楊貝貝，蘇懷智，付浩雁，郭英嘉，方 正(1. 河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210098；2. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)是獲取大壩安全監(jiān)測資料的載體和基礎(chǔ)，而監(jiān)測資料又是大壩安全分析、評價、監(jiān)控的主要依據(jù)，因此對大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)進行評價，確定監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)，對保障大壩安全具有重要意義[1]。目前雖然跟大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)評價有關(guān)的規(guī)程規(guī)范不斷發(fā)布[2-6]，但相關(guān)研究文獻仍較少[7-9]，監(jiān)測系統(tǒng)評價系統(tǒng)理論未能形成。本文借助物元可拓理論分析監(jiān)測系統(tǒng)各評價指標矛盾相容、定量與定性共存問題，更全面地刻畫了評價對象屬于集合程度[10]，采用AHP和熵權(quán)理論相結(jié)合的手段更加客觀的處理安全監(jiān)測系統(tǒng)各評價指標賦權(quán)問題，通過對某壩監(jiān)測系統(tǒng)進行安全評價，對模型的可行性進行了驗證。

1 大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)工作性狀綜合評價體系

目前大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)工作性狀評價受到越來越多的單位重視，但未形成明確的評價指標體系，大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)工作性狀指標的度量主要包括監(jiān)測設(shè)施的重要性、監(jiān)測成果的精度、監(jiān)測設(shè)施布置(設(shè)計)的合理性、觀測方法和頻次、監(jiān)測設(shè)施的運行狀況、監(jiān)測管理等方面的內(nèi)容。其中有定量指標，亦有定性指標。因此根據(jù)參考文獻[1]以及規(guī)程規(guī)范[2-6]對監(jiān)測信息管理系統(tǒng)功能的要求，建立如圖1所示的監(jiān)測系統(tǒng)評價指標體系。

圖1 大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)評價指標體系層次結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of comprehensive security evaluating index system of dam safety monitoring system

2 大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)工作性狀的物元可拓模型

2.1 模型構(gòu)建原理

物元分析將事物用事物、特征、量值等3個要素進行描述，即以有序三元 作為描述事物的基本元，簡稱物元。物元分析理論通過確定物元，建立經(jīng)典域、節(jié)域的物元矩陣，用關(guān)聯(lián)函數(shù)進行分析與評價[11]。本文借助該理論，將大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)(事物)、評價指標(特征)以及工作現(xiàn)狀(量值)結(jié)合為整體，利用大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)評價物元的可拓性確定監(jiān)測系統(tǒng)工作狀態(tài)的定性描述，利用可拓集的關(guān)聯(lián)函數(shù)確定評價指標對監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)影響程度的定量描述，從而將定性分析與定量分析相結(jié)合，完成對大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)工作性狀的評價。

2.1.1確定經(jīng)典域和節(jié)域物元

經(jīng)典域:

(1)

節(jié)域：

(2)

式中：Ci(i=1,2,…,n)為P0的n個不同特征；X0i(1=1,2,…,n)分別為P0關(guān)于Ci的取值范圍，即經(jīng)典域；Xpi(i=1,2,…,n)分別為P關(guān)于Ci的取值范圍，即節(jié)域。

其中X0i=〈a0i,b0i〉(i=1,2,…,n)，Xpi=〈api,bpi〉(i=1,2,…,n)。根據(jù)定義，顯然有X0i?Xpi(i=1,2,…,n)。

2.1.2確定待評價物元矩陣

根據(jù)待評價事物特征選取多個特征量值，建立待評價物元矩陣：

(3)

式中：Vei(i=1,2,…,n)分別為Pe關(guān)于Ci(i=1,2,…,n)的實測數(shù)據(jù)。

2.1.3計算關(guān)聯(lián)函數(shù)及關(guān)聯(lián)度

距的計算式：

(4)

關(guān)聯(lián)函數(shù)計算公式為：

(5)

2.1.4確定綜合關(guān)聯(lián)度

(6)

