基于VB.net和Mat lab的水閘安全評(píng)價(jià)軟件開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

劉 坤，劉慶晶，黃文敏

（1.廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州510635；2.上海國(guó)際機(jī)場(chǎng)股份有限公司，上海201207）

0 前言

我國(guó)水閘修建史長(zhǎng)，數(shù)量多，大部分水閘修建于20世紀(jì)50年代～70年代，存在一大批急需除險(xiǎn)加固的病險(xiǎn)閘。根據(jù)2008年的普查結(jié)果，全國(guó)72%的水閘為三類(lèi)閘、四類(lèi)閘。查清水閘現(xiàn)狀，對(duì)水閘進(jìn)行科學(xué)、合理的安全評(píng)價(jià)對(duì)指導(dǎo)水閘的除險(xiǎn)加固工作具有重要的意義。水閘鑒定工作相關(guān)的規(guī)范主要有《水閘安全鑒定規(guī)定》（SL 214-98）［1］和《水閘安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（SL 214-2015）［2］?？偟膩?lái)說(shuō)，規(guī)范的指導(dǎo)性較強(qiáng)，細(xì)化程度不足。不同水閘的安全評(píng)價(jià)工作在操作層面常采用不同的標(biāo)準(zhǔn)，指標(biāo)的選取及計(jì)算有很大的隨意性，專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷對(duì)確定水閘類(lèi)別影響較大，難以保證結(jié)論的客觀、準(zhǔn)確。評(píng)價(jià)結(jié)果多過(guò)于籠統(tǒng)，針對(duì)性不強(qiáng)，無(wú)法較好地指導(dǎo)水閘的除險(xiǎn)加固工作。本文基于VB.net和Matlab開(kāi)發(fā)的水閘安全評(píng)價(jià)軟件，綜合利用VB.net語(yǔ)言面向?qū)ο蟮膬?yōu)點(diǎn)和Matlab強(qiáng)大的計(jì)算能力，細(xì)化分級(jí)水閘安全指標(biāo)，對(duì)定性與定量指標(biāo)給出具體的計(jì)算方法，合理劃分不同專(zhuān)家的權(quán)重，使用迭代算法解決數(shù)據(jù)缺失問(wèn)題，不但提高了效率，得出的評(píng)價(jià)結(jié)果也更加全面合理。軟件可操作性強(qiáng)，實(shí)用價(jià)值高，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 水閘安全評(píng)價(jià)軟件開(kāi)發(fā)

1.1 水閘安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

構(gòu)建水閘安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是進(jìn)行水閘安全評(píng)價(jià)的首要工作。在遵循科學(xué)、系統(tǒng)、全面、可操作性強(qiáng)、定性與定量指標(biāo)相結(jié)合的原則下，構(gòu)建四級(jí)水閘安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系［3］。一級(jí)指標(biāo)包括防洪能力、結(jié)構(gòu)安全、滲流安全、工程質(zhì)量、金結(jié)及電氣、運(yùn)行管理六項(xiàng)。在一級(jí)指標(biāo)下繼續(xù)細(xì)分二、三、四級(jí)指標(biāo)，確保最底層指標(biāo)直接對(duì)應(yīng)水閘的某一構(gòu)件的具體性能，例如閘墩的結(jié)構(gòu)裂縫、混凝土的碳化深度，以便后期更好地指導(dǎo)除險(xiǎn)加固工作。以結(jié)構(gòu)安全指標(biāo)為例，其下級(jí)指標(biāo)體系見(jiàn)圖1。

圖1 水閘安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系示例

1.2 水閘安全評(píng)價(jià)流程

軟件的運(yùn)行流程為自下而上，由現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)、復(fù)核數(shù)據(jù)等計(jì)算得到底層指標(biāo)的安全值，由專(zhuān)家打分表計(jì)算指標(biāo)的加權(quán)權(quán)重。根據(jù)底層指標(biāo)的安全值和權(quán)重計(jì)算上一級(jí)指標(biāo)的安全值，依次向上計(jì)算，直至計(jì)算得到總指標(biāo)的安全值，判斷水閘的類(lèi)型，對(duì)水閘進(jìn)行鑒定，給出相應(yīng)的處理意見(jiàn)。軟件運(yùn)行流程圖見(jiàn)圖2。

