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水闸安全综合评价研究综述

2014-04-03   |   浏览:    评论: 0    收藏
  摘要:为提高水闸安全评价的准确性与合理性、为水闸安全分类提供理论支持,针对目前评价指标选取存在的问题,在归纳评价指标的选取、赋权和综合评价等方法的基础上,论述了水闸安全评价相关理论的研究进展,并提

  摘要:为提高水闸安全评价的准确性与合理性、为水闸安全分类提供理论支持,针对目前评价指标选取存在的问题,在归纳评价指标的选取、赋权和综合评价等方法的基础上,论述了水闸安全评价相关理论的研究进展,并提出了发展智能评价技术的建议。

  关键词:水闸;安全综合评价;指标体系;权重

  我国现有水闸大多修建于20世纪50~70年代,受当时技术、经济等条件的限制,水闸的设计和施工不尽合理,受自然和人为等因素的长期作用,大部分水闸出现了防洪标准偏低、结构不稳定、防冲设施损坏、渗流破坏、结构损害、金属结构机电设施老化等病险问题,严重影响水闸的运行安全。截止2008年底,我国已有大中型病险水闸4 984座,使工程不能正常运行和发挥效益,亟需除险加固。而水闸安全评价是除险加固的基础,又是对水闸安全进行分类的依据,如何对运行多年的水闸进行科学的安全评估,国内外还无一套成熟、科学而适用的广泛的理论方法,因此有必要根据水闸的特点对水闸的安全评价进行系统研究。

  1 评价指标体系构建研究

  (1)构建评价指标体系。为实现水闸综合评价模糊综合评价,首先构建水闸工程安全评价指标体系,以科学性、全面性、可操作性、明确性及定性与定量相结合为原则,以水闸综合评价可靠性为总目标,以安全性、耐久性和适用性为子目标,以便于量化和描述的直接评价指标为基础评估指标,这三层构建了水闸安全评价指标体系。

  (2)评价指标选取方法。可分为定性法和定量法。定性法以调查研究的方式选取指标,广泛使用文献调查法和德尔菲法(Delphi法),适用于简单系统的指标体系拟定。定量法是借助数学理论选取指标,常用的有主成分分析法和关联度分析法等,适用于复杂系统的指标分析。

  (3)水闸安全评价指标体系应用。崔德密等[1]根据水闸老化病害特征,以建筑物的可靠性为总目标,以安全性、适用性和耐久性为子目标,将指标分两级,建立了易掌握与操作的多因素多层次模糊评估模型,并应用于江风口分洪闸的安全评价中;李东方[2]将水闸安全性评价指标体系确立为递阶层次结构,以水闸安全性为总目标,按重要程度分别以水闸稳定性、抗震能力、消能防冲、过水能力等指标为子目标,并应用于三盛公水利枢纽水闸的安全评价中;孙琪琦[3]、徐兴中等[4]和徐磊等[5]按安全性、耐久性和适用性原则,将水闸评价指标体系分为四层,进一步细化了评价指标体系,并分别应用于太浦闸、金钟河闸和黄河某水闸的安全评价中;张利青[6]、郑茂海[7]按复核计算和安全监测内容,建立了与水闸安全鉴定程序对应的评价指标体系,并分别应用于武定门节制闸和三里拦河闸的安全评价中。目前,国外对水闸安全评价的研究较少,国内对水闸安全评价指标体系选取主要采用文献调查法,评价指标体系的建立还需进一步完善。指标体系建立原则尚不统一,建立的指标树层次和结构也不同,并过于追求指标体系的全面性或对重要指标反复强调,导致指标内涵重叠和指标相互影响。在实际应用中,应根据各区域建筑物老化病害的特征,适当调整评估因素的指标和权重,以提高评估的针对性和准确性。

  2 权重系数理论研究

  2.1 权重系数理论发展阶段

  水闸健康状态诊断体系是多层次复杂体系,需采用适当的方法区别各诊断指标相对重要程度,即权重系数。在水闸健康诊断模型中权重的确定是核心,而权重值确定合理性直接影响水闸健康诊断效果。权重系数理论应用按其发展过程分四个阶段:

  (1)简单排序阶段。该阶段代表是Delphi法。20世纪70年代末,我国引进Delphi法,主要进行评价体系建立与优化、权重确定、方案优选、趋势预测及与层次分析法等评价方法相结合的评价。Delphi法具有匿名性、反馈性和统计性三个特点,但是易受主观意识制约,适用于数据匮乏和难以量化的大系统和简单的小系统。目前,对Delphi法的改进主要有两类:①对传统的Delphi法进行细部修正,如改变调查轮次、自我评价和应用计算机分析等;②对匿名性、反馈性和统计性三个特点做部分改变,如部分匿名制、部分反馈和改变统计方法等。采用Delphi法进行水闸指标权重确定可反映专家意见的离散程度,但专家调查表设计比较粗糙,评分结果多采用简单的累计相加,忽视了各专家评判的尺度差异,主观性较大。

