大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià)指標(biāo)體系研究

0監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià)的主要過程監(jiān)測系統(tǒng)是接收水庫安全監(jiān)測信息的載體。只有良好的監(jiān)測系統(tǒng)才能獲得可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，水庫安全分析、評價(jià)和監(jiān)測才能合理可靠。我國上世紀(jì)80年代開始在大壩上較大規(guī)模地布置監(jiān)測系統(tǒng),目前不少大壩的監(jiān)測儀器和系統(tǒng)已運(yùn)行30余年甚至更長的時(shí)間,存在不同程度的老化,或原監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)已不適應(yīng)當(dāng)前條件下大壩安全監(jiān)控的要求。因此,開展監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià),以確定監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài),對充分發(fā)揮大壩安全監(jiān)測的作用和保障大壩安全具有十分重要的意義。綜合評價(jià)是判斷大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)工作狀態(tài)的主要途徑[1~3],但目前其理論研究還不充分,評價(jià)指標(biāo)和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)大多缺乏明確的規(guī)范或規(guī)定,一些關(guān)鍵性的技術(shù)問題還亟待進(jìn)行深入研究。本文根據(jù)相關(guān)的技術(shù)規(guī)范或規(guī)定[4~6],結(jié)合作者近年來在監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià)方面的工程實(shí)踐,構(gòu)建了一個(gè)普遍意義下的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià)指標(biāo)體系,分析了代表性評價(jià)指標(biāo)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和度量方法,提出了綜合評價(jià)等級劃分的方法,討論了綜合評價(jià)的基本途徑。本文的研究目的,旨在為大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià)提供較系統(tǒng)性的、可供借鑒的方法和經(jīng)驗(yàn),也為將來制定大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià)的相關(guān)技術(shù)規(guī)范提供一些有益的依據(jù)和參考。1監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià)的指標(biāo)目前大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià)工作尚未形成明確的評價(jià)指標(biāo)體系,根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的基本特點(diǎn)和評價(jià)實(shí)踐,監(jiān)測系統(tǒng)評價(jià)應(yīng)從監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(監(jiān)測布置)、組成整體監(jiān)測系統(tǒng)的各單項(xiàng)監(jiān)測系統(tǒng)(監(jiān)測項(xiàng)目)、所取得的長期觀測資料、監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)以及監(jiān)測管理等方面綜合考慮,因此,本文將監(jiān)測系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)劃分為“監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)評價(jià)”、“單項(xiàng)監(jiān)測系統(tǒng)評價(jià)”、“自動(dòng)化系統(tǒng)可靠性評價(jià)”以及“監(jiān)測管理工作評價(jià)”等4個(gè)一級評價(jià)指標(biāo)。“監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)評價(jià)”實(shí)質(zhì)上是一種后評價(jià),主要考察監(jiān)測系統(tǒng)在監(jiān)測項(xiàng)目設(shè)置、監(jiān)測測點(diǎn)布置和監(jiān)測實(shí)施方法等方面是否符合現(xiàn)行規(guī)范的要求,一般包括監(jiān)測布置的“完備性”與“針對性”和監(jiān)測方法的“正確性”與“理論精度”等4個(gè)二級評價(jià)指標(biāo)。大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)一般由多個(gè)單項(xiàng)監(jiān)測系統(tǒng)組成。“單項(xiàng)監(jiān)測系統(tǒng)評價(jià)”是監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià)的基礎(chǔ)和重點(diǎn),可劃分為“現(xiàn)場調(diào)查”、“現(xiàn)場測試”和“長期觀測資料”等3個(gè)二級評價(jià)指標(biāo);各二級評價(jià)指標(biāo)又可根據(jù)具體情況劃分為若干三級評價(jià)指標(biāo)?！