基于云理论的大中型水闸工程管理现代化评价

高玉琴,陈鸿玉,肖 璇,徐 津

(河海大学水利水电学院,江苏 南京 210098)

基于云理论的大中型水闸工程管理现代化评价

高玉琴,陈鸿玉,肖 璇,徐 津

(河海大学水利水电学院,江苏 南京 210098)

建立水闸工程管理现代化评价指标体系,全面、客观地评价其进程。基于反映知识表示中模糊性、随机性及两者关联的云理论,提出评价方法并进行实例分析。对某省23个大型、87个中型水闸工程管理单位问卷调查和抽样实地考察,评估确定水闸管理现代化目标值。以某水闸管理情况与目标值相比确定该水闸管理现代化实现程度等级。实例证明此方法应用于水闸管理评价具有适用性、准确性、高效性,其评价结果能够为下阶段管理现代化建设提供导向和依据。

水闸管理现代化;评价指标体系;云模型

水闸工程对于防洪安全、水资源合理利用、生态环境保护、工农业稳定高效生产、推动国民经济发展等具有不可替代的重要作用,截至2015年底,我国已建成流量为5 m3/s及以上的水闸103 964座[1]。近年来,国家对水利建设投资逐年增长,同时坚持建管并重,积极推行水利工程管理体制改革。水利工程管理现代化越来越受到重视,不仅对推进水利现代化和实现水利可持续发展起到促进作用,也是解决当前水利工程管理问题的重要途径。当前，对水利工程管理的内涵、目标及内容已有专门的研究[2-3],并构建了比较完整的评价指标体系[4-8],对堤防、泵站的管理现代化及其评价指标体系也进行了研究[9-10],但对水闸工程管理现代化还没有针对性的、系统的研究。

目前我国水闸管理过程中存在管理体制不够完善、机制不够灵活、经费不足或没有稳定来源、人员结构不够合理、设施设备损坏、信息化程度低、应急机制缺乏、水生态环境管理薄弱等问题,不利于水闸长期安全运行和发挥效益。因此,进行水闸工程管理现代化建设是必然趋势,对其进行研究和评价具有重要意义。已有研究主要是分析存在的问题、提出改善举措等[11-13],刘俊滨等[14]对水闸管理考核进行了模糊评价研究。为了评价水闸工程管理单位现状和管理现代化进程,笔者以大中型水闸为研究对象,建立科学的评价指标体系，研究合理有效的评价方法。

根据水利工程管理现代化的研究,以及水闸运行管理实践经验,将水闸工程管理现代化的内涵概括为:适应社会经济科学发展和水利现代化的客观需要,创建科学先进的现代化水闸工程管理体系,包括树立现代化管理观念、引进和培养管理及科技人才、健全现代化管理体制机制法制、具备高标准设施设备、提高管理信息化程度、掌握先进的调度手段、提高应急处理能力、保护水生态环境、发掘水文化等,做到因地制宜、全面发展。其评价不是精确计算的过程,具有模糊性和随机性,要用众多定性指标衡量。为更真实地反映定性评语中的不确定性,需运用云理论相关方法客观地进行评价。

云理论是李德毅提出用于不确定信息表示和处理的理论。云模型以模糊集理论和概率统计为基础,能很好地描述概念的模糊性和随机性,实现定性概念和定量数据的转换,比模糊函数具有更好的不确定性。将云理论应用于评价,能兼顾评语的模糊性和随机性,转换为数据后仍保留着不确定性,具有客观性和合理性;得出的评价结果也具有模糊性和随机性,不是精确的数,符合人类思维逻辑。

1 大中型水闸工程管理现代化评价指标体系及权重

对应水闸管理特点与现状、结合管理现代化建设要求,从规范化管理、设施设备管理、信息化管理、水资源调度运行与应急处理、水生态环境保护5个方面构建评价指标体系[8-9],其中规范化管理、信息化管理、水资源调度运行及应急处理、水生态环境保护4个指标体系对不同水利工程而言具有相通性和统一性,采用文献[9]相应指标体系;设施设备管理指标体系及权重运用德尔菲法征询专家匿名意见确定,如表1所示。

