基于改進(jìn)的模糊層次分析法的渡槽安全狀態(tài)評(píng)價(jià)

冷光輝，李勇，徐浩鑫，詹光菊，闞飛，盧鑫*

(1.四川省都江堰水利發(fā)展中心東風(fēng)渠管理處，成都，610081；2.成都賽零信息技術(shù)開發(fā)有限公司，成都，610041；3.四川省水利科學(xué)研究院，成都，610072)

1 引言

在古代人們鑿木為槽，用以灌溉作物，是渡槽的早期呈現(xiàn)方式。隨著歷史的發(fā)展，我國(guó)在許多水利工程中應(yīng)用渡槽進(jìn)行輸引水，各具特色的渡槽不斷涌現(xiàn)與發(fā)展。隨著不同地區(qū)、不同規(guī)模灌區(qū)建設(shè)的不斷發(fā)展，大至南水北調(diào)、引灤入秦、引大入秦等跨流域、跨省區(qū)的調(diào)水工程的建設(shè)，小至田間地頭的引水截流，渡槽在我國(guó)發(fā)揮了重要作用。這一時(shí)期修建的渡槽輸水流量也不斷增大，跨線不斷加長(zhǎng)，極大地促進(jìn)了渡槽結(jié)構(gòu)型式的改進(jìn)與創(chuàng)新[1]。

渡槽建成后，投入運(yùn)行過程中，在負(fù)載、變化的環(huán)境相互作用下，不可避免會(huì)產(chǎn)生損壞和老化。早期設(shè)計(jì)的渡槽，因局限于固有的認(rèn)知、不完善的規(guī)范、欠周詳?shù)脑O(shè)計(jì)、落后的技術(shù)等造成渡槽建筑物在建成之初就存在問題。在運(yùn)行年限累加、環(huán)境條件變化以及后期維護(hù)存在問題等諸多不利因素的綜合作用下，大部分渡槽會(huì)出現(xiàn)不同程度的安全隱患，需要定期對(duì)渡槽進(jìn)行安全鑒定。

目前，已有大量的學(xué)者在渡槽安全狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)、評(píng)價(jià)方式及算法研究等方面做了深入研究。其中，張文劍等[2]采用層次分析法對(duì)渡槽安全狀態(tài)進(jìn)行了安全評(píng)價(jià)的論述，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和層次分析法針對(duì)在役渡槽的健康狀態(tài)構(gòu)建了模糊綜合評(píng)價(jià)模型；夏富洲等[3]采用了基于模糊綜合評(píng)估和變權(quán)理論的渡槽安全狀態(tài)評(píng)估方法；郭瑞等[4]采用了改進(jìn)的模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)渡槽風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)；王夢(mèng)雅等[5]提出了一種可拓評(píng)價(jià)方法，定性和定量地對(duì)渡槽老化變形進(jìn)行研究；劉尚昆[6]采用AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)渡槽結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

基于現(xiàn)狀，本文根據(jù)已有研究成果，針對(duì)東風(fēng)渠灌區(qū)既有渡槽監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系，結(jié)合灌區(qū)的實(shí)際業(yè)務(wù)指標(biāo)，計(jì)算渡槽安全評(píng)價(jià)中各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，構(gòu)建基于改進(jìn)的模糊層次分析法的渡槽安全評(píng)價(jià)模型，評(píng)價(jià)渡槽的安全狀態(tài)，并對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證，以驗(yàn)證其適用性、合理性。

2 模糊層次分析法評(píng)價(jià)步驟

模糊綜合評(píng)價(jià)是通過構(gòu)造等級(jí)模糊子集把反映被評(píng)事物的模糊指標(biāo)進(jìn)行量化(即確定隸屬度)，再采用層次分析法(AHP)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相對(duì)重要性次序，從而確定權(quán)重系數(shù)，并且在合成之前歸一化[7-8]。

2.1 確定因素集U

因素集即為評(píng)價(jià)對(duì)象的指標(biāo)集，P個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，u={u1，u2，……，up}。

