基于模糊層次分析法的大壩安全評價程序開發

芮智 潘瑾筠 童雨潔 吳超睿

摘 ?要：文章將傳統的大壩安全評價方法與模糊數學相結合，以擺脫傳統方法中的主觀因素，提高安全評價的可靠性。并將該方法歸結運用到應用程序中，為安全評價提供一個便捷準確的途徑，使得非安全評價專業人員也可進行安全評價。

關鍵詞：層次分析法;模糊數學;安全評價

中圖分類號：TV698 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）19-0043-02

Abstract： This paper combines the traditional dam safety evaluation method with fuzzy mathematics to get rid of the subjective factors in the traditional method and improve the reliability of safety evaluation. The method is applied to the application program to provide a convenient and accurate way for safety evaluation， which makesit possible for non-safety evaluation professionals to conduct safety evaluation.

Keywords： Analytic Hierarchy Process; fuzzy mathematics; safety evaluation

引言

我國是世界上擁有水壩最多的國家[1]。大壩在為人民帶來便利的同時，也帶來了大量的安全隱患。這些大壩或多或少的存在著人為和非人為影響的危險源。為了保證人民的生命和財產安全，對大壩進行科學可靠的安全評價便顯得尤為重要。

在傳統的安全評價中，由于評價方法單一，評價指標復雜多樣，評價方式概念模糊，易受主觀因素影響，便使得大壩安全評價結論存在差異性。

為了確保安全評價具有客觀性和準確度，我們將傳統安全評價方法與模糊數學相結合，采用層次分析法評判指標權重，并模糊化處理所得評價矩陣，通過計算得到評價結果，確保安全評價的客觀性和可靠性，并將該方法歸結到應用程序當中。

1 大壩安全評價指標體系

1.1 評價指標體系的建立

通過國際大壩會議研究記錄的一千余座大壩事故，及相關文獻記載，我們總結了大壩事故的誘因有以下五種：（1）發生特大洪水、設計洪水不足和泄洪裝置故障，導致的洪水漫頂事故。（2）工程運營管理不規范，安全檢測及維護不及時導致的事故。（3）設備老化、材料變質及施工不當，引起材料強度降低導致的事故。（4）地質條件復雜、結構失穩和基礎破壞導致的事故。（5）地下水滲漏過多、滲透坡降引起壩基滲透變形。

我們將以上五種誘因歸類得到了以下五類準則層指標，共17項因素層指標[2]（見圖1）。

1.2 層次分析法確定各項指標權重

1.2.1 判斷矩陣的建立

運用層次分析法將所有因素的相對重要性進行兩兩比較，以得到各因素對目標的影響，并將結果進行量化，最終以數值來表示。一般選用1～9標度方法來完成，其內容見表1。

矩陣中元素aij（i=1，2…，n;j=1，2…，n）為因素之間的相對重要性量化表現，矩陣中的元素aij需滿足：（1）aij>0;（2）aii=1;（3）aij=1/aji。

針對大壩安全評價，我們閱讀了大量論文，參考了一些公認正確的判斷矩陣，最終得到了如下判斷矩陣（見表2）：

1.2.2 權向量的計算

此處本文選用“根法”計算權重向量w[3]。計算公式如下：

在得到特征向量W={wi}（i=1，2，…，n）后，還應計算最大特征值λmax，檢驗其一致性。本文不再進行贅述。

2 模糊綜合評價

2.1 評價集的確定

依據《水庫大壩安全評價導則》，我們把大壩安全評級劃分成安全、基本安全、不安全三個等級，確定的評價集：V={v1，v2，v3}={安全，基本安全，不安全}。

2.2 隸屬函數的構建

隸屬函數的確定遵從：在多相模糊集中，相鄰兩相間分界點最為模糊，區段中間的點最為清晰。降嶺形函數用于首段隸屬函數，窄域嶺形函數用于中間段隸屬函數，升嶺形函數則用于末段。本文選用文獻[2]所構造的隸屬函數，如下：

各區段的中點分別對應 a1、a2、a3。

2.3 模糊評判矩陣及評判模型

確定評判模型時，指標集中各指標需要進行單因素評價，以得到指標與評語的隸屬度關系。因素層各指標對評價集的模糊子集為：Ri={ri1，ri2，ri3}，將所有指標的模糊子集歸并在一起，便得到模糊綜合評價矩陣。準則層5個指標Ui（i=1，2，3，4，5）附屬的因素層指標Uij對評價集V的綜合評價矩陣（一級綜合評價矩陣）為Ri（i=1，2，3，4，5）

因素層各指標的權重向量為Wi（1），得一級評價結果：

本文選用加權平均模糊算子“o”。運用最大隸屬原則，可得到最終綜合評價結果，確定最終評級。

3 軟件程序開發

大壩安全評價程序運用了matlab與python結合進行設計，將上述安全評價方法轉換為計算機語言，簡化了人工計算過程。使用matlab編寫層次分析法相關程序，輸入給定的比較矩陣，通過一致性檢驗后運算得到對應的各級指標權重向量，實現了自動打開Excel讀取相關數據，通過后臺運算顯示預測結果。其運行流程圖如圖2。

4 結束語

本文通過運用模糊數學以消除傳統安全評價中的主觀性因素，并以此方法開發了大壩安全評價程序，使得安全評價更加便捷、準確。定期對大壩進行安全評價，不但能夠了解大壩的安全狀況，及時對大壩進行維護補強，還能夠將大壩運營管理的相關內容量化，判斷出影響大壩安全的主要因素，對大壩的運營管理起到指導作用，對大壩現狀提出改善方案，確保大壩的安全。

參考文獻：

[1]鄢奮.中國農村公共產品供給問題分析[D].福建師范大學，2010.

[2]陳曦，曾亞武.基于層次分析法和模糊理論水庫大壩安全綜合評價[J].水利與建筑工程學報，2017，15（06）：95-100.

[3]張健，陳兵，劉寧.城市軌道交通工程建設項目施工社會風險評價分析——以青島軌道交通工程13號線為例[J].水利與建筑工程學報，2016，14（06）：174-178+189.