基于云模型的泵站現(xiàn)代化管理綜合評(píng)價(jià)

王 鑫，徐鈺德，趙志宏，胡小萌

（1.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.河南省水工結(jié)構(gòu)安全工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450046）

建設(shè)泵站工程是解決區(qū)域干旱缺水、洪澇災(zāi)害以及水資源短缺的有效措施，其在農(nóng)田灌溉、城市供水和排澇排污等方面發(fā)揮了極大作用［1］。 隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)泵站現(xiàn)代化管理理念、建筑物運(yùn)行安全評(píng)價(jià)等方面做了大量研究工作。 例如：王芳［2］以江蘇省大套一站為研究對(duì)象，基于泵站運(yùn)行狀態(tài)、技術(shù)運(yùn)行狀態(tài)等層面構(gòu)建了適用于大中型提水泵站的復(fù)合型評(píng)價(jià)指標(biāo)體系以及多級(jí)模糊評(píng)價(jià)系統(tǒng)；呂淑然等［3］基于事故致因理論構(gòu)建泵站運(yùn)行安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度分析法和網(wǎng)絡(luò)層次分析法對(duì)南水北調(diào)中線某大型泵站運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際狀態(tài)一致，驗(yàn)證了該方法的有效性。 然而，已有研究針對(duì)泵站現(xiàn)代化管理評(píng)價(jià)主要集中于設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、技術(shù)性能以及經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)等方面，忽略了對(duì)泵站系統(tǒng)的整體考慮，泵站現(xiàn)代化管理評(píng)價(jià)還應(yīng)包括管理體制先進(jìn)性、管控技術(shù)信息化以及管理組織現(xiàn)代化等方面。 由于影響泵站現(xiàn)代化管理評(píng)價(jià)的指標(biāo)眾多，同時(shí)防汛調(diào)度科學(xué)度、綠化管理程度、運(yùn)行管理程度等指標(biāo)具有一定的模糊性，因此很難實(shí)現(xiàn)泵站現(xiàn)代化管理水平的綜合評(píng)價(jià)。

本文從泵站管理規(guī)范化、基建設(shè)施完善度等6 個(gè)方面劃分系統(tǒng)層，選取32 個(gè)要素層評(píng)價(jià)指標(biāo)，引入多個(gè)獨(dú)立等級(jí)浮動(dòng)云集成廣義綜合云，采用CM-AHP 法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)主觀賦權(quán)并結(jié)合“黃金分割率”對(duì)指標(biāo)進(jìn)行兩兩重要性評(píng)判，采用云生成法對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行描述后確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云模型，將得到的評(píng)價(jià)矩陣與權(quán)重矩陣相乘得到綜合評(píng)價(jià)云模型，通過(guò)云發(fā)生器原理對(duì)定性概念進(jìn)行定量化揭示并在云圖中進(jìn)行可視化表達(dá)，運(yùn)用此模型對(duì)江蘇省南通市九圩港提水泵站現(xiàn)代化管理水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 泵站現(xiàn)代化管理綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

以泵站現(xiàn)代化管理的內(nèi)涵和目標(biāo)為導(dǎo)向，將泵站現(xiàn)代化管理綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系劃分為目標(biāo)層、系統(tǒng)層、要素層以及評(píng)語(yǔ)層。 從管理規(guī)范化、基建設(shè)施完善度、管理信息化、應(yīng)急處理能力、環(huán)境衛(wèi)生管理以及水壓水量水質(zhì)達(dá)標(biāo)管理這6 個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)層進(jìn)行劃分［4-6］，結(jié)合泵站系統(tǒng)的實(shí)際特點(diǎn)并征集專(zhuān)家意見(jiàn)，篩選出32個(gè)要素層指標(biāo)［7-8］，所構(gòu)建的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見(jiàn)圖1。 進(jìn)一步對(duì)要素層指標(biāo)進(jìn)行量化分級(jí)，見(jiàn)表1。

表1 要素層指標(biāo)量化分級(jí)

圖1 各系統(tǒng)層對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)

2 研究方法

2.1 云模型

云模型可用于處理評(píng)價(jià)過(guò)程中指標(biāo)的模糊性、隨機(jī)性問(wèn)題［9-11］，其特性主要由Ex（期望）、En（熵）、He（超熵）這3 個(gè)云參數(shù)來(lái)表征，其中：Ex反映云滴群的重心；En反映云滴的離散程度；He反映云滴的厚度。正態(tài)云模型數(shù)字特征見(jiàn)圖2。

