王子銘，杜應吉

(西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100)

我國現役渡槽大多數在20世紀50年代建成，在運行過程中產生了結構損傷和耐久性破壞[1]，隨著時間推移老化狀況愈加嚴重。為了保證農業灌溉有序進行，需要對渡槽現狀進行分析評價。但目前渡槽相關檢測數據龐雜無序，且查閱、管理和分析渡槽基礎數據效率較低。

近年來數據庫技術在水利工程方面應用廣泛，王培成等[2]將SQL-Server作為后臺數據庫，建立大壩安全監測信息管理系統；彭義峰等[3]通過Access數據庫針對湖北地區通用的巖土參數開發水利水電巖體力學參數經驗取值系統；李星等[4]將ArcGIS軟件和SQL-Server數據庫結合，建立暗管排水規劃設計的可視化工程平臺。但類似數據庫系統中很少帶有評價功能，同時在渡槽數據統計方面還鮮有應用。

目前，渡槽健康狀態評價方法有層次分析法、模糊數學法、灰色理論、神經網絡、突變理論等[5]。其中，層次分析法是一種針對多目標、多影響因素問題的決策方法，且與渡槽結構特點相一致。由于渡槽健康狀態評價過程非定量評價，評價過程中部分指標無法劃清界限，因此采用模糊數學法對渡槽底層指標采用隸屬度進行決策，提高評價準確性。

為提高渡槽信息化管理水平及評價效率，本文采用層次分析法與模糊數學法，建立基于SQL-Server數據庫的渡槽健康狀態評價系統，對現有渡槽進行數據管理、分析及評價。

1 基于層次分析法的渡槽健康狀態評價體系

1.1 渡槽狀態層次結構建立

參照SL 214—2015《水閘安全評價導則》[6]的四級分類，將渡槽分成4個等級，其評定標準見表1。

表1 渡槽健康狀態評定標準

參考DL/T 5251—2010《水工混凝土建筑物缺陷檢測和評估技術規程》[7]和有關文獻[8]，根據層次分析原理建立渡槽綜合評價模型，以渡槽健康狀態作為目標層，渡槽的安全性、適用性和耐久性作為準則層，具體評價模型如圖1所示。

圖1 渡槽健康狀態評估層次結構

1.2 底層指標評價標準

參考SL 265—2016《水閘設計規范》[9]、SL 458—2011《灌溉與排水渠系建筑物設計規范》[10]、SL 319—2018《混凝土重力壩設計規范》[11]、GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》[12]、GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》[13]，GB 5124—2018《水工建筑物抗震設計標準》[14]等相關規范，并根據相關專家建議，設計渡槽底層指標評價標準如表2～4所示。

表2 渡槽安全性指標評分標準

1.3 指標權重賦值

根據張文劍等[15]對渡槽健康狀態模糊綜合評價

方法可知，以指標重要程度為依據賦予指標適當的權重值，以確保評價結果的準確性。本文用1～9標度來對各層次指標間的相對重要程度賦值，構造相應層次判斷矩陣，求得矩陣最大特征值所對應的特征向量，歸一化處理后所得即為各層次指標的權重值。

在判斷矩陣的構建的過程中，由于多指標性，專家因素的主觀性等，導致所構建的評價系統比較復雜，判斷矩陣的合理性需要得到保證，所以引入矩陣一致性判斷，同時也是對專家主觀因素與實際

表3 渡槽適用性指標評分標準

表4 渡槽耐久性指標評分標準

情況相符的約束。

(1)計算一致性指標CI，即

(1)

式中，CI為一致性指標，λmax為最大特征值，n為矩陣階數。

(2)查找隨機一致性指標RI。對大量的隨機數據進行計算[16]，得到1～10階經過1 000次的平均隨機一致性指標，如表5所示。

表5 RI取值參考

(3)計算一致性比例CR，即

(2)

