng)的風(fēng)險評價指標(biāo)。通過構(gòu)建風(fēng)險評價模型的方式，對止水工程系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)，全面的風(fēng)險辨識。同時構(gòu)建相應(yīng)的風(fēng)險評價結(jié)果等級劃分制度，以保證風(fēng)險評價結(jié)果的可靠性。

1.1 選取風(fēng)險評價指標(biāo)

在本次研究中，選用主要成分分析法[5-6]作為風(fēng)險評價指標(biāo)選取的主要方法。在風(fēng)險評價指標(biāo)選取的過程中，首先需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除不同類別數(shù)據(jù)之間的差異，實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的對比。設(shè)定采集到的攔河閘止水工程系統(tǒng)風(fēng)險數(shù)據(jù)集合為：

A={aij}nm

(1)

式中，n—原始數(shù)據(jù)個數(shù)；m—預(yù)設(shè)指標(biāo)個數(shù)；aij—第i個原始數(shù)據(jù)的第j個指標(biāo)數(shù)據(jù)值，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理過程可表示為：

(2)

式中，aij′—標(biāo)準(zhǔn)化變換后的數(shù)據(jù)；aij—原始數(shù)據(jù)，且有：

(3)

(4)

根據(jù)上述公式，可得到原始數(shù)據(jù)處理后的相關(guān)系數(shù)矩陣，內(nèi)容如下：

(5)

其中，

(6)

使用上述公式，結(jié)合數(shù)據(jù)迭代原理可得到原始數(shù)據(jù)的特征值，此部分具體計算過程如下：

|U-αI|=0

(7)

(8)

使用此公式對原始數(shù)據(jù)展開計算，當(dāng)計算至第n個指標(biāo)時，其主要成分計算公式可表示為：

(9)

根據(jù)上述公式，可得到風(fēng)險評價指標(biāo)主要構(gòu)成成分的線性組合，具體公式如下：

(10)

通過以上計算過程，確定本次風(fēng)險評價過程中的主要評價指標(biāo)，并根據(jù)指標(biāo)選取結(jié)果構(gòu)建相應(yīng)的評價模型。

1.2 計算評價指標(biāo)權(quán)重

通過文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，在此工程系統(tǒng)的施工過程中，涉及到大量的無量綱化指標(biāo)，為了提高風(fēng)險評價的精準(zhǔn)度，將評價指標(biāo)劃分為正因子與逆因子[7]兩部分，如圖2所示。

圖2 評價指標(biāo)劃分結(jié)果示意圖

根據(jù)上述圖像，將指標(biāo)內(nèi)容變換如下：

正因子指標(biāo)：

(11)

逆因子指標(biāo)：

(12)

由于本次研究中的部分指標(biāo)為雙邊因子，因此將其設(shè)定為區(qū)間型因子，具體表示形式如以下公式所示：

(13)

式中，h—評價指標(biāo)的因子評價值；g—有量綱因子的實際數(shù)值；gmin—有量綱因子的最小值；gmax—有量綱因子的最大值。

根據(jù)丹山攔河閘止水工程數(shù)據(jù)特征，將指標(biāo)權(quán)重計算公式顯示如下：

(14)

根據(jù)盲數(shù)運算法則[8]對指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計算，設(shè)定指標(biāo)權(quán)重計算公式如下：

(15)

根據(jù)上述公式，對評價指標(biāo)體系中的指標(biāo)權(quán)重展開計算，并將其作為評價模型構(gòu)建的基礎(chǔ)。

1.3 構(gòu)建止水工程系統(tǒng)風(fēng)險評價模型

使用上述得到的評價指標(biāo)以及權(quán)重，結(jié)合灰色模糊綜合評價方法[9-10]，構(gòu)建攔河閘止水工程系統(tǒng)風(fēng)險評價模型。設(shè)定止水工程系統(tǒng)的評價因素集合為：

W={w1，w2，…，wi}

(16)

各因素的評價結(jié)果為：

Q={q1，q2，…，qi}

(17)

