基于改进的模糊层次分析法的渡槽安全状态评价

冷光辉，李勇，徐浩鑫，詹光菊，阚飞，卢鑫*

(1.四川省都江堰水利发展中心东风渠管理处，成都，610081；2.成都赛零信息技术开发有限公司，成都，610041；3.四川省水利科学研究院，成都，610072)

1 引言

在古代人们凿木为槽，用以灌溉作物，是渡槽的早期呈现方式。随着历史的发展，我国在许多水利工程中应用渡槽进行输引水，各具特色的渡槽不断涌现与发展。随着不同地区、不同规模灌区建设的不断发展，大至南水北调、引滦入秦、引大入秦等跨流域、跨省区的调水工程的建设，小至田间地头的引水截流，渡槽在我国发挥了重要作用。这一时期修建的渡槽输水流量也不断增大，跨线不断加长，极大地促进了渡槽结构型式的改进与创新[1]。

渡槽建成后，投入运行过程中，在负载、变化的环境相互作用下，不可避免会产生损坏和老化。早期设计的渡槽，因局限于固有的认知、不完善的规范、欠周详的设计、落后的技术等造成渡槽建筑物在建成之初就存在问题。在运行年限累加、环境条件变化以及后期维护存在问题等诸多不利因素的综合作用下，大部分渡槽会出现不同程度的安全隐患，需要定期对渡槽进行安全鉴定。

目前，已有大量的学者在渡槽安全状态评价指标、评价方式及算法研究等方面做了深入研究。其中，张文剑等[2]采用层次分析法对渡槽安全状态进行了安全评价的论述，采用统计学方法和层次分析法针对在役渡槽的健康状态构建了模糊综合评价模型；夏富洲等[3]采用了基于模糊综合评估和变权理论的渡槽安全状态评估方法；郭瑞等[4]采用了改进的模糊综合评价法对渡槽风险进行评价；王梦雅等[5]提出了一种可拓评价方法，定性和定量地对渡槽老化变形进行研究；刘尚昆[6]采用AHP-模糊综合评价法对渡槽结构状态进行综合评价。

基于现状，本文根据已有研究成果，针对东风渠灌区既有渡槽监测指标体系，结合灌区的实际业务指标，计算渡槽安全评价中各评价指标的权重，构建基于改进的模糊层次分析法的渡槽安全评价模型，评价渡槽的安全状态，并对评价结果进行对比和验证，以验证其适用性、合理性。

2 模糊层次分析法评价步骤

模糊综合评价是通过构造等级模糊子集把反映被评事物的模糊指标进行量化(即确定隶属度)，再采用层次分析法(AHP)确定评价指标间的相对重要性次序，从而确定权重系数，并且在合成之前归一化[7-8]。

2.1 确定因素集U

因素集即为评价对象的指标集，P个评价指标，u={u1，u2，……，up}。

根据《东风渠灌区水利工程全方位安全监测导则》[9]，结合东风渠灌区的工程实际情况，划分基础评价指标。其中一级指标包括：变形监测、渗流监测、应力应变及温度监测、环境量监测；二级指标包括：水平位移、垂直位移、挠度、接缝开合度、舌头压力、侧向绕渗、钢筋应力、土压力、锚索预应力等。具体指标见图1所示。

图1 评价指标层次分析体系

2.2 确定判断集V

判断集v={v1，v2，……，vp}，即评判的等级集合。

根据日常需要及渡槽工程实际情况，将各等级指标分为4个等级：{a类，b类，c类，d类}。

2.3 进行单因素评判，确定隶属度

对因素集U中的单因素进行评价，确定渡槽工程对应的等级模糊子集的隶属度(R|ui)，得到评价指标U到评价等级Ⅴ的模糊映射，形成矩阵：

其中，矩阵R中第i行第j列元素rij，表示某个渡槽建筑从指标集ui对于评价集vj的模糊子集的隶属度。

2.4 确定评价因素的权重，对评判集进行数值化或归一化处理

骆正清等[10]对AHP法中的不同标度进行保序性、一致性、均匀性、可记忆性、可感知性等标准进行不同标度研究后，得出结论：对单一准则下的排序，建议使用1～9标度确定权值；对精度要求较高的多准则下排序问题，建议使用基于自然指数e0/4～e8/4或e0/5～e8/5的标度确定权值。本文采用e0/4～e8/4标度确定主观权重，如表1所示。

