大壩安全預(yù)警的綜合信息模糊推理

陸晨等

摘要：現(xiàn)有大壩安全預(yù)警常用的多層次模糊評判方法存在不足，因此引入模糊推理模式，采用多重蘊(yùn)含命題的特征展開近似推理的相關(guān)理論，研究了大壩安全預(yù)警的多重多維近似模糊推理方法。首先對反映大壩性態(tài)的強(qiáng)影響性驅(qū)動(dòng)因子所表征的大壩狀態(tài)和大壩警情進(jìn)行模糊劃分，通過事先歸納出的模糊條件語句構(gòu)建推理大前提；然后以強(qiáng)影響性驅(qū)動(dòng)因子所表征的大壩狀態(tài)作為模糊推理系統(tǒng)的多輸入，以大壩警情作為模糊系統(tǒng)的單輸出，對現(xiàn)有的因子集組成的小前提根據(jù)模糊推理規(guī)則做出大壩警情的響應(yīng)；最后實(shí)例分析了該方法的使用流程。

關(guān)鍵詞：大壩；安全預(yù)警；綜合信息；模糊推理

中圖分類號：TV 698 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1672-1683（2014）01-0122-04

大壩安全預(yù)警是一個(gè)復(fù)雜綜合信息的融合分析處理問題，不僅涉及包括水壓、溫度等大壩所處的外界環(huán)境狀況，也與大壩的防洪、滲流及結(jié)構(gòu)等性態(tài)安全和管理水平密切相關(guān)。由于大壩綜合性態(tài)的復(fù)雜性和信息分析的多源性，模糊推理和評判一直是大壩安全評價(jià)和警情診斷的最主要方法^[1-2]。其中多層次模糊綜合評判因?yàn)閷哟涡詮?qiáng)，考慮因素較為全面，是大壩警情診斷綜合信息融合的常用方法^[3]，但其也存在如下不足：（1）人為層次的劃分，使得下一級指標(biāo)的評判只對上一級指標(biāo)起作用，而實(shí)際的預(yù)警中，有些處于最底層、影響性較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)因子，完全可以直接影響到大壩的警情，但是在計(jì)算過程中由于數(shù)值的轉(zhuǎn)化，必然造成信息的流失，逐層得出的結(jié)果可能帶來較大的不確定性和偏差；（2）考慮因子、層次多，診斷流程包含多項(xiàng)計(jì)算內(nèi)容，尤其是權(quán)重的確定需要專家的參與，增加了診斷的復(fù)雜性，影響了警情診斷的快捷性和適用性。因此，本文引入模糊推理模式，構(gòu)建大壩警情綜合信息的模糊近似推理評判方法，以期建立從現(xiàn)象直接到診斷結(jié)果的評估方法，盡可能地減少由于評判環(huán)節(jié)中的模糊性帶來的診斷結(jié)果的不確定性。

1 模糊推理

模糊推理實(shí)質(zhì)上是把專家意見這種模糊的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用模糊集理論，歸納整理成一組定性的模糊條件語句，構(gòu)成推理大前提，然后針對所分析的工程現(xiàn)狀運(yùn)用模糊算法求得量化的預(yù)報(bào)輸出，從而為決策提供依據(jù)。

1.1 模糊推理介紹

模糊推理的基本結(jié)構(gòu)或流程由模糊產(chǎn)生器、模糊規(guī)則庫、模糊推理器、模糊消除器構(gòu)成^[4]，見圖1。

由于模糊推理對數(shù)據(jù)的處理是基于模糊集合的方法，因此對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化是必不可少的一步。模糊產(chǎn)生器的作用就是將輸入論域的觀測量映射到輸入論域上的模糊集合，完成模糊化運(yùn)算。

模糊規(guī)則庫是基于領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的，通常由若干“if … then”語句描述，其中的前提和結(jié)論均是模糊概念。

模糊推理器是模糊推理的理論基礎(chǔ)。在模糊推理中，模糊規(guī)則庫中存在很多條控制規(guī)則，若給定A*∈F（X），則推理結(jié)果應(yīng)是B*∈F（Y）。這里A*是不同于控制規(guī)則前提中的任一模糊集，F(xiàn)（X）代表論域X上的所有模糊集之集。則上述確定模糊集B*的過程便是模糊推理器要完成的任務(wù)。

模糊推理的結(jié)果為模糊響應(yīng)。為做出確定的輸出，必須將模糊響應(yīng)變?yōu)榇_切響應(yīng)，因此需要利用模糊消除器在模糊推理得到的模糊響應(yīng)集合中，取一個(gè)能最佳代表這個(gè)模糊結(jié)果精確值，即模糊判決或清晰化過程。