總評判為直積空間X×Y的灰色模糊關(guān)系R，通過矩陣可將其表示為：

(18)

如果在評價的過程中含有部分未知數(shù)據(jù)，需要估算此數(shù)據(jù)的權(quán)重，則其權(quán)重可表示為：

D={(d1，sm(a1))，(d2，sm(a2))，…，(dn，sm(an))}

(19)

通過上述公式，得到最終的灰色模糊單層次綜合評判結(jié)果，具體計算過程如下：

T=D·R=(D·R，D′·R′)

(20)

根據(jù)此公式結(jié)合“和積法”，將風(fēng)險評價內(nèi)容劃分為經(jīng)濟方向以及安全方向，依照損失率可將其體現(xiàn)為：

(21)

式中，?ijk—經(jīng)濟方向風(fēng)險評估結(jié)果；Eijk—安全方向風(fēng)險評估結(jié)果；CI—一致性指標(biāo)；RI—平均隨機一致性指標(biāo)；CR—一致性比例；n—階數(shù)。

則一致性驗證過程可表示如下：

(22)

(23)

使用上述公式對評價結(jié)果進(jìn)行驗證，并將其結(jié)果作為最終的風(fēng)險評價結(jié)果輸出。至此，丹山攔河閘止水工程系統(tǒng)風(fēng)險評價技術(shù)設(shè)計完成。

2 應(yīng)用實驗分析

2.1 實驗環(huán)境設(shè)計

上文中設(shè)計了止水工程系統(tǒng)風(fēng)險評價技術(shù)，為了證實此技術(shù)具有一定的使用效果，設(shè)定應(yīng)用實驗環(huán)節(jié)對其使用后情況展開分析。為了提高實驗過程中的對比性，選擇兩種當(dāng)前使用中的技術(shù)作為對照組完成實驗對比過程。實驗中為了更好的控制實驗變量，實驗平臺參數(shù)設(shè)定見表1。

表1 實驗平臺設(shè)計

根據(jù)上述參數(shù)，完成實驗平臺的搭建工作，并選擇合適的模擬工具對丹山攔河閘止水工程系統(tǒng)進(jìn)行模擬，以此降低實驗難度，提高實驗處理速度。

2.2 實驗對比內(nèi)容

本次實驗過程中，將獲取丹山攔河閘止水工程系統(tǒng)近一年的運行數(shù)據(jù)作為實驗中所需的數(shù)據(jù)樣本，此部分?jǐn)?shù)據(jù)包含自然環(huán)境數(shù)據(jù)，日常運行模型以及系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)。其中以自然環(huán)境數(shù)據(jù)作為主要的風(fēng)險評價數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)環(huán)境、水文環(huán)境以及自然災(zāi)害情況均作為風(fēng)險評價數(shù)據(jù)。對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后，將其導(dǎo)入新型風(fēng)險評價技術(shù)以及當(dāng)前技術(shù)中，選取風(fēng)險預(yù)警速度、風(fēng)險等級劃分結(jié)果精度以及預(yù)估經(jīng)濟損失情況作為新型風(fēng)險評價技術(shù)以及當(dāng)前技術(shù)的對比對象，通過多次實驗的形式，完成新型風(fēng)險評價技術(shù)與當(dāng)前技術(shù)的對比過程。

2.3 實驗結(jié)果分析

風(fēng)險預(yù)警速度實驗結(jié)果如圖3所示，對圖3分析后可知，新型風(fēng)險評價技術(shù)使用后，風(fēng)險預(yù)警速度得到了明顯的提升，通過研究發(fā)現(xiàn)，新型風(fēng)險評價技術(shù)的計算過程較為簡便，降低了風(fēng)險評價技術(shù)的使用難度，提高了風(fēng)險預(yù)警的反應(yīng)速度。與新型風(fēng)險評價技術(shù)相比，當(dāng)前技術(shù)使用后風(fēng)險預(yù)警速度并未得到相應(yīng)的提升，且實驗中使用的兩種當(dāng)前技術(shù)風(fēng)險預(yù)警速度相對較慢。在相同的時間內(nèi)，當(dāng)前使用技術(shù)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小。綜合上述實驗結(jié)果可知，新型風(fēng)險評價技術(shù)在此指標(biāo)的對比過程中所得實驗結(jié)果最佳。使用新型風(fēng)險評價技術(shù)對于工程系統(tǒng)的管理具有一定的輔助作用。