表1 不同标度的含义

此外，e1/4，e3/4，e5/4，e7/4表示第i个因素相对于第j个因素的重要性介于上述两个相邻等级之间。形成判断矩阵A=(aij)n×n，用aij表示第i个因素相对于第j个因素的重要性，其中：

矩阵A的最大特征值λmax对应的特征值向量经过数值化和归一化处理后记为：

2.5 计算综合评价结果向量

利用合适的算法将判断矩阵A与模糊矩阵R进行计算，得到被评价渡槽对象的模糊综合评价结果向量B。即：

=(b1,b2,……,bm)=B

其中，b1是由A与R的第j列通过矩阵运算得到的，它表示被评价对蔡对评价集Vj的模糊子集的隶属程度。

2.6 作出评价

针对计算出的综合评判值，采用最大隶属度原则做出评价。实际工作中最常用的最大隶属度原则会造成部分信息损失，在某些情况下使用导致结果失真，得出不合理的评价值。本文提出使用加权平均求隶属度的方法，对多个被评事物，可根据相应加权值排序处理后，得出有效合理的评价。

3 实例应用

通过对渡槽工程进行安全评价，可以确定渡槽工程对应的安全等级，及时分析该工程的安全状态，提前作出干预，保证安全。本文通过渡槽工程的变形监测、渗流监测、应力应变监测、环境量监测等数据，分析工程的运行状态指标；本文通过改进的模糊层次分析法，预测工程的安全等级，确保能够及时发现问题并采取相应措施，防止安全事故的发生，保障渡槽工程的安全运行。

3.1 工程概况

根据《东风渠新南干渠渡槽复核设计报告》中工程调查资料，黎家沟渡槽工程区地形、地貌、地质构造简单，由左右两个渡槽组成，渡槽间距3.1m，进口鱼嘴高度3.2m，进出口由分水鱼嘴衔接，出口鱼嘴高度3.2m。设计流量为20m3/s～100m3/s，主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级。本工程设计流量为50m3/s，渡槽建筑物级别确定为3级。

图2 渡槽立面断面

根据《渡槽安全评价导则》[11]，渡槽工程病险类别划分为四类。一类工程：运用指标达到设计标准，工程可正常运行；二类工程：运用指标基本达到设计标准，无影响工程正常运行的缺陷，常规维修养护可正常运行；三类工程：运用指标达不到设计标准，存在影响工程正常运行的缺陷，经加固改造可正常运行；四类工程：运用指标无法达到设计标准，工程的功能丧失或显著降低，需降低标准运用、改建或报废重建。

3.2 评价指标确认[9]

表2 一级和二级评价指标

3.3 指标权重计算

本文将渡槽监测分为变形监测、渗流监测、应力应变及温度、环境量监测4个一级分类，构造一级分类的模糊判断矩阵A1。

表3 一级分类模糊判断矩阵

设一级分类权重向量W1=(ω1，ω2，ω3，ω4)。

表4 辅助矩阵

求解出特征向量为：

归一化后权重向量为：W1=(0.082,0.142,0.340,0.436)。

同理，根据改进的模糊层次分析法得到底层监测指标的权重，A1-A4优化权重分别为0.313，0.304，0.201，0.182；B1-B2优化权重分别为0.582，0.418；C1-C5优化权重分别为0.289，0.232，0.260，0.073，0.146；D1-D4优化权重分别为0.301，0.282，0.134，0.283。

3.4 确定底层指标评价矩阵

根据渡槽的各项监测指标及渡槽的实际运行状况，邀请多位专家对底层各个指标的状态进行评估，根据统计结果，得出各个指标的隶属度。用v={A,B,C,D}表示4个安全等级。

表5 基层指标隶属度矩阵

根据各指标权重向量及指标隶属度矩阵，可求得目标矩阵R：

B=W1·R=(0.151，0.476，0.337，0.036)

根据最大隶属度原则，可知该渡槽属于Ⅱ类工程。该渡槽在2018年的安全类别评定为二类，与本文结论一致。

4 结论

本文通过对变形监测、渗流监测、应力应变及温度、环境量监测等指标的监测，采用基于自然指数e0/4～e8/4标度的改进模糊综合评价法，对渡槽工程的安全状态进行鉴定，对不同评价指标的主观权重和客观权重进行优化，使得各个指标的权重分配更加符合实际需要。不同于单因素评价的方式，采用改进的模糊综合评价法结合了实际运行过程中的各因素，更能真实反映渡槽工程的安全状态。本文所得鉴定结果与该工程实际安全鉴定结果一致，为渡槽工程的安全状态评价提供了一种有效可行的解决方法。