陸綺榮，梁雅雯，丁 昕

(桂林理工大學(xué) a.信息科學(xué)與工程學(xué)院；b.廣西嵌入式技術(shù)與智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541006)

0 引 言

近年來, 我國城市給排水量逐年增加, 但是市政管道的改造卻沒有能夠及時(shí)同步進(jìn)行。排水管網(wǎng)作為排水系統(tǒng)的核心部分, 長期以來由于受重視程度不夠, 存在的問題和缺陷逐漸增加[1]。地下管道污水滲漏、 破裂等缺陷時(shí)有發(fā)生, 不僅對居民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成影響, 而且對土壤和地下水環(huán)境也造成破環(huán), 給周邊建筑物的安全帶來隱患。城市生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展是智慧城市建設(shè)的重要指標(biāo)之一, 而有效的水管網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是城市生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵[2], 因此對城鎮(zhèn)管道狀態(tài)進(jìn)行評估并及時(shí)修復(fù)管道缺陷成為一項(xiàng)重要工作。

目前, 我國地下管道缺陷評估通常由人工完成, 檢測人員通過視頻判斷存在的缺陷和等級、 人工測量管段總數(shù)和存在缺陷管段數(shù)量, 如觀測時(shí)視頻不清晰、 有遮擋物、 光線等問題都會產(chǎn)生誤差, 進(jìn)而影響評判速度。例如, 在加拿大埃德蒙頓市使用3種地下管道狀況評估協(xié)議對20個(gè)管道進(jìn)行人工評分, 對同一管道狀態(tài)的評價(jià)結(jié)果均不相同[3]。評判時(shí)僅對所有同一結(jié)構(gòu)性和功能性缺陷作出檢測結(jié)論, 沒有對整個(gè)管段進(jìn)行總體評價(jià), 無法對管道狀態(tài)準(zhǔn)確判讀。羅同順等[4]提出用模糊綜合模型對管道定量化評估, 但選取的評價(jià)指標(biāo)較少, 并且只用單層模型計(jì)算缺陷數(shù)值; 吳鋒波[5]將模糊綜合評價(jià)用于評判城市軌道交通周邊建筑風(fēng)險(xiǎn)管控現(xiàn)狀, 建立2層模型, 劃分精細(xì), 但評價(jià)集劃分區(qū)間大, 對高層建筑的變形評估控制不理想; 洪小春等[6]用層次分析法構(gòu)建了含有3個(gè)二級指標(biāo)、 13個(gè)三級指標(biāo)的既有工業(yè)區(qū)——北京首鋼三高爐博物館地下空間開發(fā)功能適宜性評價(jià)指標(biāo)體系, 但二級指標(biāo)中的功能適宜性評價(jià)結(jié)果評分較低; 陸清平等[7]將模糊綜合評價(jià)運(yùn)用于土地的脆弱性評價(jià), 建立3層模型、 11個(gè)評價(jià)指標(biāo)并都進(jìn)行精確劃分, 但沒有對只發(fā)生少量脆弱性的地區(qū)進(jìn)行評價(jià)。針對風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的賦權(quán)問題, 模糊綜合評價(jià)城鎮(zhèn)排水管道中每個(gè)管段都是獨(dú)立的, 16種缺陷不會同時(shí)發(fā)生, 有些管段可能只有一兩個(gè)缺陷, 并且需要對缺陷的嚴(yán)重等級進(jìn)一步劃分。

本文采用模糊綜合層次分析法構(gòu)建模型對城鎮(zhèn)排水管道缺陷進(jìn)行評價(jià), 選用桂林市某綜合治理工程項(xiàng)目排水管道健康狀況檢測報(bào)告作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 并按照《城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術(shù)規(guī)程》(CJJ 181—2012)中對結(jié)構(gòu)性和功能性缺陷的分類, 首先將管道缺陷要素和評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行層次劃分, 采用層次分析法(AHP)確定相應(yīng)的權(quán)重, 結(jié)合模糊綜合評價(jià)(FCE)和最大隸屬度原則得出評價(jià)結(jié)果; 再選取實(shí)例驗(yàn)證, 并與檢測報(bào)告實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中人工判讀的結(jié)構(gòu)性和功能性缺陷檢測結(jié)果進(jìn)行對比; 最后對管道作出總體性評價(jià), 以期使評價(jià)結(jié)果更為科學(xué)和準(zhǔn)確。

