劉 英 杰，李 光 輝，馬 銳 鑫

(1.華北水利水電大學 水利學院，河南 鄭州 450046； 2.水資源高效利用與保障工程河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450046； 3.河南省水環(huán)境模擬與治理重點實驗室，河南 鄭州 450046)

0 引 言

近年來，水利信息化快速發(fā)展，推動傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利轉變[1]。水利信息系統(tǒng)作為水利信息化在水利行業(yè)的表現(xiàn)形式，利用互聯(lián)網、大數(shù)據挖掘、人工智能等多種技術，建成了各種集信息管理、資源共享、技術支持等多功能的綜合型水利數(shù)據中心，推動了水利現(xiàn)代化、智慧化進程，適應了現(xiàn)代水利信息化可持續(xù)發(fā)展的需求，實現(xiàn)了效益最大化[2]。目前，水利信息系統(tǒng)內容在水利行業(yè)的多個方面有所應用，涉及到水資源調度[3-4]、移民工作安置[5-6]、水質監(jiān)測[7]、生態(tài)環(huán)境管理[8]等多個領域。隨著業(yè)務范圍的不斷擴展，對信息系統(tǒng)運行質量、穩(wěn)定性要求也越來越高，水利信息系統(tǒng)運行可靠性不僅關系到水利工作的正常進行，對水利現(xiàn)代化建設也有一定的推動作用。因此，對水利信息系統(tǒng)運行可靠性進行合理評估顯得尤為必要。

國內外學者對水利信息系統(tǒng)的運行可靠性展開了大量研究。Solhee等[9]對農水信息系統(tǒng)的安全運行進行研究分析，并識別出系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，提出針對性建議。劉子龍等[10]對水文自動測報系統(tǒng)特性進行研究分析，從數(shù)據采集精度、通信及數(shù)據傳輸可靠性、水文預報精度3個方面對系統(tǒng)運行可靠性進行綜合評價。賀挺等[11]采用AHP法和SPA法對水利業(yè)務系統(tǒng)的安全性進行綜合評估。付靜等[12]分析了水利信息系統(tǒng)運行存在的主要問題，并在此基礎上提出維護措施。水利信息系統(tǒng)在運行過程中，由于人為、自然等因素的影響，產生的實體問題是危及系統(tǒng)安全運行的主要問題來源。基于此，本文以水利信息系統(tǒng)運行可靠為目標，從運行環(huán)境、硬件、網絡系統(tǒng)軟件、人為因素4個方面分析系統(tǒng)運行可靠性，并借鑒以往的研究工作提出了基于云模型的系統(tǒng)運行可靠性評價模型，對評價信息實現(xiàn)定量與定性的相互轉換。應用該模型對一個供水工程決策支持系統(tǒng)運行可靠性進行了綜合評價，以期為水利信息系統(tǒng)運行可靠性評價提供實質性幫助。

1 運行可靠性評價指標體系構建

1.1 評價指標體系

若要對水利信息系統(tǒng)運行可靠性進行有效評估，必須建立符合其特性的指標體系。中國于2015年發(fā)布了《水利信息系統(tǒng)運行維護規(guī)范》，對水利信息系統(tǒng)的物理環(huán)境、信息采集設施、主機等基礎設施和水資源管理、水利工程管理等業(yè)務系統(tǒng)進行運維管理，并根據具體指標定期對系統(tǒng)進行安全性評估。王文義[13]從系統(tǒng)的接地、環(huán)境溫度和濕度及電源問題等方面對影響水利調度系統(tǒng)可靠運行的環(huán)境因素進行研究分析。周維續(xù)[14]將影響水利信息系統(tǒng)安全的因素劃分為物理層、網絡層、主機系統(tǒng)層、應用層、數(shù)據層和安全管理等6個層次。李柳[15]對影響工程運行調度的風險因素進行分析，認為應用軟件和硬件設備設施能夠正常使用是自動化系統(tǒng)平穩(wěn)運行的關鍵。蔡陽[16]構建了包含采集監(jiān)控層、支撐層、應用層、門戶層等4個層次的水利信息系統(tǒng)運行保障平臺，提高了信息系統(tǒng)運行可靠性。翟宜峰等[17]結合水量調度運行管理特點，將水利自動化系統(tǒng)分為應用系統(tǒng)、應用支撐平臺、基礎設施、組織管理、技術保障等5部分。嚴升等[18]認為了解水利自動化系統(tǒng)的整體結構和設備的運行特征、掌握系統(tǒng)的工作原理能夠更好地保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行。以上研究多從水利信息系統(tǒng)的組成結構和功能特點出發(fā)研究系統(tǒng)運行可靠性問題，卻忽略了人為因素、運行流程失誤等對系統(tǒng)安全運行造成的影響。根據Gartner Group的調查發(fā)現(xiàn)，流程和人員才是造成信息系統(tǒng)運行故障的主要原因[19]。