圖2 正態(tài)云模型數(shù)字特征

針對(duì)泵站現(xiàn)代化管理綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各指標(biāo)之間關(guān)聯(lián)性相對(duì)較弱的問(wèn)題，可引入多個(gè)獨(dú)立等級(jí)浮動(dòng)云集成廣義綜合云。設(shè)在論域U上有m朵等級(jí)浮動(dòng)云Y1（Ex1，En1，He1），Y2（Ex2，En2，He2），…，Ym（Exm，Enm，Hem） ，集合生成廣義綜合云（Ex，En，He）來(lái)反映各等級(jí)浮動(dòng)云之間的空白值，廣義綜合云參數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：Exg為第g朵等級(jí)浮動(dòng)云的期望；Eng為第g朵等級(jí)浮動(dòng)云的熵；Heg為第g朵等級(jí)浮動(dòng)云的超熵；ag為第g朵等級(jí)浮動(dòng)云的權(quán)重。

在云模型中，通過(guò)云發(fā)生器（正向與逆向）來(lái)實(shí)現(xiàn)定量數(shù)值到定性概念的轉(zhuǎn)換，云發(fā)生器基于模糊理論以及正態(tài)分布理論，以MATLAB 為技術(shù)平臺(tái)，以云圖形式對(duì)綜合云進(jìn)行可視化表達(dá)，若云滴x服從正態(tài)分布N（Ex，En2），則x與定性因素L之間的關(guān)聯(lián)度μ（x）表達(dá)如下：

2.2 CM-AHP 法主觀賦權(quán)

采用CM-AHP 法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)主觀賦權(quán)［12］，即將云模型與傳統(tǒng)AHP 標(biāo)度法進(jìn)行耦合，基于云集結(jié)算法對(duì)多個(gè)指標(biāo)評(píng)判結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)判，一定程度上避免了評(píng)判過(guò)程的主觀性與絕對(duì)性［13-14］，同時(shí)結(jié)合“黃金分割率”得到指標(biāo)兩兩重要性標(biāo)度，見(jiàn)表2。

表2 指標(biāo)兩兩重要性標(biāo)度

基于云模型構(gòu)建指標(biāo)兩兩重要性判斷矩陣，對(duì)矩陣中對(duì)角線的倒數(shù)標(biāo)度Eij進(jìn)行計(jì)算，公式為

進(jìn)一步計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重（Exi，Eni，Hei） ，公式為

式中：i、j分別為評(píng)價(jià)矩陣行、列序號(hào)。

2.3 構(gòu)建評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云模型

泵站現(xiàn)代化管理綜合評(píng)價(jià)中確立評(píng)語(yǔ)集是實(shí)現(xiàn)定性評(píng)價(jià)到定量化揭示的關(guān)鍵，針對(duì)評(píng)價(jià)過(guò)程中存在的指標(biāo)模糊性問(wèn)題，運(yùn)用云生成法對(duì)這些定性指標(biāo)進(jìn)行描述，采用單因素法建立泵站現(xiàn)代化管理水平評(píng)語(yǔ)集，把指標(biāo)劃分為“差Ⅰ、較差Ⅱ、中等Ⅲ、較好Ⅳ、好Ⅴ”，表述為D=｛Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅲ｝ =｛差，較差，中等，較好，好｝，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云模型。 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云模型中等級(jí)浮動(dòng)云特征參數(shù)見(jiàn)表3，泵站現(xiàn)代化管理等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云圖見(jiàn)圖3。

表3 等級(jí)浮動(dòng)云特征參數(shù)

圖3 泵站現(xiàn)代化管理等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云圖

2.4 確定綜合評(píng)價(jià)云模型

針對(duì)32 個(gè)泵站現(xiàn)代化管理綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合指標(biāo)量化分級(jí)表和專(zhuān)家打分結(jié)果，構(gòu)造含有32 個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云模型的評(píng)價(jià)矩陣V：

式中：Ci為第i個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的管理水平等級(jí)（i=1，2，…，32）

綜合評(píng)價(jià)云模型由評(píng)價(jià)矩陣V與權(quán)重矩陣W相乘得出：

3 實(shí)例分析

3.1 提水泵站概況

江蘇省南通市九圩港提水泵站位于九圩港入江口段的九圩港閘西側(cè)，該泵站工程規(guī)模為大（2）型，泵站安裝有5 臺(tái)套豎井貫流式機(jī)組，水泵葉輪直徑為3.25 m，泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程為4.50 m，單機(jī)設(shè)計(jì)流量為30 m3／s，所配套電機(jī)功率為1250 kW，總裝機(jī)功率為6250 kW。 該泵站兼具引水、灌溉和供水等功能，通過(guò)引長(zhǎng)江水來(lái)滿足南通地區(qū)居民生產(chǎn)生活和沿海灘涂開(kāi)發(fā)用水需求，有效緩解了南通地區(qū)干旱年份水資源供需矛盾。