1 城鎮(zhèn)排水管道評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

地下管道基礎(chǔ)設(shè)施是投入較多的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)之一。由于腐蝕和惡化, 管道的結(jié)構(gòu)完整性逐漸下降。進(jìn)行管道缺陷評估要根據(jù)《城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術(shù)規(guī)程》中管道缺陷因素綜合考慮, 通過所列出的結(jié)構(gòu)性缺陷和功能性缺陷形成基于層次分析法的城鎮(zhèn)排水管道評價(jià)指標(biāo)體系, 如圖1所示。

圖1 城鎮(zhèn)排水管道評價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Evaluation index system for urban underground drainage pipelines

2 研究方法

針對城鎮(zhèn)排水管道評價(jià)體系的構(gòu)建, 運(yùn)用層次分析法建立評價(jià)指標(biāo)體系和各層的評價(jià)指標(biāo)權(quán)重; 采用模糊綜合評價(jià)法建立評價(jià)模型, 計(jì)算各層因素的評價(jià)向量; 根據(jù)結(jié)果的隸屬度對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析, 最終評價(jià)出該管段的狀況等級。

模糊層次綜合評價(jià)法(FAHP)是由模糊綜合評價(jià)法(FCE)和層次分析法(AHP)結(jié)合形成的評價(jià)方法。將模糊集理論納入原始AHP的主要?jiǎng)訖C(jī)是由于人類感知存在不確定性, 在決策過程中忽視人類行為的這種模糊性可能會導(dǎo)致錯(cuò)誤的決策[8]。為解決模糊性和不確定性的問題, 將人工模糊性的判斷轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)確度比例尺, 由Zadeh 等[9]提出的模糊集理論已被廣泛地納入原始的AHP中。

2.1 建立評價(jià)體系

對影響評價(jià)指標(biāo)的各種因素進(jìn)行層次化, 按照不同的因素劃分層次, 若一個(gè)因素可以由其他一些因素決定, 則可以將中間層繼續(xù)分解[10]。本文將城鎮(zhèn)排水管道評價(jià)體系劃分為4層:

①目標(biāo)層: 模糊層次綜合評價(jià)法的最終結(jié)果, 即實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)排水管道評價(jià);

②準(zhǔn)則層: 層次分析法的一級評價(jià)指標(biāo), 包含結(jié)構(gòu)性缺陷和功能性缺陷;

③子準(zhǔn)則層: 層次分析法的二級評價(jià)指標(biāo), 是一級評價(jià)指標(biāo)下的細(xì)分, 包含16項(xiàng)子準(zhǔn)則層指標(biāo);

④要素層: 二級評價(jià)指標(biāo)因素的細(xì)分, 即基礎(chǔ)評價(jià)指標(biāo), 以此建立層次評價(jià)體系。

2.2 建立評價(jià)模型

根據(jù)對評價(jià)指標(biāo)的層次劃分, 準(zhǔn)則層的因素集表示為U={u1,u2}, 代表一級評價(jià)指標(biāo)。子準(zhǔn)則層的因素集表示為Un={un1,un2, …,unm}代表二級評價(jià)指標(biāo),Un表示準(zhǔn)則層的第n個(gè)因素, 它由子準(zhǔn)則層中的m個(gè)因素決定。同樣能夠確定三級指標(biāo)的因素集uij={uij1,uij2, …,uijn},uij(i=1, 2, …,n;j=1, 2, …,m)表示一級指標(biāo)ui下的第j個(gè)二級指標(biāo)。確定評價(jià)集V={v1,v2, …,vi}, 評價(jià)集表示評價(jià)結(jié)果的集合,vi是對準(zhǔn)則層U的評價(jià)等級。

