(普蘭店市皮口國(guó)土資源管理所，遼寧 大連 116200)

近年來，隨著我國(guó)水利工程建設(shè)的不斷發(fā)展和大量資金的投入，水利基礎(chǔ)設(shè)施體系已基本建成。但是，隨著時(shí)間的推移水利設(shè)施的運(yùn)行環(huán)境和工作條件極其復(fù)雜，在設(shè)施運(yùn)行過程中往往會(huì)存在不同程度的損傷和裂化問題，對(duì)水利工程設(shè)施的效益和功能的正常發(fā)揮造成不利影響[1]。因此，全面客觀地對(duì)水利工程健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)級(jí)并及時(shí)有效地對(duì)水利設(shè)施病害進(jìn)行診斷是管理和維護(hù)水利基礎(chǔ)設(shè)施的前提和重要內(nèi)容。目前，考慮工程的安全可靠性能是進(jìn)行水利設(shè)施健康狀態(tài)診斷的核心內(nèi)容，往往對(duì)工程結(jié)構(gòu)的適用性、耐久性、可靠性和穩(wěn)定性等方面進(jìn)行健康診斷，而對(duì)影響水利設(shè)施健康狀態(tài)的因素及其在健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的比重研究相對(duì)較少，還未形成較為成熟、科學(xué)的評(píng)價(jià)體系[2]。據(jù)此，本研究對(duì)水利工程的健康內(nèi)涵利用建筑類人性化觀點(diǎn)進(jìn)行定義，在分析了水利設(shè)施三維健康影響因素的基礎(chǔ)上構(gòu)建了系統(tǒng)科學(xué)的健康狀態(tài)診斷指標(biāo)體系，并對(duì)各指標(biāo)的權(quán)重采用改進(jìn)熵權(quán)法與層次分析法相結(jié)合的方法進(jìn)行綜合賦權(quán)，對(duì)水利工程的健康狀態(tài)采用多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型進(jìn)行客觀科學(xué)的診斷，以期為現(xiàn)代水利工程的管理與維護(hù)提供一定的決策依據(jù)和理論支撐[3]。

1 水利工程健康狀態(tài)基本內(nèi)涵

水利工程健康狀態(tài)基本內(nèi)涵是指水利工程所表現(xiàn)出的工程設(shè)施與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)性能良好、設(shè)施結(jié)構(gòu)安全、工程質(zhì)量?jī)?yōu)良且在工程管理過程中科學(xué)的完美狀態(tài)[4]；其內(nèi)涵主要涵蓋三個(gè)維度：工程實(shí)體健康E：工程機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好、設(shè)施結(jié)構(gòu)安全且建筑外觀完好；工程管理科學(xué)M：工程設(shè)施管理單位具有良好的資金、人員和制度管理水平；工程適用性與環(huán)境協(xié)調(diào)性S：在區(qū)域系統(tǒng)內(nèi)工程設(shè)施能夠充分發(fā)揮其作用效益，在實(shí)現(xiàn)工程價(jià)值的基礎(chǔ)上做到與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)相處，其中工程實(shí)體的健康狀況可對(duì)工程適應(yīng)性與環(huán)境協(xié)調(diào)性產(chǎn)生直接的影響作用[5]。

水利工程類似于其他生命個(gè)體，具有類似的壽命周期，水利工程相對(duì)于人類的出生、成長(zhǎng)、成熟和死亡的各個(gè)階段，其全壽命周期主要包括規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)實(shí)施、投入運(yùn)行和報(bào)廢退役的整個(gè)過程。隨著時(shí)間的不斷變化，水利工程的健康狀態(tài)產(chǎn)生變化，其生命周期最長(zhǎng)的階段為水利設(shè)施的投入運(yùn)行階段，水利設(shè)施受內(nèi)外部因素的作用影響以及隨著時(shí)間的推移逐漸表現(xiàn)出機(jī)理老化、陳舊損壞等健康問題，而工程設(shè)施在運(yùn)行階段的健康狀況將直接影響到工程價(jià)值和效益的正常發(fā)揮[6]。據(jù)此，本文將水利工程的投入運(yùn)行時(shí)期作為其壽命周期健康狀態(tài)評(píng)價(jià)的研究范圍。