根據(jù)《東風(fēng)渠灌區(qū)水利工程全方位安全監(jiān)測(cè)導(dǎo)則》[9]，結(jié)合東風(fēng)渠灌區(qū)的工程實(shí)際情況，劃分基礎(chǔ)評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中一級(jí)指標(biāo)包括：變形監(jiān)測(cè)、滲流監(jiān)測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測(cè)、環(huán)境量監(jiān)測(cè)；二級(jí)指標(biāo)包括：水平位移、垂直位移、撓度、接縫開合度、舌頭壓力、側(cè)向繞滲、鋼筋應(yīng)力、土壓力、錨索預(yù)應(yīng)力等。具體指標(biāo)見圖1所示。

圖1 評(píng)價(jià)指標(biāo)層次分析體系

2.2 確定判斷集V

判斷集v={v1，v2，……，vp}，即評(píng)判的等級(jí)集合。

根據(jù)日常需要及渡槽工程實(shí)際情況，將各等級(jí)指標(biāo)分為4個(gè)等級(jí)：{a類，b類，c類，d類}。

2.3 進(jìn)行單因素評(píng)判，確定隸屬度

對(duì)因素集U中的單因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定渡槽工程對(duì)應(yīng)的等級(jí)模糊子集的隸屬度(R|ui)，得到評(píng)價(jià)指標(biāo)U到評(píng)價(jià)等級(jí)Ⅴ的模糊映射，形成矩陣：

其中，矩陣R中第i行第j列元素rij，表示某個(gè)渡槽建筑從指標(biāo)集ui對(duì)于評(píng)價(jià)集vj的模糊子集的隸屬度。

2.4 確定評(píng)價(jià)因素的權(quán)重，對(duì)評(píng)判集進(jìn)行數(shù)值化或歸一化處理

駱正清等[10]對(duì)AHP法中的不同標(biāo)度進(jìn)行保序性、一致性、均勻性、可記憶性、可感知性等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行不同標(biāo)度研究后，得出結(jié)論：對(duì)單一準(zhǔn)則下的排序，建議使用1～9標(biāo)度確定權(quán)值；對(duì)精度要求較高的多準(zhǔn)則下排序問題，建議使用基于自然指數(shù)e0/4～e8/4或e0/5～e8/5的標(biāo)度確定權(quán)值。本文采用e0/4～e8/4標(biāo)度確定主觀權(quán)重，如表1所示。

表1 不同標(biāo)度的含義

此外，e1/4，e3/4，e5/4，e7/4表示第i個(gè)因素相對(duì)于第j個(gè)因素的重要性介于上述兩個(gè)相鄰等級(jí)之間。形成判斷矩陣A=(aij)n×n，用aij表示第i個(gè)因素相對(duì)于第j個(gè)因素的重要性，其中：

矩陣A的最大特征值λmax對(duì)應(yīng)的特征值向量經(jīng)過數(shù)值化和歸一化處理后記為：

2.5 計(jì)算綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量

利用合適的算法將判斷矩陣A與模糊矩陣R進(jìn)行計(jì)算，得到被評(píng)價(jià)渡槽對(duì)象的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量B。即：

=(b1,b2,……,bm)=B

其中，b1是由A與R的第j列通過矩陣運(yùn)算得到的，它表示被評(píng)價(jià)對(duì)蔡對(duì)評(píng)價(jià)集Vj的模糊子集的隸屬程度。

2.6 作出評(píng)價(jià)

針對(duì)計(jì)算出的綜合評(píng)判值，采用最大隸屬度原則做出評(píng)價(jià)。實(shí)際工作中最常用的最大隸屬度原則會(huì)造成部分信息損失，在某些情況下使用導(dǎo)致結(jié)果失真，得出不合理的評(píng)價(jià)值。本文提出使用加權(quán)平均求隸屬度的方法，對(duì)多個(gè)被評(píng)事物，可根據(jù)相應(yīng)加權(quán)值排序處理后，得出有效合理的評(píng)價(jià)。

3 實(shí)例應(yīng)用

通過對(duì)渡槽工程進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，可以確定渡槽工程對(duì)應(yīng)的安全等級(jí)，及時(shí)分析該工程的安全狀態(tài)，提前作出干預(yù)，保證安全。本文通過渡槽工程的變形監(jiān)測(cè)、滲流監(jiān)測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、環(huán)境量監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)，分析工程的運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)；本文通過改進(jìn)的模糊層次分析法，預(yù)測(cè)工程的安全等級(jí)，確保能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)措施，防止安全事故的發(fā)生，保障渡槽工程的安全運(yùn)行。

