基于模糊层次分析法的大坝安全评价程序开发

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　　摘  要：文章将传统的大坝安全评价方法与模糊数学相结合，以摆脱传统方法中的主观因素，提高安全评价的可靠性。并将该方法归结运用到应用程序中，为安全评价提供一个便捷准确的途径，使得非安全评价专业人员也可进行安全评价。
　　关键词：层次分析法;模糊数学;安全评价
　　中图分类号：TV698 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）19-0043-02
　　Abstract： This paper combines the traditional dam safety evaluation method with fuzzy mathematics to get rid of the subjective factors in the traditional method and improve the reliability of safety evaluation. The method is applied to the application program to provide a convenient and accurate way for safety evaluation， which makesit possible for non-safety evaluation professionals to conduct safety evaluation.
　　Keywords： Analytic Hierarchy Process; fuzzy mathematics; safety evaluation
　　引言
　　我国是世界上拥有水坝最多的国家[1]。大坝在为人民带来便利的同时，也带来了大量的安全隐患。这些大坝或多或少的存在着人为和非人为影响的危险源。为了保证人民的生命和财产安全，对大坝进行科学可靠的安全评价便显得尤为重要。
　　在传统的安全评价中，由于评价方法单一，评价指标复杂多样，评价方式概念模糊，易受主观因素影响，便使得大坝安全评价结论存在差异性。
　　为了确保安全评价具有客观性和准确度，我们将传统安全评价方法与模糊數学相结合，采用层次分析法评判指标权重，并模糊化处理所得评价矩阵，通过计算得到评价结果，确保安全评价的客观性和可靠性，并将该方法归结到应用程序当中。
　　1 大坝安全评价指标体系
　　1.1 评价指标体系的建立
　　通过国际大坝会议研究记录的一千余座大坝事故，及相关文献记载，我们总结了大坝事故的诱因有以下五种：（1）发生特大洪水、设计洪水不足和泄洪装置故障，导致的洪水漫顶事故。（2）工程运营管理不规范，安全检测及维护不及时导致的事故。（3）设备老化、材料变质及施工不当，引起材料强度降低导致的事故。（4）地质条件复杂、结构失稳和基础破坏导致的事故。（5）地下水渗漏过多、渗透坡降引起坝基渗透变形。
　　我们将以上五种诱因归类得到了以下五类准则层指标，共17项因素层指标[2]（见图1）。
　　1.2 层次分析法确定各项指标权重
　　1.2.1 判断矩阵的建立
　　运用层次分析法将所有因素的相对重要性进行两两比较，以得到各因素对目标的影响，并将结果进行量化，最终以数值来表示。一般选用1～9标度方法来完成，其内容见表1。
　　矩阵中元素aij（i=1，2…，n;j=1，2…，n）为因素之间的相对重要性量化表现，矩阵中的元素aij需满足：（1）aij>0;（2）aii=1;（3）aij=1/aji。
　　针对大坝安全评价，我们阅读了大量论文，参考了一些公认正确的判断矩阵，最终得到了如下判断矩阵（见表2）：
　　1.2.2 权向量的计算
　　此处本文选用“根法”计算权重向量w[3]。计算公式如下：
　　在得到特征向量W={wi}（i=1，2，…，n）后，还应计算最大特征值λmax，检验其一致性。本文不再进行赘述。
　　2 模糊综合评价
　　2.1 评价集的确定
　　依据《水库大坝安全评价导则》，我们把大坝安全评级划分成安全、基本安全、不安全三个等级，确定的评价集：V={v1，v2，v3}={安全，基本安全，不安全}。
　　2.2 隶属函数的构建
　　隶属函数的确定遵从：在多相模糊集中，相邻两相间分界点最为模糊，区段中间的点最为清晰。降岭形函数用于首段隶属函数，窄域岭形函数用于中间段隶属函数，升岭形函数则用于末段。本文选用文献[2]所构造的隶属函数，如下：
　　 各区段的中点分别对应 a1、a2、a3。
　　2.3 模糊评判矩阵及评判模型
　　确定评判模型时，指标集中各指标需要进行单因素评价，以得到指标与评语的隶属度关系。因素层各指标对评价集的模糊子集为：Ri={ri1，ri2，ri3}，将所有指标的模糊子集归并在一起，便得到模糊综合评价矩阵。准则层5个指标Ui（i=1，2，3，4，5）附属的因素层指标Uij对评价集V的综合评价矩阵（一级综合评价矩阵）为Ri（i=1，2，3，4，5）
　　因素层各指标的权重向量为Wi（1），得一级评价结果：
　　本文选用加权平均模糊算子“o”。运用最大隶属原则，可得到最终综合评价结果，确定最终评级。
　　3 软件程序开发
　　大坝安全评价程序运用了matlab与python结合进行设计，将上述安全评价方法转换为计算机语言，简化了人工计算过程。使用matlab编写层次分析法相关程序，输入给定的比较矩阵，通过一致性检验后运算得到对应的各级指标权重向量，实现了自动打开Excel读取相关数据，通过后台运算显示预测结果。其运行流程图如图2。
　　4 结束语
　　本文通过运用模糊数学以消除传统安全评价中的主观性因素，并以此方法开发了大坝安全评价程序，使得安全评价更加便捷、准确。定期对大坝进行安全评价，不但能够了解大坝的安全状况，及时对大坝进行维护补强，还能够将大坝运营管理的相关内容量化，判断出影响大坝安全的主要因素，对大坝的运营管理起到指导作用，对大坝现状提出改善方案，确保大坝的安全。
　　参考文献：
　　[1]鄢奋.中国农村公共产品供给问题分析[D].福建师范大学，2010.
　　[2]陈曦，曾亚武.基于层次分析法和模糊理论水库大坝安全综合评价[J].水利与建筑工程学报，2017，15（06）：95-100.
　　[3]张健，陈兵，刘宁.城市轨道交通工程建设项目施工社会风险评价分析——以青岛轨道交通工程13号线为例[J].水利与建筑工程学报，2016，14（06）：174-178+189.
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