2 構(gòu)建水利工程健康診斷模型

2.1 多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)基本理論

步驟一：構(gòu)建評(píng)價(jià)對(duì)象因素集。根據(jù)文中所述水利工程健康基本內(nèi)涵，引入水利工程綜合健康H，分別由E、M和S三個(gè)維度組成，并標(biāo)記H=(E,M,S)。設(shè)定各個(gè)維度的健康包含i個(gè)主控因子，各因子對(duì)應(yīng)于j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)；選取工程實(shí)體健康E，其一級(jí)指標(biāo)集和二級(jí)指標(biāo)集可表述為E={E1,E2,…,Ei}、Ei={Ei1,Ei2,…,Eij}。

步驟二：劃分水利工程健康狀態(tài)等級(jí)。結(jié)合醫(yī)學(xué)上對(duì)人體健康的描述和規(guī)定，并參考?jí)喂すこ虒?duì)健康等級(jí)劃分的相關(guān)要求，本文將水利工程劃分為健康、亞健康、病變和病危四個(gè)狀況等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，所構(gòu)建的健康評(píng)價(jià)集V={v1,v2,v3,v4}={健康、亞健康、病變、病危}。

步驟三：構(gòu)建評(píng)判矩陣。通過建立Ei、Mj、Sk到F(V)的模糊映射可對(duì)各二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行單因素的評(píng)價(jià)分析，即利用各因素評(píng)價(jià)集V的隸屬函數(shù)進(jìn)行該因素對(duì)Vi的隸屬度計(jì)算。其中定性指標(biāo)和定量指標(biāo)的計(jì)算分別如下：

b.定量指標(biāo)計(jì)算方法。利用水利工程監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為隸屬度計(jì)算的初始數(shù)據(jù)，為了便于計(jì)算和描述，引入Xi作為三級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)符號(hào)，其隸屬度可用下式計(jì)算：

(1)

式中h1=|xi-(bij+aij)/2|-(bij-aij)/2；

h2=|xi-(bpj+apj)/2|-(bpj-apj)/2；

xi——Xi指標(biāo)的初始值；

[aij,bij]——各評(píng)價(jià)等級(jí)的取值區(qū)間；

[apj,bpj]——Xi指標(biāo)可允許的取值范圍。

步驟四：對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算。不同評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)健康狀況的影響作用存在一定的差異，據(jù)此可利用組合權(quán)重法對(duì)各診斷指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，并以此消除不同指標(biāo)之間的不可通透性。

步驟五：對(duì)健康狀態(tài)進(jìn)行診斷。利用所構(gòu)建的判別矩陣和各指標(biāo)的權(quán)重及對(duì)指標(biāo)進(jìn)行逐級(jí)的模糊診斷，并進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)集的計(jì)算，然后采用隸屬度向量評(píng)價(jià)集可求得健康狀態(tài)綜合診斷結(jié)果。

2.2 構(gòu)建診斷指標(biāo)體系

客觀、全面地對(duì)工程健康狀態(tài)指標(biāo)進(jìn)行選取不僅直接影響到診斷指標(biāo)體系的構(gòu)建，并對(duì)診斷結(jié)果的真實(shí)性和可靠性產(chǎn)生影響，而且可有效提高診斷計(jì)算結(jié)果的效率和速度[7]。結(jié)合工程健康狀態(tài)實(shí)際情況，指標(biāo)的選取在遵循科學(xué)、客觀、可操作和完整性等基本原則的基礎(chǔ)上，采用層次分析法對(duì)影響健康狀態(tài)的各要素進(jìn)行考慮并構(gòu)建健康診斷評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用工程健康內(nèi)涵分別從工程管理、實(shí)體健康以及環(huán)境協(xié)調(diào)三個(gè)維度建立評(píng)價(jià)體系準(zhǔn)則對(duì)工程運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行真實(shí)客觀的表征[8]。構(gòu)建的工程健康狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見表1。

表1 水利工程健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.3 診斷指標(biāo)規(guī)范化處理