1.3 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

軟件采用VB.net語(yǔ)言開(kāi)發(fā)人機(jī)友好的界面，可以方便地輸入各種數(shù)據(jù)，同時(shí)計(jì)算結(jié)果也即時(shí)輸出在界面的文本框內(nèi)。操作過(guò)程中可隨意修改輸入的數(shù)據(jù)，選擇指標(biāo)安全值的計(jì)算方式，查看定性指標(biāo)的賦值標(biāo)準(zhǔn)，保存計(jì)算結(jié)果。在根據(jù)專(zhuān)家打分表計(jì)算指標(biāo)基礎(chǔ)權(quán)重時(shí)，使用的SQP算法［4］需調(diào)用Matlab中的工具箱，通過(guò)Matlab生成的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件實(shí)現(xiàn)此調(diào)用。VB.net與Matlab間的數(shù)據(jù)通過(guò)文本文件來(lái)傳遞，以保證數(shù)據(jù)傳遞的穩(wěn)定，不受軟件的版本，操作系統(tǒng)的類(lèi)型等因素的影響。軟件綜合利用了VB.net語(yǔ)言和Matlab軟件的優(yōu)點(diǎn)，具有便捷的操作界面和強(qiáng)大的計(jì)算能力。軟件操作界面見(jiàn)圖3。

圖2 軟件運(yùn)行流程圖

圖3 軟件操作界面

2 水閘安全評(píng)價(jià)軟件計(jì)算過(guò)程

水閘的指標(biāo)體系分為4級(jí)，每一個(gè)指標(biāo)都包含安全值和權(quán)重兩個(gè)參數(shù)。安全值和權(quán)重為0～1之間的某一實(shí)數(shù)。安全值代表了指標(biāo)的評(píng)分，反應(yīng)水閘某構(gòu)件的某個(gè)性狀的好壞。權(quán)重為下級(jí)指標(biāo)對(duì)隸屬的上級(jí)指標(biāo)重要性，某一指標(biāo)的所有下級(jí)指標(biāo)權(quán)重值和為1。通過(guò)逐級(jí)計(jì)算，最終得到水閘的整體評(píng)價(jià)，同時(shí)可以根據(jù)安全值和權(quán)重兩個(gè)參數(shù)，判斷出哪些指標(biāo)的狀況較差且相對(duì)重要，有針對(duì)性地對(duì)水閘的除險(xiǎn)加固提出意見(jiàn)。

2.1 定量指標(biāo)安全值計(jì)算

定量指標(biāo)可以由水閘的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)、復(fù)核數(shù)據(jù)等經(jīng)過(guò)計(jì)算得到安全值，例如過(guò)流能力、沉降等。軟件在現(xiàn)有規(guī)范和文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合前人的研究成果，制定了定量指標(biāo)安全值的計(jì)算方法。以過(guò)流能力指標(biāo)為例，將復(fù)核得到水閘現(xiàn)在的過(guò)水流量Q現(xiàn)和原設(shè)計(jì)過(guò)水流量Q設(shè)之比作為評(píng)價(jià)指數(shù)Q=Q現(xiàn)/Q設(shè)。當(dāng)安全值大于1.0時(shí)，取1.0。對(duì)應(yīng)的安全值計(jì)算公式見(jiàn)表1。

表1 過(guò)流能力指標(biāo)安全值計(jì)算公式

為便于不同指標(biāo)間的對(duì)照、比較，在計(jì)算公式中對(duì)安全值進(jìn)行歸一化處理。同時(shí)軟件設(shè)置了跳過(guò)計(jì)算，直接輸入指標(biāo)安全值的模式，以滿(mǎn)足不同情況下的需要。

2.2 定性指標(biāo)安全值量化

在指標(biāo)體系中存在眾多無(wú)法計(jì)算求解安全值的定性指標(biāo)。定性指標(biāo)的安全值應(yīng)在相關(guān)資料及現(xiàn)狀調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)一定的量化標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定。軟件中為每一個(gè)定性指標(biāo)提出一個(gè)合理的量化標(biāo)準(zhǔn)，幫助使用者確定其安全值。以電氣設(shè)備指標(biāo)為例，軟件中設(shè)置相應(yīng)按鈕，點(diǎn)擊即可提供其量化標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)圖4。

圖4 電氣設(shè)備指標(biāo)量化標(biāo)準(zhǔn)

