基于VB.net和Mat lab的水閘安全評價軟件開發與應用

劉 坤，劉慶晶，黃文敏

（1.廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州510635；2.上海國際機場股份有限公司，上海201207）

0 前言

我國水閘修建史長，數量多，大部分水閘修建于20世紀50年代～70年代，存在一大批急需除險加固的病險閘。根據2008年的普查結果，全國72%的水閘為三類閘、四類閘。查清水閘現狀，對水閘進行科學、合理的安全評價對指導水閘的除險加固工作具有重要的意義。水閘鑒定工作相關的規范主要有《水閘安全鑒定規定》（SL 214-98）［1］和《水閘安全評價導則》（SL 214-2015）［2］。總的來說，規范的指導性較強，細化程度不足。不同水閘的安全評價工作在操作層面常采用不同的標準，指標的選取及計算有很大的隨意性，專家的經驗和主觀判斷對確定水閘類別影響較大，難以保證結論的客觀、準確。評價結果多過于籠統，針對性不強，無法較好地指導水閘的除險加固工作。本文基于VB.net和Matlab開發的水閘安全評價軟件，綜合利用VB.net語言面向對象的優點和Matlab強大的計算能力，細化分級水閘安全指標，對定性與定量指標給出具體的計算方法，合理劃分不同專家的權重，使用迭代算法解決數據缺失問題，不但提高了效率，得出的評價結果也更加全面合理。軟件可操作性強，實用價值高，具有一定的推廣應用價值。

1 水閘安全評價軟件開發

1.1 水閘安全評價指標體系

構建水閘安全評價指標體系是進行水閘安全評價的首要工作。在遵循科學、系統、全面、可操作性強、定性與定量指標相結合的原則下，構建四級水閘安全評價指標體系［3］。一級指標包括防洪能力、結構安全、滲流安全、工程質量、金結及電氣、運行管理六項。在一級指標下繼續細分二、三、四級指標，確保最底層指標直接對應水閘的某一構件的具體性能，例如閘墩的結構裂縫、混凝土的碳化深度，以便后期更好地指導除險加固工作。以結構安全指標為例，其下級指標體系見圖1。

圖1 水閘安全評價指標體系示例

1.2 水閘安全評價流程

軟件的運行流程為自下而上，由現場檢測數據、復核數據等計算得到底層指標的安全值，由專家打分表計算指標的加權權重。根據底層指標的安全值和權重計算上一級指標的安全值，依次向上計算，直至計算得到總指標的安全值，判斷水閘的類型，對水閘進行鑒定，給出相應的處理意見。軟件運行流程圖見圖2。

1.3 軟件開發平臺

軟件采用VB.net語言開發人機友好的界面，可以方便地輸入各種數據，同時計算結果也即時輸出在界面的文本框內。操作過程中可隨意修改輸入的數據，選擇指標安全值的計算方式，查看定性指標的賦值標準，保存計算結果。在根據專家打分表計算指標基礎權重時，使用的SQP算法［4］需調用Matlab中的工具箱，通過Matlab生成的動態鏈接庫文件實現此調用。VB.net與Matlab間的數據通過文本文件來傳遞，以保證數據傳遞的穩定，不受軟件的版本，操作系統的類型等因素的影響。軟件綜合利用了VB.net語言和Matlab軟件的優點，具有便捷的操作界面和強大的計算能力。軟件操作界面見圖3。

圖2 軟件運行流程圖

圖3 軟件操作界面

2 水閘安全評價軟件計算過程

水閘的指標體系分為4級，每一個指標都包含安全值和權重兩個參數。安全值和權重為0～1之間的某一實數。安全值代表了指標的評分，反應水閘某構件的某個性狀的好壞。權重為下級指標對隸屬的上級指標重要性，某一指標的所有下級指標權重值和為1。通過逐級計算，最終得到水閘的整體評價，同時可以根據安全值和權重兩個參數，判斷出哪些指標的狀況較差且相對重要，有針對性地對水閘的除險加固提出意見。

2.1 定量指標安全值計算

定量指標可以由水閘的現場檢測數據、復核數據等經過計算得到安全值，例如過流能力、沉降等。軟件在現有規范和文獻的基礎上，結合前人的研究成果，制定了定量指標安全值的計算方法。以過流能力指標為例，將復核得到水閘現在的過水流量Q現和原設計過水流量Q設之比作為評價指數Q=Q現/Q設。當安全值大于1.0時，取1.0。對應的安全值計算公式見表1。

表1 過流能力指標安全值計算公式

為便于不同指標間的對照、比較，在計算公式中對安全值進行歸一化處理。同時軟件設置了跳過計算，直接輸入指標安全值的模式，以滿足不同情況下的需要。

2.2 定性指標安全值量化

在指標體系中存在眾多無法計算求解安全值的定性指標。定性指標的安全值應在相關資料及現狀調查的基礎上，根據一定的量化標準來確定。軟件中為每一個定性指標提出一個合理的量化標準，幫助使用者確定其安全值。以電氣設備指標為例，軟件中設置相應按鈕，點擊即可提供其量化標準，見圖4。

