王子銘，杜應(yīng)吉

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

我國現(xiàn)役渡槽大多數(shù)在20世紀(jì)50年代建成，在運(yùn)行過程中產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)損傷和耐久性破壞[1]，隨著時(shí)間推移老化狀況愈加嚴(yán)重。為了保證農(nóng)業(yè)灌溉有序進(jìn)行，需要對(duì)渡槽現(xiàn)狀進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。但目前渡槽相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)龐雜無序，且查閱、管理和分析渡槽基礎(chǔ)數(shù)據(jù)效率較低。

近年來數(shù)據(jù)庫技術(shù)在水利工程方面應(yīng)用廣泛，王培成等[2]將SQL-Server作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，建立大壩安全監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)；彭義峰等[3]通過Access數(shù)據(jù)庫針對(duì)湖北地區(qū)通用的巖土參數(shù)開發(fā)水利水電巖體力學(xué)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)取值系統(tǒng)；李星等[4]將ArcGIS軟件和SQL-Server數(shù)據(jù)庫結(jié)合，建立暗管排水規(guī)劃設(shè)計(jì)的可視化工程平臺(tái)。但類似數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中很少帶有評(píng)價(jià)功能，同時(shí)在渡槽數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方面還鮮有應(yīng)用。

目前，渡槽健康狀態(tài)評(píng)價(jià)方法有層次分析法、模糊數(shù)學(xué)法、灰色理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、突變理論等[5]。其中，層次分析法是一種針對(duì)多目標(biāo)、多影響因素問題的決策方法，且與渡槽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相一致。由于渡槽健康狀態(tài)評(píng)價(jià)過程非定量評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)過程中部分指標(biāo)無法劃清界限，因此采用模糊數(shù)學(xué)法對(duì)渡槽底層指標(biāo)采用隸屬度進(jìn)行決策，提高評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性。

為提高渡槽信息化管理水平及評(píng)價(jià)效率，本文采用層次分析法與模糊數(shù)學(xué)法，建立基于SQL-Server數(shù)據(jù)庫的渡槽健康狀態(tài)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有渡槽進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、分析及評(píng)價(jià)。

1 基于層次分析法的渡槽健康狀態(tài)評(píng)價(jià)體系

1.1 渡槽狀態(tài)層次結(jié)構(gòu)建立

參照SL 214—2015《水閘安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》[6]的四級(jí)分類，將渡槽分成4個(gè)等級(jí)，其評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 渡槽健康狀態(tài)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

參考DL/T 5251—2010《水工混凝土建筑物缺陷檢測(cè)和評(píng)估技術(shù)規(guī)程》[7]和有關(guān)文獻(xiàn)[8]，根據(jù)層次分析原理建立渡槽綜合評(píng)價(jià)模型，以渡槽健康狀態(tài)作為目標(biāo)層，渡槽的安全性、適用性和耐久性作為準(zhǔn)則層，具體評(píng)價(jià)模型如圖1所示。

圖1 渡槽健康狀態(tài)評(píng)估層次結(jié)構(gòu)

1.2 底層指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

參考SL 265—2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]、SL 458—2011《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]、SL 319—2018《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]、GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]、GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]，GB 5124—2018《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[14]等相關(guān)規(guī)范，并根據(jù)相關(guān)專家建議，設(shè)計(jì)渡槽底層指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2～4所示。

表2 渡槽安全性指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

1.3 指標(biāo)權(quán)重賦值

根據(jù)張文劍等[15]對(duì)渡槽健康狀態(tài)模糊綜合評(píng)價(jià)

方法可知，以指標(biāo)重要程度為依據(jù)賦予指標(biāo)適當(dāng)?shù)臋?quán)重值，以確保評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文用1～9標(biāo)度來對(duì)各層次指標(biāo)間的相對(duì)重要程度賦值，構(gòu)造相應(yīng)層次判斷矩陣，求得矩陣最大特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量，歸一化處理后所得即為各層次指標(biāo)的權(quán)重值。

在判斷矩陣的構(gòu)建的過程中，由于多指標(biāo)性，專家因素的主觀性等，導(dǎo)致所構(gòu)建的評(píng)價(jià)系統(tǒng)比較復(fù)雜，判斷矩陣的合理性需要得到保證，所以引入矩陣一致性判斷，同時(shí)也是對(duì)專家主觀因素與實(shí)際

