基于層次分析法的自動氣象站運行健康狀況評價

李宛桐，史 靜，李文博，姜 明

（天津市氣象探測中心，天津 300061）

0 引言

氣象觀測是氣象業(yè)務(wù)的重要組成部分，為天氣預(yù)報、氣候評估及各類氣象服務(wù)、科學(xué)研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，是推動氣象科學(xué)發(fā)展的原動力。氣象觀測主要利用氣象探測設(shè)備對自然條件下動態(tài)的大氣要素和現(xiàn)象進(jìn)行測量及判定，因此設(shè)備的運行狀態(tài)直接決定了氣象資料的有效與否[1]。目前，氣象現(xiàn)代化建設(shè)快速推進(jìn)，我國綜合氣象觀測系統(tǒng)逐步完善，氣象預(yù)報預(yù)測水平和防災(zāi)減災(zāi)能力不斷提高。截至2019 年，僅國家級氣象觀測站名錄中就收錄了近12 000 個各類氣象觀測站，各省級氣象部門還建設(shè)有5 萬多個應(yīng)用站。大量現(xiàn)代化觀測站網(wǎng)（點）的部署與建設(shè)，使得氣象技術(shù)保障工作面臨著前所未有的考驗與挑戰(zhàn)[2]。由于設(shè)備安裝布設(shè)在各處，受設(shè)備質(zhì)量、站點環(huán)境、保障能力等影響，其系統(tǒng)性能、數(shù)據(jù)產(chǎn)品、故障損耗、維護(hù)維修等多元化信息難以分析綜合成直觀的量化指標(biāo)，無法對設(shè)備運行狀況做出綜合性的客觀評價。

層次分析法（Analytical Hierarchy Process，AHP）能夠?qū)⒁粋€復(fù)雜的多目標(biāo)決策問題，分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、指標(biāo)等層次，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量的分析決策[3]。目前，層次分析法的應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋自然科學(xué)、社會科學(xué)、工程技術(shù)、生產(chǎn)實踐、經(jīng)濟(jì)建設(shè)及現(xiàn)代化管理等，在環(huán)境、電力等行業(yè)已有成功的應(yīng)用實踐。在國內(nèi)氣象學(xué)上的應(yīng)用多見于公共氣象服務(wù)能力建設(shè)[4-7]和氣象災(zāi)害應(yīng)急管理[8-11]等方面，運用層次分析法科學(xué)評價儀器設(shè)備運行狀況，對管理部門及時發(fā)現(xiàn)潛在問題、開展維護(hù)維修起到良好的支持作用[12-13]。

為及時、全面、準(zhǔn)確地對自動氣象站的運行健康狀態(tài)進(jìn)行綜合評價，本文基于氣象探測專家組對設(shè)備、環(huán)境、裝備保障能力重要程度的等級劃分，利用層次分析法確定各評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，構(gòu)建了自動氣象站運行狀況綜合評價模型，制定出自動氣象站綜合評分方案，直觀體現(xiàn)站點的健康程度。并以實際的區(qū)域自動氣象站為例，對綜合評分算法進(jìn)行了應(yīng)用驗證。客觀、合理的自動氣象站運行健康狀況綜合評分能夠為站網(wǎng)運行監(jiān)控提供科學(xué)的評價結(jié)果，也可以為決策者提供判斷依據(jù)，從而達(dá)到對氣象探測系統(tǒng)最優(yōu)控制和最優(yōu)管理的目的。

1 自動氣象站綜合評價層次結(jié)構(gòu)

根據(jù)遞階層次結(jié)構(gòu)的概念，通過收集、整理有關(guān)文獻(xiàn)資料，并結(jié)合長期自動氣象站建設(shè)和維護(hù)工作經(jīng)驗，將自動氣象站綜合評價體系結(jié)構(gòu)分為4 層：目標(biāo)層A、準(zhǔn)則層B、一級指標(biāo)層C和二級指標(biāo)層D（圖1）。

圖1 自動氣象站綜合評價層次結(jié)構(gòu)

基于此框架，自動氣象站綜合評分的思路如下：①根據(jù)設(shè)備特點、環(huán)境狀況等條件建立評價指標(biāo)得分標(biāo)準(zhǔn)；②根據(jù)層次分析法計算各評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)；③根據(jù)評價指標(biāo)得分標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)重系數(shù)計算自動氣象站綜合評分。

2 自動氣象站綜合評分方法

2.1 評價指標(biāo)得分標(biāo)準(zhǔn)

