高玉琴,陳鴻玉,肖 璇,徐 津

(河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098)

基于云理論的大中型水閘工程管理現(xiàn)代化評價

高玉琴,陳鴻玉,肖 璇,徐 津

(河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098)

建立水閘工程管理現(xiàn)代化評價指標體系,全面、客觀地評價其進程?；诜从持R表示中模糊性、隨機性及兩者關聯(lián)的云理論,提出評價方法并進行實例分析。對某省23個大型、87個中型水閘工程管理單位問卷調查和抽樣實地考察,評估確定水閘管理現(xiàn)代化目標值。以某水閘管理情況與目標值相比確定該水閘管理現(xiàn)代化實現(xiàn)程度等級。實例證明此方法應用于水閘管理評價具有適用性、準確性、高效性,其評價結果能夠為下階段管理現(xiàn)代化建設提供導向和依據。

水閘管理現(xiàn)代化;評價指標體系;云模型

水閘工程對于防洪安全、水資源合理利用、生態(tài)環(huán)境保護、工農業(yè)穩(wěn)定高效生產、推動國民經濟發(fā)展等具有不可替代的重要作用,截至2015年底,我國已建成流量為5 m3/s及以上的水閘103 964座[1]。近年來,國家對水利建設投資逐年增長,同時堅持建管并重,積極推行水利工程管理體制改革。水利工程管理現(xiàn)代化越來越受到重視,不僅對推進水利現(xiàn)代化和實現(xiàn)水利可持續(xù)發(fā)展起到促進作用,也是解決當前水利工程管理問題的重要途徑。當前，對水利工程管理的內涵、目標及內容已有專門的研究[2-3],并構建了比較完整的評價指標體系[4-8],對堤防、泵站的管理現(xiàn)代化及其評價指標體系也進行了研究[9-10],但對水閘工程管理現(xiàn)代化還沒有針對性的、系統(tǒng)的研究。

目前我國水閘管理過程中存在管理體制不夠完善、機制不夠靈活、經費不足或沒有穩(wěn)定來源、人員結構不夠合理、設施設備損壞、信息化程度低、應急機制缺乏、水生態(tài)環(huán)境管理薄弱等問題,不利于水閘長期安全運行和發(fā)揮效益。因此,進行水閘工程管理現(xiàn)代化建設是必然趨勢,對其進行研究和評價具有重要意義。已有研究主要是分析存在的問題、提出改善舉措等[11-13],劉俊濱等[14]對水閘管理考核進行了模糊評價研究。為了評價水閘工程管理單位現(xiàn)狀和管理現(xiàn)代化進程,筆者以大中型水閘為研究對象,建立科學的評價指標體系，研究合理有效的評價方法。

根據水利工程管理現(xiàn)代化的研究,以及水閘運行管理實踐經驗,將水閘工程管理現(xiàn)代化的內涵概括為:適應社會經濟科學發(fā)展和水利現(xiàn)代化的客觀需要,創(chuàng)建科學先進的現(xiàn)代化水閘工程管理體系,包括樹立現(xiàn)代化管理觀念、引進和培養(yǎng)管理及科技人才、健全現(xiàn)代化管理體制機制法制、具備高標準設施設備、提高管理信息化程度、掌握先進的調度手段、提高應急處理能力、保護水生態(tài)環(huán)境、發(fā)掘水文化等,做到因地制宜、全面發(fā)展。其評價不是精確計算的過程,具有模糊性和隨機性,要用眾多定性指標衡量。為更真實地反映定性評語中的不確定性,需運用云理論相關方法客觀地進行評價。

云理論是李德毅提出用于不確定信息表示和處理的理論。云模型以模糊集理論和概率統(tǒng)計為基礎,能很好地描述概念的模糊性和隨機性,實現(xiàn)定性概念和定量數據的轉換,比模糊函數具有更好的不確定性。將云理論應用于評價,能兼顧評語的模糊性和隨機性,轉換為數據后仍保留著不確定性,具有客觀性和合理性;得出的評價結果也具有模糊性和隨機性,不是精確的數,符合人類思維邏輯。

