基于物元分析法的泵站管理現代化評價研究

高玉琴， 劉云蘋， 葉 柳， 黃顯峰, 胡玉勝

(1.河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098； 2.深圳市鐵漢生態環境股份有限公司， 廣東 深圳 518040)

1 研究背景

泵站工程通過消耗能源改變水資源的位置與分布，具有灌溉、供水、排洪排澇、跨流域調水等功能，推動了我國工農業的生產和國民經濟發展。泵站管理現代化是保障水利工程管理現代化的重要組成部分，是實現水資源靈活優化配置的基礎和保障。鐘漢東等[1]從泵站現代化組織管理、現代化技術管理、現代化經營管理等方面探討了泵站現代化管理的基本內容，構建了泵站現代化管理體系和現代化管理技術經濟考核指標體系；王芳[2]和王雪琴[3]從泵站的技術經濟狀態、運行狀態、老化狀態、管理狀態和設備完整性等方面建立了大型泵站的綜合評價指標體系，構建了多層次模糊綜合評價模型；仇寶云等[4]以南水北調東線工程為研究背景，根據大型梯級泵站的技術要求和特點，從運行可靠性、經濟性和維修性3個方面構建了梯級泵站技術管理評價指標體系。但這些研究多集中于泵站技術管理指標體系的建立，對泵站管理評價方法的研究相對較少；且泵站管理評價主要局限于泵站本身運行、技術性能和老化狀態方面，忽視了對管理單位的整體評價，使得泵站管理單位不能有效查找工作中的不足，明確與現代化管理目標存在的差距[5]。

隨著水環境保護形勢的日益嚴峻，實現管理信息化和自動化成為必然發展趨勢。泵站管理現代化內涵的進一步深化，不僅要求完善水利工程基礎設施設備，還要求管理理念現代化、管理機制法制化和規范化、管理手段信息化等[6]。為客觀科學評價泵站管理水平的現代化程度，解決各評價指標間不相容的問題，指導管理單位現代化建設，本文通過構建泵站管理現代化評價模型，提出科學合理的評價方法，并應用于鳳凰頸泵站的現代化管理水平評價中，為泵站管理技術改革創新提供科學決策依據。

2 泵站管理現代化評價指標體系的建立

進入21世紀，大中型泵站作為綜合性水利工程，僅承擔防洪、抗旱、供水等任務已遠遠不夠。泵站工程不但要實現以水資源科學調度為主的社會效益，還需節水節能、美化環境，兼顧經濟效益、生態效益。然而社會、經濟、生態3方面效益的實現需要依靠良好、高效的工程設施[7]。因此，泵站現代化管理的主要工作是依靠先進的科學技術手段，對工程設施進行檢查、觀測、監測、維修養護、更新改造等[8]。泵站工程管理現代化的內涵可以概括為：建立具有先進科學管理思想和高專業技術水平的管理隊伍。利用先進的科學管理新技術，加強信息化管理的基礎設施建設，培養信息化管理高端技術人才，建立泵站信息自動化程度高的監測、監控、信息管理系統[9]，完善跨區域的統一調水排水管理體系和以市場為導向的管理體系，改進泵站工程設施，保障泵站工程良好地運行[10]。

2.1 指標體系的建立

泵站管理現代化建設涉及內容廣泛，包括機制、體制、設施、手段、人才隊伍等諸多方面，指標眾多、結構復雜、要素紛繁，具有復雜性、多樣性和動態性等特點，需要構建層次結構指標體系，宏觀地考慮各個方面的要求，把握核心和本質。

根據我國泵站管理工作的實際情況，綜合分析泵站現代化管理的影響因素，并將水生態保護、信息化等內容納入考慮范圍，遵循先進性、系統性、可操作性與導向性等原則，注意定量與定性指標相結合，層次性與可比性相結合的原則，力求做到全方位、多層次、科學客觀、應用靈活[11]。按照上述原則，根據現代化管理的目標和泵站管理的特點，采用理論分析法，以現代化管理的內涵與內容為指導，從全面性、必要性、系統性出發，結合管理實踐中的經驗和不足，根據管理現代化的構成要素和內在聯系選取具有代表性的評價指標，構建泵站管理現代化評價指標體系，其中包括目標層、準則層和指標層。目標層是評價的總目標，即泵站管理現代化程度；準則層是評價的子目標，是當前泵站管理現代化建設方向，其中包括5個一級指標，以B1～B5表示；指標層是用于量化和描述的直接評價指標，根據泵站特點從中選取24項指標作為泵站管理現代化評價二級指標，以C1～C24表示。具體評價指標體系見表1。

