大坝安全监测系统综合评价方法研究

杨贝贝，苏怀智，付浩雁，郭英嘉，方 正(1. 河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098；2. 河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098)

大坝安全监测系统是获取大坝安全监测资料的载体和基础，而监测资料又是大坝安全分析、评价、监控的主要依据，因此对大坝安全监测系统进行评价，确定监测系统的工作状态，对保障大坝安全具有重要意义[1]。目前虽然跟大坝安全监测系统评价有关的规程规范不断发布[2-6]，但相关研究文献仍较少[7-9]，监测系统评价系统理论未能形成。本文借助物元可拓理论分析监测系统各评价指标矛盾相容、定量与定性共存问题，更全面地刻画了评价对象属于集合程度[10]，采用AHP和熵权理论相结合的手段更加客观的处理安全监测系统各评价指标赋权问题，通过对某坝监测系统进行安全评价，对模型的可行性进行了验证。

1 大坝安全监测系统工作性状综合评价体系

目前大坝安全监测系统工作性状评价受到越来越多的单位重视，但未形成明确的评价指标体系，大坝安全监测系统工作性状指标的度量主要包括监测设施的重要性、监测成果的精度、监测设施布置(设计)的合理性、观测方法和频次、监测设施的运行状况、监测管理等方面的内容。其中有定量指标，亦有定性指标。因此根据参考文献[1]以及规程规范[2-6]对监测信息管理系统功能的要求，建立如图1所示的监测系统评价指标体系。

图1 大坝安全监测系统评价指标体系层次结构图Fig.1 Structure diagram of comprehensive security evaluating index system of dam safety monitoring system

2 大坝安全监测系统工作性状的物元可拓模型

2.1 模型构建原理

物元分析将事物用事物、特征、量值等3个要素进行描述，即以有序三元 作为描述事物的基本元，简称物元。物元分析理论通过确定物元，建立经典域、节域的物元矩阵，用关联函数进行分析与评价[11]。本文借助该理论，将大坝安全监测系统(事物)、评价指标(特征)以及工作现状(量值)结合为整体，利用大坝安全监测系统评价物元的可拓性确定监测系统工作状态的定性描述，利用可拓集的关联函数确定评价指标对监测系统状态影响程度的定量描述，从而将定性分析与定量分析相结合，完成对大坝安全监测系统工作性状的评价。

2.1.1确定经典域和节域物元

经典域:

(1)

节域：

(2)

式中：Ci(i=1,2,…,n)为P0的n个不同特征；X0i(1=1,2,…,n)分别为P0关于Ci的取值范围，即经典域；Xpi(i=1,2,…,n)分别为P关于Ci的取值范围，即节域。

其中X0i=〈a0i,b0i〉(i=1,2,…,n)，Xpi=〈api,bpi〉(i=1,2,…,n)。根据定义，显然有X0i⊂Xpi(i=1,2,…,n)。

2.1.2确定待评价物元矩阵

根据待评价事物特征选取多个特征量值，建立待评价物元矩阵：

(3)

式中：Vei(i=1,2,…,n)分别为Pe关于Ci(i=1,2,…,n)的实测数据。

2.1.3计算关联函数及关联度

距的计算式：

(4)

关联函数计算公式为：

(5)

2.1.4确定综合关联度

(6)

式中：wi为第i项评价指标的权重；K(p)为待评价单元p属于P0的程度。

2.1.5评定待评单元pe的等级

若Kj=max{Kj(pe)}(j=1,2,…,m)，则Pe的等级为j级。

令

(8)

式中：j*为p的级别变量特征值[12]。

2.2 指标权重的确定方法

指标权重的确定方法有很多种，主要分为主观赋权法和客观赋权法。为避免过多人为因素的干扰，本文综合考虑主客观因素，采用主客观(层次分析法(AHP)[13]与熵权法[14])相结合的方法，确定各指标权重：

wj=βw(1)j+(1-β)w(2)j(j=1,2,…,m)

(9)

