基于VB.net和Mat lab的水闸安全评价软件开发与应用

2021-06-21刘庆晶黄文敏

陕西水利 2021年5期

刘坤，刘庆晶，黄文敏

（1.广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东广州510635；2.上海国际机场股份有限公司，上海201207）

0 前言

我国水闸修建史长，数量多，大部分水闸修建于20世纪50年代～70年代，存在一大批急需除险加固的病险闸。根据2008年的普查结果，全国72%的水闸为三类闸、四类闸。查清水闸现状，对水闸进行科学、合理的安全评价对指导水闸的除险加固工作具有重要的意义。水闸鉴定工作相关的规范主要有《水闸安全鉴定规定》（SL 214-98）［1］和《水闸安全评价导则》（SL 214-2015）［2］。总的来说，规范的指导性较强，细化程度不足。不同水闸的安全评价工作在操作层面常采用不同的标准，指标的选取及计算有很大的随意性，专家的经验和主观判断对确定水闸类别影响较大，难以保证结论的客观、准确。评价结果多过于笼统，针对性不强，无法较好地指导水闸的除险加固工作。本文基于VB.net和Matlab开发的水闸安全评价软件，综合利用VB.net语言面向对象的优点和Matlab强大的计算能力，细化分级水闸安全指标，对定性与定量指标给出具体的计算方法，合理划分不同专家的权重，使用迭代算法解决数据缺失问题，不但提高了效率，得出的评价结果也更加全面合理。软件可操作性强，实用价值高，具有一定的推广应用价值。

1 水闸安全评价软件开发

1.1 水闸安全评价指标体系

构建水闸安全评价指标体系是进行水闸安全评价的首要工作。在遵循科学、系统、全面、可操作性强、定性与定量指标相结合的原则下，构建四级水闸安全评价指标体系［3］。一级指标包括防洪能力、结构安全、渗流安全、工程质量、金结及电气、运行管理六项。在一级指标下继续细分二、三、四级指标，确保最底层指标直接对应水闸的某一构件的具体性能，例如闸墩的结构裂缝、混凝土的碳化深度，以便后期更好地指导除险加固工作。以结构安全指标为例，其下级指标体系见图1。

图1 水闸安全评价指标体系示例

1.2 水闸安全评价流程

软件的运行流程为自下而上，由现场检测数据、复核数据等计算得到底层指标的安全值，由专家打分表计算指标的加权权重。根据底层指标的安全值和权重计算上一级指标的安全值，依次向上计算，直至计算得到总指标的安全值，判断水闸的类型，对水闸进行鉴定，给出相应的处理意见。软件运行流程图见图2。

1.3 软件开发平台

软件采用VB.net语言开发人机友好的界面，可以方便地输入各种数据，同时计算结果也即时输出在界面的文本框内。操作过程中可随意修改输入的数据，选择指标安全值的计算方式，查看定性指标的赋值标准，保存计算结果。在根据专家打分表计算指标基础权重时，使用的SQP算法［4］需调用Matlab中的工具箱，通过Matlab生成的动态链接库文件实现此调用。VB.net与Matlab间的数据通过文本文件来传递，以保证数据传递的稳定，不受软件的版本，操作系统的类型等因素的影响。软件综合利用了VB.net语言和Matlab软件的优点，具有便捷的操作界面和强大的计算能力。软件操作界面见图3。

图2 软件运行流程图

图3 软件操作界面

2 水闸安全评价软件计算过程

水闸的指标体系分为4级，每一个指标都包含安全值和权重两个参数。安全值和权重为0～1之间的某一实数。安全值代表了指标的评分，反应水闸某构件的某个性状的好坏。权重为下级指标对隶属的上级指标重要性，某一指标的所有下级指标权重值和为1。通过逐级计算，最终得到水闸的整体评价，同时可以根据安全值和权重两个参数，判断出哪些指标的状况较差且相对重要，有针对性地对水闸的除险加固提出意见。

2.1 定量指标安全值计算

定量指标可以由水闸的现场检测数据、复核数据等经过计算得到安全值，例如过流能力、沉降等。软件在现有规范和文献的基础上，结合前人的研究成果，制定了定量指标安全值的计算方法。以过流能力指标为例，将复核得到水闸现在的过水流量Q现和原设计过水流量Q设之比作为评价指数Q=Q现/Q设。当安全值大于1.0时，取1.0。对应的安全值计算公式见表1。

