丹山攔河閘止水工程系統風險評價技術研究

許林濤

(臨沂市水利水電工程建設監理中心，山東 臨沂 276300)

攔河閘止水工程系統是一種在江河、湖泊周圍修建的，用于防止洪水災害的建筑物，主要應用于防洪工程體系。在相當長的一段時間內，起到了維護河岸經濟發展，提升工農業用水量的作用。隨著近年來經濟的迅速發展，洪水災害頻率的增加限制了當地的經濟發展，嚴重威脅到當地居民的人身安全[1-2]。為了緩解洪水災害對于沿河地段居民安全與經濟發展的影響，有必要優化攔河閘止水工程系統風險分析與評估過程，使用更加先進的風險評價與控制技術，為攔河閘止水工程系統風險管理與決策提供數據來源。

高軍等構建了工程項目風險演化評價的系統動力學仿真模型，并將大型石油工程項目作為研究對象，進行驗證。結果可知，此方法具有一定的使用效果，但對于大型水利工程而言，還需要進行相應的優化[3]。魯惠敏等利用層次分析法確定風險指標權重，結合集對分析的聯系度理論，運用模糊綜合評價法構建了混合風險評價模型，此模型使用效果較好但相對數據運算量較大，與大型水利工程的適配性較低[4]。針對此情況，在本次研究中將丹山攔河閘止水工程系統作為研究對象，設計新型風險評價技術，提升止水工程系統的風險分析能力與控制能力。

1 系統風險評價技術設計

本次將采用多種評價方式完成風險評價技術的設計過程，如圖1所示。

圖1 系統風險評價技術設計流程

本次研究中將比對目前使用中的多種風險評價技術，總結出適用于丹山攔河閘止水工程系統的定性、定量評估方式。收集止水工程系統的歷史數據，利用科學的統計方法分析其對止水工程系統安全運行的影響程度，并構建相應的風險評價指標。通過構建風險評價模型的方式，對止水工程系統進行科學，全面的風險辨識。同時構建相應的風險評價結果等級劃分制度，以保證風險評價結果的可靠性。

1.1 選取風險評價指標

在本次研究中，選用主要成分分析法[5-6]作為風險評價指標選取的主要方法。在風險評價指標選取的過程中，首先需要對原始數據進行標準化處理，消除不同類別數據之間的差異，實現數據之間的對比。設定采集到的攔河閘止水工程系統風險數據集合為：

A={aij}nm

(1)

式中，n—原始數據個數；m—預設指標個數；aij—第i個原始數據的第j個指標數據值，數據標準化處理過程可表示為：

(2)

式中，aij′—標準化變換后的數據；aij—原始數據，且有：

(3)

(4)

根據上述公式，可得到原始數據處理后的相關系數矩陣，內容如下：

(5)

其中，

(6)

使用上述公式，結合數據迭代原理可得到原始數據的特征值，此部分具體計算過程如下：

|U-αI|=0

(7)

(8)

使用此公式對原始數據展開計算，當計算至第n個指標時，其主要成分計算公式可表示為：

(9)

根據上述公式，可得到風險評價指標主要構成成分的線性組合，具體公式如下：

(10)

通過以上計算過程，確定本次風險評價過程中的主要評價指標，并根據指標選取結果構建相應的評價模型。

1.2 計算評價指標權重

通過文獻研究發現，在此工程系統的施工過程中，涉及到大量的無量綱化指標，為了提高風險評價的精準度，將評價指標劃分為正因子與逆因子[7]兩部分，如圖2所示。

圖2 評價指標劃分結果示意圖

根據上述圖像，將指標內容變換如下：

正因子指標：

(11)

逆因子指標：

(12)

由于本次研究中的部分指標為雙邊因子，因此將其設定為區間型因子，具體表示形式如以下公式所示：

(13)

式中，h—評價指標的因子評價值；g—有量綱因子的實際數值；gmin—有量綱因子的最小值；gmax—有量綱因子的最大值。

根據丹山攔河閘止水工程數據特征，將指標權重計算公式顯示如下：

(14)

根據盲數運算法則[8]對指標權重進行計算，設定指標權重計算公式如下：

(15)

根據上述公式，對評價指標體系中的指標權重展開計算，并將其作為評價模型構建的基礎。

1.3 構建止水工程系統風險評價模型

使用上述得到的評價指標以及權重，結合灰色模糊綜合評價方法[9-10]，構建攔河閘止水工程系統風險評價模型。設定止水工程系統的評價因素集合為：

W={w1，w2，…，wi}

(16)

各因素的評價結果為：

Q={q1，q2，…，qi}

(17)

總評判為直積空間X×Y的灰色模糊關系R，通過矩陣可將其表示為：

(18)

如果在評價的過程中含有部分未知數據，需要估算此數據的權重，則其權重可表示為：

D={(d1，sm(a1))，(d2，sm(a2))，…，(dn，sm(an))}

(19)

