基于組合賦權(quán)云模型的水利信息系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)

劉 英 杰，李 光 輝，馬 銳 鑫

(1.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046； 2.水資源高效利用與保障工程河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450046； 3.河南省水環(huán)境模擬與治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450046)

0 引 言

近年來，水利信息化快速發(fā)展，推動(dòng)傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利轉(zhuǎn)變[1]。水利信息系統(tǒng)作為水利信息化在水利行業(yè)的表現(xiàn)形式，利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等多種技術(shù)，建成了各種集信息管理、資源共享、技術(shù)支持等多功能的綜合型水利數(shù)據(jù)中心，推動(dòng)了水利現(xiàn)代化、智慧化進(jìn)程，適應(yīng)了現(xiàn)代水利信息化可持續(xù)發(fā)展的需求，實(shí)現(xiàn)了效益最大化[2]。目前，水利信息系統(tǒng)內(nèi)容在水利行業(yè)的多個(gè)方面有所應(yīng)用，涉及到水資源調(diào)度[3-4]、移民工作安置[5-6]、水質(zhì)監(jiān)測(cè)[7]、生態(tài)環(huán)境管理[8]等多個(gè)領(lǐng)域。隨著業(yè)務(wù)范圍的不斷擴(kuò)展，對(duì)信息系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量、穩(wěn)定性要求也越來越高，水利信息系統(tǒng)運(yùn)行可靠性不僅關(guān)系到水利工作的正常進(jìn)行，對(duì)水利現(xiàn)代化建設(shè)也有一定的推動(dòng)作用。因此，對(duì)水利信息系統(tǒng)運(yùn)行可靠性進(jìn)行合理評(píng)估顯得尤為必要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水利信息系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性展開了大量研究。Solhee等[9]對(duì)農(nóng)水信息系統(tǒng)的安全運(yùn)行進(jìn)行研究分析，并識(shí)別出系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，提出針對(duì)性建議。劉子龍等[10]對(duì)水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)特性進(jìn)行研究分析，從數(shù)據(jù)采集精度、通信及數(shù)據(jù)傳輸可靠性、水文預(yù)報(bào)精度3個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。賀挺等[11]采用AHP法和SPA法對(duì)水利業(yè)務(wù)系統(tǒng)的安全性進(jìn)行綜合評(píng)估。付靜等[12]分析了水利信息系統(tǒng)運(yùn)行存在的主要問題，并在此基礎(chǔ)上提出維護(hù)措施。水利信息系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，由于人為、自然等因素的影響，產(chǎn)生的實(shí)體問題是危及系統(tǒng)安全運(yùn)行的主要問題來源。基于此，本文以水利信息系統(tǒng)運(yùn)行可靠為目標(biāo)，從運(yùn)行環(huán)境、硬件、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件、人為因素4個(gè)方面分析系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，并借鑒以往的研究工作提出了基于云模型的系統(tǒng)運(yùn)行可靠性評(píng)價(jià)模型，對(duì)評(píng)價(jià)信息實(shí)現(xiàn)定量與定性的相互轉(zhuǎn)換。應(yīng)用該模型對(duì)一個(gè)供水工程決策支持系統(tǒng)運(yùn)行可靠性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，以期為水利信息系統(tǒng)運(yùn)行可靠性評(píng)價(jià)提供實(shí)質(zhì)性幫助。

