基于可靠性与经济性联合调控的水利工程管理方法研究

徐晓东 左世飞 黎海涛

（内蒙古辽河工程局股份有限公司 内蒙古 赤峰 024000）

1 研究综述

所谓经济性，指为了获得一定数量和质量的产品和服务及其他成果时所耗费的资源最少。经济性主要关注的是资源总量的使用和使用过程中成本的用量水平和程度及资源使用的合理与否。所谓可靠性，包括安全性、适用性、耐久性。对于水利事业而在，适用性关乎经济效益，耐久性关乎实用年限，而安全性则关系到国家声誉和民生。对工程而言，在一定范围内投入与安全成近似线性关系，那么把握控制安全与经济相关关系，才能找到安全与经济联合调控的管理方法。

2 联合调控工程管理方法分析

由上述分析可知，对于水利工程而言，可靠性水平要求相当高，经济投入较民用建筑投入数十上百倍，所以研究其可靠性与经济性联合调控的水利工程管理方法至关重要。而安全性在于材料和技术的使用，技术费用属于一次性投入，技术越先进，相应耗资越大；材料费用属于均部投入，即线性投入，其材料用量及配料比例将影响结构可靠度。但当材料投入超过一定限值时，安全可靠度将不再提高，反而会有所减少。对于水利水电工程，钢筋混凝土用量巨大，而其钢筋配置量恰能反映此问题，当配筋量适当时，结构破坏方式为适筋破坏，为延性破坏，此最大配筋率范围内，钢筋用量越大，结构承载能力越大，但是，当配筋率超过最大配筋率时，结构破坏成脆性，无明显预兆，可靠性大大降低。所以我们可认为，在一定范围内投入与安全成近似线性关系，那么把握控制安全与经济相关关系，才能找到安全与经济联合调控的管理方法。

2.1 模型建立方法（如图1）

首先分别对经济性与可靠性进行参数选取，根据95%保证率进行相关性分析，选取相关性指数高于80%的“绝对影响因子”进行参数附权，根据不同参数在工程中占的比重及重要性进行不等比付权，将权值转化成小于1的系数配给各参数，然后将两组参数进行双相关分析，若相关性较小，则需重新选参，若相关性较大，则满足回归要求，建立回归关系，求解经济与安全的相关性函数，依据最小二乘法原理选取最优曲线。

2.2 实例论证

本例以我国某地区小型水利工程平均费用投入与相应安全评估报告平均标准为例，拟合结果如下。

2.2.1 参数选取

首先经济性与可靠性进行参数选取，以材总投入，人员总费用，设备及技术投资，其他费用为控制变量；安全性分析，适用性分析，耐久性分析，其他（应急预案）为函数，先对数据进行标准化处理，以分析错误数据，避免错误数据的干扰。我们使用z-score标准化这种方法基于原始数据的均值（mean）和标准差（standarddeviation）进行数据的标准化。将数据的原始值x使用到x'。

z-score标准化方法适用于数据属性的最大值和最小值未知的情况，或有超出取值范围的离群数据的情况。

新数据=（原数据-均值）/标准差

标准化后的变量值围绕0上下波动，大于0说明高于平均水平，小于0说明低于平均水平。我们将标准化后的数据经过处理，除去偏离0较远的数据，保留0附近波动的数据，进行下一步分析。

2.2.2 相关性分析

先在spss偏相关相关性分析设置界面下选取保证率95%，分别输入材料总投入、人员总费用、技术及设备投资、其他费用相关数据，初步做方差处理，删除对方差影响较大的数据，然后将剩余数据整体设置为控制变量，之后分别输入安全性分析数据、实用性分析数据、耐久性分析数据和应急预案相关数据，仍然做方差处理，删除对方差影响较大的数据，然后将剩余数据整体设置为相关性分析变量，最后通过spss数据处理对不同变量间进行相关性分析。输出结果如表1。

2.2.3 参数付权

有分析结果可知，除其他费用与函数相关性略低外，其他均高于80%，其情况可将其他费用付权0.7，其他变量付权0.8～0.9。（对于要求较高的工程可将其他项细分后再分析）。这里我们用matlab矩阵法中syms指令进行操作：

图1 模型建立方法流程图

表1 相关性分析结果表

图2 模型成果曲线

图2 模型成果曲线局部放大图

可在matlab中建立如下代码：

>>syms ab c；

>>M1=sym（'Classical'）；>>M2=sym（'Jazz'）；

>>M3=sym（'Blues'）

>>syms_matrix= [abc；M1，M2，M3；int2str（[000]）]syms_matrix=[abc]；

将对应项目数据替换掉int2str（[000]）中的0；将权重比例替换掉syms_matrix=[abc]中的 a、b、c即可实现矩阵复权。

2.2.4 函数曲线拟合与分析

此例我们将相关性最高，显著性也很高的材料投入所对应的函数称为材料承载能力（安全性、耐久性），将人员总费用与设备技术投资所对应的函数称为施工质量（适用性、耐久性）。随后进行线性回归，有线性回归知，原有曲线与结果偏差甚大，可知函数关系呈非线性，所以我们运用spsss曲线回归工具或matlab中的cftool工具进行非线性回归，最终两种方法皆可得到相同回归结果，其中材料承载能力曲线为三次曲线，施工质量曲线仍未线性曲线，同时对于所有变量与总投入进行整体拟合，得综合效果函数曲线为二次曲线，回归曲线如图2。

对于材料而言，当安全指数超过一定范围是，即使经济投入增加很多，安全效果提高的也不是很大，对于施工质量而言，其主要经济投入在于设备与技术，也就是一次投入，本例以施工质量满足要求为条件，可知只要施工质量满足一定标准，其后期投入不大，但设备越先进，施工月细致，可靠度越高。两者附权后叠加效果如为综合效果曲线，可见，其在一定范围内，随经济投入的加大，安全性有较大提高，但后期增长不明显，所以，我们可以就此确定投入限值，并查的相应可靠程度，对照工程要求，看是否满足，若满足要求可靠度，即可得出可靠性与经济性联合调控的施工方法。

对此模型结果具体优化如图3。

依据matlab结果分析，可讲可行区域划出（如上着色填充部分），以个参数交点为公共择优点，以此点细化分区的中部深色填充区，在此区域内为可靠性与安全性关系最优区域，但是对于水利工程而言，工程设施长期处于水下，耐久性要求较高，建议选取可行区右边缘为宜。

3 结语

本文以我国某地区小型水利工程平均费用投入与相应安全评估报告平均标准为例通过对经济社会发展状况和安全性与经济性的相关指标进行统计分析,从水利水电工程的经济性和可靠性及各影响参数对结构安全性、适用性、耐久性的影响等方面分析结构安全与社会经济发展的相互作用,证明了工程安全性与一定时期内经济投入有着密切的关系,即在不同的经济投入标准下,可靠度状况呈现不同的特点和变化趋势,而研究基于可靠性与经济性联合调控的水利工程管理方法，求解他们之间的相关关系。并针对我国新时期的安全生产状况提出相应的对策,才能促进经济社会的和谐发展。陕西水利

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