表1 水闸设施设备管理指标体系及权重

2 云理论相关概念与算法

云模型是用语言值表示的定性概念与其数值表示之间的不确定性转换模型,目前已被应用于数据挖掘、算法改进、系统评估、网络安全等领域[15]。

2.1 云与正态云

设U是一个用数值表示的定量论域,L是与论域U相联系的语言值,若定量数值x∈U且x是定性概念L的一次随机实现,则x对L的确定度μ(x)∈[0,1]是具有稳定倾向的随机数[16]。

(1)

所有x在论域U上的分布称为云。序对(x,μ(x))为一个云滴,越多越能反映定性概念的整体特性。

正态分布和正态隶属函数的普遍性奠定了正态云模型普适性的理论基础[17]。正态云模型用相互独立的参数:期望Ex、熵En、超熵He表征。期望是概念的最典型样本点;熵表示U中定性概念接受的取值范围,反映了概念的不确定性,越大表示概念越模糊或越宏观;超熵度量熵的不确定性,由熵的模糊性和随机性决定,反映云滴的离散程度。

正态云分为全云、半升云、半降云、非对称云。半云表示具有单侧特性的概念。假设所有云滴对概念的贡献总和为1,则有99.7%的云滴落在[Ex-3En,Ex+3En],故此区域外的云滴不予考虑。

2.2 相关算法

文中运用的云理论算法有:正/逆向云发生器、虚拟云、相似度和代数运算中的除法。

正向云发生器是由Ex、En、He及云滴数n生成n个序对,所有云滴形成云图[16]。逆向云发生器是由大量云滴序对得出概念的云参数,分为需要确定度和无须确定度的逆向云算法[16]。

对基云参数运算得到的新云称为虚拟云,表达虚拟语言值,包括浮动云、综合云、分解云等。其中综合云用于将2个以上同类型语言值综合为一个更广义的语言值。从低概念层次到高概念层次的概念提升过程中,迭代使用可得到所有云的参数。低层次概念之间的相互影响较小时,运用浮动云算法[18-19]。

云相似度算法用于衡量同一论域中两云的相似度(重合度)[20],云滴落入彼此覆盖范围越多,相似度越大,表示概念越接近。云滴越多,越能真实反映相似程度。

同一论域中两云的代数运算包括加减乘除[16],会增加不确定度。但云与精确数值的运算不改变不确定度。其中,当被除数为数值时,云的除法退化为

(2)

3 大中型水闸工程管理现代化评价模型

根据当地实际情况客观合理地评价水闸管理单位等级,由研究区内众多典型工程(简称参考单位)现状结合专家意见确定目标值。目标值反映特定时期的经济技术水平和价值取向,具有阶段性和地域性。运用云的除法将待评单位现状值除以目标值得到管理现代化实现程度,与事先确定的标尺云比较确定等级。评价步骤为:①参考单位评价结果云模型化;②参考单位相邻指标层的云模型综合;③确定研究区内水闸管理现代化目标值、管理现代化实现程度标尺云;④待评单位评价结果云模型化;⑤待评单位相邻指标层的云模型综合;⑥待评价单位等级评定。

参考单位与待评单位的最底层指标(对应“规范化管理”的四级指标和其他体系的三级指标)云模型化方法(即步骤①和④)不同,相邻指标层的云综合方法(即步骤②和⑤)相同,评价流程如图1所示。

图1 评价流程

3.1 评价结果云模型化

待评单位是由多位专家独立评价得到多套结果,转换综合后得到最底层指标云。参考单位是每单位一套评价结果,综合得出最底层指标云。

3.1.1 待评单位

3.1.1.1 数值型指标的云模型表示

在不同状态下的t个评价值综合成一个云模型,超熵为待定常数,期望与熵为

(3)