2.3 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

采用層次分析法求準(zhǔn)則層、 子準(zhǔn)則層和要素層的權(quán)重。層次分析法是將與決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、 準(zhǔn)則、 方案等層次, 在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法[11]。其主要思想是對同一層元素進(jìn)行重要程度對比, 構(gòu)造出判斷矩陣。確定各層因素的指標(biāo)權(quán)重步驟如下:

①建立層次結(jié)構(gòu)。將研究目標(biāo)的實(shí)際因素劃分為4層, 其中最上層是目標(biāo)層, 最下層是要素層。

②構(gòu)造層次模型。專家對準(zhǔn)則層和子準(zhǔn)則層因素的重要程度進(jìn)行評判, 使用兩兩對比法和Saaty[12-13]提出的1～9點(diǎn)標(biāo)度法標(biāo)明因素的重要程度, 構(gòu)造判斷矩陣, 9點(diǎn)標(biāo)度法程度定義如表1所示。

表1 Saaty的9點(diǎn)標(biāo)度法程度定義

③計(jì)算判斷矩陣A的最大特征值λmax和與之對應(yīng)的特征向量, 對特征向量進(jìn)行歸一化處理可得到目標(biāo)層即一級權(quán)重指標(biāo)因素的權(quán)重系數(shù)W。同樣可以得到準(zhǔn)則層和子準(zhǔn)則層的權(quán)重向量Wn和Wni。

(1)

(2)

(3)

④對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢測。專家決策與標(biāo)準(zhǔn)評判結(jié)合可減少其他因素的干擾, 減少虛假數(shù)據(jù)對結(jié)果的影響[14]。

(4)

(5)

(6)

式中:λmax表示判斷矩陣最大特征值;CI為判斷矩陣一致性指標(biāo);CR為一致性比率;n表示判斷矩陣階數(shù);RI表示平均隨機(jī)一致性指標(biāo), 其取值如表2所示。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值

當(dāng)CR<0.1時(shí), 認(rèn)為判斷矩陣是合理的, 即可求權(quán)重向量; 若CR>0.1, 則一致性檢測未通過, 需要對判斷矩陣進(jìn)行比較和調(diào)整, 直到滿足一致性要求為止。

通過以上分析可以對城鎮(zhèn)排水管道缺陷進(jìn)行初步評估, 由于管道缺陷種類復(fù)雜, 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件對管道缺陷分?jǐn)?shù)評估復(fù)雜。而在實(shí)際中, 只會發(fā)生結(jié)構(gòu)性和功能性的部分缺陷, 往往只會發(fā)生某一類缺陷中的幾個(gè)。因此, 在構(gòu)建管道缺陷的判斷矩陣時(shí), 只需要考慮管道實(shí)際的缺陷, 對實(shí)際缺陷進(jìn)行比較。

2.4 構(gòu)建評價(jià)矩陣

對要素層中的因素進(jìn)行評價(jià), 即評價(jià)管道中具體缺陷與評價(jià)集V={v1,v2,v3,v4}={輕微, 中等, 嚴(yán)重, 重大}的模糊關(guān)系矩陣, 記為Ri。Ri中的元素rjm表示三級評價(jià)指標(biāo)uijn對二級評價(jià)指標(biāo)uij評價(jià)結(jié)果V的隸屬程度。模糊關(guān)系矩陣中隸屬度的確定通過專家決策法或選用合適的隸屬度函數(shù)得出。評價(jià)矩陣如下

(7)

2.5 模糊綜合評價(jià)

首先, 將要素層的評價(jià)矩陣Ri與對應(yīng)的權(quán)重向量Win計(jì)算, 得到每個(gè)二級評價(jià)指標(biāo)即子準(zhǔn)則層的模糊綜合評價(jià)向量Min