1 運(yùn)行可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

若要對(duì)水利信息系統(tǒng)運(yùn)行可靠性進(jìn)行有效評(píng)估，必須建立符合其特性的指標(biāo)體系。中國(guó)于2015年發(fā)布了《水利信息系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)規(guī)范》，對(duì)水利信息系統(tǒng)的物理環(huán)境、信息采集設(shè)施、主機(jī)等基礎(chǔ)設(shè)施和水資源管理、水利工程管理等業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)維管理，并根據(jù)具體指標(biāo)定期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行安全性評(píng)估。王文義[13]從系統(tǒng)的接地、環(huán)境溫度和濕度及電源問題等方面對(duì)影響水利調(diào)度系統(tǒng)可靠運(yùn)行的環(huán)境因素進(jìn)行研究分析。周維續(xù)[14]將影響水利信息系統(tǒng)安全的因素劃分為物理層、網(wǎng)絡(luò)層、主機(jī)系統(tǒng)層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層和安全管理等6個(gè)層次。李柳[15]對(duì)影響工程運(yùn)行調(diào)度的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析，認(rèn)為應(yīng)用軟件和硬件設(shè)備設(shè)施能夠正常使用是自動(dòng)化系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。蔡陽(yáng)[16]構(gòu)建了包含采集監(jiān)控層、支撐層、應(yīng)用層、門戶層等4個(gè)層次的水利信息系統(tǒng)運(yùn)行保障平臺(tái)，提高了信息系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。翟宜峰等[17]結(jié)合水量調(diào)度運(yùn)行管理特點(diǎn)，將水利自動(dòng)化系統(tǒng)分為應(yīng)用系統(tǒng)、應(yīng)用支撐平臺(tái)、基礎(chǔ)設(shè)施、組織管理、技術(shù)保障等5部分。嚴(yán)升等[18]認(rèn)為了解水利自動(dòng)化系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和設(shè)備的運(yùn)行特征、掌握系統(tǒng)的工作原理能夠更好地保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。以上研究多從水利信息系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)出發(fā)研究系統(tǒng)運(yùn)行可靠性問題，卻忽略了人為因素、運(yùn)行流程失誤等對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行造成的影響。根據(jù)Gartner Group的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，流程和人員才是造成信息系統(tǒng)運(yùn)行故障的主要原因[19]。

本文基于以上研究，依據(jù)水利信息系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)地調(diào)研情況，構(gòu)建起水利信息系統(tǒng)運(yùn)行可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。評(píng)價(jià)體系分為準(zhǔn)則層、目標(biāo)層、狀態(tài)層3層。準(zhǔn)則層包括運(yùn)行環(huán)境、硬件、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件、人為因素4個(gè)部分。目標(biāo)層由各個(gè)部分包含的具體指標(biāo)構(gòu)成，其中運(yùn)行環(huán)境分為機(jī)房環(huán)境、綜合布線；硬件分為UPS系統(tǒng)、機(jī)柜系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、傳感器、安防系統(tǒng)、通信系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件分為操作系統(tǒng)、業(yè)務(wù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；人為因素分為人員素質(zhì)、技能水平、操作經(jīng)驗(yàn)。目標(biāo)層指標(biāo)又可根據(jù)結(jié)構(gòu)的功能要求進(jìn)行詳細(xì)劃分，構(gòu)成系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的狀態(tài)層。具體指標(biāo)見圖1。

圖1 水利信息系統(tǒng)運(yùn)行可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Operation reliability evaluation index system of water conservancy information system

1.2 狀態(tài)層指標(biāo)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

采用定性語言值對(duì)狀態(tài)層指標(biāo)的具體性狀進(jìn)行描述，使用一般、較重、嚴(yán)重3個(gè)等級(jí)表示狀態(tài)層指標(biāo)對(duì)目標(biāo)層指標(biāo)的影響程度(見表1)。限于篇幅，本文只列出部分指標(biāo)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

表1 狀態(tài)層指標(biāo)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Evaluation criteria of state level indicators

2 運(yùn)行可靠性評(píng)價(jià)模型研究

2.1 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2.1.1AHP法確定主觀權(quán)重

AHP法是一種實(shí)用有效的多準(zhǔn)則決策方法，是常用的主觀賦權(quán)法之一，能夠使定性問題定量化，復(fù)雜系統(tǒng)層次化[20]。通過邀請(qǐng)行業(yè)專家對(duì)指標(biāo)重要性進(jìn)行兩兩判斷，確定指標(biāo)權(quán)重αj。