  (2)主观赋权法。目前主观赋权法使用较多的是环比评分法、模糊二元比较法、层次分析法、最小平方和法和二项系数法等,充分利用了专家的经验信息,但忽视了实测的样本信息,带有主观随意性。主观赋权的典型代表是层次分析法(AHP)的赋权方式,是对定性问题进行定量分析的一种简便而又实用的方法。由于标度不科学、主观随意性和判断矩阵的一致性等问题使AHP具有一定的局限性,目前多数集中于对AHP法判断矩阵的改进,提高判断矩阵的一致性。

  (3)客观赋权法。是一种基于指标数据信息的定量分析方法,如熵权法、主成分分析法、因子分析法、均方差法、相关系数法和离差最大化方法等,可有效地传递评价指标的数据信息和差别,但仅以数据表明,忽视了决策者的知识与经验,将指标的重要性同等化。该法的典型代表是熵权法,已在工程技术、社会经济等领域广泛应用。该理论认为,某个指标的信息熵越小,表明其指标值的变异程度越大,在综合评价中作用越大。

  (4)组合赋权与交互式赋权法。由于运用主观赋权法主观干扰较强,客观赋权法有时与属性的实际重要性程度相悖,于是提出了组合赋权法,主要有方差最大化赋权法、组合目标规划法和组合最小二乘法等。方差最大化赋权法认为,指标属性值差异越小,该属性在整个方案评价中作用越小,通过使属性对所有决策方案的总方差最大确定权重;组合目标规划法以组合预测偏差绝对值和最小为标准,用线性规划的理论确定组合预测权重;组合最小二乘法是运用主观、客观赋权法分别建立优化模型,再将两优化模型函数相乘得到组合优化模型。交互式赋权法认为决策者与分析者之间需反复进行信息交换,使决策者在决策过程中从定义模型的目标与约束,一直到分析理解结果都起主动作用。其导出过程是多次循环、不断调整修正,能充分利用己知的客观信息,最大限度地考虑决策者的交互要求,发挥决策者的主观能动性。

  由于指标权重确定方法各有利弊,若能采用组合赋权方式、选取主客观多种赋权方法进行水闸安全评价指标权重计算,必将有效发挥各种赋权方法的优点,使评价结果更趋合理。

  2.2 权重系数理论应用现状

  徐兴中等[4]、朱琳等[8]提出一种基于群决策和变赋权法的水闸老化模糊综合评判法,提高了水闸老化评价指标权重的精度;何鲜峰[9]以建立评价指标体系为基础,提出水闸系统可靠性评估的综合法、模糊综合法、变权综合法、模式识别法及基于人工神经网络评估等多种方法,可满足不同情况下对水闸系统可靠性评价的需求;曹邱林等[10]探讨了水闸健康综合诊断权重系统的确定方法,分析了层次分析法及考虑群决策的改进层次分析法,提出基于最优化准则的权重系数融合方法,将多种方法确定的权重系数进行融合得到合理的权重系数,更好地对水闸健康状况进行综合诊断;何艳霞[11]从山东黄河水闸基本情况和安全普查情况出发,对威胁水闸安全常见的病害做了初步分析,提出适合山东黄河水闸运行状态评价方法,引入物元可拓评价理论,结合专家打分确定权重建立了评价模型,对提高山东黄河防洪工程管理水平、确保山东段黄河长治久安有重要意义。目前,国内水闸安全综合评价常用的指标权重确定方法有Delphi法、模糊二元比较法、AHP法和熵权法,其中主观赋权法普遍存在设计粗糙、主观性较大、指标比较难以把握等问题,熵权法又忽视了指标的重要度,因此单一的赋权方式使权重的计算精度不高。

