物元可拓模型在渠首冲砂闸安全评价中的应用

霍洪元,郑 健

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)



物元可拓模型在渠首冲砂闸安全评价中的应用

霍洪元,郑 健

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

本文概述了物元可拓理论，并建立了物元可拓模型。通过确定铁力市王杨渠首冲砂闸的经典域物元矩阵、各指标权重和综合关联度，建立了水闸安全评价指标体系和安全评价标准，利用物元可拓模型对铁力市王杨渠首冲砂闸进行了安全综合评价，并依据水闸安全鉴定标准将铁力市王杨渠首冲砂闸判定为三类闸。

物元可拓；水闸；安全评价

1 物元理论概述

物元分析方法是由我国著名学者蔡文先生首先提出的，物元分析方法基于事务的功能目标与环境条件之间的可容性与事物系统的相关性，把现实问题概括为相容性和不相容性问题，研究处理矛盾问题的规律和方法[1]。

物元理论用来描述事物的三要素：事物M、特征C和量值V，它们所构成的有序三元组R=(M，C，V)称为事物的基本元，即物元。根据物元的定义和特征，一个具有多个特征的事物，其物元矩阵记作[2]:

(1)

式(1)中：n为事物特征数量，每个特征所对应的量值为v1、v2、…vn。

2 物元可拓模型及评价过程

水闸工程的安全评价是一个多目标的复杂过程，在解决多目标系统的评价问题时，采用“事物、特征、量值”这三个要素来对待评测事物进行描述，能够比较准确地反映客观事物的变化规律，有利于对事物进行定性分析和定量计算[3]。物元可拓模型及综合评价的步骤具体如下。

2.1 确定经典域物元矩阵

经典域物元矩阵由事物的特征以及其特征的标准值范围组成，记为

(2)

式(2)中：Ni表示所划分的i个评价等级；C1、C2、…、Cn代表评价指标；vi1、vi2、…vi n是物元矩阵的经典域，即待评事物评价等级i的取值区间。

2.2 确定各指标权重

水闸安全评价指标是多层次的，在层次结构中，上一层指标受下一层指标影响，将指标间的相对重要程度用数值的形式表示出来，即为权重系数，指标权重的确定是安全评价工作的关键，其结果的准确程度直接关系水闸工程评价结果的质量[4]。

(3)

式(3)中：P0为待评事物；v1、v2、…、vn是待评物元各指标的实际值。

2.4 综合关联度

系统中全部因素属于各评价等级的程度称为综合关联度，评价指标对于等级i的综合关联度计算方法见公式(4)至公式(8)，式(4)中vpj为物元矩阵的节域，式(7)中apj、bpj为物元矩阵的节域区间。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

3 应用实例

铁力市王杨渠首冲砂闸工程位于呼兰河支流上游，始建于1997年，于1998年主体工程竣工。工程经过多年运行，受区间洪水及非自然因素影响，河道下切，冲砂闸下游海漫段导流墙出现严重倾斜。虽及时对下游防冲海漫进行钢筋笼砌石抢修，但经连续观察，王杨渠首工程水毁程度有进一步加重趋势，消力池底板下沉，消力池边墙中部出现裂缝，边墙底部冲刷剥蚀严重[5]。冲砂闸处于病险状态，工程效益不能有效发挥。

3.1 评价指标体系及标准

依据系统全面性、简明科学性、相对独立性、层次性、相关性原则，确定经典域物元矩阵的特征以及特征的标准值范围，即建立王杨渠首冲砂闸评价指标体系及评价标准。从安全性、适用性、耐久性三方面共选取19个指标，并按一类闸、二类闸、三类闸、四类闸标准量化，确定各指标对应不同类别的评价标准，见表1。

表1 水闸安全指标体系及评价标准

3.2 确定各指标权重

本次采用组合赋权法确定指标权重，将层次分析法(AHP)和熵权法两种赋权方法有机结合：首先利用层次分析法初步赋权，通过运算得到带有主观性质的指标权重，再利用熵权理论中的熵模型对其进行修正，使得指标权重更具科学性、准确性。各指标权重见表2。

表2 水闸工程安全评价指标权重表

3.3 综合关联度

通过计算安全性、适用性、耐久性指标的综合关联度，来确定水闸的综合关联度，计算结果见表3、表4、表5。

表3 安全性指标综合关联度计算结果

表4 适用性指标综合关联度计算结果

表5 耐久性指标综合关联度计算结果

根据安全性、适用性和耐久性的关联度汇总结果，得到水闸的综合关联度，用矩阵表示为：

(9)

根据物元可拓理论，取最大的k值，即kmax=0.0039，所以铁力市王杨渠首冲砂闸属于三类闸，即目前冲砂闸达不到设计标准(P设计=5%，P校核=2%)，存在严重损坏，要进行除险加固。

4 结 语

按照水闸安全鉴定程序，在2012年8月完成的铁力市王杨渠首冲砂闸安全鉴定报告书中，铁力市王杨渠首冲砂闸确定为三类闸。本次采用物元可拓模型进行的安全评价与安全鉴定报告书结论一致。物元可拓模型在水闸安全评价中应用是可行的。

[1] 徐磊，何艳霞，赵晓飞.物元可拓理论在水闸安全评价中的可行性[J].科技信息，2010(29)：766-767.

[2] 蔡文.物元分析[M]. 广州：广东高等教育出版社，1987.

[3] 李佳佳. 基于模糊物元分析法的应急物流能力评价研究[D].长沙：长沙理工大学，2011.

[4] 谢仁山，王先华. 层次分析法(AHP)在安全评价有关指数赋值的应用[J].工业安全与防尘，1996(1)：31-34.

[5] 朴哲浩，宋力.我国病险水闸成因及除险加固工程措施分析[J].水利建设与管理，2011(1)：25-26.

Application of matter-element extension model in safety evaluation of sand-flushing sluice of canal headwork

HUO Hongyuan, ZHENG Jian

(HeilongjiangProvinceHydraulicResearchInstitute,Harbin150080,China)

This paper summarized the theory of matter-element extension, and established the matter-element extension model. The safety evaluation index system and standard for sluice were built by fist determining the classical domain matter element matrix, the weight of each index and the comprehensive dependent degree. The matter-element extension model was used to assess the comprehensive safety status of the sand-flushing sluice of Wangyang canal headwork in Tieli City. Based on the safety appraisal standard for sluice, the sand-flushing sluice of Wangyang canal headwork was classified as a third kind dangerous sluice.

matter-element extension; sluice; safety evaluation

霍洪元(1977-)，男，高级工程师，从事水利工程设计、科研工作。

TV66；O242

A

2096-0506(2016)11-0014-04