基于云模型的泵站現代化管理綜合評價

王 鑫，徐鈺德，趙志宏，胡小萌

（1.華北水利水電大學 水利學院，河南 鄭州 450046；2.河南省水工結構安全工程技術研究中心，河南 鄭州 450046）

建設泵站工程是解決區域干旱缺水、洪澇災害以及水資源短缺的有效措施，其在農田灌溉、城市供水和排澇排污等方面發揮了極大作用［1］。 隨著信息化技術的不斷發展，國內學者針對泵站現代化管理理念、建筑物運行安全評價等方面做了大量研究工作。 例如：王芳［2］以江蘇省大套一站為研究對象，基于泵站運行狀態、技術運行狀態等層面構建了適用于大中型提水泵站的復合型評價指標體系以及多級模糊評價系統；呂淑然等［3］基于事故致因理論構建泵站運行安全評價指標體系，結合灰色關聯度分析法和網絡層次分析法對南水北調中線某大型泵站運行狀態進行評價，評價結果與實際狀態一致，驗證了該方法的有效性。 然而，已有研究針對泵站現代化管理評價主要集中于設備運行狀態、技術性能以及經濟貢獻等方面，忽略了對泵站系統的整體考慮，泵站現代化管理評價還應包括管理體制先進性、管控技術信息化以及管理組織現代化等方面。 由于影響泵站現代化管理評價的指標眾多，同時防汛調度科學度、綠化管理程度、運行管理程度等指標具有一定的模糊性，因此很難實現泵站現代化管理水平的綜合評價。

本文從泵站管理規范化、基建設施完善度等6 個方面劃分系統層，選取32 個要素層評價指標，引入多個獨立等級浮動云集成廣義綜合云，采用CM-AHP 法對評價指標主觀賦權并結合“黃金分割率”對指標進行兩兩重要性評判，采用云生成法對這些指標進行描述后確定評價標準云模型，將得到的評價矩陣與權重矩陣相乘得到綜合評價云模型，通過云發生器原理對定性概念進行定量化揭示并在云圖中進行可視化表達，運用此模型對江蘇省南通市九圩港提水泵站現代化管理水平進行評價。

1 泵站現代化管理綜合評價指標體系

以泵站現代化管理的內涵和目標為導向，將泵站現代化管理綜合評價指標體系劃分為目標層、系統層、要素層以及評語層。 從管理規范化、基建設施完善度、管理信息化、應急處理能力、環境衛生管理以及水壓水量水質達標管理這6 個方面對系統層進行劃分［4-6］，結合泵站系統的實際特點并征集專家意見，篩選出32個要素層指標［7-8］，所構建的綜合評價指標體系見圖1。 進一步對要素層指標進行量化分級，見表1。

表1 要素層指標量化分級

圖1 各系統層對應的評價指標

2 研究方法

2.1 云模型

云模型可用于處理評價過程中指標的模糊性、隨機性問題［9-11］，其特性主要由Ex（期望）、En（熵）、He（超熵）這3 個云參數來表征，其中：Ex反映云滴群的重心；En反映云滴的離散程度；He反映云滴的厚度。正態云模型數字特征見圖2。

圖2 正態云模型數字特征

針對泵站現代化管理綜合評價指標體系中各指標之間關聯性相對較弱的問題，可引入多個獨立等級浮動云集成廣義綜合云。設在論域U上有m朵等級浮動云Y1（Ex1，En1，He1），Y2（Ex2，En2，He2），…，Ym（Exm，Enm，Hem） ，集合生成廣義綜合云（Ex，En，He）來反映各等級浮動云之間的空白值，廣義綜合云參數計算公式如下：

式中：Exg為第g朵等級浮動云的期望；Eng為第g朵等級浮動云的熵；Heg為第g朵等級浮動云的超熵；ag為第g朵等級浮動云的權重。

在云模型中，通過云發生器（正向與逆向）來實現定量數值到定性概念的轉換，云發生器基于模糊理論以及正態分布理論，以MATLAB 為技術平臺，以云圖形式對綜合云進行可視化表達，若云滴x服從正態分布N（Ex，En2），則x與定性因素L之間的關聯度μ（x）表達如下：

2.2 CM-AHP 法主觀賦權

采用CM-AHP 法對評價指標主觀賦權［12］，即將云模型與傳統AHP 標度法進行耦合，基于云集結算法對多個指標評判結果進行綜合評判，一定程度上避免了評判過程的主觀性與絕對性［13-14］，同時結合“黃金分割率”得到指標兩兩重要性標度，見表2。