2.1.2改進(jìn)CRITIC法確定客觀權(quán)重

CRITIC法是一種基于評(píng)價(jià)指標(biāo)的客觀賦權(quán)法，通過相關(guān)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差分別衡量指標(biāo)間的沖突性和指標(biāo)內(nèi)的差異性[21]。本文依據(jù)水利信息系統(tǒng)運(yùn)行可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體特點(diǎn)，利用變異系數(shù)代替標(biāo)準(zhǔn)差，改進(jìn)傳統(tǒng)CRITIC法確定指標(biāo)權(quán)重，以此提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。假設(shè)有a個(gè)樣本，b個(gè)運(yùn)行可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)，則客觀權(quán)重的計(jì)算步驟如下：

(1) 建立決策矩陣X=[xij]a×b，xij代表第i個(gè)樣本關(guān)于第j個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)。

(2) 計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)的信息熵Ej。

(1)

(3) 計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)的變異系數(shù)gi。

gj=1-Ej

(2)

(4) 對(duì)決策矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)概念計(jì)算相關(guān)系數(shù)，得到相關(guān)系數(shù)矩陣R=[rj1j2]b×b，j1，j2=1，2，…，b，其中rj1j2表示第j1個(gè)指標(biāo)和第j2個(gè)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)。

(5) 各指標(biāo)間的綜合信息量Cj。

(3)

(6) 確定指標(biāo)權(quán)重ηj

(4)

2.1.3組合賦權(quán)

本文采用基于理想點(diǎn)法的組合賦權(quán)法[22]，將AHP法確定的主觀權(quán)重αj和改進(jìn)CRITIC法確定的客觀權(quán)重ηj相結(jié)合，計(jì)算公式為

(5)

2.2 建立水利信息系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)云模型

2.2.1云模型基礎(chǔ)理論

云模型由李德毅教授提出，是基于模糊數(shù)學(xué)和概率論算法實(shí)現(xiàn)定量與定性轉(zhuǎn)換的一種模型，能夠用于解決不確定性問題[23]。設(shè)U為定量論域，C是U上的定性概念，若定量值x∈U，且x對(duì)C的隸屬度μ(x)∈[0，1]是有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)，即：

μ：U→[0，1]，?x∈U，x→μ(x)

(6)

在云模型中，由期望Ex、熵En和超熵He反映整體特征，其中Ex表示論域的中心，En表示定性概念C的不確定性，He表示熵的不確定度。

云模型可由云發(fā)生器建立，包含正向和逆向。正向云發(fā)生器是實(shí)現(xiàn)定性到定量的轉(zhuǎn)換，通過云模型數(shù)字特征產(chǎn)生云滴；逆向云發(fā)生器則是將定量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為定性概念。

2.2.2確定評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)云

本文選取準(zhǔn)則層指標(biāo)作為制定水利信息系統(tǒng)運(yùn)行可靠性等級(jí)量化標(biāo)準(zhǔn)因子，將水利信息系統(tǒng)運(yùn)行可靠性劃分為4個(gè)等級(jí)，分別為優(yōu)(V1)、良(V2)、中(V3)、差(V4)，由專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出量化區(qū)間[Bmin，Bmax]。同時(shí)，為表現(xiàn)定性評(píng)語量化過程的模糊性，本文參考文獻(xiàn)[24]將不同評(píng)語的量化區(qū)間彼此相交，并由專家確定相交區(qū)域的大小，提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確度。評(píng)語集云模型的數(shù)字特征計(jì)算公式如下：

(7)

式中：Bmax，Bmin分別表示評(píng)語取值范圍的最大值、最小值；k為常數(shù)。

2.2.3確定目標(biāo)層評(píng)價(jià)云

邀請(qǐng)專家依據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)和評(píng)價(jià)等級(jí)，結(jié)合實(shí)地調(diào)研情況，根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中狀態(tài)層指標(biāo)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)目標(biāo)層指標(biāo)的運(yùn)行可靠性進(jìn)行定量打分，記為Cxy(x為評(píng)價(jià)專家個(gè)數(shù)，y為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù))。通過逆向云發(fā)生器算法計(jì)算目標(biāo)層指標(biāo)的評(píng)價(jià)云模型(Ex，En，He)。計(jì)算公式如下：