表1 过流能力指标安全值计算公式

为便于不同指标间的对照、比较，在计算公式中对安全值进行归一化处理。同时软件设置了跳过计算，直接输入指标安全值的模式，以满足不同情况下的需要。

2.2 定性指标安全值量化

在指标体系中存在众多无法计算求解安全值的定性指标。定性指标的安全值应在相关资料及现状调查的基础上，根据一定的量化标准来确定。软件中为每一个定性指标提出一个合理的量化标准，帮助使用者确定其安全值。以电气设备指标为例，软件中设置相应按钮，点击即可提供其量化标准，见图4。

图4 电气设备指标量化标准

2.3 缺失数据的指标安全值处理

在水闸安全评价过程中，常常会遇到某些指标缺乏可靠的资料，也无法通过现状调查、现场检测等方式获取数据。如何处理这些指标直接影响评价结果的客观性、准确性。处理这个问题常用的数学方法有归零对应权重系数、最劣化考虑或最优化考虑缺失数据的指标等。这些方法都存在不同的缺陷，如导致评价对象的安全等级偏低或偏高、增加评价结果的不确定性等。本软件利用电子程序的计算优势，采用迭代算法处理这一问题。处理的原则是使缺失数据的指标安全值与最终的水闸总指标安全值无限逼近，从而使不确定因素影响最小化。具体方法是给缺失数据的指标安全值赋一个0～1之间的初值，使用迭代算法，不断修正缺失数据的指标安全值，使其与水闸总指标安全值的差值在一个极小的容差内（程序中设为10-6）。具体流程见图5。

图5 软件迭代计算流程图

2.4 指标权重计算

指标权重体现了下级指标对上级指标的重要性，一般需要依据多个专家的经验和判断综合确定。但每个专家的专业水平、偏好等不尽相同，因此指标权重的计算中应体现专家的差异性。软件中综合运用层次分析法、SQP算法、熵权法等，提出一种主客观相结合的赋权法。

每个专家对于同一级指标间权重的划分采用层次分析法来计算，在程序中提供了相应的输入界面，见图6。当指标较多时，输入的判断矩阵一般为非正定矩阵，计算各指标权重的方法主要有特征值法、最小二乘法等，这些方法的缺点在于将权重计算和一致性检验分开，计算出的结果可满足一致性检验要求但并非最优解。

图6 层次分析法输入界面

软件中引入SQP算法求解判断矩阵的权重，SQP算法通过迭代运算，将权重计算与一致性检验结合起来，且收敛速度快，计算结果更加精确，与判断矩阵的一致性更好，充分利用了电算的优势。软件通过引用动态链接库文件调用Matlab中SQP工具箱实现此计算。

专家间的差异性通常可以使用人为赋予每个专家一个权重值的方法来体现，但这种方法受主观因素影响较大，会降低评价结果的可信度。软件中采用熵权法体现专家对指标权重分配结果的可信度［5］。假设有m个专家对n个指标进行权重分配，xij表示第i位专家对第j个指标分配的权重，称为基础权重。Ci表示根据熵权法分配的第i位专家自身的权重，则：

其中：

（i=1，…，m；j=1，…，n；k=1，…，m）。

由以上公式可知，当某位专家对指标权重的分配接近全体专家的平均值时，该专家的权重值较大，当他偏离平均值较远时，其权重值较小。每个专家自身的权重是一个动态的值，对于不同的指标组合，需要分别计算专家自身的权重，这也符合专家对于某些指标较为熟悉，其意见较为可信，对于另一些指标不太熟悉的实际情况。指标的基础权重和专家自身的权重两者的乘积即为指标的加权权重。根据下级指标的安全值和权重计算可得上级指标的安全值。

2.5 指标安全等级

《水闸安全评价导则》（SL 214-2015）中将水闸指标的状况按对应标准分为A、B、C共3级，相应的，软件中根据指标的安全值，将各指标的安全等级分为3级，以对应规范中“满足标准要求，措施有效”“满足标准要求，措施存在缺陷尚不影响总体安全”“不满足标准要求”3类状况。

表2 指标安全值与安全等级

根据计算结果，不但可以得到水闸总指标的安全等级，判断水闸的类别，还可以得到各分级指标的安全等级，有助于对水闸的全面认识，帮助指导水闸的除险加固工作。

3 具体案例分析

某水闸为河北省境内一座泄洪闸，修建于20世纪70年代。闸身共分6孔，上下游翼墙采用装配式挡土墙，配有公路桥及机架桥。水闸运行已超过40年，混凝土结构老化严重，出现多处裂缝，部分区域钢筋外露。很多机电设备超出正常使用年限，金属构件锈蚀，闸门启闭困难。该水闸是所在滞洪区唯一的泄水通道，需要进行安全鉴定，划分水闸类别，以决定后续采取除险加固或报废重建方案。

根据原安全鉴定报告，该水闸抗渗稳定、闸室稳定、消能防冲等指标为C级，鉴定为四类闸。