=(min1，min2，…，minl)。

(8)

將求得的子準(zhǔn)則層模糊評價(jià)向量進(jìn)行組合，構(gòu)成子準(zhǔn)則層的模糊關(guān)系矩陣，記為Mi：

Mi=(Mi1,Mi2, …,Mi(n-1),Min)T

(9)

將子準(zhǔn)則層的模糊關(guān)系矩陣和與其對應(yīng)的權(quán)重向量相乘, 可得到準(zhǔn)則層的評價(jià)向量Ni; 同理, 將準(zhǔn)則層的評價(jià)向量相組合, 并與相對應(yīng)的權(quán)重向量相乘, 得到總體的評價(jià)向量N

N=W·M=(w1,w2, …,wn)·

=(n1,n2, …,nl)。

(10)

最后, 依據(jù)最大隸屬度原則對管道缺陷的總體評價(jià)向量作出評判, 取向量中的元素最大值作為評判結(jié)果。

3 案例分析

城鎮(zhèn)排水管道發(fā)生的滲漏會對城市環(huán)境造成破壞, 嚴(yán)重的會對城市地下水造成污染, 成為地下水質(zhì)污染的主要因素[15]。2010年廣州市“5·7”、 “5·14”兩場小時(shí)降雨量超過100 mm的大暴雨中, 地勢較低的街道、 商鋪、 停車場等遭受水淹, 經(jīng)濟(jì)損失超10億元人民幣, 突顯了排水管道排水不暢的問題[16]。因此, 及時(shí)對城鎮(zhèn)排水管道進(jìn)行檢測、 評估和維護(hù)顯得極為重要。

Vitek 2全自動(dòng)微生物鑒定系統(tǒng)及配套用細(xì)菌鑒定卡（梅里埃）；Biometra PCR擴(kuò)增儀（ABI）；電泳儀（Horfer）；凝膠成像及分析系統(tǒng)（SynGene）。血瓊脂、MH瓊脂（天和）。

選取桂林西站東路的排水管道進(jìn)行檢測, 將模糊綜合評價(jià)的結(jié)果與某城鎮(zhèn)排水管道檢測公司出具的人工檢測健康評估報(bào)告結(jié)果對比, 驗(yàn)證此方法的可行性。西站東路檢測總長2 143.15 m, 管材為HDPE排水管, 管徑為400 mm, 項(xiàng)目完成情況如表3所示。人工檢測的管道健康評估報(bào)告的結(jié)果如表4所示, 專業(yè)人員對西站東路82個(gè)管段進(jìn)行檢測, 其中結(jié)構(gòu)性狀況中68個(gè)管道狀況正常, 缺陷管道14個(gè); 功能性狀況中正常管道72個(gè), 缺陷管道10個(gè)。

表3 桂林西站東路排水管項(xiàng)目情況

表4 桂林西站東路排水管項(xiàng)目人工檢測結(jié)果

通過外業(yè)的檢測和內(nèi)業(yè)專家判讀分析發(fā)現(xiàn): 該路段排水管道內(nèi)部存在17處結(jié)構(gòu)性缺陷, 其中8處Ⅰ級缺陷, 5處Ⅱ級缺陷, 4處Ⅲ級缺陷; 存在11處功能性缺陷, 其中8處Ⅰ級功能性缺陷, 1處Ⅱ級功能性缺陷, 1處Ⅲ級功能性缺陷, 1處Ⅳ級功能性缺陷。缺陷統(tǒng)計(jì)如圖2所示。

圖2 桂林西站東路排水管缺陷統(tǒng)計(jì)Fig.2 Stastics of drainage pipe defects of Xizhandong Road in Guilin

3.1 建立初級評價(jià)模型

根據(jù)對西站東路地下排水管道檢測的數(shù)據(jù)，構(gòu)建結(jié)構(gòu)性缺陷和功能性缺陷構(gòu)建層次模型，6種結(jié)構(gòu)性缺陷，分別為錯(cuò)口、 脫節(jié)、 起伏、 破裂、 滲漏、 變形；2種功能性缺陷沉積和障礙物，如圖3所示。建立評價(jià)集V={v1，v2，v3，v4}={輕微，中等, 嚴(yán)重, 重大}。

