給水管網健康模糊綜合評價研究

張 圓

(湖北省電力勘測設計院有限公司,湖北 武漢 430040)

0 引 言

供水系統是城鎮正常遠轉的“血液”。給水管網的安全、穩定運行受到諸多因素的影響,這些因素的屬性多具有隨機性、模糊性等特點,因此對其整體健康狀況的評價是一項復雜的綜合性工作,單純的定性或者定量分析難以得出合理的結論。針對這一狀況,本文通過分析影響給水管網運行的各種因素,運用模糊綜合評判方法,充分考慮各種信息的隨機性,結合定性分析和定量分析,提出了一種簡便、全面的給水管網健康診斷方法。

1 模糊綜合評價

綜合評判[1]是對具有多項評價指標的事物或自身整體優劣受到多個屬性影響的事物做出一個能夠綜合這些指標或屬性的總體評判。它是統計分析中常見的方法,當前已在社會經濟分析、人力資源管理、電力系統等多領域得到廣泛的應用,在城鎮供水領域,目前已有學者將其應用于給水管網的承載力評價[2]、事故影響評價[3]、管網運行安全評價[4]等。但對于給水管網,其自身部分屬性或指標具有模糊性,不易定量化,各指標之間相互聯系、相互影響的程度也帶有模糊性、主觀性,因此可采用多層次模糊綜合評判法進行評價。

構建多層次模糊綜合評判模型的主要步驟如下:

(1) 對被評價事物的n個因素按一定準則進行劃分,將屬性相似的因素歸為一組,設共有I組,則:

(1)

(2) 設V={v1,v2,…,vm}為評語集,對各準則Ui用單層次模糊綜合評價模型進行模糊綜合評判:

Bi=Ai·Ri(i=1,2,…,l)

(2)

式中:Bi為Ui的評價結果向量;Ai為Ui相對于V的權重矩陣;Ri為Ui的模糊綜合評判矩陣。

(3) 在Bi的基礎上建立上一級評判矩陣R,進而求解出因素集U最終的模糊綜合評判結果向量B:

B=A·R=[b1,b2，…,bm]

(4)

式中：A為一級評判因素集相對評語集V的權重矩陣。通過逐級計算,可對多層模糊綜合評判模型進行求解。

2 給水管網健康狀況模糊綜合評判模型建立

2.1 評價指標的選取

評價指標的確定是定量分析城鎮給水管網健康狀況的基礎。評價指標的篩選應遵循科學性、完備性、相互獨立性、可行性等原則。結合文獻[5，6]的研究結論,并征詢城鎮供水企業管理人員的經驗,共選取了13個評價指標,構建評價指標體系(表1)。

表1 給水管網健康診斷指標體系

管段和節點是組成城市給水管網的基本元素,其中管道作為輸配水的通路,是管網的結構基礎;節點作為給水管網的輸出點,直接反映著給水管網的服務性能。因此指標結構以管道健康狀況和節點服務性能為兩條主線,再結合以技術指標,力求站在供水企業的角度,利用豐富的信息資源,使各個指標能夠從不同角度、不同層次上反映給水管網的運行狀況,確保評價結果可信、可行。

2.2 評語集設計

評價指標的“優”“劣”往往是抽象的模糊性概念,需要進行量化處理,將評價指標依據特性劃分為多個可度量的等級,對每個等級加以說明,即評語等級論域V:

V=[v1,v2,…,vm]

這一論域的確定,使得模糊綜合評判得一模糊評判向量,被評價事物相對于各評語等級隸屬度的信息通過該模糊向量表征出來,從而體現出評價結果的模糊特性。各層評價指標和最終評價目標的健康等級劃分的多少,涉及相關專業規范、實踐經驗、數理要求及分析方法等多方面的問題。本文在對給水管網進行健康狀況評價時,采用五級法,其健康狀況表示為:

V=[v1,v2,v3,v4,v5]=[病危，中度病變，一般病多，亞健康，健康]分別用數字1～5表示。

2.3 指標隸屬度計算

給水管網健康評價指標可分為兩大類:一類是定量指標,如管道壓力、節點壓力、管道負荷、水齡等,這類指標可用準確的數值進行描述;另一類是定性指標,如接口形式、道路等級、管道材質等,各定性指標均存在若干選項,難以對每一選項定量的表述其優劣。模糊綜合評判過程需建立表達隸屬度和各指標之間隸屬關系的隸屬度函數,然后將指標值代入的隸屬度函數,計算每個指標值對應于各評判等級的隸屬度。隸屬度函數是否合理將直接影響事物評判結果的可信性。

對于定量指標,以服務性能曲線[7]為基礎,隸屬度函數的建立通常采用分段三角函數法,建立各定量診斷指標的隸屬度函數。對于定性指標,結合專家區間評分法和集值統計理論,求解出指標的評價值,采用灰色理論,構建出各等級的白化權函數,確定定性指標中各選項的隸屬度。

3 應用分析

以QD市某區的給水管網為例,該市給水管網水力模型如圖1所示。

圖1 QD市給水管網水力模型

結合管網實例實際,參考相關專業規范,各指標等級劃分見表2。

表2 給水管網診斷指標健康等級評價表

采用三級模糊綜合評判法進行診斷分析,即T={C1,C2,C3}={管道健康集合，節點服務性能集合，技術指標集合}。其中C1={E1,E2,E3},C2={I9,I10,I11},C3={I12,I13}。針對管道健康集合有:E1={I1,I2},E2={I3,I4,I5,I6},E3{I7,I8}。采用層次分析法求得各層指標權重。

結合某日管網運行數據,得出給水管網健康狀況模糊綜合評判結果，見表3。

表3 給水管網診斷指標健康等級評價表

通過對各健康等級隸屬度的分析,采用最大隸屬度原則可知該日該市給水管網處于亞健康狀態。4、5級百分比總和為54.79%,但仍存在較大的不健康因素,1、2級百分比總和為26.09%。

通過底層指標的深度分析,得出該市給水管道壓力普遍偏大,管道鋪設年代久遠,管網漏損較高。同時,管道負荷普遍在2、3級之間,這與該市為工業化城市,人口密度偏低有關,從而導致管道流速偏低。

4 結束語

本文從管道健康狀況、節點服務性能和技術統計等準則出發,構建的綜合指標體系能夠比較全面地反映當前各直接、間接因素對給水管網健康狀況的影響,使給水管網健康狀況評價結果具有綜合性和可預見性。

給水管網健康狀況評價有助于供水企業及時準確地掌握給水管網的運行態勢,為在管理過程中采取針對性的預防措施,減少供水安全事故發生頻率提供了一種智能化的分析工具。