白詣?dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)可靠性評價(jià)”主要考察系統(tǒng)的長期運(yùn)行穩(wěn)定性、所取得的監(jiān)測資料的完整性以及監(jiān)測信息管理系統(tǒng)功能的完善性等,可通過“平均無故障工作時(shí)間”、“數(shù)據(jù)缺失率”以及“監(jiān)測信息管理系統(tǒng)”等3個(gè)二級評價(jià)指標(biāo)來衡量。“監(jiān)測管理工作評價(jià)”主要考察監(jiān)測工作的日常管理是否規(guī)范,可從“監(jiān)測規(guī)章制度”、“監(jiān)測資料記錄與整理”以及“監(jiān)測設(shè)施維護(hù)”等3個(gè)二級評價(jià)指標(biāo)來體現(xiàn)。在大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià)中,不僅須要對各單項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的狀態(tài)作出評價(jià),而且要對整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)作出綜合評價(jià),還應(yīng)提出監(jiān)測系統(tǒng)更新、改造、改進(jìn)或報(bào)廢的意見或建議。綜上所述,大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià)的基本指標(biāo)體系可歸納如圖1所示。2評價(jià)模型的建立在綜合評價(jià)中,所謂評價(jià)指標(biāo)的度量,一般是指根據(jù)評價(jià)指標(biāo)的定性描述和定量數(shù)據(jù),結(jié)合評價(jià)等級的劃分,將評價(jià)指標(biāo)的狀態(tài)通過適當(dāng)?shù)脑u價(jià)模型轉(zhuǎn)化為之間的隸屬度。對監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià)中的定量評價(jià)指標(biāo),可依據(jù)其物理意義、相關(guān)公式和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行隸屬度計(jì)算;對定性評價(jià)指標(biāo),一般利用專家或評價(jià)者的經(jīng)驗(yàn)采用評分的方法確定隸屬度。2.1分級等級劃分無論是單項(xiàng)評價(jià)指標(biāo),還是整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng),其狀態(tài)的“優(yōu)”、“劣”都是一個(gè)抽象的、具有模糊特性的概念,難以具體操作,需要對其作出能進(jìn)行定量描述的處理,即需要將單項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)和整體系統(tǒng)的狀態(tài)劃分為若干個(gè)可度量的評價(jià)等級。如果評價(jià)目的只是對評價(jià)指標(biāo)或系統(tǒng)合格與否作出判斷,則可將評價(jià)等級劃分為兩級,即:如果要對評價(jià)指標(biāo)或系統(tǒng)的“優(yōu)”、“劣”作較為詳細(xì)的區(qū)分,結(jié)合目前監(jiān)測系統(tǒng)評價(jià)的工程經(jīng)驗(yàn),針對監(jiān)測系統(tǒng)評價(jià)的特殊性,即需要根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)評價(jià)結(jié)果對監(jiān)測系統(tǒng)提出相應(yīng)的處理意見,而目前對監(jiān)測系統(tǒng)的處理一般分為正常使用、常規(guī)改進(jìn)、大修改造和封存報(bào)廢等四類,為使評價(jià)等級與監(jiān)測系統(tǒng)處理對應(yīng),可將評價(jià)等級劃分為四級,即:式(1)所示的劃分方法較為簡單,適合于簡單性評價(jià);對于大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的綜合評價(jià)而言,式(2)所示的四級等級劃分方法,既可以對工作狀態(tài)作出較為細(xì)致的區(qū)分,又能適應(yīng)對監(jiān)測系統(tǒng)提出相應(yīng)的處理建議。因此,本文建議采用式(2)所示的四級等級劃分方法。根據(jù)四級等級劃分法,按照人們的習(xí)慣性標(biāo)準(zhǔn),將評價(jià)指標(biāo)對各評價(jià)等級的隸屬度區(qū)間確定為:2.2工程經(jīng)驗(yàn)的隸屬度的確定以圖1中“長期觀測資料分析y23”的下一級定性評價(jià)指標(biāo)“比測值分析y233”為例:(1)當(dāng)長期比測測值過程線總體上吻合良好(“良好”等級)時(shí),可根據(jù)過程線的吻合程度結(jié)合已有的工程經(jīng)驗(yàn),將隸屬度確定在[1,0.80]之間的一個(gè)確定值。(2)當(dāng)長期比測測值過程線總體上基本吻合(“合格”等級)時(shí),可根據(jù)過程線的吻合程度結(jié)合已有的工程經(jīng)驗(yàn),將隸屬度確定在(0.80,0.60]之間的一個(gè)確定值。(3)當(dāng)長期比測測值過程線總體上存在一定程度的分離、但分離程度不嚴(yán)重(“較差”等級)時(shí),可根據(jù)分離程度結(jié)合已有的工程經(jīng)驗(yàn),將隸屬度確定在(0.60,0.50]之間的一個(gè)確定值。