圖3 桂林西站東路排水管道缺陷評價(jià)層次模型Fig.3 Hierarchical model of drainage pipe defects of Xizhandong Road in Guilin

3.2 計(jì)算各級指標(biāo)的權(quán)重向量

采用層次分析法計(jì)算權(quán)量向量。為了使評價(jià)結(jié)果更合理, 減少主觀因素對評價(jià)結(jié)果的影響, 根據(jù)檢測出的管道缺陷, 通過專家咨詢和缺陷評估規(guī)程(CJJ181—2012)綜合計(jì)算, 對管道缺陷嚴(yán)重程度進(jìn)行判讀, 構(gòu)建各級層次的判斷矩陣。其中, 準(zhǔn)則層判斷矩陣A、 結(jié)構(gòu)性缺陷判斷矩陣B和功能性缺陷判斷矩陣C分別為

使用PyCharm軟件計(jì)算出準(zhǔn)則層判斷矩陣A和特征向量W, 以及判斷矩陣B和C的最大特征值λmax, B、λmax, C和對應(yīng)的特征向量W1、W2, 并進(jìn)行一致性檢測。其中:

W1=(0.056, 0.175, 0.101, 0.050, 0.308, 0.308);

W2=(0.667, 0.333);

W=(0.667, 0.333)。

3.3 建立要素層評價(jià)矩陣

評價(jià)矩陣的確定采用專家決策法和缺陷等級評分綜合考慮。要素層評價(jià)指標(biāo)與評價(jià)集之間的評價(jià)矩陣, 也稱為隸屬度矩陣, 如表5所示。大部分的管道缺陷并不會同時(shí)發(fā)生, 往往同一缺陷類型中不同等級的缺陷也不會同時(shí)發(fā)生, 在構(gòu)建要素層即基礎(chǔ)評價(jià)指標(biāo)時(shí), 本研究僅以已檢測的缺陷作為基礎(chǔ)評價(jià)指標(biāo), 以提高評價(jià)矩陣的合理性。

表5 排水管道兩種類型缺陷評價(jià)指標(biāo)

3.4 初級模糊綜合評價(jià)

將要素層的評價(jià)矩陣Ri及與其對應(yīng)的權(quán)重向量相乘, 得到子準(zhǔn)則層的模糊綜合評價(jià)向量Min:

M11=W11R1=(0.197, 0.322, 0.43, 0.05)。

同理, 可以得到子準(zhǔn)則層其他評價(jià)指標(biāo)的模糊綜合評價(jià)向量:

M21=(0.275, 0.663, 0.062, 0);

M31=(0.017, 0.275, 0.639, 0.069);

M41=(0.030, 0.196, 0.545, 0.227);

M51=(0.320, 0.618, 0.060, 0);

M61=(0.80, 0.20, 0, 0);

M12=(0.390, 0.478, 0.130, 0);

M22=(0.09, 0.01, 0.27, 0.63)。

將求出的子準(zhǔn)則層模糊綜合評價(jià)向量組合成兩個(gè)二級指標(biāo)的模糊關(guān)系矩陣, 即初級模糊關(guān)系矩陣Mi:

其中, 二級評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量為W1=(0.056, 0.175, 0.101, 0.050, 0.308, 0.308)和W2=(0.667, 0.333), 將權(quán)重向量與初級模糊關(guān)系矩陣相乘得到子準(zhǔn)則層總體評價(jià)向量即初級總體評價(jià)向量Ni:

N1=W1·M1=(0.056, 0.175, 0.101, 0.050, 0.308, 0.308)·

=(0.407, 0.418, 0.145, 0.021);