3.1.1.2 概念型指标的云模型表示

a. 评语与云模型转换。将评语与数值区间划分相对应,区间上的正态云为等级评价云。为便于操作,所有概念型指标设7个等级,约定区域为[0.4,1],论域划分为V={V1,V2,V3,V4,V5,V6,V7},其中,V1=[0.40,0.45]为较差;V2=(0.45,0.55]为不合格;V3=(0.55,0.65]为合格;V4=(0.65,0.75]为中等;V5=(0.75,0.85]为良好;V6=(0.85,0.95]为优秀;V7=(0.95,1.00]为极好。

较差和极好分别采用半降/半升云,其他为全云[21-22],云参数如表2所示，其中超熵取0.005。

表2 评语值-云模型转换

各等级云取1 000个云滴的云转换图，如图2所示。

图2 评语-云模型转换

b. 云模型汇总。S位专家评价云通过式(4)综合得到指标云,其中超熵取0.005。

(4)

3.1.2 参考单位

各参考单位评价结果按表2转换后,对每朵云运用正向云算法生成若干等量云滴,再运用无须确定度的逆向云算法得到参考单位指标云。

3.2 相邻指标层的云模型综合

评价指标体系中低层指标云经综合后得到高层指标云,根据低层指标间影响程度选择浮动云或综合云算法计算。指标体系中,一级指标相互影响,例如规范化管理水平提高促进其他指标体系管理水平提高;而二级及以下指标影响较小。所以一级指标云综合采用综合云算法,其他指标层则采用浮动云算法，由最底层指标云逐层上升即可求得各一级指标云和总目标云。

3.3 确定水闸管理现代化目标值、管理现代化实现程度标尺云

在参考单位计算结果基础上,结合专家意见确定管理现代化总体目标值及五项一级指标目标值,并确定管理现代化实现程度标尺云。

3.4 待评单位等级评定

将待评单位总目标云和一级指标云按照云的除法分别除以其目标值得出管理现代化实现程度云,并与标尺云对比,以相似度最大的等级为指标等级。当一级指标等级低于总目标等级时,待评单位管理现代化等级取为总目标等级降一级;否则取为总目标等级。从而分析目前管理情况和今后发展方向。

4 实例分析

以某省水闸工程管理现代化评价为例,对省内27个大型、83个中型水闸管理单位进行问卷调查,实地考察其中1个典型的大型水闸管理单位(A),由3位专家独立评价。

4.1 确定该省水闸管理现代化目标值、管理现代化实现程度标尺云

分别计算大、中型参考单位调查结果,转换后每朵云生成100个云滴,计算得到最底层指标云,经云综合后如表3所示。

表3 大、中型水闸管理评价云模型

该省水闸管理的信息化管理和水生态环境管理得分偏低,大型水闸各方面均优于中型水闸。根据计算结果结合专家意见,确定总体目标值和一级指标目标值分别为:[0.95,0.97,0.97,0.90,0.97,0.93]。确定管理现代化实现程度标尺云,如表4所示。

表4 大、中型水闸管理现代化实现程度标尺云

其中“未实现”、“全面实现”分别为半降/半升云,其他为全云。且区间[0.98,1]对“全面实现”和区间[0,0.71]对“未实现”的确定度均为1,标尺云如图3所示。

图3 水闸管理现代化实现程度标尺云

4.2 待评单位总目标及各一级指标评价云

4.2.1 评价结果云模型转换

将3位专家的评价结果转化为云模型。如:设施设备管理体系中,闸门表面无明显锈蚀,评价结果为:良好、优秀、中等,云模型化为:(0.8,0.0167,0.005)、(0.9,0.0167,0.005)、(0.7,0.0167,0.005)。根据式(4)得指标云(0.85,0.05,0.005)。同理可得水闸A设施设备管理中闸门的三级指标评价云模型为：闸门表面无明显锈蚀(0.850,0.05,0.005),闸门止水装置密封可靠(0.850,0.05,0.005),钢门体的承载构件无变形(0.917,0.05,0.005),运转部位的加油设施完好、畅通(0.917,0.05,0.005)。