1 大中型水閘工程管理現(xiàn)代化評價指標體系及權重

對應水閘管理特點與現(xiàn)狀、結合管理現(xiàn)代化建設要求,從規(guī)范化管理、設施設備管理、信息化管理、水資源調度運行與應急處理、水生態(tài)環(huán)境保護5個方面構建評價指標體系[8-9],其中規(guī)范化管理、信息化管理、水資源調度運行及應急處理、水生態(tài)環(huán)境保護4個指標體系對不同水利工程而言具有相通性和統(tǒng)一性,采用文獻[9]相應指標體系;設施設備管理指標體系及權重運用德爾菲法征詢專家匿名意見確定,如表1所示。

表1 水閘設施設備管理指標體系及權重

2 云理論相關概念與算法

云模型是用語言值表示的定性概念與其數值表示之間的不確定性轉換模型,目前已被應用于數據挖掘、算法改進、系統(tǒng)評估、網絡安全等領域[15]。

2.1 云與正態(tài)云

設U是一個用數值表示的定量論域,L是與論域U相聯(lián)系的語言值,若定量數值x∈U且x是定性概念L的一次隨機實現(xiàn),則x對L的確定度μ(x)∈[0,1]是具有穩(wěn)定傾向的隨機數[16]。

(1)

所有x在論域U上的分布稱為云。序對(x,μ(x))為一個云滴,越多越能反映定性概念的整體特性。

正態(tài)分布和正態(tài)隸屬函數的普遍性奠定了正態(tài)云模型普適性的理論基礎[17]。正態(tài)云模型用相互獨立的參數:期望Ex、熵En、超熵He表征。期望是概念的最典型樣本點;熵表示U中定性概念接受的取值范圍,反映了概念的不確定性,越大表示概念越模糊或越宏觀;超熵度量熵的不確定性,由熵的模糊性和隨機性決定,反映云滴的離散程度。

正態(tài)云分為全云、半升云、半降云、非對稱云。半云表示具有單側特性的概念。假設所有云滴對概念的貢獻總和為1,則有99.7%的云滴落在[Ex-3En,Ex+3En],故此區(qū)域外的云滴不予考慮。

2.2 相關算法

文中運用的云理論算法有:正/逆向云發(fā)生器、虛擬云、相似度和代數運算中的除法。

正向云發(fā)生器是由Ex、En、He及云滴數n生成n個序對,所有云滴形成云圖[16]。逆向云發(fā)生器是由大量云滴序對得出概念的云參數,分為需要確定度和無須確定度的逆向云算法[16]。

對基云參數運算得到的新云稱為虛擬云,表達虛擬語言值,包括浮動云、綜合云、分解云等。其中綜合云用于將2個以上同類型語言值綜合為一個更廣義的語言值。從低概念層次到高概念層次的概念提升過程中,迭代使用可得到所有云的參數。低層次概念之間的相互影響較小時,運用浮動云算法[18-19]。

云相似度算法用于衡量同一論域中兩云的相似度(重合度)[20],云滴落入彼此覆蓋范圍越多,相似度越大,表示概念越接近。云滴越多,越能真實反映相似程度。

同一論域中兩云的代數運算包括加減乘除[16],會增加不確定度。但云與精確數值的運算不改變不確定度。其中,當被除數為數值時,云的除法退化為

(2)

3 大中型水閘工程管理現(xiàn)代化評價模型

根據當地實際情況客觀合理地評價水閘管理單位等級,由研究區(qū)內眾多典型工程(簡稱參考單位)現(xiàn)狀結合專家意見確定目標值。目標值反映特定時期的經濟技術水平和價值取向,具有階段性和地域性。運用云的除法將待評單位現(xiàn)狀值除以目標值得到管理現(xiàn)代化實現(xiàn)程度,與事先確定的標尺云比較確定等級。評價步驟為:①參考單位評價結果云模型化;②參考單位相鄰指標層的云模型綜合;③確定研究區(qū)內水閘管理現(xiàn)代化目標值、管理現(xiàn)代化實現(xiàn)程度標尺云;④待評單位評價結果云模型化;⑤待評單位相鄰指標層的云模型綜合;⑥待評價單位等級評定。

參考單位與待評單位的最底層指標(對應“規(guī)范化管理”的四級指標和其他體系的三級指標)云模型化方法(即步驟①和④)不同,相鄰指標層的云綜合方法(即步驟②和⑤)相同,評價流程如圖1所示。