當CR≤0.1時表示矩陣符合實際情況，是符合要求的矩陣，否則表示矩陣是不符合要求的，需要對矩陣進行適當的調整，直至滿足要求。

1.4 評價結果

參照SL 214—2015《水閘安全評價導則》的分類標準和專家的意見，對底層指標進行給分，將所得到的底層指標根據公式(3)開始向上逐層進行匯總計算，最終確定渡槽綜合評價得分，根據目標層得分確定渡槽的實際情況，歸屬評價渡槽所處級別。

(3)

式中，F為相對的上層評價值；wi為第i個計算的相對下層指標的權重；Di為相對下層指標所對評價值。

2 渡槽健康狀態評價系統設計

2.1 系統結構設計

為了實現對渡槽基本信息、現場檢測數據進行統計匯總，并根據綜合評價方法對渡槽進行安全鑒定評價，該系統功能設計主要有以下2方面：一是對渡槽信息的數據管理，可對資料進行增添、修改、查詢、統計等；二是依據渡槽現狀信息對渡槽進行綜合評價。功能結構如圖2所示。

圖2 系統功能結構

(1)系統安全管理。為了保證數據庫的安全性，需要對登錄的用戶進行驗證，校核是否為系統允許

的用戶信息，同時校核登錄者的身份，不同登陸人員擁有不同的權限。

(2)數據管理和維護。渡槽的數據種類較多，信息量大，用戶可在系統運行界面對數據進行增減刪改等操作。先為系統定義通用的檢測時間，然后在相應窗體內對缺陷指標和渡槽情況等內容進行操作；系統可檢測數據是否已經存在或者與定義的類型不符，為之后的渡槽評價提供數據保障。

(3)數據查詢。為高效查找和快速瀏覽數據，建立樹形結構檢索模塊和可視化模塊，可通過單獨檢索或逐層遞進組合檢索獲取渡槽數據。用戶可根據渡槽的檢測時間、名稱信息、結構形式、所屬地區等信息進行精準查找，通過系統檢索得到所含渡槽的指標名稱、判斷分數、結構位置、具體情況、缺陷圖片和渡槽等的工程概況并在可視化模塊中顯示出來。

(4)渡槽安全評價。依據系統中已存在的評價標準對底層指標進行評分，基于評價模型和底層指標得分情況，自動歸屬現役渡槽所處類別，并且生成相應處理建議。

該系統采用“客戶端/服務器”兩層架構?？蛻舳素撠熖峁┯脩艚缑娌⑶姨幚順I務邏輯，數據庫服務器負責接受客戶端傳輸的SQL語句并對數據庫進行更新、查詢等操作，將得到結果返回給客戶端；服務器端負責數據處理和維護模塊，為各個客戶應用程序管理數據；客戶端中包含文檔處理軟件、決策支持工具、數據查詢等應用邏輯程序，通過使用SQL語言發送請求和分析從服務器接收的數據[17]。

系統評價功能是將渡槽評價基本方法預先嵌入系統中，并構建底層指標評價標準參考頁面，二者結合作為系統的評價知識庫。用戶在進行渡槽健康評價時，將現場檢測所得到的數據輸入到系統中，系統調出知識庫內的評價方法，在該方法下進行評價，最后為用戶得到相應的評價結果和處理建議，同時為之后類似的渡槽健康評價提供參考和依據。該系統的數據訪問運行路線如圖3所示。

圖3 ADO.NET的數據訪問流程

2.2 數據庫設計

數據庫是進行渡槽健康狀態綜合評價系統的數據源，主要用于保存和管理渡槽的基本數據資料、安全評價方法等信息，是整個系統可以正常運行的關鍵。該渡槽系統數據庫的建設應該符合渡槽數據信息管理工作的實際要求，數據庫主要由渡槽信息表(AqueductInfo)、渡槽指標信息表(IndexInfo)、用戶信息表(UserInfo)、用戶角色表(UserRole)、渡槽圖片表(ImageInfo)等構成。所建數據庫中各表頭應該滿足簡單、易懂、且符合實際情況的原則，數據類型中文本信息采用Varchar類型，數字信息采用Int數值類型，合理定義各數據表之間的關聯關系，從而可以在查詢時快速地調出相關數據，同時也方便各系統之間進行數據交換和分享。