評價體系包含D1～D16 及C4、C6 共18 個評價指標(biāo)，在計算自動氣象站綜合評分時，評價指標(biāo)必須是可量化的。為此，參考電力行業(yè)相關(guān)研究成果標(biāo)準(zhǔn)[13]，根據(jù)自動氣象站設(shè)備、環(huán)境等實際情況劃分評價指標(biāo)得分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 評價指標(biāo)得分標(biāo)準(zhǔn)

2.2 評價指標(biāo)權(quán)重確定

（1）判斷矩陣構(gòu)造。判斷矩陣表示本層次與上一層次某因素有關(guān)的各因素之間的相對重要性。引入重要程度（表2）判斷[14]，通過專家打分將同一層次各因素對于上一層關(guān)聯(lián)因素的重要性進(jìn)行兩兩比較[15]，構(gòu)造每一層次的判斷矩陣。

表2 重要程度九分位標(biāo)度

為保證判斷矩陣的合理性，在全國范圍內(nèi)甄選了11 位對氣象探測設(shè)備有深入研究的專家學(xué)者，包括國家級、省級業(yè)務(wù)技術(shù)和管理專家以及儀器設(shè)備生產(chǎn)廠家和維保單位技術(shù)骨干。表3～表5 展示了其中一位專家目標(biāo)層A、準(zhǔn)則層B1 和一級指標(biāo)層C的判斷矩陣。

表3 判斷矩陣A 示例

表4 判斷矩陣B1 示例

表5 判斷矩陣C1 示例

（2）權(quán)重值計算及一致性檢驗。判斷矩陣對應(yīng)于最大特征值λmax的特征向量經(jīng)歸一化后，即為同一層次各因素對于上一層關(guān)聯(lián)因素相對重要性的權(quán)重向量W=（W1，W2，…，Wn）T（n 為判斷矩陣的階數(shù)）[16]。計算每位專家各層次判斷矩陣的權(quán)重向量，以及計算一致性比率CR，以保證判斷矩陣的邏輯一致性：

表6 隨機(jī)一致性指標(biāo)

當(dāng)CR＜0.1時，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的；反之，認(rèn)為判斷矩陣不符合一致性要求，需要對該判斷矩陣進(jìn)行重新修正。表7 為表3～表5 專家示例中，準(zhǔn)則層B 的權(quán)重向量W 及一致性檢驗CR 計算結(jié)果。

表7 判斷矩陣A 中準(zhǔn)則層B 權(quán)重向量示例

最大特征值λmax=3.012 6，一致性檢驗CR=0.010 86。

（3）組合權(quán)重。計算各評價指標(biāo)對總目標(biāo)的影響大小，即計算評價指標(biāo)路徑上各關(guān)聯(lián)因素權(quán)重與其權(quán)重的乘積。表8 為表3～表5 專家示例中評價指標(biāo)D1、D2、D3對應(yīng)目標(biāo)層A 的組合權(quán)重值。

表8 評價指標(biāo)D1、D2、D3 對應(yīng)目標(biāo)層A 組合權(quán)重值

（4）權(quán)重值幾何加權(quán)平均。將所有專家對于某一評價指標(biāo)的權(quán)重值進(jìn)行幾何加權(quán)平均，求得該評價指標(biāo)最終的權(quán)重值（表9）[17]。

由表9 可知，相較于設(shè)備本身，專家更關(guān)注探測設(shè)備所處的系統(tǒng)環(huán)境對探測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響，以及裝備保障能力對設(shè)備能否長久穩(wěn)定運行的支持程度。其中，設(shè)備安裝條件、備品備件儲備支持情況及潛在故障風(fēng)險等指標(biāo)權(quán)重較高。原因與氣象探測設(shè)備的市場規(guī)范性有關(guān)，所有進(jìn)入業(yè)務(wù)列裝的設(shè)備均需符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，且經(jīng)過長期的測試及評估，其質(zhì)量和性能均有較為嚴(yán)格的保證，因此設(shè)備本身在綜合評價中的關(guān)注度較低。

表9 自動氣象站綜合評價指標(biāo)權(quán)重

值得注意的是，專家普遍認(rèn)為潛在故障風(fēng)險項的指標(biāo)在氣象探測設(shè)備的綜合評價中最為重要。可以理解為，隨著設(shè)備自身老化，其運行穩(wěn)定性和觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度就會不斷下降，且從站點安全性角度分析，設(shè)備曾發(fā)生過外力破壞或不可抗力的影響次數(shù)越多，其存在的安全風(fēng)險等級就越高，設(shè)備健康狀況就越值得關(guān)注。