2.3 缺失數(shù)據(jù)的指標(biāo)安全值處理

在水閘安全評(píng)價(jià)過(guò)程中，常常會(huì)遇到某些指標(biāo)缺乏可靠的資料，也無(wú)法通過(guò)現(xiàn)狀調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等方式獲取數(shù)據(jù)。如何處理這些指標(biāo)直接影響評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性、準(zhǔn)確性。處理這個(gè)問(wèn)題常用的數(shù)學(xué)方法有歸零對(duì)應(yīng)權(quán)重系數(shù)、最劣化考慮或最優(yōu)化考慮缺失數(shù)據(jù)的指標(biāo)等。這些方法都存在不同的缺陷，如導(dǎo)致評(píng)價(jià)對(duì)象的安全等級(jí)偏低或偏高、增加評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定性等。本軟件利用電子程序的計(jì)算優(yōu)勢(shì)，采用迭代算法處理這一問(wèn)題。處理的原則是使缺失數(shù)據(jù)的指標(biāo)安全值與最終的水閘總指標(biāo)安全值無(wú)限逼近，從而使不確定因素影響最小化。具體方法是給缺失數(shù)據(jù)的指標(biāo)安全值賦一個(gè)0～1之間的初值，使用迭代算法，不斷修正缺失數(shù)據(jù)的指標(biāo)安全值，使其與水閘總指標(biāo)安全值的差值在一個(gè)極小的容差內(nèi)（程序中設(shè)為10-6）。具體流程見(jiàn)圖5。

圖5 軟件迭代計(jì)算流程圖

2.4 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

指標(biāo)權(quán)重體現(xiàn)了下級(jí)指標(biāo)對(duì)上級(jí)指標(biāo)的重要性，一般需要依據(jù)多個(gè)專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)和判斷綜合確定。但每個(gè)專(zhuān)家的專(zhuān)業(yè)水平、偏好等不盡相同，因此指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算中應(yīng)體現(xiàn)專(zhuān)家的差異性。軟件中綜合運(yùn)用層次分析法、SQP算法、熵權(quán)法等，提出一種主客觀相結(jié)合的賦權(quán)法。

每個(gè)專(zhuān)家對(duì)于同一級(jí)指標(biāo)間權(quán)重的劃分采用層次分析法來(lái)計(jì)算，在程序中提供了相應(yīng)的輸入界面，見(jiàn)圖6。當(dāng)指標(biāo)較多時(shí)，輸入的判斷矩陣一般為非正定矩陣，計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重的方法主要有特征值法、最小二乘法等，這些方法的缺點(diǎn)在于將權(quán)重計(jì)算和一致性檢驗(yàn)分開(kāi)，計(jì)算出的結(jié)果可滿(mǎn)足一致性檢驗(yàn)要求但并非最優(yōu)解。

圖6 層次分析法輸入界面

軟件中引入SQP算法求解判斷矩陣的權(quán)重，SQP算法通過(guò)迭代運(yùn)算，將權(quán)重計(jì)算與一致性檢驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，且收斂速度快，計(jì)算結(jié)果更加精確，與判斷矩陣的一致性更好，充分利用了電算的優(yōu)勢(shì)。軟件通過(guò)引用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件調(diào)用Matlab中SQP工具箱實(shí)現(xiàn)此計(jì)算。

專(zhuān)家間的差異性通?？梢允褂萌藶橘x予每個(gè)專(zhuān)家一個(gè)權(quán)重值的方法來(lái)體現(xiàn)，但這種方法受主觀因素影響較大，會(huì)降低評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度。軟件中采用熵權(quán)法體現(xiàn)專(zhuān)家對(duì)指標(biāo)權(quán)重分配結(jié)果的可信度［5］。假設(shè)有m個(gè)專(zhuān)家對(duì)n個(gè)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重分配，xij表示第i位專(zhuān)家對(duì)第j個(gè)指標(biāo)分配的權(quán)重，稱(chēng)為基礎(chǔ)權(quán)重。Ci表示根據(jù)熵權(quán)法分配的第i位專(zhuān)家自身的權(quán)重，則：

其中：

（i=1，…，m；j=1，…，n；k=1，…，m）。

由以上公式可知，當(dāng)某位專(zhuān)家對(duì)指標(biāo)權(quán)重的分配接近全體專(zhuān)家的平均值時(shí)，該專(zhuān)家的權(quán)重值較大，當(dāng)他偏離平均值較遠(yuǎn)時(shí)，其權(quán)重值較小。每個(gè)專(zhuān)家自身的權(quán)重是一個(gè)動(dòng)態(tài)的值，對(duì)于不同的指標(biāo)組合，需要分別計(jì)算專(zhuān)家自身的權(quán)重，這也符合專(zhuān)家對(duì)于某些指標(biāo)較為熟悉，其意見(jiàn)較為可信，對(duì)于另一些指標(biāo)不太熟悉的實(shí)際情況。指標(biāo)的基礎(chǔ)權(quán)重和專(zhuān)家自身的權(quán)重兩者的乘積即為指標(biāo)的加權(quán)權(quán)重。根據(jù)下級(jí)指標(biāo)的安全值和權(quán)重計(jì)算可得上級(jí)指標(biāo)的安全值。