不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的單位和量綱存在差異，為消除各指標(biāo)之間的不可通透性并對(duì)工程健康狀態(tài)的優(yōu)劣程度進(jìn)行數(shù)值表征[9]，在進(jìn)行診斷分析前需對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行規(guī)范化統(tǒng)一處理，評(píng)價(jià)指標(biāo)根據(jù)其值的大小和所代表的含義可劃分為數(shù)值越大健康狀態(tài)越優(yōu)、數(shù)值越小健康狀態(tài)越優(yōu)兩種類型，其計(jì)算公式分別見式(2)、式(3)，其中定性和定量評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值的獲取分別采用專家調(diào)查賦值法和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行。

數(shù)值越大越優(yōu)型指標(biāo)：

Zij=(xij-xmin)/(xmax-xmin)

(2)

數(shù)值越小越優(yōu)型指標(biāo)：

Zij=(xmax-xxij)/(xmax-xmin)

(3)

上二式中xij——評(píng)價(jià)指標(biāo)的初始值；

[xmax,xmin]——評(píng)價(jià)指標(biāo)的正常趨勢(shì)區(qū)間。

2.4 診斷指標(biāo)的組合賦權(quán)

不同評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)工程健康狀態(tài)的重要程度不同，選取合理的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算方法可獲得可靠的評(píng)價(jià)結(jié)果。當(dāng)前，主觀和客觀賦權(quán)法是指標(biāo)權(quán)重計(jì)算常用的方法，然而在工程健康綜合評(píng)價(jià)過程中二者均表現(xiàn)出一定的缺陷。本研究采用改進(jìn)熵值法與層次分析法相結(jié)合的方法對(duì)各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行組合賦權(quán)，不僅考慮了客觀統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的作用，而且從健康機(jī)理上反映了對(duì)水利工程的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)。

本文結(jié)合工程健康指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)，利用專家調(diào)查法對(duì)各指標(biāo)在整體健康診斷中的貢獻(xiàn)率進(jìn)行計(jì)算，對(duì)各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行確定[10]。首先對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行兩兩對(duì)比分析，并采用五標(biāo)度法對(duì)j條件下的i指標(biāo)相對(duì)于上層目標(biāo)的重要程度進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，并構(gòu)件健康狀態(tài)判別矩陣A，表達(dá)式如下：

(4)

然后采用根法對(duì)各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(5)

對(duì)上述判別矩陣進(jìn)行一致性比例和一致性指標(biāo)計(jì)算，公式如下：

C1=(λmax-n)/(n-1),CR=C1/R1

(6)

以上式中λmax——判別矩陣的最大特征值；

n——指標(biāo)權(quán)重個(gè)數(shù)；

R1——評(píng)價(jià)一致性判別指標(biāo)，從相關(guān)表格中獲取。

CR值的大小代表了判別矩陣的一致性檢驗(yàn)結(jié)果，其值小于0.1時(shí)可認(rèn)為判別矩陣符合一致性檢驗(yàn)要求；其值位于其他區(qū)間時(shí)則認(rèn)為判別矩陣需進(jìn)行重新調(diào)整。

診斷指標(biāo)的變異程度是熵值法計(jì)算的理論依據(jù)，它是將計(jì)算得到的信息熵作為指標(biāo)熵權(quán)的客觀賦權(quán)法。為規(guī)避傳統(tǒng)熵值法出現(xiàn)的熵值過小或過大對(duì)熵權(quán)造成較大影響的缺陷，本研究采用改進(jìn)熵值法進(jìn)行各指標(biāo)的客觀權(quán)重計(jì)算，診斷指標(biāo)j的熵值Ej計(jì)算公式如下：

(7)

式中rij——健康等級(jí)為j時(shí)，指標(biāo)i的隸屬度。

(8)

(9)

式中n為診斷指標(biāo)的個(gè)數(shù)，據(jù)此可求得各評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重向量C=(η1,η1,…ηn)。

2.5 確定健康等級(jí)

