基于模糊聚类分析法的东风水库除险加固效果评价方法

雷 宇

(广东省水利水电建设有限公司，广东 广州 510630)

1 研究方法

1.1 评价指标的确定

东风水库除险加固效果评价是一个完整的系统工作，且具有系统复杂和预测困难等特点，所有隐患均可造成严重后果[1]。在选取除险加固效果评价指标时应做到科学、客观，综合考虑东风水库风险要素，选出能够充分体现东风水库除险加固效果的评价指标[2-3]，同时考虑东风水库的现状、现有技术水平、数据易获性、是否可操作性等[4]。在构建东风水库除险加固效果评价指标体系时，应遵循以下原则：

(1)目的性原则。根据水库除险加固效果评价的目的，选取东风水库除险加固效果指标应满足评价和管理加强的要求。

(2)系统性原则。指标体系逻辑清晰，概念分明，无明显相关性和重复性，主要因素指标需能够反映影响东风水库除险加固的各方面因素。

(3)科学性原则。指标的选取必须科学有效，能从实际情况考虑，客观反映东风水库的真实情况。

(4)可操作性原则。除险加固效果的过程需简洁明了，指标数据易于测量获得，通过表层现象能准确判别除险加固情况。

基于上述原则，对东风水库除险加固效果进行深入分析，根据分析结果重点考虑技术、施工、工程质量、防洪能力、效果安全程度、渗流安全度等六大方面的影响因素，如表1所示。

表1 东风水库除险加固效果评价指标体系

1.2 基于模糊聚类分析法评价模型的建立

基于上述东风水库除险加固效果评价指标权重的计算结果，本文使用模糊聚类分析法构建东风水库除险加固效果评价模型[5]。具体步骤如下：

步骤一：东风水库除险加固效果评价指标集的建立。 将评价指标的评价标准分为四级，即V={V1，V2，V3，V4}={优、良、合格、不合格}。各评价等级划分如表2所示。

表2 水库除险加固效果评价等级

步骤二：原始数据标准化。 数据标准化包括标准化和归一化两个过程。设有n个样本的集合用X表示X={X1，X2，…，Xi，…，Xn}，每一个样本又包含m个属性即：Xi={xi1，xi2，…，xik，…，xim}。于是得到原始数据矩阵X0，如式(1)：

X0=(xik)n×m

(1)

式中：xik为第i个样本的第k个属性的原始数值；i=1，2，…，n；k=1，2，…，m。

对原始数据进行标准化处理，如式(2)～式(4)：

(2)

(3)

(4)

然后，对数据进行归一化处理，如式(5)：

(5)

步骤三：建立模糊相似矩阵。 模糊相似矩阵的相似系数计算如式(6)：

(6)

由相似系数构成相似矩阵如式(7)：

R=(rik)n×m

(7)

步骤四：聚类分析。 根据模糊等价矩阵T(R)=(rij)n×m确定阈值λ，将T(R)中的元素从小到大进行排列[6]。根据阈值λ计算T(R)的λ矩阵即[T(R)λ]=(λrij)n×m，如式(8)：

(8)

规定当rij=1时，样本Xi与Xj为同一类，反之，样本Xi与Xj为不同类别。

步骤五：决策与评价。 决策过程就是通过计算预测样本与各个聚类类别之间的隶属度，来构建模糊聚类分析法评价模型[7]，以判断预测样本所属类别，如式(9)：

(9)

式中：M(u)为各聚类类别；X(u)为预测样本。

在不同的值的聚类结果中选择满足要求的结果，完成模糊聚类分析法评价模型的构建，实现东风水库除险加固效果的评价[8]。

2 实例分析

2.1 东风水库工程概况

东风水库的地理位置坐标：东经110°54′30″，北纬26°51′27″。在库区内，有78.5 km3的降雨，其径流长15 km，平均坡度为12.0‰。本项目属于中等规模的水利水电项目，项目等级为三级。水库的正常水位是406.10 m。东风水库于1971年10月动工，至1973年3月基本建成关闸蓄水，1974年开始部分受益。

2.2 东风水库除险加固效果评价值计算

基于东风水库除险加固效果评价指标体系，根据指标权重计算方法对东风水库除险加固效果的指标权重进行计算，计算结果如表3所示。

表3 东风水库除险加固效果评价指标权重

2.3 东风水库除险加固效果评价精准度结果

采用评价精准度进行对比测试，对比方法选用文献[2]、文献[3]方法，测试结果见图1。

图1 三种方法东风水库除险加固效果评价精准度对比

由图1可知，本文方法的东风水库除险加固效果评价精准度最高为98%，且本文方法的评价精准度均高于90%，文献[2]方法的东风水库除险加固效果评价精准度最高为86%，文献[3]方法的东风水库除险加固效果评价精准度最高为83%[9]。说明本文方法的东风水库除险加固效果评价精准度明显高于对比方法，具有有效性。

2.4 东风水库除险加固效果评价时间对比结果

为进一步验证本文方法的实用性，以东风水库除险加固效果评价时间作为实验指标，进行对比测试，测试结果见图2。

图2 三种方法东风水库除险加固效果评价时间对比

由图2可知，本文方法的评价时间最长为8.54 s，文献[2]方法的评价时间最长为26.75 s，文献[3]方法的评价时间最长为25.14 s。本文方法的评价时间明显低于对比方法，具有实用性。

3 结 论

针对大量的病险水库，有效的水库除险加固效果评价方法显得尤为重要，其能够帮助除险加固工程消除隐患，确保人民生命财产的安全。对此，本文提出基于模糊聚类分析法的东风水库除险加固效果评价方法。实验结果表明，本文方法的东风水库除险加固效果评价精准度最高为98%，评价时间最长为8.54 s，说明本文方法具有实用性。