2.2 組合權重法確定指標權重

由于泵站管理現代化評價指標體系的研究創新性強，在理論和實踐上都處于探索階段，通過采取專家賦權法能廣泛吸收有關專家學者的意見，有效利用已有經驗知識，但該方法主觀因素較強[12]；熵權法依據指標真實數據計算確定指標權重，可避免主觀因素對指標權重的影響[13]。因此，本文將熵權法與專家賦權法耦合，確定各指標權重，綜合考慮決策者個人經驗與樣本數據之間的真實關系，提高指標權重的準確性[14]。綜合權重確定主要步驟如下：

(1)確定熵權Wi=(w1,w2,…,wm)。

設有n個樣本，m個評價指標，將各指標歸一化后通過單因素模糊判斷構建相對優屬度矩陣R=(xij)m×n,(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)，按照傳統的熵概念可定義指標的熵為：

(1)

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

相對優屬度矩陣求解時，若xij=0，則lnfij沒有意義，為了使lnfij有意義，不悖于熵的含義，將fij修正為：

(2)

相應的第i個評價指標的熵權定義為：

(3)

表1 泵站管理現代化評價指標體系

(3)確定綜合權重φ=(φ1,φ2,…,φm)。主客觀權重的耦合方式如下：

(4)

3 泵站管理現代化評價的物元分析模型

3.1 物元分析法的基本概念

物元分析法是研究物元及其變化，解決不相容問題規律的方法，由我國學者蔡文首先提出。物元理論主要研究物元的可拓性和可變性，探索事物的變化過程，通過物元變化尋求解決問題的方法，物元是事物基本元素的簡稱，是由3個要素組成的有序三元組R=(N,C,X)，其中三元組R就是描述事物的基本元，即物元；N為事物名稱；C為特征；X為事物關于特征的量值[15-18]。

泵站管理現代化評價概念具有模糊性，評價體系中涉及多個評價指標，其中既包括定量評價也包括定性評價，且單項指標評價結果互不相容。針對該問題，物元分析法相較于模糊綜合評價、灰色系統評價等方法，可有效地處理評價過程中不相容問題，物元分析可通過建立簡單的物元模型實現質與量的轉化，系統評價研究對象[19]，得到更加明確的泵站管理現代化等級。

3.2 構建物元分析評價模型

(1)構建物元矩陣。泵站管理現代化評價指標體系中有多個評價指標，記為n個特征，相應物元矩陣可以表示為：

(5)

式中：R為n維泵站管理現代化物元；P0為待評單元；Ci(i=1,2,…,n)為待評單元中第i項評價指標；Xi(i=1,2,…,n)為對應評價指標Ci的量值。

(2)確定經典域和節域物元。將泵站管理現代化劃分為5個等級，記作Nj(j=1,2,…,5)，Xji=[aji,bji]為Nj關于Cj的量值范圍，即經典域，經典域物元矩陣記作Rj，Rj為所劃分的泵站管理現代化程度的第j個評價等級。

(6)

所有評價等級的Nj構成泵站管理現代化程度的標準對象Np,Xpi=[api,bpi]為Np關于Ci的量值范圍，即節域，節域物元記作Rp,則泵站管理現代化程度的節域物元矩陣為：

(7)

(3)關聯度函數和關聯度計算

關聯函數Kj(xi)表示物元符合所要求的取值范圍的程度,則：

(8)

式中：xi(i=1,2,…,n)為評價指標實測值;ρ(xi,Xji)為xi到經典域區間Xji的距;ρ(xi,Xpi)為xi到經典域區間Xpi的距。

(9)

(10)

|xji|=|aji-bji|

(11)

(4)計算綜合關聯度

待評價單元P0關于各等級j的綜合關聯度記為Kj(P0)：

(12)

(5)確定待評物元P0等級

若Kj=max{Kj(P0)}(j=1,2,…,m)，則待評物元P0等級為第j級。

當0

4 實例研究

4.1 鳳凰頸泵站概況

安徽省鳳凰頸泵站位于長江北岸的巢湖流域無為縣境內，具有防洪、排灌和引江灌溉等功能，是巢湖流域綜合治理的水利骨干工程，也是安徽省規劃興建的引江濟淮、引江濟巢的龍頭工程，受益范圍達26.67×104hm2，站內安裝6臺立式軸流泵，配套同步電機6臺，最大設計機排流量240 m3/s，最大設計機灌流量200 m3/s，最大設計自排、引灌流量均為380 m3/s，單站流量和單站裝機容量均為全省最大。站身采用“X”型雙向流道，每臺機組閘站結合，各具有8條進出水流道，泵站長江側和西河側均具有12扇高孔閘門及其卷揚式啟閉機、12扇低孔閘門及其卷揚式啟閉機、12扇低孔進口攔污柵，是一座國家級大型泵站，其現代化管理必不可少。

4.2 評價標準及泵站管理現狀水平

運用物元分析現代化評價模型對鳳凰頸泵站進行綜合評價，研究其管理現代化水平。根據前述各項指標的含義，定性指標以含義為依據，通過專家打分法確定其等級，將定性指標達標級別分為5個等級，指標等級及其對應分級區間如表2所示，其中各指標對應分值即為該指標的現狀水平值。