2.5 指標(biāo)安全等級(jí)

《水閘安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（SL 214-2015）中將水閘指標(biāo)的狀況按對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)分為A、B、C共3級(jí)，相應(yīng)的，軟件中根據(jù)指標(biāo)的安全值，將各指標(biāo)的安全等級(jí)分為3級(jí)，以對(duì)應(yīng)規(guī)范中“滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，措施有效”“滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，措施存在缺陷尚不影響總體安全”“不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求”3類(lèi)狀況。

表2 指標(biāo)安全值與安全等級(jí)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，不但可以得到水閘總指標(biāo)的安全等級(jí)，判斷水閘的類(lèi)別，還可以得到各分級(jí)指標(biāo)的安全等級(jí)，有助于對(duì)水閘的全面認(rèn)識(shí)，幫助指導(dǎo)水閘的除險(xiǎn)加固工作。

3 具體案例分析

某水閘為河北省境內(nèi)一座泄洪閘，修建于20世紀(jì)70年代。閘身共分6孔，上下游翼墻采用裝配式擋土墻，配有公路橋及機(jī)架橋。水閘運(yùn)行已超過(guò)40年，混凝土結(jié)構(gòu)老化嚴(yán)重，出現(xiàn)多處裂縫，部分區(qū)域鋼筋外露。很多機(jī)電設(shè)備超出正常使用年限，金屬構(gòu)件銹蝕，閘門(mén)啟閉困難。該水閘是所在滯洪區(qū)唯一的泄水通道，需要進(jìn)行安全鑒定，劃分水閘類(lèi)別，以決定后續(xù)采取除險(xiǎn)加固或報(bào)廢重建方案。

根據(jù)原安全鑒定報(bào)告，該水閘抗?jié)B穩(wěn)定、閘室穩(wěn)定、消能防沖等指標(biāo)為C級(jí)，鑒定為四類(lèi)閘。

3.1 安全評(píng)價(jià)結(jié)果

以原安全鑒定中的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)資料，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，并邀請(qǐng)專(zhuān)家對(duì)指標(biāo)體系進(jìn)行權(quán)重分配，使用軟件對(duì)水閘進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，其中一、二級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。

3.2 安全鑒定結(jié)論

一級(jí)指標(biāo)中，結(jié)構(gòu)安全、滲流安全、工程質(zhì)量、金結(jié)及電氣4項(xiàng)安全等級(jí)都為C級(jí)，根據(jù)《水閘安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（SL 214-2015），水閘應(yīng)為四類(lèi)閘，與原鑒定報(bào)告的結(jié)論一致。水閘安全評(píng)價(jià)總指標(biāo)安全值為0.34，反應(yīng)水閘的整體狀況較差。綜合各方意見(jiàn)，該水閘最終采取了報(bào)廢重建的方案。

表3 某水閘安全評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

1）針對(duì)傳統(tǒng)水閘安全評(píng)價(jià)方法效率低，受人為因素影響大，鑒定結(jié)果指導(dǎo)性不強(qiáng)的不足之處，建立了四級(jí)指標(biāo)體系，使用VB.net和Matlab聯(lián)合編程，引入層次分析法、SQP算法、熵權(quán)法等算法，使計(jì)算更加高效、準(zhǔn)確，評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀、全面。

2）充分利用電子程序的計(jì)算優(yōu)勢(shì)，使用迭代算法解決數(shù)據(jù)缺失的問(wèn)題，減小其對(duì)整體模型的影響。SQP算法在求解判斷矩陣的權(quán)重值時(shí)顯示出其優(yōu)越性。

3）以某實(shí)際工程為例，比較軟件的評(píng)價(jià)結(jié)果與原安全鑒定報(bào)告的結(jié)論，兩者具有一致性，驗(yàn)證了軟件評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度。

4）軟件在后續(xù)還有許多改進(jìn)之處，例如引入隸屬度等概念，取代單一的安全值，算法上也還有優(yōu)化空間。