表3 渡槽適用性指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

表4 渡槽耐久性指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

情況相符的約束。

(1)計(jì)算一致性指標(biāo)CI，即

(1)

式中，CI為一致性指標(biāo)，λmax為最大特征值，n為矩陣階數(shù)。

(2)查找隨機(jī)一致性指標(biāo)RI。對(duì)大量的隨機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算[16]，得到1～10階經(jīng)過1 000次的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，如表5所示。

表5 RI取值參考

(3)計(jì)算一致性比例CR，即

(2)

當(dāng)CR≤0.1時(shí)表示矩陣符合實(shí)際情況，是符合要求的矩陣，否則表示矩陣是不符合要求的，需要對(duì)矩陣進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，直至滿足要求。

1.4 評(píng)價(jià)結(jié)果

參照SL 214—2015《水閘安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》的分類標(biāo)準(zhǔn)和專家的意見，對(duì)底層指標(biāo)進(jìn)行給分，將所得到的底層指標(biāo)根據(jù)公式(3)開始向上逐層進(jìn)行匯總計(jì)算，最終確定渡槽綜合評(píng)價(jià)得分，根據(jù)目標(biāo)層得分確定渡槽的實(shí)際情況，歸屬評(píng)價(jià)渡槽所處級(jí)別。

(3)

式中，F(xiàn)為相對(duì)的上層評(píng)價(jià)值；wi為第i個(gè)計(jì)算的相對(duì)下層指標(biāo)的權(quán)重；Di為相對(duì)下層指標(biāo)所對(duì)評(píng)價(jià)值。

2 渡槽健康狀態(tài)評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)渡槽基本信息、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，并根據(jù)綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)渡槽進(jìn)行安全鑒定評(píng)價(jià)，該系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)主要有以下2方面：一是對(duì)渡槽信息的數(shù)據(jù)管理，可對(duì)資料進(jìn)行增添、修改、查詢、統(tǒng)計(jì)等；二是依據(jù)渡槽現(xiàn)狀信息對(duì)渡槽進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

(1)系統(tǒng)安全管理。為了保證數(shù)據(jù)庫的安全性，需要對(duì)登錄的用戶進(jìn)行驗(yàn)證，校核是否為系統(tǒng)允許

的用戶信息，同時(shí)校核登錄者的身份，不同登陸人員擁有不同的權(quán)限。

(2)數(shù)據(jù)管理和維護(hù)。渡槽的數(shù)據(jù)種類較多，信息量大，用戶可在系統(tǒng)運(yùn)行界面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行增減刪改等操作。先為系統(tǒng)定義通用的檢測(cè)時(shí)間，然后在相應(yīng)窗體內(nèi)對(duì)缺陷指標(biāo)和渡槽情況等內(nèi)容進(jìn)行操作；系統(tǒng)可檢測(cè)數(shù)據(jù)是否已經(jīng)存在或者與定義的類型不符，為之后的渡槽評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)保障。

(3)數(shù)據(jù)查詢。為高效查找和快速瀏覽數(shù)據(jù)，建立樹形結(jié)構(gòu)檢索模塊和可視化模塊，可通過單獨(dú)檢索或逐層遞進(jìn)組合檢索獲取渡槽數(shù)據(jù)。用戶可根據(jù)渡槽的檢測(cè)時(shí)間、名稱信息、結(jié)構(gòu)形式、所屬地區(qū)等信息進(jìn)行精準(zhǔn)查找，通過系統(tǒng)檢索得到所含渡槽的指標(biāo)名稱、判斷分?jǐn)?shù)、結(jié)構(gòu)位置、具體情況、缺陷圖片和渡槽等的工程概況并在可視化模塊中顯示出來。

(4)渡槽安全評(píng)價(jià)。依據(jù)系統(tǒng)中已存在的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)底層指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，基于評(píng)價(jià)模型和底層指標(biāo)得分情況，自動(dòng)歸屬現(xiàn)役渡槽所處類別，并且生成相應(yīng)處理建議。

