基于云模型的泵站现代化管理综合评价

王 鑫，徐钰德，赵志宏，胡小萌

（1.华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450046；2.河南省水工结构安全工程技术研究中心，河南 郑州 450046）

建设泵站工程是解决区域干旱缺水、洪涝灾害以及水资源短缺的有效措施，其在农田灌溉、城市供水和排涝排污等方面发挥了极大作用［1］。 随着信息化技术的不断发展，国内学者针对泵站现代化管理理念、建筑物运行安全评价等方面做了大量研究工作。 例如：王芳［2］以江苏省大套一站为研究对象，基于泵站运行状态、技术运行状态等层面构建了适用于大中型提水泵站的复合型评价指标体系以及多级模糊评价系统；吕淑然等［3］基于事故致因理论构建泵站运行安全评价指标体系，结合灰色关联度分析法和网络层次分析法对南水北调中线某大型泵站运行状态进行评价，评价结果与实际状态一致，验证了该方法的有效性。 然而，已有研究针对泵站现代化管理评价主要集中于设备运行状态、技术性能以及经济贡献等方面，忽略了对泵站系统的整体考虑，泵站现代化管理评价还应包括管理体制先进性、管控技术信息化以及管理组织现代化等方面。 由于影响泵站现代化管理评价的指标众多，同时防汛调度科学度、绿化管理程度、运行管理程度等指标具有一定的模糊性，因此很难实现泵站现代化管理水平的综合评价。

本文从泵站管理规范化、基建设施完善度等6 个方面划分系统层，选取32 个要素层评价指标，引入多个独立等级浮动云集成广义综合云，采用CM-AHP 法对评价指标主观赋权并结合“黄金分割率”对指标进行两两重要性评判，采用云生成法对这些指标进行描述后确定评价标准云模型，将得到的评价矩阵与权重矩阵相乘得到综合评价云模型，通过云发生器原理对定性概念进行定量化揭示并在云图中进行可视化表达，运用此模型对江苏省南通市九圩港提水泵站现代化管理水平进行评价。

1 泵站现代化管理综合评价指标体系

以泵站现代化管理的内涵和目标为导向，将泵站现代化管理综合评价指标体系划分为目标层、系统层、要素层以及评语层。 从管理规范化、基建设施完善度、管理信息化、应急处理能力、环境卫生管理以及水压水量水质达标管理这6 个方面对系统层进行划分［4-6］，结合泵站系统的实际特点并征集专家意见，筛选出32个要素层指标［7-8］，所构建的综合评价指标体系见图1。 进一步对要素层指标进行量化分级，见表1。

表1 要素层指标量化分级

图1 各系统层对应的评价指标

2 研究方法

2.1 云模型

云模型可用于处理评价过程中指标的模糊性、随机性问题［9-11］，其特性主要由Ex（期望）、En（熵）、He（超熵）这3 个云参数来表征，其中：Ex反映云滴群的重心；En反映云滴的离散程度；He反映云滴的厚度。正态云模型数字特征见图2。

图2 正态云模型数字特征

针对泵站现代化管理综合评价指标体系中各指标之间关联性相对较弱的问题，可引入多个独立等级浮动云集成广义综合云。设在论域U上有m朵等级浮动云Y1（Ex1，En1，He1），Y2（Ex2，En2，He2），…，Ym（Exm，Enm，Hem） ，集合生成广义综合云（Ex，En，He）来反映各等级浮动云之间的空白值，广义综合云参数计算公式如下：

式中：Exg为第g朵等级浮动云的期望；Eng为第g朵等级浮动云的熵；Heg为第g朵等级浮动云的超熵；ag为第g朵等级浮动云的权重。

在云模型中，通过云发生器（正向与逆向）来实现定量数值到定性概念的转换，云发生器基于模糊理论以及正态分布理论，以MATLAB 为技术平台，以云图形式对综合云进行可视化表达，若云滴x服从正态分布N（Ex，En2），则x与定性因素L之间的关联度μ（x）表达如下：

2.2 CM-AHP 法主观赋权

采用CM-AHP 法对评价指标主观赋权［12］，即将云模型与传统AHP 标度法进行耦合，基于云集结算法对多个指标评判结果进行综合评判，一定程度上避免了评判过程的主观性与绝对性［13-14］，同时结合“黄金分割率”得到指标两两重要性标度，见表2。