圖1 評價流程

3.1 評價結果云模型化

待評單位是由多位專家獨立評價得到多套結果,轉換綜合后得到最底層指標云。參考單位是每單位一套評價結果,綜合得出最底層指標云。

3.1.1 待評單位

3.1.1.1 數值型指標的云模型表示

在不同狀態(tài)下的t個評價值綜合成一個云模型,超熵為待定常數,期望與熵為

(3)

3.1.1.2 概念型指標的云模型表示

a. 評語與云模型轉換。將評語與數值區(qū)間劃分相對應,區(qū)間上的正態(tài)云為等級評價云。為便于操作,所有概念型指標設7個等級,約定區(qū)域為[0.4,1],論域劃分為V={V1,V2,V3,V4,V5,V6,V7},其中,V1=[0.40,0.45]為較差;V2=(0.45,0.55]為不合格;V3=(0.55,0.65]為合格;V4=(0.65,0.75]為中等;V5=(0.75,0.85]為良好;V6=(0.85,0.95]為優(yōu)秀;V7=(0.95,1.00]為極好。

較差和極好分別采用半降/半升云,其他為全云[21-22],云參數如表2所示，其中超熵取0.005。

表2 評語值-云模型轉換

各等級云取1 000個云滴的云轉換圖，如圖2所示。

圖2 評語-云模型轉換

b. 云模型匯總。S位專家評價云通過式(4)綜合得到指標云,其中超熵取0.005。

(4)

3.1.2 參考單位

各參考單位評價結果按表2轉換后,對每朵云運用正向云算法生成若干等量云滴,再運用無須確定度的逆向云算法得到參考單位指標云。

3.2 相鄰指標層的云模型綜合

評價指標體系中低層指標云經綜合后得到高層指標云,根據低層指標間影響程度選擇浮動云或綜合云算法計算。指標體系中,一級指標相互影響,例如規(guī)范化管理水平提高促進其他指標體系管理水平提高;而二級及以下指標影響較小。所以一級指標云綜合采用綜合云算法,其他指標層則采用浮動云算法，由最底層指標云逐層上升即可求得各一級指標云和總目標云。

3.3 確定水閘管理現(xiàn)代化目標值、管理現(xiàn)代化實現(xiàn)程度標尺云

在參考單位計算結果基礎上,結合專家意見確定管理現(xiàn)代化總體目標值及五項一級指標目標值,并確定管理現(xiàn)代化實現(xiàn)程度標尺云。

3.4 待評單位等級評定

將待評單位總目標云和一級指標云按照云的除法分別除以其目標值得出管理現(xiàn)代化實現(xiàn)程度云,并與標尺云對比,以相似度最大的等級為指標等級。當一級指標等級低于總目標等級時,待評單位管理現(xiàn)代化等級取為總目標等級降一級;否則取為總目標等級。從而分析目前管理情況和今后發(fā)展方向。

4 實例分析

以某省水閘工程管理現(xiàn)代化評價為例,對省內27個大型、83個中型水閘管理單位進行問卷調查,實地考察其中1個典型的大型水閘管理單位(A),由3位專家獨立評價。

4.1 確定該省水閘管理現(xiàn)代化目標值、管理現(xiàn)代化實現(xiàn)程度標尺云

分別計算大、中型參考單位調查結果,轉換后每朵云生成100個云滴,計算得到最底層指標云,經云綜合后如表3所示。

表3 大、中型水閘管理評價云模型

該省水閘管理的信息化管理和水生態(tài)環(huán)境管理得分偏低,大型水閘各方面均優(yōu)于中型水閘。根據計算結果結合專家意見,確定總體目標值和一級指標目標值分別為:[0.95,0.97,0.97,0.90,0.97,0.93]。確定管理現(xiàn)代化實現(xiàn)程度標尺云,如表4所示。

表4 大、中型水閘管理現(xiàn)代化實現(xiàn)程度標尺云

其中“未實現(xiàn)”、“全面實現(xiàn)”分別為半降/半升云,其他為全云。且區(qū)間[0.98,1]對“全面實現(xiàn)”和區(qū)間[0,0.71]對“未實現(xiàn)”的確定度均為1,標尺云如圖3所示。