N2=W2·M2

=(0.290, 0.322, 0.177, 0.210)。

根據(jù)最大隸屬度原則,N1中元素最大值為0.418, 對應(yīng)評價(jià)區(qū)間為一般等級;N2中元素最大值為0.322, 對應(yīng)評價(jià)區(qū)間為一般等級, 管道的結(jié)構(gòu)性狀況一般, 功能性狀況一般。 與人工評判進(jìn)行對比, 結(jié)果如表6所示。

表6 兩種評價(jià)方法的排水管道缺陷等級對比

在結(jié)構(gòu)性缺陷對比中, 人工評判結(jié)果與本文FAHP結(jié)果一致, 權(quán)重集中在中等缺陷區(qū)間; 功能性缺陷對比中人工評判結(jié)果與FAHP結(jié)果不一致, 原因在于人工評判的主觀因素多, 觀測缺陷會受到光線、 視頻清晰度、 管道內(nèi)障礙物等因素影響。人工評判是根據(jù)管段中缺陷的數(shù)量進(jìn)行判斷, 取數(shù)量多的缺陷等級為該管段的狀態(tài), 而FAHP是考慮管道缺陷在總體之中的權(quán)重和后續(xù)缺陷對管道狀態(tài)產(chǎn)生的影響所得出的結(jié)果。

3.5 多級模糊綜合評價(jià)

基于初級模糊綜合評價(jià)的結(jié)果N1和N2,對地下污水管道結(jié)構(gòu)性和功能性缺陷進(jìn)行了初步評價(jià)。將初級評價(jià)的結(jié)果組合,構(gòu)成多級模糊關(guān)系矩陣M[17]:

一級指標(biāo)權(quán)重向量為W=(0.667, 0.333), 將權(quán)重向量與多級模糊關(guān)系矩陣相乘得到總體評價(jià)向量N, 西站東路4個(gè)區(qū)間隸屬度評價(jià)值如圖4所示, 其中輕微缺陷權(quán)值為0.368, 中等缺陷權(quán)值為0.386, 嚴(yán)重缺陷權(quán)值為0.156, 重大缺陷權(quán)值為0.84。

N=W·M=(0.667, 0.333)·

=(0.368, 0.386, 0.156, 0.084)。

圖4 桂林西站東路排水管道缺陷總體評價(jià)Fig.4 Overall defects evaluation of drainage pipes of Xizhondong Road in Guilin

最后, 根據(jù)最大隸屬度原則判斷總體評價(jià)向量N, 最大分值為0.386, 屬于中等區(qū)間, 評價(jià)等級為中等缺陷管道。建議對于結(jié)構(gòu)性缺陷應(yīng)采取點(diǎn)狀修復(fù)或管段修復(fù); 對功能性缺陷應(yīng)對管道內(nèi)部出現(xiàn)的沉積及障礙物及早清除, 并定期對管道進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和檢修工作。

4 結(jié) 論

基于FAHP提出了4層評價(jià)模型, 對城鎮(zhèn)排水管道缺陷進(jìn)行了更為細(xì)致的分類, 可以更快得到評價(jià)結(jié)果, 本文評價(jià)結(jié)果與排水管道檢測公司給出的一致, 證明了模糊層次分析法對城市地下排水管道狀態(tài)評估的有效性, 為排水管道缺陷評估提供新思路。

本文首先對結(jié)構(gòu)性缺陷和功能性缺陷進(jìn)行初級總體評價(jià), 再通過建立多級模型, 最終計(jì)算得到管道的總體評價(jià)結(jié)果。檢測人員在對潛望鏡所錄制的影像檢測時(shí), 將提取的缺陷信息通過層次分析法和專家決策法構(gòu)建模型自動(dòng)評估出管道狀態(tài)。管理人員和維護(hù)人員可以通過初級評價(jià)結(jié)果和總體評價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析和研制, 并提出管道的修復(fù)措施和養(yǎng)護(hù)建議, 為后續(xù)管道維護(hù)和合理的檢查提供參考依據(jù)。