2.3 綜合評分

本文中自動氣象站運行健康狀況按百分制進(jìn)行評價。利用式（2）計算自動氣象站綜合評分：

其中，S 表示自動氣象站運行健康狀況綜合評分，k 表示評價指標(biāo)個數(shù)（本文中為18），Wi表示評價指標(biāo)權(quán)重，xi表示評價指標(biāo)分值。

3 案例分析

2021 年6 月13 日夜間，天津市發(fā)生一次降水過程，普降中到大雨，局部暴雨。受降雨影響，部分區(qū)域自動氣象站出現(xiàn)雨量傳感器故障、數(shù)據(jù)異常情況。以2021 年6 月14 日8：00 為時間節(jié)點，在天津市轄區(qū)內(nèi)選取5 個故障站點，查看其健康評價結(jié)果（圖2）。

圖2 自動氣象站運行健康狀況綜合評價結(jié)果

從圖中可以清晰地看出不同站點之間存在著健康程度的差異。得分較高說明站點整體運行穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)較為嚴(yán)重的故障或潛在風(fēng)險。得分較低說明站點存在較為嚴(yán)重的故障或潛在風(fēng)險。其中，西青楊柳青和珠江里基本情況相似，均為同一年升級設(shè)備，兩站點分別于當(dāng)日6：00 和3：00 起發(fā)生雨量傳感器堵塞造成降水量異常，故障持續(xù)時間分別為3 h 和6 h，對應(yīng)評價指標(biāo)“數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可用性”（D5）分別為0.88 和0.75，綜合評分分別為97.1 和97.0。濱海新區(qū)劉崗莊于前一日14：00 起缺報，濱海新區(qū)北大港水庫于當(dāng)日5：00 起發(fā)生雨量傳感器堵塞造成降水量異常，故障持續(xù)時間分別為19 h 和4 h，對應(yīng)“數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可用性”（D5）分別為0.21 和0.83，此外濱海新區(qū)北大港水庫在本月已發(fā)生過一次故障，且兩站點均位于沿海地帶，受高濕、高鹽環(huán)境及距保障中心路程較遠(yuǎn)影響，存在潛在風(fēng)險，綜合評分較低。薊州出頭嶺于前一日18：00 起雨量傳感器故障造成降水量缺失，故障持續(xù)時間為15 h，對應(yīng)“數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可用性”（D5）為0.38，且區(qū)域保障分中心缺乏雨量傳感器備件儲備，綜合評分最低。

通過健康狀況綜合評價，可以直觀有效地對站點運行情況進(jìn)行監(jiān)控和分析，提醒運行監(jiān)控人員對個別站點進(jìn)行重點關(guān)注、維護(hù)維修、補齊備件，有助于自動氣象站的保障與管理，提升氣象探測設(shè)備保障效能。

4 總結(jié)

基于層次分析法，建立自動氣象站運行健康狀況綜合評價體系。該體系以專家打分?jǐn)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用層次分析法計算各評價指標(biāo)權(quán)重，并根據(jù)劃分的評級指標(biāo)得分標(biāo)準(zhǔn)計算自動氣象站運行健康狀況的實時評分，能夠幫助業(yè)務(wù)人員更加直觀地了解各個站點的健康狀態(tài)、是否存在故障或潛在風(fēng)險，為維修維護(hù)決策提供有力幫助。

相比于傳統(tǒng)的氣象探測設(shè)備運行監(jiān)控和評價方法，該方法具有以下優(yōu)點：①方法科學(xué)，層次分析法是一種利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法得到最優(yōu)方案的決策方法，在設(shè)備運行管理方面也具有較強(qiáng)的適用性，該方法原理科學(xué)、過程明確、結(jié)論有據(jù)，能夠在氣象探測設(shè)備運行監(jiān)控業(yè)務(wù)中應(yīng)用；②結(jié)論合理，通過專家打分計算得到各評價指標(biāo)權(quán)重能夠較為真實地反映出各個指標(biāo)的重要性，根據(jù)前文對所選站點的健康狀況綜合評分分析，評價結(jié)論能夠反映出各個站點正在發(fā)生的故障及存在的潛在風(fēng)險；③結(jié)果直觀，將健康評價的概念用于設(shè)備的運行狀況管理之中，通過層次分析法將定性的問題定量化處理，得到直觀可見的健康分值，設(shè)備運行狀態(tài)優(yōu)劣顯而易見。