圖3 水閘管理現(xiàn)代化實現(xiàn)程度標尺云

4.2 待評單位總目標及各一級指標評價云

4.2.1 評價結果云模型轉換

將3位專家的評價結果轉化為云模型。如:設施設備管理體系中,閘門表面無明顯銹蝕,評價結果為:良好、優(yōu)秀、中等,云模型化為:(0.8,0.0167,0.005)、(0.9,0.0167,0.005)、(0.7,0.0167,0.005)。根據式(4)得指標云(0.85,0.05,0.005)。同理可得水閘A設施設備管理中閘門的三級指標評價云模型為：閘門表面無明顯銹蝕(0.850,0.05,0.005),閘門止水裝置密封可靠(0.850,0.05,0.005),鋼門體的承載構件無變形(0.917,0.05,0.005),運轉部位的加油設施完好、暢通(0.917,0.05,0.005)。

4.2.2 二級指標云

采用浮動云算法得水閘A設施設備管理中的二級指標評價云模型為：閘門(0.890,0.05,0.005)，啟閉機(0.917,0.05,0.005)，機電設備及防雷設施(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)，觀測設施(0.850,0.05,0.005)。

4.2.3 一級指標云及總目標云

采用浮動云算法得水閘A一級指標評價云模型：規(guī)范化管理(0.881,0.05,0.005),設施設備管理(0.883,0.05,0.005),信息化管理(0.772,0.05,0.005),水資源調度運行與應急處理(0.870,0.05,0.005),水生態(tài)環(huán)境保護(0.833,0.05,0.005)。

各一級指標相互間有影響,采用綜合云計算總目標云為(0.858,0.05,0.005)。

4.3 待評單位等級評定

將待評單位一級指標云及總目標云分別除以其目標值,得到管理現(xiàn)代化實現(xiàn)程度云。如總目標云除以目標值0.95,得到總目標實現(xiàn)程度云為(0.903,0.053,0.0053)。同理,各一級指標實現(xiàn)程度云分別為:(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),與標尺云對比如圖4所示。

圖4 水閘A各管理現(xiàn)代化實現(xiàn)程度云與標尺云對比

由圖4可見,水閘A規(guī)范化管理、設施設備管理、水資源調度運行及應急管理和水生態(tài)環(huán)境保護等管理現(xiàn)代化實現(xiàn)程度云均處于“較為完善”偏上,信息化管理現(xiàn)代化實現(xiàn)程度云則處于“較為完善”偏下。

為了描述更準確,計算各實現(xiàn)程度云模型與各等級云的相似度，如表5所示。

表5 水閘A總目標、各一級指標實現(xiàn)程度云與標尺各等級云相似度

由表5可以看出,信息化管理是水閘A管理現(xiàn)代化的短板,要針對實際情況適當增加投入、引進技術、加強管理;在水資源調度運行與應急處理和水生態(tài)環(huán)境保護方面需進一步加強管理能力;在規(guī)范化管理和設施設備管理方面需完善改進,進一步提高管理效果?？傮w來說,水閘A達到了較為完善等級,下階段管理現(xiàn)代化建設重點應放在信息化管理、水資源調度運行與應急管理和水生態(tài)環(huán)境保護方面，同時也要在規(guī)范化管理、設施設備管理方面完善不足之處,做到全面發(fā)展。由此看來,相似度計算不僅能得出目標云最貼合的等級,還明確了目標云與各等級云的相似程度,當目標云覆蓋2個以上等級云區(qū)域時,利于做出準確判斷。

5 結 語

評價指標體系為水閘工程管理現(xiàn)代化建設提供方向和內容,有助于保障工程穩(wěn)定運行、提高管理水平、充分發(fā)揮工程效益、增強單位活力、保障水生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。云理論的應用能夠對專家等級評價以思維的模糊性與隨機性的角度進行理解和轉換,利于準確把握水閘工程管理現(xiàn)代化程度、合理確定管理現(xiàn)代化總體目標及一級指標目標。結合云綜合算法,使云理論在評價的應用從單層指標擴展到多層指標。評定等級以實際值/目標值的相對值為依據,具有客觀性和靈活性;運用相似度算法便于理性確定評價等級,具有準確性;對比云圖則更加直觀地反映了待評單位管理現(xiàn)代化實現(xiàn)程度,為管理現(xiàn)代化建設和發(fā)展提供依據和導向。

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中央高校基金前瞻性項目(2014B05814);國家自然科學基金(51309076);江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目(3014-SYS1401)

高玉琴(1978—),女,副教授,主要從事水利規(guī)劃與水利經濟、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 編輯：方宇彤)