該系統(tǒng)采用“客戶端/服務(wù)器”兩層架構(gòu)?？蛻舳素?fù)責(zé)提供用戶界面并且處理業(yè)務(wù)邏輯，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負(fù)責(zé)接受客戶端傳輸?shù)腟QL語句并對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新、查詢等操作，將得到結(jié)果返回給客戶端；服務(wù)器端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和維護(hù)模塊，為各個(gè)客戶應(yīng)用程序管理數(shù)據(jù)；客戶端中包含文檔處理軟件、決策支持工具、數(shù)據(jù)查詢等應(yīng)用邏輯程序，通過使用SQL語言發(fā)送請(qǐng)求和分析從服務(wù)器接收的數(shù)據(jù)[17]。

系統(tǒng)評(píng)價(jià)功能是將渡槽評(píng)價(jià)基本方法預(yù)先嵌入系統(tǒng)中，并構(gòu)建底層指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參考頁面，二者結(jié)合作為系統(tǒng)的評(píng)價(jià)知識(shí)庫。用戶在進(jìn)行渡槽健康評(píng)價(jià)時(shí)，將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)所得到的數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)中，系統(tǒng)調(diào)出知識(shí)庫內(nèi)的評(píng)價(jià)方法，在該方法下進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后為用戶得到相應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果和處理建議，同時(shí)為之后類似的渡槽健康評(píng)價(jià)提供參考和依據(jù)。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問運(yùn)行路線如圖3所示。

圖3 ADO.NET的數(shù)據(jù)訪問流程

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫是進(jìn)行渡槽健康狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，主要用于保存和管理渡槽的基本數(shù)據(jù)資料、安全評(píng)價(jià)方法等信息，是整個(gè)系統(tǒng)可以正常運(yùn)行的關(guān)鍵。該渡槽系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的建設(shè)應(yīng)該符合渡槽數(shù)據(jù)信息管理工作的實(shí)際要求，數(shù)據(jù)庫主要由渡槽信息表(AqueductInfo)、渡槽指標(biāo)信息表(IndexInfo)、用戶信息表(UserInfo)、用戶角色表(UserRole)、渡槽圖片表(ImageInfo)等構(gòu)成。所建數(shù)據(jù)庫中各表頭應(yīng)該滿足簡(jiǎn)單、易懂、且符合實(shí)際情況的原則，數(shù)據(jù)類型中文本信息采用Varchar類型，數(shù)字信息采用Int數(shù)值類型，合理定義各數(shù)據(jù)表之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而可以在查詢時(shí)快速地調(diào)出相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)也方便各系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和分享。

2.3 系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)功能主要是通過代碼實(shí)現(xiàn)，在各模塊中都含有數(shù)據(jù)的查詢、增刪改等功能，為了避免出現(xiàn)代碼重復(fù)、調(diào)試不方便等問題，建立公共類庫OpenDataManage.cs，系統(tǒng)中各模塊功能可以從公共類庫封裝的方法傳值并調(diào)用，采用C#中嵌套SQL語句進(jìn)行混合編程的方式，建立類庫時(shí)采用參數(shù)化的SQL語句對(duì)各方法進(jìn)行封裝，即將基本功能封裝；采用參數(shù)化的SQL語句，可防止其他語句的注入并提高系統(tǒng)的性能，公共類庫中有如下方法：

(1)ExecuteReader()方法。該方法主要是執(zhí)行對(duì)數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)的查詢操作，并將返回結(jié)果放在DataReader對(duì)象中，有利于數(shù)據(jù)的讀取、調(diào)出和可視化。

(2)ExecuteNonQuery()方法。該方法主要用于對(duì)數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新操作，執(zhí)行一條SQL語句，與Update、Insert和Delete語句連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的增刪改功能。

2.4 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中新增、修改及渡槽指標(biāo)查詢頁面如圖4所示。將實(shí)際檢測(cè)的渡槽名稱、結(jié)構(gòu)形式、檢測(cè)時(shí)間、所屬地區(qū)和工程概況輸入新增渡槽頁面，在渡槽信息成功創(chuàng)建后，將實(shí)際檢測(cè)指標(biāo)添加到新增渡槽中；通過渡槽修改頁面對(duì)有誤數(shù)據(jù)進(jìn)行改正；通過查詢頁面將渡槽的實(shí)際指標(biāo)、缺陷情況和渡槽圖像信息在系統(tǒng)中顯示。

