李 凱，周利軍，李浩宇，王雪松，戚國強

(1.綏化學(xué)院農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院，黑龍江綏化 152061；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150030)

水閘工程的安全評價是在綜合分析各種定性與定量影響因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合適當(dāng)?shù)睦碚摱M(jìn)行的一種多目標(biāo)決策。目前在水閘工程的安全評價方面采用的方法有層次分析法、灰色理論評估法、模糊綜合評判法等，這些方法都具有一定的科學(xué)性和實用性，但是也有局限性，如層次分析法，在要素的選擇上具有一定的主觀性，將直接影響決策的準(zhǔn)確度。物元可拓理論興起于20世紀(jì)80年代，其在物流、地表水環(huán)境以及土地整理等多目標(biāo)系統(tǒng)問題的評價方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，而在水閘工程的安全評價方面應(yīng)用卻較少[1]。筆者采用基于層次熵確權(quán)的物元可拓模型，對工程實例進(jìn)行安全等級評價，并與相關(guān)技術(shù)部門的鑒定結(jié)果進(jìn)行比較分析，驗證該模型的準(zhǔn)確性與適用性，進(jìn)而為水閘工程的安全評價提供一種行之有效且科學(xué)便捷的方法。

1 物元可拓理論及其評價過程

物元理論是由我國著名學(xué)者蔡文先生首先提出的，這種以物元為研究對象的可拓模型，在解決多目標(biāo)系統(tǒng)的復(fù)雜問題時，能夠?qū)⑾到y(tǒng)中的客觀問題構(gòu)建成具體的數(shù)學(xué)模型，將不相容問題轉(zhuǎn)化為相容問題。該模型從定性和定量2個角度進(jìn)行計算，能夠比較準(zhǔn)確地反映客觀事物的變化規(guī)律，得出與實際相符的結(jié)論。該模型具體評價過程如下[2]：

1.1經(jīng)典域和節(jié)域的確定經(jīng)典域物元矩陣Ri由兩部分構(gòu)成，即對象的特征及對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值范圍，表達(dá)式如下：

(1)

式(1)中，Ni代表待評事物的評價等級；C1、C2、…、Cn表示待評事物的指標(biāo)；vi1、vi2、…、vin代表評價等級i的取值區(qū)間，即物元矩陣的經(jīng)典域。

節(jié)域物元矩陣Rp由對象的特征及由此特征拓展得到的量值范圍兩部分組成，具體表達(dá)式如下：

(2)

式(2)中，vp1、vp2、…、vpn表示全部評價等級的取值區(qū)間，即物元矩陣的節(jié)域;P代表評價等級構(gòu)成的整體。

1.2待評物元的構(gòu)建具體表達(dá)式如下：

(3)

式(3)中，v1、v2、…、vn為待評事物評價指標(biāo)的具體量值；P0則表示待評事物。

1.3關(guān)聯(lián)度系數(shù)的計算關(guān)聯(lián)度系數(shù)的作用相當(dāng)于模糊數(shù)學(xué)模型中的隸屬度，它將待測評物元與各評價等級之間的相互關(guān)聯(lián)程度進(jìn)行量化，準(zhǔn)確表達(dá)待評物元隸屬于某一等級的程度。關(guān)于某個等級的關(guān)聯(lián)度系數(shù)越大，待評物元對該等級的隸屬度就越高[3]。具體表達(dá)式如下：

(4)

|vij|=|bij-aij|

(5)

(6)

(7)

1.4綜合關(guān)聯(lián)度的確定待評物元對于等級i的綜合關(guān)聯(lián)度如下：

(8)

按照最大關(guān)聯(lián)度原則，待評物元屬于綜合關(guān)聯(lián)度值最大的評價等級。

2 水閘安全物元可拓模型的建立

基于經(jīng)典物元可拓理論，構(gòu)建水閘安全評價模型。

2.1評價指標(biāo)的確定為準(zhǔn)確、全面地選擇水閘安全評價指標(biāo)，避免復(fù)雜的計算過程，采用基于可靠性的評價指標(biāo)體系，主要包括3個1級指標(biāo)和19個2級指標(biāo)。①安全性。包括防洪能力、抗震能力等8個二級指標(biāo)。②適用性。包括相對過水能力、擋水能力等4個2級指標(biāo)。③耐久性。包括混凝土強度、裂縫密度等7個2級指標(biāo)。具體的水閘安全評價指標(biāo)體系可見參考文獻(xiàn)[2]。

2.2指標(biāo)等級評定標(biāo)準(zhǔn)的確定根據(jù)水閘工程安全類別的劃分方式，該研究將評價指標(biāo)的類別相應(yīng)地劃分成4個等級，即良好、一般、差、非常差。

2.3權(quán)重的確定采用層次熵賦權(quán)法確定指標(biāo)的權(quán)重，具體步驟如下：首先，采用AHP法初步確定權(quán)重，通過對水工專家的打分結(jié)果進(jìn)行層次排序并綜合運算后，得到帶有一定主觀性質(zhì)的指標(biāo)權(quán)重；然后，為降低AHP法確定權(quán)重時決策人對評價的影響程度，利用熵權(quán)理論中的熵模型對上述指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行修正，得到更具科學(xué)性和準(zhǔn)確性的指標(biāo)權(quán)重[4]。

