房 凱

（宿遷市水務局，江蘇 宿遷　223800）

1　研究背景

當前，我國很多農(nóng)村中小型泵站由于建設(shè)年代早，建設(shè)標準低，機電設(shè)備老化，裝置效率低下，運行管理不規(guī)范，在農(nóng)業(yè)灌溉、排澇時效益低下，安全運行得不到保證[1-2]。為此，各級政府為提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，正在大力實施大中型灌區(qū)續(xù)建配套和節(jié)水改造、小型農(nóng)田水利重點縣等農(nóng)村水利工程，對灌溉排澇的農(nóng)村中小型泵站進行改造，故亟需對這些農(nóng)村中小型泵站進行綜合評價，為確定改造方案提供較為科學的依據(jù)。

傳統(tǒng)的評價方法主要是模糊層次法，應用十分廣泛，但是指標易受量綱影響，指標權(quán)重受人為影響大。為避免這一問題，本文采用投影尋蹤聚類模型，尋求最佳投影方向，對最佳投影方向與評價指標的投影計算得到投影值[3-4]，投影值作為泵站工程綜合評價結(jié)果。最佳投影方向求解是一個復雜的非線性優(yōu)化問題，由于遺傳算法是一種通過模擬自然進化過程搜索最優(yōu)解的方法[5-6]，研究應用較廣，可以得到最優(yōu)解。本文以農(nóng)村中小型泵站為例，闡述建立投影目標函數(shù)以及遺傳算法求解等過程。

2　評價模型建立

2.1　評價指標確立

影響泵站工程綜合評價的因素很多，從泵站工程規(guī)劃設(shè)計、泵站設(shè)計參數(shù)與實際工況，再到泵站工程運行管理現(xiàn)狀等幾個方面進行分析，在參考已研究的泵站相關(guān)評價指標體系基礎(chǔ)上，建立三層泵站工程綜合評價指標體系。評價指標體系確定了4個一級指標：技術(shù)指標、運行狀態(tài)、老化狀態(tài)、管理狀況；16個二級指標：裝置效率、泵站運行狀況、機電設(shè)備運行狀況、配套設(shè)施情況、管理情況等；在二級指標下設(shè)立55個三級指標[1-2]，如工程完好率、設(shè)備完好率、泵站設(shè)計參數(shù)與工況一致性等。

2.2　評價指標處理

經(jīng)前期調(diào)查分析，確定評價指標等級。評價等級分為“好、較好、中、較差、差”5個評價等級，對應量化值分別設(shè)置為1、2、3、4、5。這樣，一個泵站工程各項指標得分就可以通過矩陣[ 1，2，3，5，……，5，2，3 ]表示。n個泵站工程各項指標得分就可以得到n行55列指標矩陣。

模糊層次法中權(quán)重的確定，目前運用較多的方法有加權(quán)平均法、專家調(diào)查法、層次分析法以及Delphi法等。本文采用專家調(diào)查法，確定評價指標權(quán)重。

2.3　投影尋蹤聚類評價模型

投影尋蹤通過將高維數(shù)據(jù)向低維空間投影，通過分析低維空間的投影特性來研究高維數(shù)據(jù)的特征，是處理多因素復雜問題的統(tǒng)計方法[3]。主要有以下幾個步驟：

一是評價指標歸一化。歸一化主要目的是解決評價指標量綱問題。評價指標賦分越高，表明泵站完好程度越高，采用如下歸一方法：

式中：xmax（j）、xmin（j）分別是第j個評價指標的最大值和最小值，x（i，j）為第i個樣本第j個評價指標歸一后的值。

二是建立投影指標函數(shù)。將多維數(shù)據(jù)x（i，j）反映在以a=[ a1，a2，……，an]為方向的投影值z（i）。根據(jù)投影值分布特征，建立投影指標函數(shù)：

式中：Sz、Dz分別為投影值的標準差、局部密度。

其中：

三是求解投影指標函數(shù)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征通過投影方向表現(xiàn)。最大可能暴露高維數(shù)據(jù)特征結(jié)構(gòu)的投影方向往往由最佳投影方向反映[3]。利用計算模型求解投影指標函數(shù)最大化來反映最佳投影方向[4]。最佳投影方向通過下式計算：目標函數(shù)求解屬于復雜的非線性優(yōu)化問題，本文利用加速遺傳算法求解，可以得到最佳投影方向。

