模糊識別模型在橡膠壩工程安全評估中的應(yīng)用

朱紅軍，范衍琦，宋 力，胡繼成，劉華強

(1.江蘇省水利科學(xué)研究院， 江蘇 揚州 225002； 2.宿遷市水務(wù)局， 江蘇 宿遷 223800)

閘壩工程安全評估[1]因其自身結(jié)構(gòu)功能的復(fù)雜性，需結(jié)合工程現(xiàn)狀調(diào)查分析、現(xiàn)場安全檢測和工程復(fù)核計算這三項成果來綜合評判,其實質(zhì)也是多準(zhǔn)則的閘壩結(jié)構(gòu)可靠度評定的過程。在閘壩安全等級評估中先后建立了專家評估法、專家系統(tǒng)法、標(biāo)準(zhǔn)比照評價法、層次分析法、灰色評估方法和加權(quán)遞階評估法等。陳守煜等[2-4]創(chuàng)建的系統(tǒng)模糊決策的可變模糊集理論廣泛應(yīng)用于水文水資源、環(huán)境、土建工程、化工和社會經(jīng)濟系統(tǒng)，亦可用于水利工程安全評價，如水閘[5]、河道健康[6-8]等。上述各種方法對橡膠壩工程的安全評估卻尚未見到相關(guān)文章，本文在獲得橡膠壩各構(gòu)件服役情況檢測結(jié)果的基礎(chǔ)上，對比各種評估方法的優(yōu)劣，參考陳守煜創(chuàng)建的可變模糊集理論，將模糊模式識別模型引入到橡膠壩安全評估中，判斷其在正常使用和維護條件下的安全性和適用性。

1 模糊識別模型簡介

已知待識別樣本的多個指標(biāo)特征值和多個級別的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，計算與識別樣本指標(biāo)屬于相關(guān)級別標(biāo)準(zhǔn)模式的相對隸屬度，確定各指標(biāo)值的權(quán)重，計算樣本級別特征值，評價樣本屬于哪一級標(biāo)準(zhǔn)模式[6]。根據(jù)工程運行管理現(xiàn)狀確定評價因素的權(quán)重[9]是模型建立的核心，據(jù)此可以獲得滿意的評估結(jié)果。建立模糊模式識別模型主要分為以下幾步。

1.1 將各個評價指標(biāo)值規(guī)格化

對可分c個評價級別的模糊概念A(yù)進行識別的n個樣本，每個樣本均有m個指標(biāo)特征值，則相應(yīng)的指標(biāo)特征值和指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣為：

X=(xij)；i=1，2，…，m，j=1，2，…，n

(1)

Y=(yih)；h=1，2，…，c

(2)

在進行識別之前先將指標(biāo)特征值變換為對模糊概念A(yù)(本文為橡膠壩工程安全)的指標(biāo)相對隸屬度，即消除指標(biāo)量綱差異。對于越大越優(yōu)型或越小越優(yōu)型指標(biāo)，其計算公式有多種，本文根據(jù)需要采用式(3)和式(4)：

(3)

(4)

無論越大越優(yōu)或越小越優(yōu)型指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值，均可利用公式(5)得到級別h指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)值yih對模糊概念A(yù)的規(guī)格化數(shù)：

(5)

經(jīng)規(guī)格化處理后可得指標(biāo)特征值與指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值規(guī)格化矩陣為：

R=(rij)； 0≤rij≤1

(6)

S=(sih)； 0≤sih≤1

(7)

1.2 確定指標(biāo)權(quán)向量

其確定方法[10-11]可從識別的安全性與樣本的整體性進行考慮。具體方法如下：

(1) 確定指標(biāo)重要性的定性排序。通過征詢?nèi)舾晌幌嚓P(guān)專業(yè)的專家意見，進行關(guān)于重要性的定量、定性評價指標(biāo)二元比較，列出定性排序標(biāo)度矩陣E

(8)

(2) 標(biāo)度矩陣E的一致性檢驗。根據(jù)一致性條件(若ehk>ehl時，計ekl=0；若ehk

(3) 確定指標(biāo)對重要性的相對隸屬度。根據(jù)實際工程情況，以矩陣各行和數(shù)最大排序數(shù)所對應(yīng)的目標(biāo)為準(zhǔn)，應(yīng)用表1所述語氣算子[11]分別與其余目標(biāo)進行比較?？傻酶髦笜?biāo)對重要性的相對隸屬度。

(4) 歸一化處理，得歸一化權(quán)向量。

(9)

表1 語氣算子與模糊標(biāo)度、隸屬度對應(yīng)關(guān)系[11]

1.3 計算樣本對級別h的相對隸屬度

樣本j與級別h之間的差異可用廣義歐氏權(quán)距離式(10)表示：

(10)

將R中的相對隸屬度rij分別與矩陣S中的行向量逐一比較，得級別上下限aj和bj。相對隸屬度所構(gòu)成的矩陣即為模糊識別理論模型：

(11)