(1) 計(jì)算期望值Ex。

(8)

(2) 計(jì)算熵En。

(9)

(3) 計(jì)算超熵He。

(10)

2.2.4確定準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)云和綜合評(píng)價(jià)云

準(zhǔn)則層指標(biāo)評(píng)價(jià)云可利用已確定的目標(biāo)層指標(biāo)權(quán)重和云模型計(jì)算得到，綜合評(píng)價(jià)云由準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重和云模型計(jì)算得到，計(jì)算公式如下：

(11)

式中：wi為對(duì)應(yīng)指標(biāo)權(quán)重；(Exi，Eni，Hei)為對(duì)應(yīng)指標(biāo)云模型的數(shù)字特征值；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)，i=1，2，…，n。

根據(jù)評(píng)價(jià)云的數(shù)字特征，采用正向正態(tài)云發(fā)生器，運(yùn)用Python軟件編程繪制出水利信息系統(tǒng)運(yùn)行可靠性評(píng)價(jià)云圖，可得到水利信息系統(tǒng)整體運(yùn)行可靠性的具體信息，采用云模型對(duì)水利信息系統(tǒng)運(yùn)行可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 案例分析

3.1 工程概況

一處大型供水工程決策支持系統(tǒng)包括建設(shè)綜合辦公支撐系統(tǒng)、通信傳輸系統(tǒng)、調(diào)度會(huì)商實(shí)體環(huán)境工程等，其運(yùn)用現(xiàn)代通信、大數(shù)據(jù)分析、信息管理等技術(shù)實(shí)現(xiàn)水量分配、流量監(jiān)測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制、應(yīng)急管理等功能，充分發(fā)揮了工程效益。本文對(duì)該決策支持系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

3.2 基礎(chǔ)評(píng)價(jià)云生成

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，由專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定評(píng)語集合的量化區(qū)間，即為優(yōu)[7，10)、良[4，8)、中[2，6)、差[0，4)4個(gè)等級(jí)。利用式(7)計(jì)算對(duì)應(yīng)的評(píng)語層云模型參數(shù)，見表2。將云模型參數(shù)輸入正向云發(fā)生器，利用Python軟件生成基礎(chǔ)云圖，見圖2。

表2 決策支持系統(tǒng)運(yùn)行可靠性等級(jí)評(píng)語集云模型Tab.2 Cloud model of operational reliability rating comments for decision support system

圖2 基礎(chǔ)評(píng)價(jià)云圖Fig.2 Basic evaluation cloud map

3.3 確定指標(biāo)權(quán)重

由專家根據(jù)1～9標(biāo)度含義表對(duì)同一層次指標(biāo)重要性進(jìn)行兩兩判斷[20]，利用層次分析法確定指標(biāo)主觀權(quán)重αj。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研獲取南水北調(diào)受水區(qū)管理所自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)資料，根據(jù)表1所列的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，將一般、較重、嚴(yán)重3個(gè)等級(jí)分別賦予1，2，3，從而得到各管理所系統(tǒng)運(yùn)行的指標(biāo)數(shù)據(jù)，利用改進(jìn)CRITIC法計(jì)算指標(biāo)客觀權(quán)重ηj。利用式(5)計(jì)算得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的組合權(quán)重Wj(見表3)。

表3 決策支持系統(tǒng)運(yùn)行可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Tab.3 Operation reliability evaluation index weights of decision support system

