丹山拦河闸止水工程系统风险评价技术研究

许林涛

(临沂市水利水电工程建设监理中心，山东 临沂 276300)

拦河闸止水工程系统是一种在江河、湖泊周围修建的，用于防止洪水灾害的建筑物，主要应用于防洪工程体系。在相当长的一段时间内，起到了维护河岸经济发展，提升工农业用水量的作用。随着近年来经济的迅速发展，洪水灾害频率的增加限制了当地的经济发展，严重威胁到当地居民的人身安全[1-2]。为了缓解洪水灾害对于沿河地段居民安全与经济发展的影响，有必要优化拦河闸止水工程系统风险分析与评估过程，使用更加先进的风险评价与控制技术，为拦河闸止水工程系统风险管理与决策提供数据来源。

高军等构建了工程项目风险演化评价的系统动力学仿真模型，并将大型石油工程项目作为研究对象，进行验证。结果可知，此方法具有一定的使用效果，但对于大型水利工程而言，还需要进行相应的优化[3]。鲁惠敏等利用层次分析法确定风险指标权重，结合集对分析的联系度理论，运用模糊综合评价法构建了混合风险评价模型，此模型使用效果较好但相对数据运算量较大，与大型水利工程的适配性较低[4]。针对此情况，在本次研究中将丹山拦河闸止水工程系统作为研究对象，设计新型风险评价技术，提升止水工程系统的风险分析能力与控制能力。

1 系统风险评价技术设计

本次将采用多种评价方式完成风险评价技术的设计过程，如图1所示。

图1 系统风险评价技术设计流程

本次研究中将比对目前使用中的多种风险评价技术，总结出适用于丹山拦河闸止水工程系统的定性、定量评估方式。收集止水工程系统的历史数据，利用科学的统计方法分析其对止水工程系统安全运行的影响程度，并构建相应的风险评价指标。通过构建风险评价模型的方式，对止水工程系统进行科学，全面的风险辨识。同时构建相应的风险评价结果等级划分制度，以保证风险评价结果的可靠性。

1.1 选取风险评价指标

在本次研究中，选用主要成分分析法[5-6]作为风险评价指标选取的主要方法。在风险评价指标选取的过程中，首先需要对原始数据进行标准化处理，消除不同类别数据之间的差异，实现数据之间的对比。设定采集到的拦河闸止水工程系统风险数据集合为：

A={aij}nm

(1)

式中，n—原始数据个数；m—预设指标个数；aij—第i个原始数据的第j个指标数据值，数据标准化处理过程可表示为：

(2)

式中，aij′—标准化变换后的数据；aij—原始数据，且有：

(3)

(4)

根据上述公式，可得到原始数据处理后的相关系数矩阵，内容如下：

(5)

其中，

(6)

使用上述公式，结合数据迭代原理可得到原始数据的特征值，此部分具体计算过程如下：

|U-αI|=0

(7)

(8)

使用此公式对原始数据展开计算，当计算至第n个指标时，其主要成分计算公式可表示为：

(9)

根据上述公式，可得到风险评价指标主要构成成分的线性组合，具体公式如下：

(10)

通过以上计算过程，确定本次风险评价过程中的主要评价指标，并根据指标选取结果构建相应的评价模型。

1.2 计算评价指标权重

通过文献研究发现，在此工程系统的施工过程中，涉及到大量的无量纲化指标，为了提高风险评价的精准度，将评价指标划分为正因子与逆因子[7]两部分，如图2所示。

图2 评价指标划分结果示意图

根据上述图像，将指标内容变换如下：

正因子指标：

(11)

逆因子指标：

(12)

由于本次研究中的部分指标为双边因子，因此将其设定为区间型因子，具体表示形式如以下公式所示：

(13)

式中，h—评价指标的因子评价值；g—有量纲因子的实际数值；gmin—有量纲因子的最小值；gmax—有量纲因子的最大值。

根据丹山拦河闸止水工程数据特征，将指标权重计算公式显示如下：

(14)

根据盲数运算法则[8]对指标权重进行计算，设定指标权重计算公式如下：

(15)

根据上述公式，对评价指标体系中的指标权重展开计算，并将其作为评价模型构建的基础。

1.3 构建止水工程系统风险评价模型

使用上述得到的评价指标以及权重，结合灰色模糊综合评价方法[9-10]，构建拦河闸止水工程系统风险评价模型。设定止水工程系统的评价因素集合为：

W={w1，w2，…，wi}

(16)

各因素的评价结果为：

Q={q1，q2，…，qi}

(17)

总评判为直积空间X×Y的灰色模糊关系R，通过矩阵可将其表示为：

(18)

如果在评价的过程中含有部分未知数据，需要估算此数据的权重，则其权重可表示为：

D={(d1，sm(a1))，(d2，sm(a2))，…，(dn，sm(an))}

(19)