式中：wi為第i項評價指標的權(quán)重；K(p)為待評價單元p屬于P0的程度。

2.1.5評定待評單元pe的等級

若Kj=max{Kj(pe)}(j=1,2,…,m)，則Pe的等級為j級。

令

(8)

式中：j*為p的級別變量特征值[12]。

2.2 指標權(quán)重的確定方法

指標權(quán)重的確定方法有很多種，主要分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。為避免過多人為因素的干擾，本文綜合考慮主客觀因素，采用主客觀(層次分析法(AHP)[13]與熵權(quán)法[14])相結(jié)合的方法，確定各指標權(quán)重：

wj=βw(1)j+(1-β)w(2)j(j=1,2,…,m)

(9)

2.3 大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)工作性狀綜合評價流程

建立如圖1所示大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)評價指標體系層次結(jié)構(gòu)圖。首先以各一級指標為待評價對象，利用物元可拓模型確定各一級指標的關(guān)聯(lián)度和評價等級，流程如圖2所示，然后以整個監(jiān)測系統(tǒng)工作性態(tài)為待評價對象，根據(jù)各一級指標的關(guān)聯(lián)度，以及AHP與熵權(quán)法確定的綜合權(quán)重，確定大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)工作性態(tài)的評價等級，得出結(jié)論。

圖2 待評事物評價等級確定流程圖Fig.2 The flow chart of evaluation grade of determining things

3 實例應(yīng)用

以某土石壩監(jiān)測系統(tǒng)為例，說明該物元可拓模型的在大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)工作性態(tài)評價中的應(yīng)用。該土石壩是一座水庫型大壩。2001年引進安全監(jiān)測系統(tǒng)。大壩現(xiàn)有的監(jiān)測項目主要為位移變形、滲流、自動化等，共計有105個測點。本文將監(jiān)測系統(tǒng)工作性態(tài)分為5等[1]，記為Ⅰ(正常)、Ⅱ(基本正常)、Ⅲ(輕度異常)、Ⅳ(異常)、Ⅴ(失效)。對應(yīng)的評價指標標準為[0.80 1.00]、[0.60 0.80]、[0.40 0.60]、[0.20 0.40]、[0 0.20]。

本文以自動化系統(tǒng)可靠性(C)為例，講述具體安全監(jiān)測系統(tǒng)工作性態(tài)評價過程。根據(jù)所得數(shù)據(jù)，確定底層指標值。

確定經(jīng)典域與節(jié)域：

確定待評價物元：

根據(jù)(4)、(5)計算出指標關(guān)于5個等級的距以及各指標的關(guān)聯(lián)度，如表1所示。

表1 待評價物元各指標對評價等級的關(guān)聯(lián)度Tab.1 Correlation of matter-element index to evaluated rank

利用AHP法計算權(quán)重w(1)j=(0.400 0,0.400 0,0.200 0)，滿足一致性檢驗；以關(guān)聯(lián)度矩陣KCen×m為原始數(shù)據(jù)矩陣，利用熵權(quán)法計算權(quán)重w(2)j=(0.424 5,0.356 1,0.219 4)，取偏好系數(shù)β=0.5，根據(jù)式(9)計算綜合權(quán)重wCj=(0.412 2,0.378 1,0.209 8)。

根據(jù)式(6)以及各指標的關(guān)聯(lián)度和權(quán)重計算待評價物元各評價等級的綜合關(guān)聯(lián)度，由此確定自動化可靠性的評價等級。

計算得：Kj(C)=(0.147 1,-0.143 4,-0.571 7,-0.714 5,-0.785 9)

根據(jù)Kj=max{Kj(Ce)}(j=1,2,…,m)原則，知Kj=K1(C)=0.147 1；根據(jù)式(7)、(8)，得C的級別變量特征值j*=1.69，即實際自動化可靠性評價等級介于Ⅰ(正常)和Ⅱ(基本正常)之間，具體等級為1.69級。