(4)當(dāng)長期比測測值過程線嚴(yán)重分離(“很差”等級)時(shí),可根據(jù)分離程度結(jié)合已有的工程經(jīng)驗(yàn),將隸屬度確定在(0.50,0]之間的一個(gè)確定值。2.3引張線自動(dòng)化重復(fù)觀測變形的消除標(biāo)準(zhǔn)的屬性劃分以圖1中“現(xiàn)場測試y22”的下一級定量評價(jià)指標(biāo)“短期穩(wěn)定性y222”為例:對引張線自動(dòng)化觀測系統(tǒng),在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行15次自動(dòng)化重復(fù)觀測,并以觀測值的中誤差M為控制參數(shù)。(1)根據(jù)常用的遙測引張線儀的廠家標(biāo)稱分辨力(0.1%F·S)和量程(50mm)推算其變形觀測精度一般為不大于0.05mm,因此可取中誤差M∈[0,0.05](mm)作為“良好”等級的控制標(biāo)準(zhǔn),所對應(yīng)的隸屬度為[1,0.80]之間的一個(gè)確定值。(2)綜合考慮其他因素,一般認(rèn)為引張線自動(dòng)化重復(fù)觀測變形中誤差M≤0.10mm即為合格,因此可取中誤差M∈(0.05,0.10](mm)作為“合格”等級的控制標(biāo)準(zhǔn),所對應(yīng)的隸屬度為(0.80,0.60]之間的一個(gè)確定值。(3)若中誤差M>0.10mm,則重復(fù)觀測精度“不合格”,取±0.50mm為重復(fù)觀測精度“不合格”的上限控制值?？扇≈姓`差M∈(0.10,0.15](mm)作為“較差”等級的控制標(biāo)準(zhǔn)(0.15相當(dāng)于0.10),所對應(yīng)的隸屬度為(0.60,0.50]之間的一個(gè)確定值;取中誤差M∈(0.15,0.50](mm)作為“很差”等級的控制標(biāo)準(zhǔn),所對應(yīng)的隸屬度為(0.50,0]之間的一個(gè)確定值;當(dāng)M>0.50mm時(shí),直接取隸屬度為0。定量評價(jià)指標(biāo)“短期穩(wěn)定性y222”的隸屬度計(jì)算簡圖見圖2。從圖2可知,評價(jià)指標(biāo)“短期穩(wěn)定性y222”的隸屬度可按下式計(jì)算:在式(4)中,μ(y222)為評價(jià)指標(biāo)“短期穩(wěn)定性y222”的隸屬度;M為重復(fù)觀測中誤差(單位為mm)。3綜合評價(jià)方法3.1y的隸屬度計(jì)算大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià)是一個(gè)多指標(biāo)、多層次的遞階分析評價(jià)問題。根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論,設(shè)Yi(i=1,2,…,n)為論域Y(監(jiān)測系統(tǒng)工作狀態(tài))上的n個(gè)模糊子集(評級等級),yj(j=1,2,…,m)為論域Y上的m個(gè)元素(評價(jià)指標(biāo)),給定映射則稱μ為Y的隸屬函數(shù),μ(yj)為yj對于Y的隸屬度。若μ(yj)∈[ki-1,ki],則yi∈Yi。因此,所謂大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià)問題就是根據(jù)評價(jià)指標(biāo)yj(j=1,2,…,m)的特性,采用某種合理的評價(jià)模型來判斷研究對象Y應(yīng)屬于評價(jià)等級Yi(i=1,2,…,n)中的哪一類。綜合評價(jià)模型實(shí)質(zhì)上是確定評價(jià)指標(biāo)隸屬度的遞階運(yùn)算方法。常用的綜合評價(jià)模型有普通模糊綜合評價(jià)模型、模糊模式識別模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價(jià)模型、屬性測度評價(jià)模型等。對普通模糊綜合評價(jià)模型,設(shè)同一評價(jià)層次中各評價(jià)指標(biāo)yj在評價(jià)體系中的“相對重要性”(即“權(quán)重”)為ωj,將各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重與各評價(jià)指標(biāo)的隸屬度進(jìn)行綜合加權(quán)求和,即可得出對上一評價(jià)指標(biāo)的合理的綜合評價(jià)結(jié)果,即3.2主觀賦權(quán)法確定權(quán)重的確定是綜合評價(jià)的核心問題,可分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。主觀賦權(quán)法取決于賦權(quán)者(專家或評價(jià)者)的專業(yè)知識、實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和偏好,具有一定的隨意性;客觀賦權(quán)法不僅須要比較完善的數(shù)學(xué)理論與方法,而且須要確定各評價(jià)指標(biāo)之間的內(nèi)在規(guī)律。鑒于目前對大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià)中各評價(jià)指標(biāo)之間內(nèi)在規(guī)律性的研究還很不充分,且很難從理論上得到明確,因此,對于大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià)權(quán)重的確定,宜在客觀賦權(quán)法的基礎(chǔ)上采用主觀賦權(quán)法來確定。