3.2 指標(biāo)權(quán)重的求解

首先對(duì)九圩港提水泵站運(yùn)行狀況進(jìn)行數(shù)據(jù)收集及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，共聘請(qǐng)3 名專(zhuān)家、4 名管理人員以及3 名灌區(qū)日常運(yùn)行工作人員并成立評(píng)判小組，對(duì)要素層指標(biāo)進(jìn)行兩兩重要性評(píng)判；再通過(guò)等級(jí)浮動(dòng)云集成專(zhuān)家評(píng)判語(yǔ)言，得到判斷矩陣并對(duì)矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)；最后得到各指標(biāo)權(quán)重，見(jiàn)表4。

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

為確定CM-AHP 法賦權(quán)的云模型評(píng)價(jià)法的可行性，結(jié)合泵站實(shí)地調(diào)查資料和統(tǒng)計(jì)資料，根據(jù)專(zhuān)家評(píng)判結(jié)果確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的云特征值，見(jiàn)表5。

表5 評(píng)價(jià)指標(biāo)云特征值

3.3 綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)公式（8）將要素層評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)矩陣和權(quán)重矩陣相乘得到泵站現(xiàn)代化管理綜合評(píng)價(jià)云模型R=［0.7674，0.0733，0.0094］，通過(guò)正向云發(fā)生器得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果云圖，見(jiàn)圖4?？梢钥闯觯袍赘厶崴谜粳F(xiàn)代化管理水平介于“Ⅳ（較好）”和“Ⅴ（好）”之間，更貼近于“Ⅳ（較好）”級(jí)，且云滴分布較為集中，表明九圩港提水泵站現(xiàn)代化管理綜合評(píng)價(jià)結(jié)果與預(yù)期評(píng)價(jià)結(jié)果的偏差較小，同時(shí)綜合評(píng)價(jià)云模型的熵和超熵?cái)?shù)值均較小，反映了評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定度和離散程度較低，評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度較高。

圖4 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果云圖

通過(guò)對(duì)九圩港提水泵站實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，其管理制度比較健全，機(jī)構(gòu)設(shè)置比較規(guī)范，制度執(zhí)行力和泵站運(yùn)行監(jiān)管力較強(qiáng)；通過(guò)人才培訓(xùn)增強(qiáng)管理人員專(zhuān)業(yè)性，提升了泵站基建設(shè)施設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的規(guī)范性；利用信息化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泵站運(yùn)行狀態(tài)，能夠?qū)Ρ谜具\(yùn)行中出現(xiàn)的故障做出快速反應(yīng)和處理；通過(guò)環(huán)境治理與管理，泵站衛(wèi)生狀況得到改善。 以上情況表明該提水泵站實(shí)際管理狀態(tài)較好，整體運(yùn)行管理水平較高。 由綜合評(píng)價(jià)結(jié)果可知，九圩港提水泵站現(xiàn)代化管理水平屬于較高級(jí)別，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果基本符合研究區(qū)實(shí)際管理水平，說(shuō)明此模型在泵站運(yùn)行管理水平評(píng)估中具有較高的可靠性。

4 結(jié)論

（1）以目標(biāo)、系統(tǒng)、要素、評(píng)語(yǔ)4 個(gè)層面為核心，構(gòu)建泵站系統(tǒng)現(xiàn)代化管理綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；通過(guò)建立云模型并引入浮動(dòng)云概念，實(shí)現(xiàn)了等級(jí)浮動(dòng)云與綜合評(píng)價(jià)云的數(shù)量級(jí)轉(zhuǎn)化，避免了單一隸屬關(guān)系形成的弊端；通過(guò)將云模型與傳統(tǒng)AHP 法進(jìn)行耦合，弱化了專(zhuān)家評(píng)判的主觀性，確保了權(quán)重計(jì)算結(jié)果具有較強(qiáng)的客觀性，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加可信。

（2）基于所構(gòu)建的評(píng)價(jià)模型對(duì)九圩港提水泵站現(xiàn)代化管理水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示綜合評(píng)價(jià)云模型R=［0.7674，0.0733，0.0094］，表明泵站系統(tǒng)現(xiàn)代化管理水平介于“Ⅳ（較好）”和“Ⅴ（好）”之間，熵和超熵?cái)?shù)值較小，表明評(píng)價(jià)結(jié)果波動(dòng)性小，能夠反映泵站系統(tǒng)實(shí)際現(xiàn)代化管理水平。