依照上述方法，分別計算出監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計評價(A)、單項監(jiān)測系統(tǒng)評價(B)、監(jiān)測管理工作評價(D)的綜合關(guān)聯(lián)度，如表2所示。

表2 大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)各指標對評價等級的關(guān)聯(lián)度Tab.1 Correlation of each index of dam safety monitoring system

利用AHP法以及熵權(quán)法確定大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)各一級指標綜合權(quán)重wWj=(0.271 0,0.265 3,0.249 2,0.214 5)，最終確定該大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的綜合關(guān)聯(lián)度為：Kj(W)=(0.188 1,-0.138 1,-0.577 2,-0.712 7,-0.784 5)，j*=1.68。故該大壩的評價等級介于Ⅰ(正常)和Ⅱ(基本正常)之間，具體等級為1.68級。實際工程中，該大壩監(jiān)測設(shè)施、監(jiān)測項目、測點布置合理，但位移觀測精度不高，個別測壓管靈敏度不佳，左副壩LXJ2-2支滲壓計工作狀態(tài)為“已失效”。對該大壩數(shù)據(jù)缺失率以及平均無故障時間進行統(tǒng)計分析，符合規(guī)范要求。可以看出該大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)運行可靠，該壩的監(jiān)測系統(tǒng)運行狀況基本正常。

4 結(jié) 語

大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)包含多種定性與定量指標，因此對其評價要選擇合理恰當(dāng)?shù)姆椒ā１疚膶⑽镌赏乩碚搼?yīng)用于大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)評價中，建立了基于AHP法與熵權(quán)法確定權(quán)重的物元可拓模型，并利用該模型對某大壩的安全監(jiān)測系統(tǒng)進行評價，結(jié)果與實際相符合。說明基于AHP-熵權(quán)的物元可拓模型在大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)工作性態(tài)評價中的應(yīng)用具有可行性，為監(jiān)測系統(tǒng)工作性態(tài)評價提供了一個新的綜合 方法。

□

[1] 何金平，吳雯嫻，涂圓圓,等. 大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(Ⅰ)基本體系[J]. 水電自動化與大壩監(jiān)測，2011,35(1):41-43.

[2] DL/T 5211-2005，大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)規(guī)范[S].2005.

[3] DL/T 5272-2012，大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)實用化要求及驗收規(guī)程[S].2012.

[4] DL/T 1254-2013，差動電阻式監(jiān)測儀器鑒定技術(shù)規(guī)程[S].2013.

[5] DL/T 1271-2013，鋼弦式監(jiān)測儀器鑒定技術(shù)規(guī)程[S].2013.

[6] SL 621-2013，大壩安全監(jiān)測儀器報廢標準[S].2013.

[7] 鄭付強，游強強. 基于安全監(jiān)測系統(tǒng)的大壩安全多層次模糊綜合評判方法[J].河海大學(xué)學(xué)報，2011，39(4):407-414.

[8] 何金平，施玉群，吳雯嫻,等. 大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價指標體系研究[J].水力發(fā)電學(xué)報，2011，30(4)：175-180.

[9] 陳建華．基于模糊數(shù)學(xué)理論的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價研究[D]．南京：河海大學(xué)，2007．

[10] 楊春燕，蔡 文．可拓工程研究[J]．中國工程科學(xué)，2000，2(2)：90-96．

[11] 曹邱林，許文婷．物元可拓模型在泵站建筑物安全綜合評價中的應(yīng)用[J]．水電能源與科學(xué)，2012，30(11):135-137.

[12] 蘇懷智，顧沖時，吳中如．大壩工作性態(tài)的模糊可拓評估模型及應(yīng)用[J]．巖土力學(xué)，2006，27(12):2 115-2 121.

[13] 張吉軍．模糊層次分析法(FAHP)[J]．模糊系統(tǒng)與數(shù)學(xué)，2000，14(2):80-125.

[14] 顧艷玲，顧沖時，李 波．大壩安全綜合評價多指標權(quán)重確定方法研究[J]．水電能源與科學(xué)，2008，26(4):88-94.