基于模糊聚類分析法的東風(fēng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)方法

雷 宇

(廣東省水利水電建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510630)

1 研究方法

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

東風(fēng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)是一個(gè)完整的系統(tǒng)工作，且具有系統(tǒng)復(fù)雜和預(yù)測(cè)困難等特點(diǎn)，所有隱患均可造成嚴(yán)重后果[1]。在選取除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)應(yīng)做到科學(xué)、客觀，綜合考慮東風(fēng)水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)要素，選出能夠充分體現(xiàn)東風(fēng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)[2-3]，同時(shí)考慮東風(fēng)水庫(kù)的現(xiàn)狀、現(xiàn)有技術(shù)水平、數(shù)據(jù)易獲性、是否可操作性等[4]。在構(gòu)建東風(fēng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：

(1)目的性原則。根據(jù)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)的目的，選取東風(fēng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果指標(biāo)應(yīng)滿足評(píng)價(jià)和管理加強(qiáng)的要求。

(2)系統(tǒng)性原則。指標(biāo)體系邏輯清晰，概念分明，無(wú)明顯相關(guān)性和重復(fù)性，主要因素指標(biāo)需能夠反映影響東風(fēng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固的各方面因素。

(3)科學(xué)性原則。指標(biāo)的選取必須科學(xué)有效，能從實(shí)際情況考慮，客觀反映東風(fēng)水庫(kù)的真實(shí)情況。

(4)可操作性原則。除險(xiǎn)加固效果的過(guò)程需簡(jiǎn)潔明了，指標(biāo)數(shù)據(jù)易于測(cè)量獲得，通過(guò)表層現(xiàn)象能準(zhǔn)確判別除險(xiǎn)加固情況。

基于上述原則，對(duì)東風(fēng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果進(jìn)行深入分析，根據(jù)分析結(jié)果重點(diǎn)考慮技術(shù)、施工、工程質(zhì)量、防洪能力、效果安全程度、滲流安全度等六大方面的影響因素，如表1所示。

表1 東風(fēng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.2 基于模糊聚類分析法評(píng)價(jià)模型的建立

基于上述東風(fēng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算結(jié)果，本文使用模糊聚類分析法構(gòu)建東風(fēng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)模型[5]。具體步驟如下：

步驟一：東風(fēng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)指標(biāo)集的建立。 將評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分為四級(jí)，即V={V1，V2，V3，V4}={優(yōu)、良、合格、不合格}。各評(píng)價(jià)等級(jí)劃分如表2所示。

表2 水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)等級(jí)

步驟二：原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化包括標(biāo)準(zhǔn)化和歸一化兩個(gè)過(guò)程。設(shè)有n個(gè)樣本的集合用X表示X={X1，X2，…，Xi，…，Xn}，每一個(gè)樣本又包含m個(gè)屬性即：Xi={xi1，xi2，…，xik，…，xim}。于是得到原始數(shù)據(jù)矩陣X0，如式(1)：

X0=(xik)n×m

(1)

式中：xik為第i個(gè)樣本的第k個(gè)屬性的原始數(shù)值；i=1，2，…，n；k=1，2，…，m。

對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，如式(2)～式(4)：

(2)

(3)

(4)

然后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，如式(5)：

(5)

步驟三：建立模糊相似矩陣。 模糊相似矩陣的相似系數(shù)計(jì)算如式(6)：

(6)

由相似系數(shù)構(gòu)成相似矩陣如式(7)：

R=(rik)n×m

(7)

步驟四：聚類分析。 根據(jù)模糊等價(jià)矩陣T(R)=(rij)n×m確定閾值λ，將T(R)中的元素從小到大進(jìn)行排列[6]。根據(jù)閾值λ計(jì)算T(R)的λ矩陣即[T(R)λ]=(λrij)n×m，如式(8)：

(8)

規(guī)定當(dāng)rij=1時(shí)，樣本Xi與Xj為同一類，反之，樣本Xi與Xj為不同類別。

步驟五：決策與評(píng)價(jià)。 決策過(guò)程就是通過(guò)計(jì)算預(yù)測(cè)樣本與各個(gè)聚類類別之間的隸屬度，來(lái)構(gòu)建模糊聚類分析法評(píng)價(jià)模型[7]，以判斷預(yù)測(cè)樣本所屬類別，如式(9)：

(9)

式中：M(u)為各聚類類別；X(u)為預(yù)測(cè)樣本。

在不同的值的聚類結(jié)果中選擇滿足要求的結(jié)果，完成模糊聚類分析法評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)東風(fēng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果的評(píng)價(jià)[8]。

2 實(shí)例分析

2.1 東風(fēng)水庫(kù)工程概況

東風(fēng)水庫(kù)的地理位置坐標(biāo)：東經(jīng)110°54′30″，北緯26°51′27″。在庫(kù)區(qū)內(nèi)，有78.5 km3的降雨，其徑流長(zhǎng)15 km，平均坡度為12.0‰。本項(xiàng)目屬于中等規(guī)模的水利水電項(xiàng)目，項(xiàng)目等級(jí)為三級(jí)。水庫(kù)的正常水位是406.10 m。東風(fēng)水庫(kù)于1971年10月動(dòng)工，至1973年3月基本建成關(guān)閘蓄水，1974年開(kāi)始部分受益。

2.2 東風(fēng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)值計(jì)算

基于東風(fēng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，根據(jù)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算方法對(duì)東風(fēng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果的指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 東風(fēng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2.3 東風(fēng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)精準(zhǔn)度結(jié)果

采用評(píng)價(jià)精準(zhǔn)度進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，對(duì)比方法選用文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]方法，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 三種方法東風(fēng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)精準(zhǔn)度對(duì)比

由圖1可知，本文方法的東風(fēng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)精準(zhǔn)度最高為98%，且本文方法的評(píng)價(jià)精準(zhǔn)度均高于90%，文獻(xiàn)[2]方法的東風(fēng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)精準(zhǔn)度最高為86%，文獻(xiàn)[3]方法的東風(fēng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)精準(zhǔn)度最高為83%[9]。說(shuō)明本文方法的東風(fēng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)精準(zhǔn)度明顯高于對(duì)比方法，具有有效性。

2.4 東風(fēng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)時(shí)間對(duì)比結(jié)果

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的實(shí)用性，以東風(fēng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)時(shí)間作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 三種方法東風(fēng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)時(shí)間對(duì)比

由圖2可知，本文方法的評(píng)價(jià)時(shí)間最長(zhǎng)為8.54 s，文獻(xiàn)[2]方法的評(píng)價(jià)時(shí)間最長(zhǎng)為26.75 s，文獻(xiàn)[3]方法的評(píng)價(jià)時(shí)間最長(zhǎng)為25.14 s。本文方法的評(píng)價(jià)時(shí)間明顯低于對(duì)比方法，具有實(shí)用性。

3 結(jié) 論

針對(duì)大量的病險(xiǎn)水庫(kù)，有效的水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)方法顯得尤為重要，其能夠幫助除險(xiǎn)加固工程消除隱患，確保人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。對(duì)此，本文提出基于模糊聚類分析法的東風(fēng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法的東風(fēng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果評(píng)價(jià)精準(zhǔn)度最高為98%，評(píng)價(jià)時(shí)間最長(zhǎng)為8.54 s，說(shuō)明本文方法具有實(shí)用性。