4.2.2 二级指标云

采用浮动云算法得水闸A设施设备管理中的二级指标评价云模型为：闸门(0.890,0.05,0.005)，启闭机(0.917,0.05,0.005)，机电设备及防雷设施(0.870,0.05,0.005)，土工建筑物(0.883,0.05,0.005)，石工建筑物(0.870,0.05,0.005)，混凝土建筑物(0.850,0.05,0.005)，观测设施(0.850,0.05,0.005)。

4.2.3 一级指标云及总目标云

采用浮动云算法得水闸A一级指标评价云模型：规范化管理(0.881,0.05,0.005),设施设备管理(0.883,0.05,0.005),信息化管理(0.772,0.05,0.005),水资源调度运行与应急处理(0.870,0.05,0.005),水生态环境保护(0.833,0.05,0.005)。

各一级指标相互间有影响,采用综合云计算总目标云为(0.858,0.05,0.005)。

4.3 待评单位等级评定

将待评单位一级指标云及总目标云分别除以其目标值,得到管理现代化实现程度云。如总目标云除以目标值0.95,得到总目标实现程度云为(0.903,0.053,0.0053)。同理,各一级指标实现程度云分别为:(0.908,0.052,0.0052)、(0.910,0.052,0.0052)、(0.858,0.056,0.0056)、(0.897,0.052,0.0052)、(0.896,0.054,0.0054),与标尺云对比如图4所示。

图4 水闸A各管理现代化实现程度云与标尺云对比

由图4可见,水闸A规范化管理、设施设备管理、水资源调度运行及应急管理和水生态环境保护等管理现代化实现程度云均处于“较为完善”偏上,信息化管理现代化实现程度云则处于“较为完善”偏下。

为了描述更准确,计算各实现程度云模型与各等级云的相似度，如表5所示。

表5 水闸A总目标、各一级指标实现程度云与标尺各等级云相似度

由表5可以看出,信息化管理是水闸A管理现代化的短板,要针对实际情况适当增加投入、引进技术、加强管理;在水资源调度运行与应急处理和水生态环境保护方面需进一步加强管理能力;在规范化管理和设施设备管理方面需完善改进,进一步提高管理效果。总体来说,水闸A达到了较为完善等级,下阶段管理现代化建设重点应放在信息化管理、水资源调度运行与应急管理和水生态环境保护方面，同时也要在规范化管理、设施设备管理方面完善不足之处,做到全面发展。由此看来,相似度计算不仅能得出目标云最贴合的等级,还明确了目标云与各等级云的相似程度,当目标云覆盖2个以上等级云区域时,利于做出准确判断。

5 结 语

评价指标体系为水闸工程管理现代化建设提供方向和内容,有助于保障工程稳定运行、提高管理水平、充分发挥工程效益、增强单位活力、保障水生态环境可持续发展。云理论的应用能够对专家等级评价以思维的模糊性与随机性的角度进行理解和转换,利于准确把握水闸工程管理现代化程度、合理确定管理现代化总体目标及一级指标目标。结合云综合算法,使云理论在评价的应用从单层指标扩展到多层指标。评定等级以实际值/目标值的相对值为依据,具有客观性和灵活性;运用相似度算法便于理性确定评价等级,具有准确性;对比云图则更加直观地反映了待评单位管理现代化实现程度,为管理现代化建设和发展提供依据和导向。

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中央高校基金前瞻性项目(2014B05814);国家自然科学基金(51309076);江苏高校优势学科建设工程资助项目(3014-SYS1401)

高玉琴(1978—),女,副教授,主要从事水利规划与水利经济、洪水控制、工程管理等研究。E-mail:178164576@qq.com

10.3880/j.issn.1003-9511.2017.02.014

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1003-9511(2017)02-0063-06

2016-12-06 编辑：方宇彤)