α為模型優(yōu)化準(zhǔn)則參數(shù)，p為距離參數(shù)，本文中α等于2，p等于2。樣本歸屬于各個級別的相對隸屬度矩陣為：

(12)

從而計算樣本的級別特征值并對其進行綜合評價：

(13)

2 應(yīng)用實例

2.1 橡膠壩的基本情況

某橡膠壩[13]建成于2001年，該壩為充水枕式橡膠壩，長30 m，高1.6 m，底板高程21.1 m(廢黃河高程)；壩底板、消力池及兩側(cè)翼墻底板均采用素混凝土結(jié)構(gòu)，強度為C20，上游鋪蓋、下游護坦及上下游翼墻墻身采用漿砌塊石結(jié)構(gòu)，充水泵房和壩袋端部扶壁式擋墻采用C25的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。2014年將原來柴油機充水機泵更換為電動機。2016年夏季橡膠壩在排澇過程中發(fā)生下游護坦沖毀、消力池部分沖毀、下游右側(cè)翼墻部分底板掏空險情。

2.2 橡膠壩評價指標(biāo)與評價標(biāo)準(zhǔn)

以橡膠壩工程現(xiàn)狀調(diào)查和安全檢測過程為實例,擬選取該壩底板混凝土強度x1，扶壁翼墻的混凝土強度x2、碳化深度x3和保護層厚度x4為定量評價指標(biāo)；壩袋材料老化x5、塌肩漏水x6、上下游漿砌石翼墻x7、消能防沖設(shè)施x8、沖排設(shè)備x9和工程管理能力x10為定性評價指標(biāo)。定量指標(biāo)采用現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，定性指標(biāo)根據(jù)專業(yè)經(jīng)驗采用百分制進行評分,定性指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)和分級評分區(qū)間見表2，取五位專家對定性指標(biāo)打分平均值為定性指標(biāo)特征值，評價指標(biāo)特征值見表3。

表2 橡膠壩安全與各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間值的關(guān)系

表3 橡膠壩工程分級指標(biāo)值

按照式(3)、式(4)、式(5)計算指標(biāo)特征值和指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值的相對隸屬度矩陣R=(1.00，1.00，1.00，1.00，0.22，0.49，0.55，0.28，0.85，0.64)

S=(1 2/3 1/3 0)=(sih) ?i

通過公式(8)可以計算出含10個特征指標(biāo)的標(biāo)度矩陣E

矩陣E各行之和依次為4.0，2.5，1.0，1.0，9.5，8.5，7.5，4.0，6.0，6.0。從由大到小的排列得出評價指標(biāo)關(guān)于重要性的排序為x5>x6>x7>x9=x10>x1=x8>x2>x3=x4，排序中沖排設(shè)備和工程管理能力同樣重要，底板混凝土強度和消能防沖設(shè)施同樣重要，扶壁翼墻碳化深度和保護層厚度同樣重要。

歸一化后權(quán)重向量為

w=(0.070，0.052，0.023，0.023，0.210，0.155，0.140，0.101，0.113，0.113)

根據(jù)式(12)、式(13)編寫MATLAB程序計算各個級別的相對隸屬度矩陣和級別特征值為

U=(0.1017，0.3533，0.4258，0.1192)

H=(1，2，3，4)·UT=2.563

根據(jù)H對橡膠壩安全評估，由文獻[2]知評價規(guī)則H∈[c-0.5，c+0.5]，則將評價區(qū)域歸于c類。故該橡膠壩安全評估等級為3級，偏于2級。

根據(jù)規(guī)范[14]規(guī)定，運用指標(biāo)達不到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，工程存在嚴(yán)重損壞，經(jīng)除險加固后，才能達到正常運行。由于橡膠壩袋整體嚴(yán)重老化，端部塌肩漏水現(xiàn)象突出，下泄水流將海漫護底完全沖毀，危及到橡膠壩整體的穩(wěn)定安全。可整體更換橡膠壩袋，并對消能設(shè)施和沖毀的部分翼墻進行除險加固。

3 結(jié) 論

本文基于可變集模糊理論，將模糊識別模型首次引入橡膠壩的安全等級評估中。結(jié)合安全檢測數(shù)據(jù)和工程現(xiàn)狀調(diào)查分析，選取混凝土強度值、碳化深度等定量指標(biāo)和工程重要部位外觀、工程管理能力等定性指標(biāo)的權(quán)重進行綜合考慮，合理確定各因素對橡膠壩工程安全的影響程度，減小了各評價指標(biāo)在橡膠壩安全等級評估中的誤差。

通過將評估結(jié)果與橡膠壩實例工程進行比較，其結(jié)果能正確描述和反映工程運行狀態(tài)，與實際情況較好吻合，且模糊模式識別方法應(yīng)用簡便，考慮安全檢測中定性描述的權(quán)重比例，不失為解決類似評估問題的一種新方法，具有良好的應(yīng)用前景。本文的不足之處是沒有加入工程復(fù)核資料，有待后期繼續(xù)完善評估模型。