四是綜合評價。將第三步計算出的最佳投影方向a*代入后，可以計算出評價對象的最優(yōu)投影值。

2.4　加速遺傳算法求解

加速遺傳算法研究較多，求解步驟如下[5-6]：

一是進行變量編碼。首先生成n個[ 0，1 ]上的隨機數(shù)yi=（i=1，2，…，n）作為初始個體，通過線性變換，可以將優(yōu)化變量取值范圍設(shè)置在[ 0，1 ]區(qū)間內(nèi)，這樣可以實現(xiàn)對優(yōu)化變量的基因形式進行各種遺傳操作。

二是進行父代群體的初始化。通過生成n組[ 0，1 ]區(qū)間上的均勻隨機數(shù)，即uij（i=1，2，…，n；j=1，2），將uij作為初始群體的父代個體值yi，代入第一步計算出優(yōu)化變量值，再代入計算出對應的目標函數(shù)值，并從小到大排列。

三是進行父代群體的適應度評價。通過前兩個步驟，個體的適應度與目標函數(shù)值有一定關(guān)系。目標函數(shù)值越小，個體的適應度越高，最優(yōu)解越接近。

四是進行子代個體生成。通過函數(shù)求解算出各個體的選擇、雜交和變異概率。同時，選擇、雜交和變異操作也在初始個體進行，這樣就可以得到3n個子代個體。

五是進行演化迭代。將新生成的3n個子代個體，代入公式求解出3n個目標函數(shù)值，繼續(xù)按照從小到大排序，新的父代群體從排在最前面的n個子代個體中選取，算法轉(zhuǎn)到第三步，再繼續(xù)下一次計算。

六是進行加速循環(huán)。變量新的初始變化區(qū)間采取前2次演化迭代所計算出的優(yōu)秀個體這一子群體對應的變量變化區(qū)間，計算再從第一步開始，當達到設(shè)定的加速次數(shù)時計算停止。

3　綜合評價實現(xiàn)

3.1　工程實例

以江蘇省某一地區(qū)為例，該地區(qū)地貌大部分屬山區(qū)，地勢北高南低，北部為丘陵山崗地區(qū)，中南部為河谷平原地區(qū)，南部為平原圩區(qū)。境內(nèi)有低矮山丘60多座，形成崗、塝、沖多種奇特地形?，F(xiàn)有耕地面積6.27萬hm2，有效灌溉面積4.47萬hm2，境內(nèi)固定灌溉排澇農(nóng)村泵站780多處，農(nóng)村泵站在保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面發(fā)揮了巨大作用。

3.2　泵站工程綜合評價

傳統(tǒng)的模糊層次法主要有3個步驟：一是二級指標得分。根據(jù)評價標準，對被評價泵站的各項指標科學打分，然后依據(jù)評價指標權(quán)重，計算出對應的二級指標得分。二是一級指標得分。根據(jù)第一步的二級指標得分以及對應的二級指標權(quán)重，得到對應的一級指標得分。三是評價總得分。根據(jù)第二步的一級指標得分以及對應的一級指標權(quán)重，得到泵站評價總得分。

投影尋蹤聚類評價計算過程：一是對泵站評價樣本進行歸一化處理，然后代入公式，得到投影指標函數(shù)。二是利用加速遺傳算法進行求解，選取父代種群數(shù)為400，迭代次數(shù)為50。通過進行父代群體的適應度評價和子代個體生成、演化迭代、加速循環(huán)等步驟，得到最佳投影方向值a=[ 0.215，0.226，0.187，……，0.091，0.124 ]。三是將投影方向值代入投影指標函數(shù)得到投影值。根據(jù)投影值可以進行泵站綜合評價分類，得分越低說明泵站工程老化越嚴重，也說明亟需進行改造。

經(jīng)過計算，模糊層次法和投影尋蹤法綜合評價結(jié)果對比如表1。

表1　模糊層次法和投影尋蹤法評價結(jié)果對比

4　小結(jié)

為避免評價指標受量綱影響，指標權(quán)重受人為影響等，本文在傳統(tǒng)的綜合評價模型選擇上，建立了投影尋蹤聚類評價模型。再利用加速遺傳算法搜索最優(yōu)投影方向，得到各泵站的投影值，并進行大小排序，確定老化程度，為泵站工程改造提供依據(jù)。計算結(jié)果表明，和傳統(tǒng)評價方法相比，

方法可行有效，在其他水工建筑物綜合評價中應用前景廣闊。

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