圖4 電氣設備指標量化標準

2.3 缺失數據的指標安全值處理

在水閘安全評價過程中，常常會遇到某些指標缺乏可靠的資料，也無法通過現狀調查、現場檢測等方式獲取數據。如何處理這些指標直接影響評價結果的客觀性、準確性。處理這個問題常用的數學方法有歸零對應權重系數、最劣化考慮或最優化考慮缺失數據的指標等。這些方法都存在不同的缺陷，如導致評價對象的安全等級偏低或偏高、增加評價結果的不確定性等。本軟件利用電子程序的計算優勢，采用迭代算法處理這一問題。處理的原則是使缺失數據的指標安全值與最終的水閘總指標安全值無限逼近，從而使不確定因素影響最小化。具體方法是給缺失數據的指標安全值賦一個0～1之間的初值，使用迭代算法，不斷修正缺失數據的指標安全值，使其與水閘總指標安全值的差值在一個極小的容差內（程序中設為10-6）。具體流程見圖5。

圖5 軟件迭代計算流程圖

2.4 指標權重計算

指標權重體現了下級指標對上級指標的重要性，一般需要依據多個專家的經驗和判斷綜合確定。但每個專家的專業水平、偏好等不盡相同，因此指標權重的計算中應體現專家的差異性。軟件中綜合運用層次分析法、SQP算法、熵權法等，提出一種主客觀相結合的賦權法。

每個專家對于同一級指標間權重的劃分采用層次分析法來計算，在程序中提供了相應的輸入界面，見圖6。當指標較多時，輸入的判斷矩陣一般為非正定矩陣，計算各指標權重的方法主要有特征值法、最小二乘法等，這些方法的缺點在于將權重計算和一致性檢驗分開，計算出的結果可滿足一致性檢驗要求但并非最優解。

圖6 層次分析法輸入界面

軟件中引入SQP算法求解判斷矩陣的權重，SQP算法通過迭代運算，將權重計算與一致性檢驗結合起來，且收斂速度快，計算結果更加精確，與判斷矩陣的一致性更好，充分利用了電算的優勢。軟件通過引用動態鏈接庫文件調用Matlab中SQP工具箱實現此計算。

專家間的差異性通常可以使用人為賦予每個專家一個權重值的方法來體現，但這種方法受主觀因素影響較大，會降低評價結果的可信度。軟件中采用熵權法體現專家對指標權重分配結果的可信度［5］。假設有m個專家對n個指標進行權重分配，xij表示第i位專家對第j個指標分配的權重，稱為基礎權重。Ci表示根據熵權法分配的第i位專家自身的權重，則：

其中：

（i=1，…，m；j=1，…，n；k=1，…，m）。

由以上公式可知，當某位專家對指標權重的分配接近全體專家的平均值時，該專家的權重值較大，當他偏離平均值較遠時，其權重值較小。每個專家自身的權重是一個動態的值，對于不同的指標組合，需要分別計算專家自身的權重，這也符合專家對于某些指標較為熟悉，其意見較為可信，對于另一些指標不太熟悉的實際情況。指標的基礎權重和專家自身的權重兩者的乘積即為指標的加權權重。根據下級指標的安全值和權重計算可得上級指標的安全值。

2.5 指標安全等級

《水閘安全評價導則》（SL 214-2015）中將水閘指標的狀況按對應標準分為A、B、C共3級，相應的，軟件中根據指標的安全值，將各指標的安全等級分為3級，以對應規范中“滿足標準要求，措施有效”“滿足標準要求，措施存在缺陷尚不影響總體安全”“不滿足標準要求”3類狀況。

表2 指標安全值與安全等級

根據計算結果，不但可以得到水閘總指標的安全等級，判斷水閘的類別，還可以得到各分級指標的安全等級，有助于對水閘的全面認識，幫助指導水閘的除險加固工作。

3 具體案例分析

某水閘為河北省境內一座泄洪閘，修建于20世紀70年代。閘身共分6孔，上下游翼墻采用裝配式擋土墻，配有公路橋及機架橋。水閘運行已超過40年，混凝土結構老化嚴重，出現多處裂縫，部分區域鋼筋外露。很多機電設備超出正常使用年限，金屬構件銹蝕，閘門啟閉困難。該水閘是所在滯洪區唯一的泄水通道，需要進行安全鑒定，劃分水閘類別，以決定后續采取除險加固或報廢重建方案。

根據原安全鑒定報告，該水閘抗滲穩定、閘室穩定、消能防沖等指標為C級，鑒定為四類閘。

3.1 安全評價結果

以原安全鑒定中的數據為基礎資料，結合現場調查，并邀請專家對指標體系進行權重分配，使用軟件對水閘進行安全評價，其中一、二級指標的評價結果見表3。

3.2 安全鑒定結論

一級指標中，結構安全、滲流安全、工程質量、金結及電氣4項安全等級都為C級，根據《水閘安全評價導則》（SL 214-2015），水閘應為四類閘，與原鑒定報告的結論一致。水閘安全評價總指標安全值為0.34，反應水閘的整體狀況較差。綜合各方意見，該水閘最終采取了報廢重建的方案。

表3 某水閘安全評價結果

4 結語

1）針對傳統水閘安全評價方法效率低，受人為因素影響大，鑒定結果指導性不強的不足之處，建立了四級指標體系，使用VB.net和Matlab聯合編程，引入層次分析法、SQP算法、熵權法等算法，使計算更加高效、準確，評價結果更加客觀、全面。

2）充分利用電子程序的計算優勢，使用迭代算法解決數據缺失的問題，減小其對整體模型的影響。SQP算法在求解判斷矩陣的權重值時顯示出其優越性。

3）以某實際工程為例，比較軟件的評價結果與原安全鑒定報告的結論，兩者具有一致性，驗證了軟件評價結果的可信度。

4）軟件在后續還有許多改進之處，例如引入隸屬度等概念，取代單一的安全值，算法上也還有優化空間。