基于改進的模糊層次分析法的渡槽安全狀態(tài)評價

冷光輝，李勇，徐浩鑫，詹光菊，闞飛，盧鑫*

(1.四川省都江堰水利發(fā)展中心東風渠管理處，成都，610081；2.成都賽零信息技術開發(fā)有限公司，成都，610041；3.四川省水利科學研究院，成都，610072)

1 引言

在古代人們鑿木為槽，用以灌溉作物，是渡槽的早期呈現(xiàn)方式。隨著歷史的發(fā)展，我國在許多水利工程中應用渡槽進行輸引水，各具特色的渡槽不斷涌現(xiàn)與發(fā)展。隨著不同地區(qū)、不同規(guī)模灌區(qū)建設的不斷發(fā)展，大至南水北調(diào)、引灤入秦、引大入秦等跨流域、跨省區(qū)的調(diào)水工程的建設，小至田間地頭的引水截流，渡槽在我國發(fā)揮了重要作用。這一時期修建的渡槽輸水流量也不斷增大，跨線不斷加長，極大地促進了渡槽結構型式的改進與創(chuàng)新[1]。

渡槽建成后，投入運行過程中，在負載、變化的環(huán)境相互作用下，不可避免會產(chǎn)生損壞和老化。早期設計的渡槽，因局限于固有的認知、不完善的規(guī)范、欠周詳?shù)脑O計、落后的技術等造成渡槽建筑物在建成之初就存在問題。在運行年限累加、環(huán)境條件變化以及后期維護存在問題等諸多不利因素的綜合作用下，大部分渡槽會出現(xiàn)不同程度的安全隱患，需要定期對渡槽進行安全鑒定。

目前，已有大量的學者在渡槽安全狀態(tài)評價指標、評價方式及算法研究等方面做了深入研究。其中，張文劍等[2]采用層次分析法對渡槽安全狀態(tài)進行了安全評價的論述，采用統(tǒng)計學方法和層次分析法針對在役渡槽的健康狀態(tài)構建了模糊綜合評價模型；夏富洲等[3]采用了基于模糊綜合評估和變權理論的渡槽安全狀態(tài)評估方法；郭瑞等[4]采用了改進的模糊綜合評價法對渡槽風險進行評價；王夢雅等[5]提出了一種可拓評價方法，定性和定量地對渡槽老化變形進行研究；劉尚昆[6]采用AHP-模糊綜合評價法對渡槽結構狀態(tài)進行綜合評價。

基于現(xiàn)狀，本文根據(jù)已有研究成果，針對東風渠灌區(qū)既有渡槽監(jiān)測指標體系，結合灌區(qū)的實際業(yè)務指標，計算渡槽安全評價中各評價指標的權重，構建基于改進的模糊層次分析法的渡槽安全評價模型，評價渡槽的安全狀態(tài)，并對評價結果進行對比和驗證，以驗證其適用性、合理性。

2 模糊層次分析法評價步驟

模糊綜合評價是通過構造等級模糊子集把反映被評事物的模糊指標進行量化(即確定隸屬度)，再采用層次分析法(AHP)確定評價指標間的相對重要性次序，從而確定權重系數(shù)，并且在合成之前歸一化[7-8]。

2.1 確定因素集U

因素集即為評價對象的指標集，P個評價指標，u={u1，u2，……，up}。

根據(jù)《東風渠灌區(qū)水利工程全方位安全監(jiān)測導則》[9]，結合東風渠灌區(qū)的工程實際情況，劃分基礎評價指標。其中一級指標包括：變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、應力應變及溫度監(jiān)測、環(huán)境量監(jiān)測；二級指標包括：水平位移、垂直位移、撓度、接縫開合度、舌頭壓力、側向繞滲、鋼筋應力、土壓力、錨索預應力等。具體指標見圖1所示。

圖1 評價指標層次分析體系

2.2 確定判斷集V

判斷集v={v1，v2，……，vp}，即評判的等級集合。

根據(jù)日常需要及渡槽工程實際情況，將各等級指標分為4個等級：{a類，b類，c類，d類}。

2.3 進行單因素評判，確定隸屬度

對因素集U中的單因素進行評價，確定渡槽工程對應的等級模糊子集的隸屬度(R|ui)，得到評價指標U到評價等級Ⅴ的模糊映射，形成矩陣：

其中，矩陣R中第i行第j列元素rij，表示某個渡槽建筑從指標集ui對于評價集vj的模糊子集的隸屬度。

2.4 確定評價因素的權重，對評判集進行數(shù)值化或歸一化處理

駱正清等[10]對AHP法中的不同標度進行保序性、一致性、均勻性、可記憶性、可感知性等標準進行不同標度研究后，得出結論：對單一準則下的排序，建議使用1～9標度確定權值；對精度要求較高的多準則下排序問題，建議使用基于自然指數(shù)e0/4～e8/4或e0/5～e8/5的標度確定權值。本文采用e0/4～e8/4標度確定主觀權重，如表1所示。