引入w和R分別作為權(quán)重向量和判別矩陣，判斷結(jié)果可采用H=wR=(h1,h2,…,nm)進(jìn)行表征，其中m代表健康等級(jí)數(shù)。通常情況下評(píng)價(jià)結(jié)果利用最大隸屬度進(jìn)行評(píng)價(jià)，即綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為隸屬度最大值所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)。然而最大隸屬度原則往往忽略了其他信息對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，其結(jié)果雖然顯現(xiàn)出了優(yōu)勢(shì)類比所占的比重,但仍具有一定的片面性。據(jù)此，考慮評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度有效性原則，科學(xué)地選擇貼進(jìn)度分析法與最大隸屬度相結(jié)合法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)判。評(píng)判指標(biāo)最大隸屬度有效性原則可采用下式進(jìn)行表述，并引入指標(biāo)μ：

μ=(ma-1)/[2β(m-1)]

(10)

式中α、β分別為H中最大與次大隸屬度所占綜合隸屬度的比例。當(dāng)μ不小于0.5時(shí)，μ越大越優(yōu)并認(rèn)為最大隸屬度原則比貼近度分析法更加有效可靠，并采用該方法進(jìn)行健康狀態(tài)的評(píng)判；當(dāng)μ小于0.5時(shí)，貼進(jìn)度分析法較為有效，應(yīng)利用貼進(jìn)度分析法對(duì)健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)判。

貼進(jìn)度分析法的基本過程為：首先引入V=(v1,v2,…,vm)作為健康狀態(tài)評(píng)價(jià)集，則評(píng)價(jià)結(jié)果vi的模糊特征子集為Dj=(0,…,1,…,0)=(d1,…,dj,…,dm)，貼進(jìn)度N(H,Dj)可采用下式進(jìn)行表征：

(11)

式中μH(hj)、μD(hj)分別為H、Dj對(duì)應(yīng)于評(píng)價(jià)結(jié)果vj的隸屬度。當(dāng)N(H,Dj)滿足N(H,Dj)=max1≤j≤mN(H,Dj)時(shí)，則健康狀況評(píng)價(jià)結(jié)果為vj。

3 實(shí)例應(yīng)用

本研究選取遼寧省大連市普蘭店區(qū)碧流河水庫(kù)為研究對(duì)象，該水庫(kù)的功能是防洪、發(fā)電、灌溉、養(yǎng)殖、旅游等，并于1986年完成建設(shè)并投入運(yùn)行。該水庫(kù)大壩為混凝土重力壩。通過查找資料并對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，該水利工程質(zhì)量狀況良好，無(wú)較大的安全隱患，工程表觀及設(shè)備正常運(yùn)行；工程功能及效益發(fā)揮基本正常，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和日常維護(hù)管理工作符合相關(guān)要求，運(yùn)行狀況保持良好[11]。

3.1 確定指標(biāo)權(quán)重

首先對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的二級(jí)指標(biāo)權(quán)重用層次分析法進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合二級(jí)指權(quán)重計(jì)算記過和隸屬度可構(gòu)建一級(jí)指標(biāo)判別矩陣，各指標(biāo)值的計(jì)算結(jié)果和判別矩陣如下：

結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果并采用層次分析法與指標(biāo)熵權(quán)法可求得各指標(biāo)的主觀權(quán)重，并用式(9)求得各指標(biāo)的組合權(quán)重，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 水利工程健康診斷在不同維度的因子權(quán)重計(jì)算結(jié)果

3.2 模糊診斷結(jié)果與分析

利用文中所述相關(guān)公式最終可得到各指標(biāo)的綜合權(quán)重向量，計(jì)算結(jié)果分別如下：

CEi=(0.055,0.287,0.214,0.195,0.249)

CMj=(0.118,0.305,0.387,0.189)

CSk=(0.135,0.216,0.215,0.307,0.227)

利用判別矩陣R(E)、R(M)、R(S)以及綜合權(quán)重向量CEi、CMj、CSk計(jì)算結(jié)果可進(jìn)行判別矩陣向量的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果分別如下：

H(E)=CEiR(E)=(0.070,0.577,0.312,0.040)

H(M)=CmjR(M)=(0.435,0.411,0.126,0.028)

H(S)=CSkR(S)=(0.277,0.562,0.108,0.052)