圖3 風(fēng)險預(yù)警速度實驗結(jié)果

在本次實驗過程中，將風(fēng)險等級劃分結(jié)果精度體現(xiàn)為風(fēng)險等級劃分后，每一等級之間的數(shù)據(jù)差異大小，如圖4所示。對圖4進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，新型風(fēng)險評價技術(shù)的風(fēng)險等級劃分結(jié)果精度更高且更加精準(zhǔn)。新型風(fēng)險評價技術(shù)將風(fēng)險評價結(jié)果分為5級，每一等級之間具有明顯的差異。當(dāng)前方法將風(fēng)險等級劃分為3級與4級，等級之間的差異性較小，無法對工程系統(tǒng)的風(fēng)險展開全面的分析與及時的預(yù)警。因此，在日后的研究中應(yīng)多使用新型風(fēng)險評價技術(shù)對丹山攔河閘止水工程進(jìn)行分析。

圖4 風(fēng)險等級劃分結(jié)果精度實驗結(jié)果

在指標(biāo)對比過程中，為降低實驗數(shù)據(jù)的獲取難度，將其轉(zhuǎn)化為風(fēng)險評價技術(shù)使用后可造成經(jīng)濟損失最小值與最大值，通過數(shù)據(jù)對比的形式，研究新型風(fēng)險評價技術(shù)與當(dāng)前技術(shù)的使用差異，見表2。對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后可知，新型風(fēng)險評價技術(shù)使用后，造成的經(jīng)濟損失為3種實驗技術(shù)中最低值，可有效控制工程系統(tǒng)的經(jīng)濟風(fēng)險。與新型風(fēng)險評價技術(shù)相比，當(dāng)前使用技術(shù)對于風(fēng)險中的經(jīng)濟損失控制無法提供較好的輔助作用。因此，根據(jù)上述實驗結(jié)果可知，新型風(fēng)險評價技術(shù)的使用效果更佳。

表2 預(yù)估經(jīng)濟損失情況分析

綜合風(fēng)險預(yù)警速度實驗結(jié)果、風(fēng)險等級劃分結(jié)果精度實驗結(jié)果以及預(yù)估經(jīng)濟損失情況分析結(jié)果可知，新型風(fēng)險評價技術(shù)的設(shè)計具有科學(xué)性與可行性，在日后的研究中可使用此技術(shù)對工程系統(tǒng)的風(fēng)險情況進(jìn)行實時監(jiān)測，以保證當(dāng)?shù)厝罕姷娜松砼c財產(chǎn)安全。

3 結(jié)語

在本次研究中，使用主要成分分析法選取風(fēng)險評價指標(biāo)，將評價指標(biāo)劃分為正因子與逆因子兩部分，計算評價指標(biāo)權(quán)重。使用灰色模糊綜合評價方法，構(gòu)建了攔河閘止水工程系統(tǒng)風(fēng)險評價模型。應(yīng)用新型風(fēng)險評價技術(shù)對于丹山攔河閘止水工程系統(tǒng)的運行情況進(jìn)行分析，控制丹山攔河閘止水工程系統(tǒng)的日常運行。新型風(fēng)險評價技術(shù)對工程系統(tǒng)的風(fēng)險情況進(jìn)行實時監(jiān)測，可以保證當(dāng)?shù)厝罕姷娜松砼c財產(chǎn)安全。但本次研究中提出的評價技術(shù)在一定程度上還存在著不足，在日后的研究中，應(yīng)多使用新型風(fēng)險評價技術(shù)進(jìn)行分析，提升此技術(shù)的使用效果。