通過上述公式，得到最終的灰色模糊單層次綜合評判結果，具體計算過程如下：

T=D·R=(D·R，D′·R′)

(20)

根據此公式結合“和積法”，將風險評價內容劃分為經濟方向以及安全方向，依照損失率可將其體現為：

(21)

式中，?ijk—經濟方向風險評估結果；Eijk—安全方向風險評估結果；CI—一致性指標；RI—平均隨機一致性指標；CR—一致性比例；n—階數。

則一致性驗證過程可表示如下：

(22)

(23)

使用上述公式對評價結果進行驗證，并將其結果作為最終的風險評價結果輸出。至此，丹山攔河閘止水工程系統風險評價技術設計完成。

2 應用實驗分析

2.1 實驗環境設計

上文中設計了止水工程系統風險評價技術，為了證實此技術具有一定的使用效果，設定應用實驗環節對其使用后情況展開分析。為了提高實驗過程中的對比性，選擇兩種當前使用中的技術作為對照組完成實驗對比過程。實驗中為了更好的控制實驗變量，實驗平臺參數設定見表1。

表1 實驗平臺設計

根據上述參數，完成實驗平臺的搭建工作，并選擇合適的模擬工具對丹山攔河閘止水工程系統進行模擬，以此降低實驗難度，提高實驗處理速度。

2.2 實驗對比內容

本次實驗過程中，將獲取丹山攔河閘止水工程系統近一年的運行數據作為實驗中所需的數據樣本，此部分數據包含自然環境數據，日常運行模型以及系統設計參數。其中以自然環境數據作為主要的風險評價數據，當地的地質環境、水文環境以及自然災害情況均作為風險評價數據。對實驗數據進行整理后，將其導入新型風險評價技術以及當前技術中，選取風險預警速度、風險等級劃分結果精度以及預估經濟損失情況作為新型風險評價技術以及當前技術的對比對象，通過多次實驗的形式，完成新型風險評價技術與當前技術的對比過程。

2.3 實驗結果分析

風險預警速度實驗結果如圖3所示，對圖3分析后可知，新型風險評價技術使用后，風險預警速度得到了明顯的提升，通過研究發現，新型風險評價技術的計算過程較為簡便，降低了風險評價技術的使用難度，提高了風險預警的反應速度。與新型風險評價技術相比，當前技術使用后風險預警速度并未得到相應的提升，且實驗中使用的兩種當前技術風險預警速度相對較慢。在相同的時間內，當前使用技術所傳輸的數據量較小。綜合上述實驗結果可知，新型風險評價技術在此指標的對比過程中所得實驗結果最佳。使用新型風險評價技術對于工程系統的管理具有一定的輔助作用。

圖3 風險預警速度實驗結果

在本次實驗過程中，將風險等級劃分結果精度體現為風險等級劃分后，每一等級之間的數據差異大小，如圖4所示。對圖4進行分析可以發現，新型風險評價技術的風險等級劃分結果精度更高且更加精準。新型風險評價技術將風險評價結果分為5級，每一等級之間具有明顯的差異。當前方法將風險等級劃分為3級與4級，等級之間的差異性較小，無法對工程系統的風險展開全面的分析與及時的預警。因此，在日后的研究中應多使用新型風險評價技術對丹山攔河閘止水工程進行分析。

圖4 風險等級劃分結果精度實驗結果

在指標對比過程中，為降低實驗數據的獲取難度，將其轉化為風險評價技術使用后可造成經濟損失最小值與最大值，通過數據對比的形式，研究新型風險評價技術與當前技術的使用差異，見表2。對上述數據進行分析后可知，新型風險評價技術使用后，造成的經濟損失為3種實驗技術中最低值，可有效控制工程系統的經濟風險。與新型風險評價技術相比，當前使用技術對于風險中的經濟損失控制無法提供較好的輔助作用。因此，根據上述實驗結果可知，新型風險評價技術的使用效果更佳。

表2 預估經濟損失情況分析

綜合風險預警速度實驗結果、風險等級劃分結果精度實驗結果以及預估經濟損失情況分析結果可知，新型風險評價技術的設計具有科學性與可行性，在日后的研究中可使用此技術對工程系統的風險情況進行實時監測，以保證當地群眾的人身與財產安全。

3 結語

在本次研究中，使用主要成分分析法選取風險評價指標，將評價指標劃分為正因子與逆因子兩部分，計算評價指標權重。使用灰色模糊綜合評價方法，構建了攔河閘止水工程系統風險評價模型。應用新型風險評價技術對于丹山攔河閘止水工程系統的運行情況進行分析，控制丹山攔河閘止水工程系統的日常運行。新型風險評價技術對工程系統的風險情況進行實時監測，可以保證當地群眾的人身與財產安全。但本次研究中提出的評價技術在一定程度上還存在著不足，在日后的研究中，應多使用新型風險評價技術進行分析，提升此技術的使用效果。