表2 指标两两重要性标度

基于云模型构建指标两两重要性判断矩阵，对矩阵中对角线的倒数标度Eij进行计算，公式为

进一步计算各指标权重（Exi，Eni，Hei） ，公式为

式中：i、j分别为评价矩阵行、列序号。

2.3 构建评价标准云模型

泵站现代化管理综合评价中确立评语集是实现定性评价到定量化揭示的关键，针对评价过程中存在的指标模糊性问题，运用云生成法对这些定性指标进行描述，采用单因素法建立泵站现代化管理水平评语集，把指标划分为“差Ⅰ、较差Ⅱ、中等Ⅲ、较好Ⅳ、好Ⅴ”，表述为D=｛Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅲ｝ =｛差，较差，中等，较好，好｝，以此为基础构建评价标准云模型。 评价标准云模型中等级浮动云特征参数见表3，泵站现代化管理等级评价标准云图见图3。

表3 等级浮动云特征参数

图3 泵站现代化管理等级评价标准云图

2.4 确定综合评价云模型

针对32 个泵站现代化管理综合评价指标，结合指标量化分级表和专家打分结果，构造含有32 个评价标准云模型的评价矩阵V：

式中：Ci为第i个指标对应的管理水平等级（i=1，2，…，32）

综合评价云模型由评价矩阵V与权重矩阵W相乘得出：

3 实例分析

3.1 提水泵站概况

江苏省南通市九圩港提水泵站位于九圩港入江口段的九圩港闸西侧，该泵站工程规模为大（2）型，泵站安装有5 台套竖井贯流式机组，水泵叶轮直径为3.25 m，泵站设计扬程为4.50 m，单机设计流量为30 m3／s，所配套电机功率为1250 kW，总装机功率为6250 kW。 该泵站兼具引水、灌溉和供水等功能，通过引长江水来满足南通地区居民生产生活和沿海滩涂开发用水需求，有效缓解了南通地区干旱年份水资源供需矛盾。

3.2 指标权重的求解

首先对九圩港提水泵站运行状况进行数据收集及现场调研，共聘请3 名专家、4 名管理人员以及3 名灌区日常运行工作人员并成立评判小组，对要素层指标进行两两重要性评判；再通过等级浮动云集成专家评判语言，得到判断矩阵并对矩阵进行一致性检验；最后得到各指标权重，见表4。

表4 评价指标权重

为确定CM-AHP 法赋权的云模型评价法的可行性，结合泵站实地调查资料和统计资料，根据专家评判结果确定各评价指标对应的云特征值，见表5。

表5 评价指标云特征值

3.3 综合评价

根据公式（8）将要素层评价指标的评价矩阵和权重矩阵相乘得到泵站现代化管理综合评价云模型R=［0.7674，0.0733，0.0094］，通过正向云发生器得到综合评价结果云图，见图4。可以看出，九圩港提水泵站现代化管理水平介于“Ⅳ（较好）”和“Ⅴ（好）”之间，更贴近于“Ⅳ（较好）”级，且云滴分布较为集中，表明九圩港提水泵站现代化管理综合评价结果与预期评价结果的偏差较小，同时综合评价云模型的熵和超熵数值均较小，反映了评价结果的不确定度和离散程度较低，评价结果的可信度较高。

图4 综合评价结果云图

通过对九圩港提水泵站实地调研发现，其管理制度比较健全，机构设置比较规范，制度执行力和泵站运行监管力较强；通过人才培训增强管理人员专业性，提升了泵站基建设施设备运行维护的规范性；利用信息化监测系统实时监测泵站运行状态，能够对泵站运行中出现的故障做出快速反应和处理；通过环境治理与管理，泵站卫生状况得到改善。 以上情况表明该提水泵站实际管理状态较好，整体运行管理水平较高。 由综合评价结果可知，九圩港提水泵站现代化管理水平属于较高级别，综合评价结果基本符合研究区实际管理水平，说明此模型在泵站运行管理水平评估中具有较高的可靠性。

4 结论

（1）以目标、系统、要素、评语4 个层面为核心，构建泵站系统现代化管理综合评价指标体系；通过建立云模型并引入浮动云概念，实现了等级浮动云与综合评价云的数量级转化，避免了单一隶属关系形成的弊端；通过将云模型与传统AHP 法进行耦合，弱化了专家评判的主观性，确保了权重计算结果具有较强的客观性，使评价结果更加可信。

（2）基于所构建的评价模型对九圩港提水泵站现代化管理水平进行评价，结果显示综合评价云模型R=［0.7674，0.0733，0.0094］，表明泵站系统现代化管理水平介于“Ⅳ（较好）”和“Ⅴ（好）”之间，熵和超熵数值较小，表明评价结果波动性小，能够反映泵站系统实际现代化管理水平。