2.3 大坝安全监测系统工作性状综合评价流程

建立如图1所示大坝安全监测系统评价指标体系层次结构图。首先以各一级指标为待评价对象，利用物元可拓模型确定各一级指标的关联度和评价等级，流程如图2所示，然后以整个监测系统工作性态为待评价对象，根据各一级指标的关联度，以及AHP与熵权法确定的综合权重，确定大坝安全监测系统工作性态的评价等级，得出结论。

图2 待评事物评价等级确定流程图Fig.2 The flow chart of evaluation grade of determining things

3 实例应用

以某土石坝监测系统为例，说明该物元可拓模型的在大坝安全监测系统工作性态评价中的应用。该土石坝是一座水库型大坝。2001年引进安全监测系统。大坝现有的监测项目主要为位移变形、渗流、自动化等，共计有105个测点。本文将监测系统工作性态分为5等[1]，记为Ⅰ(正常)、Ⅱ(基本正常)、Ⅲ(轻度异常)、Ⅳ(异常)、Ⅴ(失效)。对应的评价指标标准为[0.80 1.00]、[0.60 0.80]、[0.40 0.60]、[0.20 0.40]、[0 0.20]。

本文以自动化系统可靠性(C)为例，讲述具体安全监测系统工作性态评价过程。根据所得数据，确定底层指标值。

确定经典域与节域：

确定待评价物元：

根据(4)、(5)计算出指标关于5个等级的距以及各指标的关联度，如表1所示。

表1 待评价物元各指标对评价等级的关联度Tab.1 Correlation of matter-element index to evaluated rank

利用AHP法计算权重w(1)j=(0.400 0,0.400 0,0.200 0)，满足一致性检验；以关联度矩阵KCen×m为原始数据矩阵，利用熵权法计算权重w(2)j=(0.424 5,0.356 1,0.219 4)，取偏好系数β=0.5，根据式(9)计算综合权重wCj=(0.412 2,0.378 1,0.209 8)。

根据式(6)以及各指标的关联度和权重计算待评价物元各评价等级的综合关联度，由此确定自动化可靠性的评价等级。

计算得：Kj(C)=(0.147 1,-0.143 4,-0.571 7,-0.714 5,-0.785 9)

根据Kj=max{Kj(Ce)}(j=1,2,…,m)原则，知Kj=K1(C)=0.147 1；根据式(7)、(8)，得C的级别变量特征值j*=1.69，即实际自动化可靠性评价等级介于Ⅰ(正常)和Ⅱ(基本正常)之间，具体等级为1.69级。

依照上述方法，分别计算出监测系统设计评价(A)、单项监测系统评价(B)、监测管理工作评价(D)的综合关联度，如表2所示。

表2 大坝安全监测系统各指标对评价等级的关联度Tab.1 Correlation of each index of dam safety monitoring system

利用AHP法以及熵权法确定大坝安全监测系统各一级指标综合权重wWj=(0.271 0,0.265 3,0.249 2,0.214 5)，最终确定该大坝安全监测系统的综合关联度为：Kj(W)=(0.188 1,-0.138 1,-0.577 2,-0.712 7,-0.784 5)，j*=1.68。故该大坝的评价等级介于Ⅰ(正常)和Ⅱ(基本正常)之间，具体等级为1.68级。实际工程中，该大坝监测设施、监测项目、测点布置合理，但位移观测精度不高，个别测压管灵敏度不佳，左副坝LXJ2-2支渗压计工作状态为“已失效”。对该大坝数据缺失率以及平均无故障时间进行统计分析，符合规范要求。可以看出该大坝安全监测系统运行可靠，该坝的监测系统运行状况基本正常。

4 结 语

大坝安全监测系统包含多种定性与定量指标，因此对其评价要选择合理恰当的方法。本文将物元可拓理论应用于大坝安全监测系统评价中，建立了基于AHP法与熵权法确定权重的物元可拓模型，并利用该模型对某大坝的安全监测系统进行评价，结果与实际相符合。说明基于AHP-熵权的物元可拓模型在大坝安全监测系统工作性态评价中的应用具有可行性，为监测系统工作性态评价提供了一个新的综合 方法。

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