結(jié)合最大隸屬度有效原則對(duì)水利工程健康狀態(tài)評(píng)價(jià)等級(jí)分別選擇合適指標(biāo)進(jìn)行判斷，最終求得各維度下的健康評(píng)價(jià)結(jié)果分別為μE=0.697、μM=0.297、μS=0.756。據(jù)此可知μE及μS計(jì)算結(jié)果均大于0.5，符合隸屬度原則基本要求，所以采用最大隸屬度原則對(duì)工程環(huán)境協(xié)調(diào)性和實(shí)體健康狀態(tài)進(jìn)行診斷分析；采用貼進(jìn)度分析法對(duì)工程的管理過程進(jìn)行健康狀態(tài)評(píng)價(jià)分析。工程環(huán)境協(xié)調(diào)性S與工程實(shí)體健康E的評(píng)價(jià)等級(jí)根據(jù)最大隸屬度原則評(píng)價(jià)結(jié)果，可評(píng)定為v2等級(jí)，此維度的健康水平處于亞健康狀態(tài)；然后利用式(11)分別對(duì)N(M,D1)、N(M,D2)、N(M,D3)、N(M,D4)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果分別為0.471、0.475、0.381和0.355，其中N(M,D2)=max1≤j≤4N(H,D2)，由此可知工程管理健康水平處于亞健康狀態(tài)。根據(jù)單一指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果值可知，本文所選取的碧流河水庫(kù)整體外觀狀態(tài)處于良好水平，而實(shí)體健康狀態(tài)受結(jié)構(gòu)滲透作用影響較大；工程管理健康狀態(tài)研究表明，仍需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的管理；工程功能健康狀態(tài)基本保持正常，其工程效益和作用基本滿足相關(guān)要求，該診斷評(píng)價(jià)結(jié)果與工程實(shí)際健康狀態(tài)調(diào)研結(jié)果基本一致。

4 結(jié) 論

本文在詳細(xì)分析了水利工程健康基本內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，分別從公式適應(yīng)性與環(huán)境協(xié)調(diào)性、管理過程和實(shí)體健康三個(gè)方面，構(gòu)建了工程健康狀態(tài)診斷指標(biāo)體系，并以遼寧省大連市普蘭店區(qū)碧流河水庫(kù)為研究對(duì)象進(jìn)行分析，得出的主要結(jié)論如下：

a.采用改進(jìn)熵值法與層次分析法相結(jié)合的方法對(duì)各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行組合賦權(quán)，不僅考慮了客觀統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的作用，而且從健康機(jī)理上反映了對(duì)水利工程的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)，有效避免了單一地采用客觀或主觀賦權(quán)法對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果造成的誤差。

b.考慮評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度有效性原則，科學(xué)地選擇貼進(jìn)度分析法與最大隸屬度相結(jié)合法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)判。當(dāng)μ不小于0.5時(shí)，此時(shí)μ越大越優(yōu)并認(rèn)為最大隸屬度原則比貼近度分析法更加有效可靠，并采用該方法進(jìn)行健康狀態(tài)的評(píng)判；當(dāng)μ小于0.5時(shí)，貼進(jìn)度分析法較為有效，應(yīng)采用貼進(jìn)度分析法對(duì)健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)判。

c.本文所選取的遼寧省大連市普蘭店區(qū)碧流河水庫(kù)整體外觀狀態(tài)處于良好水平，而實(shí)體健康狀態(tài)受結(jié)構(gòu)滲透作用影響較大；工程管理健康狀態(tài)研究表明仍需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的管理；水利工程功能健康狀態(tài)基本保持正常，其工程效益和作用基本滿足相關(guān)要求，該診斷評(píng)價(jià)結(jié)果與工程實(shí)際健康狀態(tài)調(diào)研結(jié)果基本一致。

d.水利工程健康內(nèi)涵涉及多個(gè)層次和方面，設(shè)施運(yùn)行狀況受多種因素的綜合作用影響，同時(shí)還與當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)環(huán)境、社會(huì)環(huán)境以及政府的制度政策相關(guān)，對(duì)其健康狀態(tài)進(jìn)行診斷還需要進(jìn)一步的完善評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

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