本文基于以上研究，依據水利信息系統(tǒng)的特點，結合實地調研情況，構建起水利信息系統(tǒng)運行可靠性評價指標體系。評價體系分為準則層、目標層、狀態(tài)層3層。準則層包括運行環(huán)境、硬件、網絡系統(tǒng)軟件、人為因素4個部分。目標層由各個部分包含的具體指標構成，其中運行環(huán)境分為機房環(huán)境、綜合布線；硬件分為UPS系統(tǒng)、機柜系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、傳感器、安防系統(tǒng)、通信系統(tǒng)；網絡系統(tǒng)軟件分為操作系統(tǒng)、業(yè)務系統(tǒng)、網絡系統(tǒng)；人為因素分為人員素質、技能水平、操作經驗。目標層指標又可根據結構的功能要求進行詳細劃分，構成系統(tǒng)評價指標體系的狀態(tài)層。具體指標見圖1。

圖1 水利信息系統(tǒng)運行可靠性評價指標體系Fig.1 Operation reliability evaluation index system of water conservancy information system

1.2 狀態(tài)層指標評估標準

采用定性語言值對狀態(tài)層指標的具體性狀進行描述，使用一般、較重、嚴重3個等級表示狀態(tài)層指標對目標層指標的影響程度(見表1)。限于篇幅，本文只列出部分指標的評估標準。

表1 狀態(tài)層指標評估標準Tab.1 Evaluation criteria of state level indicators

2 運行可靠性評價模型研究

2.1 確定評價指標權重

2.1.1AHP法確定主觀權重

AHP法是一種實用有效的多準則決策方法，是常用的主觀賦權法之一，能夠使定性問題定量化，復雜系統(tǒng)層次化[20]。通過邀請行業(yè)專家對指標重要性進行兩兩判斷，確定指標權重αj。

2.1.2改進CRITIC法確定客觀權重

CRITIC法是一種基于評價指標的客觀賦權法，通過相關系數(shù)、標準差分別衡量指標間的沖突性和指標內的差異性[21]。本文依據水利信息系統(tǒng)運行可靠性評價指標的具體特點，利用變異系數(shù)代替標準差，改進傳統(tǒng)CRITIC法確定指標權重，以此提高評價結果的準確性。假設有a個樣本，b個運行可靠性評價指標，則客觀權重的計算步驟如下：

(1) 建立決策矩陣X=[xij]a×b，xij代表第i個樣本關于第j個指標的數(shù)據。

(2) 計算第j個指標的信息熵Ej。

(1)

(3) 計算第j個指標的變異系數(shù)gi。

gj=1-Ej

(2)

(4) 對決策矩陣進行標準化處理，利用統(tǒng)計學概念計算相關系數(shù)，得到相關系數(shù)矩陣R=[rj1j2]b×b，j1，j2=1，2，…，b，其中rj1j2表示第j1個指標和第j2個指標間的相關系數(shù)。

(5) 各指標間的綜合信息量Cj。

(3)

(6) 確定指標權重ηj

(4)

2.1.3組合賦權

本文采用基于理想點法的組合賦權法[22]，將AHP法確定的主觀權重αj和改進CRITIC法確定的客觀權重ηj相結合，計算公式為

(5)