3.1 工程概況

根據(jù)《東風(fēng)渠新南干渠渡槽復(fù)核設(shè)計(jì)報(bào)告》中工程調(diào)查資料，黎家溝渡槽工程區(qū)地形、地貌、地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，由左右兩個(gè)渡槽組成，渡槽間距3.1m，進(jìn)口魚嘴高度3.2m，進(jìn)出口由分水魚嘴銜接，出口魚嘴高度3.2m。設(shè)計(jì)流量為20m3/s～100m3/s，主要建筑物級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物級(jí)別為4級(jí)。本工程設(shè)計(jì)流量為50m3/s，渡槽建筑物級(jí)別確定為3級(jí)。

圖2 渡槽立面斷面

根據(jù)《渡槽安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》[11]，渡槽工程病險(xiǎn)類別劃分為四類。一類工程：運(yùn)用指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，工程可正常運(yùn)行；二類工程：運(yùn)用指標(biāo)基本達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，無影響工程正常運(yùn)行的缺陷，常規(guī)維修養(yǎng)護(hù)可正常運(yùn)行；三類工程：運(yùn)用指標(biāo)達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，存在影響工程正常運(yùn)行的缺陷，經(jīng)加固改造可正常運(yùn)行；四類工程：運(yùn)用指標(biāo)無法達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，工程的功能喪失或顯著降低，需降低標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用、改建或報(bào)廢重建。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)確認(rèn)[9]

表2 一級(jí)和二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.3 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

本文將渡槽監(jiān)測(cè)分為變形監(jiān)測(cè)、滲流監(jiān)測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變及溫度、環(huán)境量監(jiān)測(cè)4個(gè)一級(jí)分類，構(gòu)造一級(jí)分類的模糊判斷矩陣A1。

表3 一級(jí)分類模糊判斷矩陣

設(shè)一級(jí)分類權(quán)重向量W1=(ω1，ω2，ω3，ω4)。

表4 輔助矩陣

求解出特征向量為：

歸一化后權(quán)重向量為：W1=(0.082,0.142,0.340,0.436)。

同理，根據(jù)改進(jìn)的模糊層次分析法得到底層監(jiān)測(cè)指標(biāo)的權(quán)重，A1-A4優(yōu)化權(quán)重分別為0.313，0.304，0.201，0.182；B1-B2優(yōu)化權(quán)重分別為0.582，0.418；C1-C5優(yōu)化權(quán)重分別為0.289，0.232，0.260，0.073，0.146；D1-D4優(yōu)化權(quán)重分別為0.301，0.282，0.134，0.283。

3.4 確定底層指標(biāo)評(píng)價(jià)矩陣

根據(jù)渡槽的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)及渡槽的實(shí)際運(yùn)行狀況，邀請(qǐng)多位專家對(duì)底層各個(gè)指標(biāo)的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，得出各個(gè)指標(biāo)的隸屬度。用v={A,B,C,D}表示4個(gè)安全等級(jí)。

表5 基層指標(biāo)隸屬度矩陣

根據(jù)各指標(biāo)權(quán)重向量及指標(biāo)隸屬度矩陣，可求得目標(biāo)矩陣R：

B=W1·R=(0.151，0.476，0.337，0.036)

根據(jù)最大隸屬度原則，可知該渡槽屬于Ⅱ類工程。該渡槽在2018年的安全類別評(píng)定為二類，與本文結(jié)論一致。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)變形監(jiān)測(cè)、滲流監(jiān)測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變及溫度、環(huán)境量監(jiān)測(cè)等指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，采用基于自然指數(shù)e0/4～e8/4標(biāo)度的改進(jìn)模糊綜合評(píng)價(jià)法，對(duì)渡槽工程的安全狀態(tài)進(jìn)行鑒定，對(duì)不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的主觀權(quán)重和客觀權(quán)重進(jìn)行優(yōu)化，使得各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重分配更加符合實(shí)際需要。不同于單因素評(píng)價(jià)的方式，采用改進(jìn)的模糊綜合評(píng)價(jià)法結(jié)合了實(shí)際運(yùn)行過程中的各因素，更能真實(shí)反映渡槽工程的安全狀態(tài)。本文所得鑒定結(jié)果與該工程實(shí)際安全鑒定結(jié)果一致，為渡槽工程的安全狀態(tài)評(píng)價(jià)提供了一種有效可行的解決方法。