2.3 系統主要功能實現

系統功能主要是通過代碼實現，在各模塊中都含有數據的查詢、增刪改等功能，為了避免出現代碼重復、調試不方便等問題，建立公共類庫OpenDataManage.cs，系統中各模塊功能可以從公共類庫封裝的方法傳值并調用，采用C#中嵌套SQL語句進行混合編程的方式，建立類庫時采用參數化的SQL語句對各方法進行封裝，即將基本功能封裝；采用參數化的SQL語句，可防止其他語句的注入并提高系統的性能，公共類庫中有如下方法：

(1)ExecuteReader()方法。該方法主要是執行對數據庫內數據的查詢操作，并將返回結果放在DataReader對象中，有利于數據的讀取、調出和可視化。

(2)ExecuteNonQuery()方法。該方法主要用于對數據庫內數據進行更新操作，執行一條SQL語句，與Update、Insert和Delete語句連接，實現系統內數據的增刪改功能。

2.4 系統界面設計

系統中新增、修改及渡槽指標查詢頁面如圖4所示。將實際檢測的渡槽名稱、結構形式、檢測時間、所屬地區和工程概況輸入新增渡槽頁面，在渡槽信息成功創建后，將實際檢測指標添加到新增渡槽中；通過渡槽修改頁面對有誤數據進行改正；通過查詢頁面將渡槽的實際指標、缺陷情況和渡槽圖像信息在系統中顯示。

圖4 渡槽新增、修改、指標查詢頁面

依據底層指標評判標準對渡槽實際檢測情況進行分析，從而確定底層指標分數，將底層指標得分輸入到系統中，進行渡槽健康狀態評價，得到最后渡槽評價得分，從而確定渡槽健康評價等級以及處理建議，系統評價界面如圖5所示。

圖5 健康狀態評價界面

3 渡槽健康狀態評價系統應用

寧夏某渡槽始建于1969年，為6跨的梁式渡槽，長60 m，設計過水流量45 m3/s。渡槽主要由進口段、槽身段以及下部的井柱支撐結構組成，由于接近使用年限，且受到外界不良介質侵蝕，而原設計標準又較低，混凝土發生嚴重劣化現象，目前存在的問題主要有：①渡槽混凝土柱外露1.5 m左右，有效樁長變短；②渡槽混凝土剝落，露筋嚴重；③渡槽欄桿、人行橋、拉梁、槽殼等出現了不同程度的裂縫、露筋現象；④進出口及伸縮縫也有滲水現象，伸縮縫曾用環氧樹脂及651橡膠止水處理，但是局部仍有一定程度破損；⑤混凝土結構碳化破壞極其嚴重。系統根據現場檢測的實際情況，計算渡槽整體綜合評價得分，確定該渡槽所屬安全等級并針對缺陷給出具體的處理建議。

為保證結構狀態評估結果的準確性，由多位專家給出各指標相對重要程度的判斷值。根據多位專家給出指標相對重要程度建立矩陣求解體系中指標所對應權重，權重值如表6所示。

表6 渡槽指標體系及權重匯總

依據工程實際情況和評分準則分別予評價體系中各指標以合理評價值，將評價值輸入管理系統并經過運算后得出相應評價結果及相關處理意見，界面顯示如圖6所示。

圖6 寧夏某渡槽健康狀態評價界面和評價處理建議

從圖6可知，所得最終評價結果與該工程經過專家最終驗收時所得的結論一致，且經程序運算輸出的結果對實際工程中缺陷修復具有指導作用。

4 結 語

本文采用了模糊數學及AHP層次分析法建立渡槽評價模型，基于.NET平臺中C#編程語言和SQL-Server數據庫開發渡槽健康狀態綜合評價系統，該系統解決了用戶查閱、管理和分析數據耗時耗力的現狀，在綜合考慮渡槽實際情況的前提下，將評價功能嵌入在系統中。采用該系統對寧夏某渡槽進行評價，給出相應評價結果及處理建議，并成功指導渡槽除險加固工作。該系統有效提高了渡槽數據管理信息化水平和健康評價效率，同時為未來渡槽的智能化和信息化發展奠定基礎。