2 大壩預(yù)警的近似模糊推理

依據(jù)模糊推理流程及特征展開近似推理方法，對大壩安全警情進(jìn)行診斷時(shí)，以多個(gè)影響性強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)因子作為模糊推理系統(tǒng)的多輸入，以大壩警情作為模糊系統(tǒng)的單輸出，首先根據(jù)已有的大壩評判規(guī)則、工程實(shí)例或經(jīng)驗(yàn)歸納出一系列模糊條件語句作為模糊推理的規(guī)則或模糊推理的大前提，而后根據(jù)現(xiàn)有的因子集所組成的小前提和模糊推理規(guī)則用特征展開近似推理的方法推出警情的模糊響應(yīng)，最后將模糊響應(yīng)轉(zhuǎn)化為確切響應(yīng)，以此實(shí)現(xiàn)對大壩的預(yù)警。

2.1 論域離散化及語言變量定義

4 結(jié)語

基于大壩警情評判中的強(qiáng)影響性驅(qū)動(dòng)因子及警情診斷合理快捷的考慮，引入模糊推理模式，采用多重蘊(yùn)含命題的特征展開近似推理，研究了大壩警情特征展開多重多維近似模糊推理方法。實(shí)例分析表明該方法以事先歸納出的模糊條件語句作為推理大前提，可以對現(xiàn)有的因子集組成的小前提根據(jù)模糊推理規(guī)則快速做出診斷，是大壩安全綜合信息預(yù)警方法的有益補(bǔ)充。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 王志濤，江超，姜曉琳，等.基于模糊理論的土石壩風(fēng)險(xiǎn)綜合評價(jià)方法研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2011，9（2）：27-30，105.（WANG Zhi-tao，JIANG Chao，JIANG Xiao-lin，et al.Research on Comprehensive Evaluation Method for Risk of Earth-rock Dam Based on Fuzzy Logic[J].Journal of Water Resources and Architectural Engineering，2011，9（2）：27-30，105.（in Chinese））

[2] 張燕，周圍，叢培江.基于模糊規(guī)則推理的大壩安全監(jiān)測變形預(yù)測模型[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測，2009，33（2）：51-54.（ZHANG Yan，ZHOU Wei，CONG Pei-jiang.Fuzzy Inference-based Deformation Prediction Model for Dam Safety Monitoring

[J].Hydropower Automation and Dam Monitoring，2009.33（2）：51-54.（in Chinese））

[3] 李子陽，馬福恒，鮑杰.基于多層次模糊綜合診斷的燕山水庫預(yù)警分析[J].水電能源科學(xué)，2009，27（6）：79-82.（LI Zi-yang，MA Fu-heng，BAO Jie.Early Warning Analysis of Yanshan Reservoir Based Multi-level Fuzzy Comprehensive Diagnosis[J].Water Resources and Power，2009，27（6）：79-82.（in Chinese））

[4] Timothy J Ross（著）.錢同惠，沈其聰，葛曉彬，等（譯）.模糊邏輯及其工程應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.（Timothy J Ross（author）.Qian Tonghui，Shen Qincong，Ge Xiaobin，et al（translator）.Fuzzy Logic and Its Engineering Application [M].Beijing：Electronic Industry Press，2001.（in Chinese））

[5] Zadeh L A.Outline of a New Approach to the Analysis of Complex Systems and Decision Process[J].IEEE Trans on System，Man，Cybernetics，1973，3（1）：28-44.

[6] 王國俊.模糊推理的全蘊(yùn)涵三I算法[J].中國科學(xué)（E輯），1999，29（1）：43-53.（WANG Guo-jun.Algorithm of Full Implication Three I for Fuzzy Inference[J].Science in China（Series E），1999，29（1）：43-53.（in Chinese））

[7] 陳永義，陳圖云.特征展開近似推理方法[J].遼寧師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1984，20（3）：1-7.（CHEN Yong-yi，CHEN Tu-yun.Features Expand Approximate Fuzzy Inference Method[J].Journal of Liaoning Normal University （Natural Science Edition），1984，20（3）：1-7.（in Chinese））

[8] 李子陽.大壩病險(xiǎn)預(yù)警的盲分析模型和方法[D].河海大學(xué)，2009.（LI Zi-yang.The Models and Methods of Blind Analysis for Early Warning of Ill-condition Dam[D].Nanjing：Hohai University，2009.（in Chinese））

[9] 張潤杰，古德祥，蒲蟄龍，等.Fuzzy控制模型在三化螟幼蟲數(shù)量預(yù)報(bào)中的應(yīng)用探討[J].生態(tài)科學(xué)，1989（2）：38-46.（ZHANG Run-jie，GU De-xiang，PU Zhe-long，et al.Application Research on the Three Moth Larvae Number Forecast of Fuzzy Control Model[J].Ecologic Science，1989，（2）：38-46.（in Chinese））