圖4 渡槽新增、修改、指標(biāo)查詢頁面

依據(jù)底層指標(biāo)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)對(duì)渡槽實(shí)際檢測(cè)情況進(jìn)行分析，從而確定底層指標(biāo)分?jǐn)?shù)，將底層指標(biāo)得分輸入到系統(tǒng)中，進(jìn)行渡槽健康狀態(tài)評(píng)價(jià)，得到最后渡槽評(píng)價(jià)得分，從而確定渡槽健康評(píng)價(jià)等級(jí)以及處理建議，系統(tǒng)評(píng)價(jià)界面如圖5所示。

圖5 健康狀態(tài)評(píng)價(jià)界面

3 渡槽健康狀態(tài)評(píng)價(jià)系統(tǒng)應(yīng)用

寧夏某渡槽始建于1969年，為6跨的梁式渡槽，長60 m，設(shè)計(jì)過水流量45 m3/s。渡槽主要由進(jìn)口段、槽身段以及下部的井柱支撐結(jié)構(gòu)組成，由于接近使用年限，且受到外界不良介質(zhì)侵蝕，而原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)又較低，混凝土發(fā)生嚴(yán)重劣化現(xiàn)象，目前存在的問題主要有：①渡槽混凝土柱外露1.5 m左右，有效樁長變短；②渡槽混凝土剝落，露筋嚴(yán)重；③渡槽欄桿、人行橋、拉梁、槽殼等出現(xiàn)了不同程度的裂縫、露筋現(xiàn)象；④進(jìn)出口及伸縮縫也有滲水現(xiàn)象，伸縮縫曾用環(huán)氧樹脂及651橡膠止水處理，但是局部仍有一定程度破損；⑤混凝土結(jié)構(gòu)碳化破壞極其嚴(yán)重。系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的實(shí)際情況，計(jì)算渡槽整體綜合評(píng)價(jià)得分，確定該渡槽所屬安全等級(jí)并針對(duì)缺陷給出具體的處理建議。

為保證結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性，由多位專家給出各指標(biāo)相對(duì)重要程度的判斷值。根據(jù)多位專家給出指標(biāo)相對(duì)重要程度建立矩陣求解體系中指標(biāo)所對(duì)應(yīng)權(quán)重，權(quán)重值如表6所示。

表6 渡槽指標(biāo)體系及權(quán)重匯總

依據(jù)工程實(shí)際情況和評(píng)分準(zhǔn)則分別予評(píng)價(jià)體系中各指標(biāo)以合理評(píng)價(jià)值，將評(píng)價(jià)值輸入管理系統(tǒng)并經(jīng)過運(yùn)算后得出相應(yīng)評(píng)價(jià)結(jié)果及相關(guān)處理意見，界面顯示如圖6所示。

圖6 寧夏某渡槽健康狀態(tài)評(píng)價(jià)界面和評(píng)價(jià)處理建議

從圖6可知，所得最終評(píng)價(jià)結(jié)果與該工程經(jīng)過專家最終驗(yàn)收時(shí)所得的結(jié)論一致，且經(jīng)程序運(yùn)算輸出的結(jié)果對(duì)實(shí)際工程中缺陷修復(fù)具有指導(dǎo)作用。

4 結(jié) 語

本文采用了模糊數(shù)學(xué)及AHP層次分析法建立渡槽評(píng)價(jià)模型，基于.NET平臺(tái)中C#編程語言和SQL-Server數(shù)據(jù)庫開發(fā)渡槽健康狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了用戶查閱、管理和分析數(shù)據(jù)耗時(shí)耗力的現(xiàn)狀，在綜合考慮渡槽實(shí)際情況的前提下，將評(píng)價(jià)功能嵌入在系統(tǒng)中。采用該系統(tǒng)對(duì)寧夏某渡槽進(jìn)行評(píng)價(jià)，給出相應(yīng)評(píng)價(jià)結(jié)果及處理建議，并成功指導(dǎo)渡槽除險(xiǎn)加固工作。該系統(tǒng)有效提高了渡槽數(shù)據(jù)管理信息化水平和健康評(píng)價(jià)效率，同時(shí)為未來渡槽的智能化和信息化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。