2.4指標(biāo)向評價區(qū)間量化處理水閘工程的安全評價指標(biāo)

需要向評價區(qū)間量化，得到評價指標(biāo)區(qū)間的量化值[5]。定量指標(biāo)如抗震能力、過水能力等的量化一般能夠通過實際測量數(shù)據(jù)及相關(guān)規(guī)范確定；定性指標(biāo)如電氣設(shè)備的老化情況、體積損失率等的量化一般無法直接度量，需結(jié)合工程資料由專家打分確定，該研究結(jié)合水閘工程特征，按[0,30)、[30,60)、[60,85)、[85,100)4個等級將定性指標(biāo)進(jìn)行量化處理。

2.5綜合評價經(jīng)過綜合分析與計算，首先獲得各評價指標(biāo)與各評價等級之間的關(guān)聯(lián)度系數(shù)，結(jié)合水閘工程各評價指標(biāo)所得權(quán)重值，依據(jù)最大關(guān)聯(lián)度原則選擇最大關(guān)聯(lián)度對應(yīng)的等級，最終確定水閘工程的安全評價結(jié)果[6]?；趯哟戊匚镌赏啬Ｐ偷乃l工程安全評價體系如圖1所示。

圖1 水閘工程安全評價體系Fig.1 Safety evaluation system for sluice engineering

3 實例分析

為證明該評價方法對于水閘安全評價的適用性，該研究選取黑龍江省一普通渠首攔河閘進(jìn)行研究，實例詳見文獻(xiàn)[2]。按該研究構(gòu)建模型，采用層次熵確權(quán)法得到水閘安全評價指標(biāo)體系的權(quán)重結(jié)果見表1。

表1 水閘安全評價指標(biāo)體系的權(quán)重

結(jié)合所構(gòu)建的安全評價經(jīng)典域、節(jié)域以及待評物元矩陣，綜合分析計算得到了各指標(biāo)關(guān)于不同評價等級的關(guān)聯(lián)度值[7]。根據(jù)安全性、適用性和耐久性的關(guān)聯(lián)度匯總結(jié)果并對其進(jìn)行綜合運算，得到了待評價水閘的綜合關(guān)聯(lián)度，結(jié)果用矩陣表示如下：

K={非常差，差，一般，良好}

={-0.062 3,0.003 2,-0.108 0,-0.118 9}

(9)

根據(jù)物元可拓評價理論可知，取K值最大為評價結(jié)果，結(jié)合結(jié)果來看，K2為正值且最大，所以該攔河閘隸屬于三類閘(評價為差)，與技術(shù)部門得出的鑒定結(jié)論一致。

4 結(jié)語

(1)該研究以工程實例為研究對象，得到待評價水閘的最終評價結(jié)果為三類閘，與技術(shù)部門得出的鑒定結(jié)論一致。因此，基于物元可拓模型的安全評價方法在水閘工程安全評價方面是具有可行性的，可以進(jìn)行推廣試用。

(2)經(jīng)熵權(quán)理論修正后的指標(biāo)權(quán)重不會受到?jīng)Q策人主觀因素的影響，評價模型更具可靠性。

(3)物元可拓評價模型為水閘工程的安全評價提供了一種新的方法，但是該研究所采用的評價區(qū)間均為等距的評價區(qū)間，與水閘實際情況存在一定差異。因此，應(yīng)用時還需結(jié)合水閘安全評價指標(biāo)的具體情況加以分析改進(jìn)，以保證評價結(jié)果更好地反映實際情況[8]。

[1] 王少偉,包騰飛,任嬌,等.改進(jìn)的物元可拓模型在大壩安全綜合評價中的應(yīng)用[J].水電能源科學(xué),2012, 30(2)：66-68,114.

[2] 李凱.基于物元可拓模型的水閘工程安全評價研究[D]. 哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2013：1-4，39-45.

[3] 張慧穎,曾建民.物元可拓模型的改進(jìn)及其在膨脹土分類中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué),2008,29(6): 1681-1684.

[4] 梁桂蘭,徐衛(wèi)亞,談小龍.基于熵權(quán)的可拓理論在巖體質(zhì)量評價中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué),2010,31(2): 535-540.

[5] 康志強,馮夏庭,周輝.基于層次分析法的可拓學(xué)理論在地下洞室?guī)r體質(zhì)量評價中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2006,25(S2):3687-3693.

[6] 何艷霞.山東黃河水閘安全評價方法研究[D].濟南：山東大學(xué)，2010：4-5，23-30.

[7] 魯璐.基于物元可拓模型的土地整理綜合效益評價研究[D].武漢：華中師范大學(xué)，2012：23-30.

[8] 阮國鋒,張建明,穆彥虎,等.基于熵權(quán)物元可拓模型的凍土路基熱穩(wěn)定性評價[J].冰川凍土,2014,36(1): 123-129.