基于模糊聚類分析法的東風水庫除險加固效果評價方法

雷 宇

(廣東省水利水電建設有限公司，廣東 廣州 510630)

1 研究方法

1.1 評價指標的確定

東風水庫除險加固效果評價是一個完整的系統工作，且具有系統復雜和預測困難等特點，所有隱患均可造成嚴重后果[1]。在選取除險加固效果評價指標時應做到科學、客觀，綜合考慮東風水庫風險要素，選出能夠充分體現東風水庫除險加固效果的評價指標[2-3]，同時考慮東風水庫的現狀、現有技術水平、數據易獲性、是否可操作性等[4]。在構建東風水庫除險加固效果評價指標體系時，應遵循以下原則：

(1)目的性原則。根據水庫除險加固效果評價的目的，選取東風水庫除險加固效果指標應滿足評價和管理加強的要求。

(2)系統性原則。指標體系邏輯清晰，概念分明，無明顯相關性和重復性，主要因素指標需能夠反映影響東風水庫除險加固的各方面因素。

(3)科學性原則。指標的選取必須科學有效，能從實際情況考慮，客觀反映東風水庫的真實情況。

(4)可操作性原則。除險加固效果的過程需簡潔明了，指標數據易于測量獲得，通過表層現象能準確判別除險加固情況。

基于上述原則，對東風水庫除險加固效果進行深入分析，根據分析結果重點考慮技術、施工、工程質量、防洪能力、效果安全程度、滲流安全度等六大方面的影響因素，如表1所示。

表1 東風水庫除險加固效果評價指標體系

1.2 基于模糊聚類分析法評價模型的建立

基于上述東風水庫除險加固效果評價指標權重的計算結果，本文使用模糊聚類分析法構建東風水庫除險加固效果評價模型[5]。具體步驟如下：

步驟一：東風水庫除險加固效果評價指標集的建立。 將評價指標的評價標準分為四級，即V={V1，V2，V3，V4}={優、良、合格、不合格}。各評價等級劃分如表2所示。

表2 水庫除險加固效果評價等級

步驟二：原始數據標準化。 數據標準化包括標準化和歸一化兩個過程。設有n個樣本的集合用X表示X={X1，X2，…，Xi，…，Xn}，每一個樣本又包含m個屬性即：Xi={xi1，xi2，…，xik，…，xim}。于是得到原始數據矩陣X0，如式(1)：

X0=(xik)n×m

(1)

式中：xik為第i個樣本的第k個屬性的原始數值；i=1，2，…，n；k=1，2，…，m。

對原始數據進行標準化處理，如式(2)～式(4)：

(2)

(3)

(4)

然后，對數據進行歸一化處理，如式(5)：

(5)

步驟三：建立模糊相似矩陣。 模糊相似矩陣的相似系數計算如式(6)：

(6)

由相似系數構成相似矩陣如式(7)：

R=(rik)n×m

(7)

步驟四：聚類分析。 根據模糊等價矩陣T(R)=(rij)n×m確定閾值λ，將T(R)中的元素從小到大進行排列[6]。根據閾值λ計算T(R)的λ矩陣即[T(R)λ]=(λrij)n×m，如式(8)：

(8)

規定當rij=1時，樣本Xi與Xj為同一類，反之，樣本Xi與Xj為不同類別。

步驟五：決策與評價。 決策過程就是通過計算預測樣本與各個聚類類別之間的隸屬度，來構建模糊聚類分析法評價模型[7]，以判斷預測樣本所屬類別，如式(9)：

(9)

式中：M(u)為各聚類類別；X(u)為預測樣本。

在不同的值的聚類結果中選擇滿足要求的結果，完成模糊聚類分析法評價模型的構建，實現東風水庫除險加固效果的評價[8]。

2 實例分析

2.1 東風水庫工程概況

東風水庫的地理位置坐標：東經110°54′30″，北緯26°51′27″。在庫區內，有78.5 km3的降雨，其徑流長15 km，平均坡度為12.0‰。本項目屬于中等規模的水利水電項目，項目等級為三級。水庫的正常水位是406.10 m。東風水庫于1971年10月動工，至1973年3月基本建成關閘蓄水，1974年開始部分受益。

2.2 東風水庫除險加固效果評價值計算

基于東風水庫除險加固效果評價指標體系，根據指標權重計算方法對東風水庫除險加固效果的指標權重進行計算，計算結果如表3所示。

表3 東風水庫除險加固效果評價指標權重

2.3 東風水庫除險加固效果評價精準度結果

采用評價精準度進行對比測試，對比方法選用文獻[2]、文獻[3]方法，測試結果見圖1。

圖1 三種方法東風水庫除險加固效果評價精準度對比

由圖1可知，本文方法的東風水庫除險加固效果評價精準度最高為98%，且本文方法的評價精準度均高于90%，文獻[2]方法的東風水庫除險加固效果評價精準度最高為86%，文獻[3]方法的東風水庫除險加固效果評價精準度最高為83%[9]。說明本文方法的東風水庫除險加固效果評價精準度明顯高于對比方法，具有有效性。

2.4 東風水庫除險加固效果評價時間對比結果

為進一步驗證本文方法的實用性，以東風水庫除險加固效果評價時間作為實驗指標，進行對比測試，測試結果見圖2。

圖2 三種方法東風水庫除險加固效果評價時間對比

由圖2可知，本文方法的評價時間最長為8.54 s，文獻[2]方法的評價時間最長為26.75 s，文獻[3]方法的評價時間最長為25.14 s。本文方法的評價時間明顯低于對比方法，具有實用性。

3 結 論

針對大量的病險水庫，有效的水庫除險加固效果評價方法顯得尤為重要，其能夠幫助除險加固工程消除隱患，確保人民生命財產的安全。對此，本文提出基于模糊聚類分析法的東風水庫除險加固效果評價方法。實驗結果表明，本文方法的東風水庫除險加固效果評價精準度最高為98%，評價時間最長為8.54 s，說明本文方法具有實用性。