表2 指標兩兩重要性標度

基于云模型構建指標兩兩重要性判斷矩陣，對矩陣中對角線的倒數標度Eij進行計算，公式為

進一步計算各指標權重（Exi，Eni，Hei） ，公式為

式中：i、j分別為評價矩陣行、列序號。

2.3 構建評價標準云模型

泵站現代化管理綜合評價中確立評語集是實現定性評價到定量化揭示的關鍵，針對評價過程中存在的指標模糊性問題，運用云生成法對這些定性指標進行描述，采用單因素法建立泵站現代化管理水平評語集，把指標劃分為“差Ⅰ、較差Ⅱ、中等Ⅲ、較好Ⅳ、好Ⅴ”，表述為D=｛Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅲ｝ =｛差，較差，中等，較好，好｝，以此為基礎構建評價標準云模型。 評價標準云模型中等級浮動云特征參數見表3，泵站現代化管理等級評價標準云圖見圖3。

表3 等級浮動云特征參數

圖3 泵站現代化管理等級評價標準云圖

2.4 確定綜合評價云模型

針對32 個泵站現代化管理綜合評價指標，結合指標量化分級表和專家打分結果，構造含有32 個評價標準云模型的評價矩陣V：

式中：Ci為第i個指標對應的管理水平等級（i=1，2，…，32）

綜合評價云模型由評價矩陣V與權重矩陣W相乘得出：

3 實例分析

3.1 提水泵站概況

江蘇省南通市九圩港提水泵站位于九圩港入江口段的九圩港閘西側，該泵站工程規模為大（2）型，泵站安裝有5 臺套豎井貫流式機組，水泵葉輪直徑為3.25 m，泵站設計揚程為4.50 m，單機設計流量為30 m3／s，所配套電機功率為1250 kW，總裝機功率為6250 kW。 該泵站兼具引水、灌溉和供水等功能，通過引長江水來滿足南通地區居民生產生活和沿海灘涂開發用水需求，有效緩解了南通地區干旱年份水資源供需矛盾。

3.2 指標權重的求解

首先對九圩港提水泵站運行狀況進行數據收集及現場調研，共聘請3 名專家、4 名管理人員以及3 名灌區日常運行工作人員并成立評判小組，對要素層指標進行兩兩重要性評判；再通過等級浮動云集成專家評判語言，得到判斷矩陣并對矩陣進行一致性檢驗；最后得到各指標權重，見表4。

表4 評價指標權重

為確定CM-AHP 法賦權的云模型評價法的可行性，結合泵站實地調查資料和統計資料，根據專家評判結果確定各評價指標對應的云特征值，見表5。

表5 評價指標云特征值

3.3 綜合評價

根據公式（8）將要素層評價指標的評價矩陣和權重矩陣相乘得到泵站現代化管理綜合評價云模型R=［0.7674，0.0733，0.0094］，通過正向云發生器得到綜合評價結果云圖，見圖4。可以看出，九圩港提水泵站現代化管理水平介于“Ⅳ（較好）”和“Ⅴ（好）”之間，更貼近于“Ⅳ（較好）”級，且云滴分布較為集中，表明九圩港提水泵站現代化管理綜合評價結果與預期評價結果的偏差較小，同時綜合評價云模型的熵和超熵數值均較小，反映了評價結果的不確定度和離散程度較低，評價結果的可信度較高。

圖4 綜合評價結果云圖

通過對九圩港提水泵站實地調研發現，其管理制度比較健全，機構設置比較規范，制度執行力和泵站運行監管力較強；通過人才培訓增強管理人員專業性，提升了泵站基建設施設備運行維護的規范性；利用信息化監測系統實時監測泵站運行狀態，能夠對泵站運行中出現的故障做出快速反應和處理；通過環境治理與管理，泵站衛生狀況得到改善。 以上情況表明該提水泵站實際管理狀態較好，整體運行管理水平較高。 由綜合評價結果可知，九圩港提水泵站現代化管理水平屬于較高級別，綜合評價結果基本符合研究區實際管理水平，說明此模型在泵站運行管理水平評估中具有較高的可靠性。

4 結論

（1）以目標、系統、要素、評語4 個層面為核心，構建泵站系統現代化管理綜合評價指標體系；通過建立云模型并引入浮動云概念，實現了等級浮動云與綜合評價云的數量級轉化，避免了單一隸屬關系形成的弊端；通過將云模型與傳統AHP 法進行耦合，弱化了專家評判的主觀性，確保了權重計算結果具有較強的客觀性，使評價結果更加可信。

（2）基于所構建的評價模型對九圩港提水泵站現代化管理水平進行評價，結果顯示綜合評價云模型R=［0.7674，0.0733，0.0094］，表明泵站系統現代化管理水平介于“Ⅳ（較好）”和“Ⅴ（好）”之間，熵和超熵數值較小，表明評價結果波動性小，能夠反映泵站系統實際現代化管理水平。