  3 综合评价方法研究

  安全评价技术随着系统安全理论和计算机技术的发展也在不断完善。国内水闸安全综合评价方法主要有基于人工神经网络的综合评价法、模糊综合评价法、物元分析法和灰色综合评价法。张利青[6]探讨了各评价方法的优缺点,提出多层次灰色模糊综合评价法,并应用于南京武定门节制闸的安全评价中;田丰[12]运用区间AHP法确定指标权重,将层次分析法、熵权法和变权法结合使用,并采用Visual Basic语言编制了水闸模糊综合评价软件,整合了权重计算、自动调整判别矩阵、熵值计算、变权计算和综合评价等多个模块,应用于引滦入津水闸工程的安全评价中;徐兴中等[4]阐述了基于群决策和变权赋权法的水闸老化模糊综合评判方法,建立了水闸老化病害评估的层次结构及相应的评估模型;将群决策赋权法和变权赋权法引入到模糊综合评判方法中,提高了评估精度,并应用于天津金钟河闸的安全评价中;徐磊等[5]引入物元可拓理论进行水闸安全评价,并应用于山东黄河水闸安全评价中;赵然杭等[13]提出基于模糊群决策理论的半结构性模糊评价方法,利用多级模糊优选模型建立了相对隶属度矩阵计算级别特征值,并应用于三里河闸的安全评价中。基于人工神经网络的综合评价法需要大量的实测数据进行训练,然而水闸工程的相关资料通常十分有限,难以满足网络训练需求;模糊综合评价法通过建立隶属度函数,较好地解决了水闸评价的模糊性和评价指标难以量化的问题,但若隶属度函数不合理,可能会出现按最大隶属度原则无法判定隶属等级的情况;物元可拓评价理论是利用可拓集合和关联函数分析水闸的所属类别,有效解决了评价指标间存在复杂相互作用的问题,但在水闸工程中,该理论的研究运用尚在探索,目前还无较好地实现系统评价分析;灰色综合评价法在水闸安全评价中的应用主要有灰关联分析和灰色聚类分析,灰关联分析利用灰关联度分析指标与各个安全类别的相关性,灰色聚类分析利用白化函数判断指标隶属于哪个安全类别,灰色综合评价法较为简单,需要的数据量也较少,但是在使用条件上存在着一定的限制。

  4 结语与建议

  a.国外安全评价理论在水闸等低水头水工建筑物中应用较少,我国虽有研究并取得一些成果,但仍存在较多问题,尤其是指标体系建立缺乏统一标准、评价指标的选取方法以文献调查法为主、水闸安全评价指标赋权法以主观赋权法为主,指标权重合理性和系统评价理论适用性还有待于进一步研究。

  b.系统的综合评价应用较少,评价结果主要依赖于专家会议评判。随着新的综合评价方法与理论的不断涌现和原有评价技术的不断改进,水闸安全评价技术将日臻完善。

  c.建议在水闸安全评价中,根据水闸老化病害特征,拟定全面的评价指标体系再进行相关性与合理性分析,筛选指标;综合主、客观多种赋权法计算水闸安全评价指标权重,以克服主、客观单一赋权方式的弊端;吸取系统工程理论等数学方法的最新研究成果,不断改进安全评价方法;开发具有良好人机交互界面的评价软件,发展智能评价技术,提高评价工作效率。

  参考文献:

  [1]崔德密,乔润德.水闸老化病害指标分级综合评估法及应用[J].人民长江,2001,5(32):40-41.

  [2]李东方.基于改进模糊综合评判理论的水闸安全评价[D].呼和浩特:内蒙古农业大学,2004.

  [3]孙琪琦.综合评判法在水闸安全评价中的运用[D].南京:河海大学,2006.

  [4]徐兴中,张龙天.基于群决策和变权赋权法在水闸老化模糊综合评判中的应用研究[J].科技进步与对策,2009,11(26):148-152.

  [5]徐磊,何艳霞,赵晓飞.物元可拓理论在水闸安全评价中的可行性[J].科技信息,2010,29:766-767.

  [6]张利青.水闸工程的安全综合评价系统研究[D].扬州:扬州大学,2008.

  [7]郑茂海.水闸安全评价理论与应用研究[D].济南:山东大学,2010.

  [8]朱琳,王仁超,孙颖环,等.水闸老化评判中的群决策和变权赋权法[J].水利水电技术,2005,36(4):98-101.

  [9]何鲜峰.水闸系统可靠性评价理论及其应用[D].郑州:郑州大学,2005.

  [10]曹邱林,吴中如.水闸健康综合诊断的权重系数确定方法[J].河海大学学报(自然科学版),2008,36(5):646-649.

  [11]何艳霞.山东黄河水闸安全评价方法研究[D].济南:山东大学,2010.

  [12]田丰.基于层次熵变权法的水闸模糊综合评价研究[D].天津:天津大学,2008.

  [13]赵然杭,陆小蕾.基于模糊理论的水闸安全评价方法及其应用[J].水电能源科学,2010,28(2):114-118.