2.2 建立水利信息系統(tǒng)綜合評價云模型

2.2.1云模型基礎理論

云模型由李德毅教授提出，是基于模糊數(shù)學和概率論算法實現(xiàn)定量與定性轉換的一種模型，能夠用于解決不確定性問題[23]。設U為定量論域，C是U上的定性概念，若定量值x∈U，且x對C的隸屬度μ(x)∈[0，1]是有穩(wěn)定傾向的隨機數(shù)，即：

μ：U→[0，1]，?x∈U，x→μ(x)

(6)

在云模型中，由期望Ex、熵En和超熵He反映整體特征，其中Ex表示論域的中心，En表示定性概念C的不確定性，He表示熵的不確定度。

云模型可由云發(fā)生器建立，包含正向和逆向。正向云發(fā)生器是實現(xiàn)定性到定量的轉換，通過云模型數(shù)字特征產生云滴；逆向云發(fā)生器則是將定量數(shù)據轉換為定性概念。

2.2.2確定評價等級標準云

本文選取準則層指標作為制定水利信息系統(tǒng)運行可靠性等級量化標準因子，將水利信息系統(tǒng)運行可靠性劃分為4個等級，分別為優(yōu)(V1)、良(V2)、中(V3)、差(V4)，由專家根據經驗給出量化區(qū)間[Bmin，Bmax]。同時，為表現(xiàn)定性評語量化過程的模糊性，本文參考文獻[24]將不同評語的量化區(qū)間彼此相交，并由專家確定相交區(qū)域的大小，提高評價結果的準確度。評語集云模型的數(shù)字特征計算公式如下：

(7)

式中：Bmax，Bmin分別表示評語取值范圍的最大值、最小值；k為常數(shù)。

2.2.3確定目標層評價云

邀請專家依據自身經驗和評價等級，結合實地調研情況，根據評價指標體系中狀態(tài)層指標的評估標準，對目標層指標的運行可靠性進行定量打分，記為Cxy(x為評價專家個數(shù)，y為評價指標個數(shù))。通過逆向云發(fā)生器算法計算目標層指標的評價云模型(Ex，En，He)。計算公式如下：

(1) 計算期望值Ex。

(8)

(2) 計算熵En。

(9)

(3) 計算超熵He。

(10)

2.2.4確定準則層評價云和綜合評價云

準則層指標評價云可利用已確定的目標層指標權重和云模型計算得到，綜合評價云由準則層指標權重和云模型計算得到，計算公式如下：

(11)

式中：wi為對應指標權重；(Exi，Eni，Hei)為對應指標云模型的數(shù)字特征值；n為評價指標的個數(shù)，i=1，2，…，n。

根據評價云的數(shù)字特征，采用正向正態(tài)云發(fā)生器，運用Python軟件編程繪制出水利信息系統(tǒng)運行可靠性評價云圖，可得到水利信息系統(tǒng)整體運行可靠性的具體信息，采用云模型對水利信息系統(tǒng)運行可靠性進行評價。

3 案例分析

3.1 工程概況

一處大型供水工程決策支持系統(tǒng)包括建設綜合辦公支撐系統(tǒng)、通信傳輸系統(tǒng)、調度會商實體環(huán)境工程等，其運用現(xiàn)代通信、大數(shù)據分析、信息管理等技術實現(xiàn)水量分配、流量監(jiān)測、水質監(jiān)測、遠程控制、應急管理等功能，充分發(fā)揮了工程效益。本文對該決策支持系統(tǒng)的運行可靠性進行綜合評價。

3.2 基礎評價云生成

通過現(xiàn)場調研，由專家根據經驗確定評語集合的量化區(qū)間，即為優(yōu)[7，10)、良[4，8)、中[2，6)、差[0，4)4個等級。利用式(7)計算對應的評語層云模型參數(shù)，見表2。將云模型參數(shù)輸入正向云發(fā)生器，利用Python軟件生成基礎云圖，見圖2。

表2 決策支持系統(tǒng)運行可靠性等級評語集云模型Tab.2 Cloud model of operational reliability rating comments for decision support system