3.4 確定隸屬度云模型

邀請(qǐng)水利行業(yè)專家、技術(shù)專家、信息領(lǐng)域?qū)＜夜?位，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況及現(xiàn)有資料，依據(jù)表1所列的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則對(duì)該供水工程決策支持系統(tǒng)的目標(biāo)層指標(biāo)進(jìn)行定量打分。通過逆向云發(fā)生器，利用式(8)～(10)計(jì)算得到目標(biāo)層的評(píng)價(jià)云數(shù)字特征。在此基礎(chǔ)性上，利用式(11)計(jì)算得到該決策支持系統(tǒng)的準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)云，結(jié)果見表4。借助Python軟件，采用正向云發(fā)生器，根據(jù)各準(zhǔn)則層數(shù)字特征值生成評(píng)價(jià)云圖(V)，并與基礎(chǔ)評(píng)價(jià)云(V1、V2、V3、V4)進(jìn)行比較，見圖3～6。

表4 準(zhǔn)則層及目標(biāo)層指標(biāo)隸屬度云模型Tab.4 Cloud model for membership degree of criteria and target level indicators

圖3 運(yùn)行環(huán)境評(píng)價(jià)云圖Fig.3 Evaluation cloud map of operating environment

圖4 硬件評(píng)價(jià)云圖Fig.4 Evaluation cloud map of hardware

圖5 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件評(píng)價(jià)云圖Fig.5 Evaluation cloud map of network system software

圖6 人為因素評(píng)價(jià)云圖Fig.6 Evaluation cloud map of human factors

由準(zhǔn)則層云數(shù)字特征結(jié)合式(11)，計(jì)算得到該供水工程決策支持系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)云數(shù)字特征為Ex=8.185 1，En=0.159 7，He=0.149 1，并繪制出綜合評(píng)價(jià)云圖(V)，與基礎(chǔ)評(píng)價(jià)云(V1、V2、V3、V4)對(duì)比結(jié)果見圖7。

圖7 綜合評(píng)價(jià)云圖Fig.7 Comprehensive evaluation cloud map

從圖3～6可知：該系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境、硬件、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件、人為因素均處于優(yōu)和良之間，其中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件已達(dá)到優(yōu)的狀態(tài)，硬件也與優(yōu)高度重合，說明該供水工程決策支持系統(tǒng)的硬件、軟件、通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行可靠性較高，能夠保障各系統(tǒng)的正常運(yùn)行，應(yīng)繼續(xù)保持；運(yùn)行環(huán)境介于優(yōu)和良之間，且與優(yōu)基本無重合，應(yīng)采取進(jìn)一步的改善措施，比如定期對(duì)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行巡檢，落實(shí)運(yùn)行管理制度，加強(qiáng)運(yùn)行期運(yùn)維工作的措施，減少系統(tǒng)故障發(fā)生；人為因素與優(yōu)重合較少，應(yīng)加強(qiáng)人才隊(duì)伍的建設(shè)和培養(yǎng)工作，定期對(duì)操作人員進(jìn)行培訓(xùn)，或者建立績(jī)效考核制度，有效提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。從圖7可知，該供水工程決策支持系統(tǒng)運(yùn)行可靠性等級(jí)介于優(yōu)和良之間，且與優(yōu)重合度較高，與該工程實(shí)際情況較為相符。

4 結(jié) 語

本文從運(yùn)行環(huán)境、硬件、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件、人為因素4個(gè)部分構(gòu)建了水利信息系統(tǒng)運(yùn)行可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。采用組合賦權(quán)法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，在此基礎(chǔ)上，利用云模型建立評(píng)價(jià)模型并將其應(yīng)用于供水工程決策支持系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性評(píng)價(jià)中，驗(yàn)證了評(píng)價(jià)模型的可行性。借助Python軟件將水利信息系統(tǒng)運(yùn)行可靠性等級(jí)以云滴圖的形式展現(xiàn)，能夠直觀簡(jiǎn)單地把握水利信息系統(tǒng)各部分運(yùn)行狀況，便于對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)維作出準(zhǔn)確指導(dǎo)，為水利信息系統(tǒng)運(yùn)行可靠性研究提供了新思路。