表2 指標等級及其對應分級區間

定量指標根據其實際現狀值與對應目標值之間的比值作為現狀水平值，其中部分指標的目標值及實際現狀值計算方法如表3所示。

表3 部分指標目標值

定量指標與定性指標經歸一化處理后得到現狀水平標準值，根據鳳凰頸泵站已有數據資料，計算可得其工程管理現狀水平標準值如表4所示。

表4 鳳凰頸泵站工程管理現狀水平

4.3 泵站管理現代化評價

(1)指標權重計算。為避免主觀因素影響，采用熵權法和專家賦權法確定各指標綜合權重。根據熵權法運算公式(1)～(3)并運用MATLAB工具計算得到各指標層客觀權重，根據專家賦權法確定準則層和指標層的權重進而得到主觀權重，根據公式(4)將主客觀權重耦合得到各指標對應于目標層的綜合權重。各評價指標專家賦權值、主觀權重值、客觀權重值(熵權)及綜合權重值計算結果如表5所示。

(2)確定經典域和節域。將泵站管理現代化程度分為5個評價等級，分別為不合格、合格、中等、良好和優秀，對應序號j分別為1,2,…,5,確定經典域Rj分別為[0.4,0.6)，[0.6,0.7)，[0.7,0.8)，[0.8,0.9)，[0.9,1.0]，則節域為Rp=[0.4,1.0]。

表5 指標權重計算結果

(3)關聯度計算。將各評價指標的現狀數據(表4)Ci(i=1,2,…,24)及各項指標綜合權重值(表5)輸入物元分析評價模型，通過MATLAB工具計算得到鳳凰頸泵站管理現代化程度各評價指標關于各等級的關聯度及綜合關聯度，計算結果如表6所示。

(4)評價結果分析。由評價結果(表6)可知，綜合關聯度Kj=0.0648，即鳳凰頸泵站管理現代化評價等級為優秀，管理現代化程度較高。鳳凰頸泵站管理現代化單指標評價中處于“合格”和“中等”水平的各有2個，處于“良好”水平的有6個，處于“優秀”水平的有14個，僅通過單指標評價也可以看出鳳凰頸泵站管理現代化水平相對較高。其中規范化管理指標(C1～C4)以及設施設備管理指標(C5～C14)評價等級均為優秀或良好，且處于良好等級的評價指標均具備轉化為優秀的條件，說明其規范化及設施設備管理現代化程度較高，設施狀態和技術性能較好；信息化管理中水利信息數據完整度(C16)評價等級僅為合格，說明鳳凰頸泵站關于水文、工程監測、運行管理及地理信息等數據的信息管理現代化程度不高，有待進一步加強；調度運行及應急處理能力方面現代化程度整體較好，但應注意加強應急管理機制建設(C19);水生態管理體系中的大部分指標均未達到優秀或良好，是目前鳳凰頸泵站管理現代化發展的短板，有關部門應在水土流失治理和保潔綠化等方面加大力度，嚴格管理，以提高泵站整體的現代化管理水平。

本文評價結果與鳳凰頸泵站實際管理情況相適應，具有較高的可信度。

表6 泵站管理現代化評價指標對各評價等級的關聯度

5 結 論

(1)泵站現代化管理是一項結合水工、水力機械、電氣、管理科學和經濟科學的綜合管理，以實現泵站工程效益最大化為目的，完成泵站工程達到設計標準條件下安全可靠運行的基本任務。目前關于泵站管理現代化評價方法的研究相對較少，本文基于泵站管理現代化內涵，建立了泵站管理現代化評價指標體系，采用熵權法和專家賦權法得到綜合權重，同時考慮決策者偏好和客觀情況，使所得結果更加科學合理，構建物元分析法模型應用于泵站管理現代化評價中，解決指標間不相容問題，使評價過程更加簡單明了，評價結果更加明確可信，為泵站現代化管理決策提供科學依據。

(2)基于物元分析法的泵站管理現代化評價模型應用于鳳凰頸泵站，得到其整體現代化管理水平等級為優秀，與其實際情況相符，具有較高的可信度。鳳凰頸泵站規范化管理體系、設備設施管理體系和調度運行及應急處理能力體系現代化管理水平較高，基本已實現現代化管理；信息化管理體系總體程度較高，但水利信息資源數據管理現代化水平仍舊較低，需加大現代化管理強度，可通過大數據、互聯網+等方式提高水利信息管理，建設工程管理、水文及地理信息數據庫，實現數據現代化管理，有效防止數據缺損，完善信息的收集及整合；水生態管理是其管理現代化發展中的短板，有待進一步提高，可制定相關的生態保護制度，加大水土保持管理力度，推動水生態管理現代化進程。