圖2 基礎評價云圖Fig.2 Basic evaluation cloud map

3.3 確定指標權重

由專家根據1～9標度含義表對同一層次指標重要性進行兩兩判斷[20]，利用層次分析法確定指標主觀權重αj。通過現(xiàn)場調研獲取南水北調受水區(qū)管理所自動化系統(tǒng)運行的相關資料，根據表1所列的評估標準對系統(tǒng)進行評價，將一般、較重、嚴重3個等級分別賦予1，2，3，從而得到各管理所系統(tǒng)運行的指標數(shù)據，利用改進CRITIC法計算指標客觀權重ηj。利用式(5)計算得到評價指標的組合權重Wj(見表3)。

表3 決策支持系統(tǒng)運行可靠性評價指標權重Tab.3 Operation reliability evaluation index weights of decision support system

3.4 確定隸屬度云模型

邀請水利行業(yè)專家、技術專家、信息領域專家共6位，結合現(xiàn)場調研情況及現(xiàn)有資料，依據表1所列的評估標準和評價準則對該供水工程決策支持系統(tǒng)的目標層指標進行定量打分。通過逆向云發(fā)生器，利用式(8)～(10)計算得到目標層的評價云數(shù)字特征。在此基礎性上，利用式(11)計算得到該決策支持系統(tǒng)的準則層評價云，結果見表4。借助Python軟件，采用正向云發(fā)生器，根據各準則層數(shù)字特征值生成評價云圖(V)，并與基礎評價云(V1、V2、V3、V4)進行比較，見圖3～6。

表4 準則層及目標層指標隸屬度云模型Tab.4 Cloud model for membership degree of criteria and target level indicators

圖3 運行環(huán)境評價云圖Fig.3 Evaluation cloud map of operating environment

圖4 硬件評價云圖Fig.4 Evaluation cloud map of hardware

圖5 網絡系統(tǒng)軟件評價云圖Fig.5 Evaluation cloud map of network system software

圖6 人為因素評價云圖Fig.6 Evaluation cloud map of human factors

由準則層云數(shù)字特征結合式(11)，計算得到該供水工程決策支持系統(tǒng)綜合評價云數(shù)字特征為Ex=8.185 1，En=0.159 7，He=0.149 1，并繪制出綜合評價云圖(V)，與基礎評價云(V1、V2、V3、V4)對比結果見圖7。

圖7 綜合評價云圖Fig.7 Comprehensive evaluation cloud map

從圖3～6可知：該系統(tǒng)的運行環(huán)境、硬件、網絡系統(tǒng)軟件、人為因素均處于優(yōu)和良之間，其中網絡系統(tǒng)軟件已達到優(yōu)的狀態(tài)，硬件也與優(yōu)高度重合，說明該供水工程決策支持系統(tǒng)的硬件、軟件、通信網絡運行可靠性較高，能夠保障各系統(tǒng)的正常運行，應繼續(xù)保持；運行環(huán)境介于優(yōu)和良之間，且與優(yōu)基本無重合，應采取進一步的改善措施，比如定期對設備運行環(huán)境進行巡檢，落實運行管理制度，加強運行期運維工作的措施，減少系統(tǒng)故障發(fā)生；人為因素與優(yōu)重合較少，應加強人才隊伍的建設和培養(yǎng)工作，定期對操作人員進行培訓，或者建立績效考核制度，有效提高系統(tǒng)運行的可靠性。從圖7可知，該供水工程決策支持系統(tǒng)運行可靠性等級介于優(yōu)和良之間，且與優(yōu)重合度較高，與該工程實際情況較為相符。

4 結 語

本文從運行環(huán)境、硬件、網絡系統(tǒng)軟件、人為因素4個部分構建了水利信息系統(tǒng)運行可靠性評價指標體系。采用組合賦權法確定評價指標的權重，在此基礎上，利用云模型建立評價模型并將其應用于供水工程決策支持系統(tǒng)的運行可靠性評價中，驗證了評價模型的可行性。借助Python軟件將水利信息系統(tǒng)運行可靠性等級以云滴圖的形式展現(xiàn)，能夠直觀簡單地把握水利信息系統(tǒng)各部分運行狀況，便于對系統(tǒng)的安全運維作出準確指導，為水利信息系統(tǒng)運行可靠性研究提供了新思路。