基于模糊理论水利施工导流多层级评价体系研究

林智艳

(辽宁省桓仁满族自治县水务局，辽宁 桓仁 117200)

1 概述

山区性河流受流域水文气象变化和区域工程地质条件等因素的影响，洪水通常来势凶猛、短时汇流集中、陡涨陡落且水位变幅大，加上河谷狭窄、施工布置场地受限，这给水利工程施工组织提出了更高的技术要求[1-2]。施工导流方案设计是水利工程建设非常重要的部分，也是影响导流规模、施工成本、进度工期和质量安全的关键环节。施工导流是个庞杂的系统工程，尤其是山区河流复杂的水文气象和地形地质条件，使其具有较强的随机性、动态性和模糊性[3-4]。目前，水利工程施工导流方案的选取大多采用横向对比法，即对拟定的若干方案结合设计规范或图集根据设计人员个人经验选择施工条件、施工难度和施工成本等几个关键要素进行定量分析。此种方法在工程实际操作中简单易行，但没有充分考虑导流标准的匹配性、各导流方案的风险度及对总进度工期影响等因素，尤其是其中某一个或多个不确定指标选择不当则可能造成导流方案与施工实际相差较远。施工导流方案中许多不确定因素很难采用单一准确数学模型进行分析，为实现山区河流复杂条件的多目标优化，将模糊集理论引入到水利工程优化设计中，构筑施工导流方案的多层级模糊评价体系，为工程安全可靠、经济优质施工建设提供重要技术支撑。

2 三层级模糊评价体系

水利工程施工导流具有较强随机性和模糊性，很多参数指标无法通过定性或具体量化进行对比分析，需采取合理技术手段对其进行合理描述和判定[5]。从20世纪60年代美国扎德教授提出模糊集理论以来，模糊理论被广泛应用到水资源可再生能力评价、山洪灾害风险评价、地下水承载力分析等水利工程领域并发挥非常良好的应用效果[6-8]。

2.1 评价因素事件集

陈守煜教授在对工程模糊集理论进行深入研究的基础上，将其合理应用到水工建设、生态环保等领域，提出将工程项目管理中需要解决的某一个问题或系统行为进行统计分析，简称为事件，并将同一研究范畴内的所有事件统称为事件集，其具体函数定义为：

A=(a1，a2，…，an)

(1)

式中am(m=1，2，…，n)为研究范畴中第m个元素(事件)。

2.1.1第一层级评价因素

水利工程施工导流方案的评价因素较多[9-10]，从已有研究和工程实践应用表明决定施工导流设计方案质量水平的评价因素主要为导流费用、导流时段、导流施工难易度和导流风控这4个因素，即：施工导流设计方案的第一层级评价因素事件集定义为：

P=(P1，P2，P3，P4)

(2)

式中P1为施工导流费用指标；P2为施工导流时段指标；P3为施工导流难易度指标；P4为导流风控指标。

2.1.2第二层级评价子因素

第一层级评级因素中，根据工程水文气象、地形地质条件差异，又存在与其相对应的二层级评价子因素，如：导流时段因素，又包含导流计划是否合理、导流技术成熟度、人材机协同度等评价子因素，即：第一层级中的每个评价因素Pi(i=1，2，3，4)又由若干二级评价子因素组成，定义为Pij(j=1，2，3，4，…，n)。

2.1.3第三层级判定等级

施工导流设计方案中对第二层级评价子因素，设置“优、良、中、差”四个判定等级，对应K值指标为Ki(i=1，2，3，4)。

将施工导流方案按照三层级进行综合判定，即可得到每个评价因素的整体指标，再根据工程特性对因素集进行隶属度权重赋值，即可实现对施工导流设计方案进行模糊综合评价。

2.2 评价因素隶属度权重集

为了反映施工导流中各层级(主)因素对设计方案质量影响的重要程度，引入模糊集权重指标，即该因素对设计方案“重要”性的相对隶属度，其函数定义为:

B=(b1，b2，b3，…，bi)

(3)

(i=1，2，3，…，n)

式中评价因素隶属度权重集B值，是由施工导流工程设计经验丰富的专家、现场施工人员、流域调度人员和业主建管人员共同打分模糊确定。该值在设计方案满足规范标准要求的基础上，充分结合了工程特性和实践应用经验，确保设计方案具有较高工程适应性和可靠性。施工导流设计方案的导流费用、导流时段、导流施工难易度和导流风控这四大因素相互间存在较大“博弈”关系，这就要求方案设计和判定决策人员在实际工作中要充分结合工程特性，从时间、空间等方面进行优化匹配，设定与工程实际相匹配的评价因素集及隶属度权重指标，确保设计方案具有较高技术可行性和经济优越性。

3 施工导流方案三层级模糊评价体系

3.1 评价因素集组成

对于由g位专家、施工人员、调度人员和建管人员共同组成的施工导流设计方案评定小组，按照“优、良、中、差”四个等级分别对拟定方案进行模糊评定，收集后整理获得设计方案判定的模糊集，即：评定组成员中认为评价子因素Pij为“优”、“良”、“中”、“差”四个等级的人数分别为q1、q2、q3、q4，则子因素“重要性”模糊评价集可表示为：

(4)

相应设计方案第二层级指标Pi的模糊评价集可表示为：

(5)

3.2 二三层级间模糊评价指标

对设计方案中第二层级第i个子因素在获得其模糊评价集Ri后，结合子因素的隶属度权重值，即可获得二三层级间综合模糊评价指标，即：

Ci=B23iRi={ci1，ci2，ci3，ci4}

(6)

式中B23i为第i个子因素二三层级间的隶属度权重值。

3.3 一二层级间模糊评价指标

在获得评价体系二三层级间综合模糊评价指标后，结合一二层级间的“重要性”隶属度权重值，即可实现对拟定方案的综合模糊评价指标，即：

C=B12nCn={c1，c2，c3，c4}

(7)

式中B12n为第n个因素一二层级间的隶属度权重值。

4 应用分析

对某中型水库工程施工导流方案进行评价和选择，由20位评定成员(教授级高工专家3人、设计高级工程师6人、现场施工人员5人、流域调度人员3人、建设管理人员3人)对设计方案中的各项指标进行模糊评定。设计方案优选10个评价子因素，分别按“优、良、中、差”4个等级进行模糊判定，如表1所示。

表1 施工导流方案三层级模糊评价因素及隶属度权重

根据表1评价因素及隶属度权重，结合式(4)～(7)计算获得施工导流方案的模糊评价成果，如表2所示。

根据表2评定成果，获得该施工导流方案的模糊评价指标为：C=[0.369，0.42， 0.174， 0.037]，即：“优”等级指标为0.369，“良”等级指标为0.42，“中”等级指标为0.174，“差”等级指标为0.037。按照“模糊评定指标值越大对应目标结果较好”的原则，经模糊判定该施工导流设计方案的综合评定结果为“良好”。

表2 施工导流方案模糊评价成果

5 结语

水利工程施工导流设计方案在评价和决策过程中，由于其影响因素较多且存在不确定性和模糊性，使得采用常规方法和体系评定的方案与工程实际存在一定偏差，施工过程中有许多困难。运用模糊集理论，综合考虑导流费用、导流时段、导流施工难易度和导流风控共4个因素10个评价子因素，建立基于三层递阶层次的施工导流设计方案模糊评定体系。实例计算结果表明，模糊综合评价法可以准确反映方案特征，有利于优选与工程实际适应性强、匹配性好的设计方案。但该方法在实际施工导流方案设计过程中，需重点关注影响因素的选择和隶属度权重赋值问题，确保对设计方案作出客观、准确的评估和优选。