表1 不同標度的含義

此外，e1/4，e3/4，e5/4，e7/4表示第i個因素相對于第j個因素的重要性介于上述兩個相鄰等級之間。形成判斷矩陣A=(aij)n×n，用aij表示第i個因素相對于第j個因素的重要性，其中：

矩陣A的最大特征值λmax對應的特征值向量經(jīng)過數(shù)值化和歸一化處理后記為：

2.5 計算綜合評價結果向量

利用合適的算法將判斷矩陣A與模糊矩陣R進行計算，得到被評價渡槽對象的模糊綜合評價結果向量B。即：

=(b1,b2,……,bm)=B

其中，b1是由A與R的第j列通過矩陣運算得到的，它表示被評價對蔡對評價集Vj的模糊子集的隸屬程度。

2.6 作出評價

針對計算出的綜合評判值，采用最大隸屬度原則做出評價。實際工作中最常用的最大隸屬度原則會造成部分信息損失，在某些情況下使用導致結果失真，得出不合理的評價值。本文提出使用加權平均求隸屬度的方法，對多個被評事物，可根據(jù)相應加權值排序處理后，得出有效合理的評價。

3 實例應用

通過對渡槽工程進行安全評價，可以確定渡槽工程對應的安全等級，及時分析該工程的安全狀態(tài)，提前作出干預，保證安全。本文通過渡槽工程的變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、應力應變監(jiān)測、環(huán)境量監(jiān)測等數(shù)據(jù)，分析工程的運行狀態(tài)指標；本文通過改進的模糊層次分析法，預測工程的安全等級，確保能夠及時發(fā)現(xiàn)問題并采取相應措施，防止安全事故的發(fā)生，保障渡槽工程的安全運行。

3.1 工程概況

根據(jù)《東風渠新南干渠渡槽復核設計報告》中工程調(diào)查資料，黎家溝渡槽工程區(qū)地形、地貌、地質構造簡單，由左右兩個渡槽組成，渡槽間距3.1m，進口魚嘴高度3.2m，進出口由分水魚嘴銜接，出口魚嘴高度3.2m。設計流量為20m3/s～100m3/s，主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級。本工程設計流量為50m3/s，渡槽建筑物級別確定為3級。

圖2 渡槽立面斷面

根據(jù)《渡槽安全評價導則》[11]，渡槽工程病險類別劃分為四類。一類工程：運用指標達到設計標準，工程可正常運行；二類工程：運用指標基本達到設計標準，無影響工程正常運行的缺陷，常規(guī)維修養(yǎng)護可正常運行；三類工程：運用指標達不到設計標準，存在影響工程正常運行的缺陷，經(jīng)加固改造可正常運行；四類工程：運用指標無法達到設計標準，工程的功能喪失或顯著降低，需降低標準運用、改建或報廢重建。

3.2 評價指標確認[9]

表2 一級和二級評價指標

3.3 指標權重計算

本文將渡槽監(jiān)測分為變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、應力應變及溫度、環(huán)境量監(jiān)測4個一級分類，構造一級分類的模糊判斷矩陣A1。

表3 一級分類模糊判斷矩陣

設一級分類權重向量W1=(ω1，ω2，ω3，ω4)。

表4 輔助矩陣

求解出特征向量為：

歸一化后權重向量為：W1=(0.082,0.142,0.340,0.436)。

同理，根據(jù)改進的模糊層次分析法得到底層監(jiān)測指標的權重，A1-A4優(yōu)化權重分別為0.313，0.304，0.201，0.182；B1-B2優(yōu)化權重分別為0.582，0.418；C1-C5優(yōu)化權重分別為0.289，0.232，0.260，0.073，0.146；D1-D4優(yōu)化權重分別為0.301，0.282，0.134，0.283。

3.4 確定底層指標評價矩陣

根據(jù)渡槽的各項監(jiān)測指標及渡槽的實際運行狀況，邀請多位專家對底層各個指標的狀態(tài)進行評估，根據(jù)統(tǒng)計結果，得出各個指標的隸屬度。用v={A,B,C,D}表示4個安全等級。

表5 基層指標隸屬度矩陣

根據(jù)各指標權重向量及指標隸屬度矩陣，可求得目標矩陣R：

B=W1·R=(0.151，0.476，0.337，0.036)

根據(jù)最大隸屬度原則，可知該渡槽屬于Ⅱ類工程。該渡槽在2018年的安全類別評定為二類，與本文結論一致。

4 結論

本文通過對變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、應力應變及溫度、環(huán)境量監(jiān)測等指標的監(jiān)測，采用基于自然指數(shù)e0/4～e8/4標度的改進模糊綜合評價法，對渡槽工程的安全狀態(tài)進行鑒定，對不同評價指標的主觀權重和客觀權重進行優(yōu)化，使得各個指標的權重分配更加符合實際需要。不同于單因素評價的方式，采用改進的模糊綜合評價法結合了實際運行過程中的各因素，更能真實反映渡槽工程的安全狀態(tài)。本文所得鑒定結果與該工程實際安全鑒定結果一致，為渡槽工程的安全狀態(tài)評價提供了一種有效可行的解決方法。