通过上述公式，得到最终的灰色模糊单层次综合评判结果，具体计算过程如下：

T=D·R=(D·R，D′·R′)

(20)

根据此公式结合“和积法”，将风险评价内容划分为经济方向以及安全方向，依照损失率可将其体现为：

(21)

式中，∂ijk—经济方向风险评估结果；Eijk—安全方向风险评估结果；CI—一致性指标；RI—平均随机一致性指标；CR—一致性比例；n—阶数。

则一致性验证过程可表示如下：

(22)

(23)

使用上述公式对评价结果进行验证，并将其结果作为最终的风险评价结果输出。至此，丹山拦河闸止水工程系统风险评价技术设计完成。

2 应用实验分析

2.1 实验环境设计

上文中设计了止水工程系统风险评价技术，为了证实此技术具有一定的使用效果，设定应用实验环节对其使用后情况展开分析。为了提高实验过程中的对比性，选择两种当前使用中的技术作为对照组完成实验对比过程。实验中为了更好的控制实验变量，实验平台参数设定见表1。

表1 实验平台设计

根据上述参数，完成实验平台的搭建工作，并选择合适的模拟工具对丹山拦河闸止水工程系统进行模拟，以此降低实验难度，提高实验处理速度。

2.2 实验对比内容

本次实验过程中，将获取丹山拦河闸止水工程系统近一年的运行数据作为实验中所需的数据样本，此部分数据包含自然环境数据，日常运行模型以及系统设计参数。其中以自然环境数据作为主要的风险评价数据，当地的地质环境、水文环境以及自然灾害情况均作为风险评价数据。对实验数据进行整理后，将其导入新型风险评价技术以及当前技术中，选取风险预警速度、风险等级划分结果精度以及预估经济损失情况作为新型风险评价技术以及当前技术的对比对象，通过多次实验的形式，完成新型风险评价技术与当前技术的对比过程。

2.3 实验结果分析

风险预警速度实验结果如图3所示，对图3分析后可知，新型风险评价技术使用后，风险预警速度得到了明显的提升，通过研究发现，新型风险评价技术的计算过程较为简便，降低了风险评价技术的使用难度，提高了风险预警的反应速度。与新型风险评价技术相比，当前技术使用后风险预警速度并未得到相应的提升，且实验中使用的两种当前技术风险预警速度相对较慢。在相同的时间内，当前使用技术所传输的数据量较小。综合上述实验结果可知，新型风险评价技术在此指标的对比过程中所得实验结果最佳。使用新型风险评价技术对于工程系统的管理具有一定的辅助作用。

图3 风险预警速度实验结果

在本次实验过程中，将风险等级划分结果精度体现为风险等级划分后，每一等级之间的数据差异大小，如图4所示。对图4进行分析可以发现，新型风险评价技术的风险等级划分结果精度更高且更加精准。新型风险评价技术将风险评价结果分为5级，每一等级之间具有明显的差异。当前方法将风险等级划分为3级与4级，等级之间的差异性较小，无法对工程系统的风险展开全面的分析与及时的预警。因此，在日后的研究中应多使用新型风险评价技术对丹山拦河闸止水工程进行分析。

图4 风险等级划分结果精度实验结果

在指标对比过程中，为降低实验数据的获取难度，将其转化为风险评价技术使用后可造成经济损失最小值与最大值，通过数据对比的形式，研究新型风险评价技术与当前技术的使用差异，见表2。对上述数据进行分析后可知，新型风险评价技术使用后，造成的经济损失为3种实验技术中最低值，可有效控制工程系统的经济风险。与新型风险评价技术相比，当前使用技术对于风险中的经济损失控制无法提供较好的辅助作用。因此，根据上述实验结果可知，新型风险评价技术的使用效果更佳。

表2 预估经济损失情况分析

综合风险预警速度实验结果、风险等级划分结果精度实验结果以及预估经济损失情况分析结果可知，新型风险评价技术的设计具有科学性与可行性，在日后的研究中可使用此技术对工程系统的风险情况进行实时监测，以保证当地群众的人身与财产安全。

3 结语

在本次研究中，使用主要成分分析法选取风险评价指标，将评价指标划分为正因子与逆因子两部分，计算评价指标权重。使用灰色模糊综合评价方法，构建了拦河闸止水工程系统风险评价模型。应用新型风险评价技术对于丹山拦河闸止水工程系统的运行情况进行分析，控制丹山拦河闸止水工程系统的日常运行。新型风险评价技术对工程系统的风险情况进行实时监测，可以保证当地群众的人身与财产安全。但本次研究中提出的评价技术在一定程度上还存在着不足，在日后的研究中，应多使用新型风险评价技术进行分析，提升此技术的使用效果。