以圖1中“單項(xiàng)監(jiān)測系統(tǒng)評價(jià)y2”子系統(tǒng)為例,對上層評價(jià)指標(biāo)“現(xiàn)場調(diào)查y21”、“現(xiàn)場測試y22”、“長期觀測資料y23”:長期觀測資料反映了監(jiān)測系統(tǒng)的長期運(yùn)行狀況和測值的可靠性與合理性,是監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià)的主要依據(jù);現(xiàn)場測試反映了監(jiān)測儀器的當(dāng)前工作狀態(tài),也是監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià)的主要依據(jù);現(xiàn)場調(diào)查雖然對監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)評價(jià)也很重要,但相對于現(xiàn)場測試和長期觀測資料而言,其重要性略低。因此,本文建議三者之間的權(quán)重可大致確定為:對下層評價(jià)指標(biāo),以“現(xiàn)場調(diào)查y21”的下層指標(biāo)“工作條件y211”、“測點(diǎn)保護(hù)y212”、“運(yùn)行狀態(tài)y213”和“基點(diǎn)穩(wěn)定性y214”為例:“基點(diǎn)穩(wěn)定性”對監(jiān)測系統(tǒng)測值的可靠性具有決定性意義,是監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià)的關(guān)鍵性依據(jù);監(jiān)測系統(tǒng)的“運(yùn)行狀態(tài)”對于保障監(jiān)測系統(tǒng)正常運(yùn)行具有重要意義,是監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià)的主要依據(jù);測點(diǎn)的“工作條件”和“測點(diǎn)保護(hù)”相對而言重要性略低。因此,本文建議這4個(gè)評價(jià)指標(biāo)之間的權(quán)重可大致確定為:本文在綜合主客觀因素的情況下,提出單項(xiàng)監(jiān)測系統(tǒng)各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的建議值,詳見表1。必須強(qiáng)調(diào)的是,表1中給出的權(quán)重建議值只是作者的理解,還有待進(jìn)一步驗(yàn)證和完善。須要注意的是,當(dāng)評價(jià)指標(biāo)中存在導(dǎo)致監(jiān)測系統(tǒng)無法正常運(yùn)行或監(jiān)測效應(yīng)量無法計(jì)算的單項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)時(shí),不宜采用常規(guī)的權(quán)重確定方法,而應(yīng)對這些單項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)賦予“絕對”的評價(jià)權(quán)。4工程實(shí)例4.1引張線觀測系統(tǒng)綜合評價(jià)某混凝土壩布置有較齊全的變形、滲流和應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)。作為示例,本文對其中的壩頂引張線水平位移監(jiān)測系統(tǒng)(單項(xiàng)監(jiān)測系統(tǒng)y2)進(jìn)行綜合評價(jià)。該大壩壩頂引張線共布置了15個(gè)測點(diǎn),引張線工作基點(diǎn)位于兩岸基巖上,測點(diǎn)安裝有遙測引張線儀進(jìn)行自動(dòng)化觀測,并布置了人工比測。引張線單項(xiàng)監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià)包括現(xiàn)場調(diào)查、現(xiàn)場測試和長期觀測資料等內(nèi)容?，F(xiàn)場調(diào)查和長期觀測資料的下一級評價(jià)指標(biāo)見圖1;根據(jù)該引張線的具體特點(diǎn),結(jié)合圖1,確定現(xiàn)場測試的內(nèi)容(下一級評價(jià)指標(biāo))主要包括自動(dòng)化重復(fù)觀測精度測試(短期穩(wěn)定性)、復(fù)位測試(靈敏性測試)、線體精度測試(靈敏性測試)和自動(dòng)化與人工比測測試等。4.2定性定量評價(jià)指標(biāo)在評價(jià)指標(biāo)中,屬于定性評價(jià)指標(biāo)的有:現(xiàn)場調(diào)查中的“工作條件”、“測點(diǎn)保護(hù)”、“運(yùn)行狀態(tài)”、“基點(diǎn)穩(wěn)定性”,長期觀測資料中的“測值可靠性”、“長期比測值分析”;屬于定量評價(jià)指標(biāo)的有:現(xiàn)場測試中的“重復(fù)觀測精度”、“復(fù)位差”、“線體精度”、“比測”,長期觀測資料中的“長期觀測精度”(可采用長期測值中誤差表示)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和長期觀測資料分析成果,綜合確定該混凝土壩壩頂引張線定性評價(jià)指標(biāo)隸屬度見表2;根據(jù)現(xiàn)場測試和長期觀測精度分析成果,綜合確定該混凝土壩壩頂引張線定量評價(jià)指標(biāo)隸屬度見表3。4.3隸屬度的計(jì)算在確定了各定性指標(biāo)及定量指標(biāo)隸屬度和各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重(詳見表1)之后,即可按式(6)確定上一層評價(jià)指標(biāo)的隸屬度,計(jì)算結(jié)果詳見表4。最終確定引張線單項(xiàng)監(jiān)測系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)隸屬度為:根據(jù)上述遞階運(yùn)算結(jié)果,對照式(3),可判定該大壩壩頂引張線“單項(xiàng)監(jiān)測系統(tǒng)y2”工作狀態(tài)屬于“合格”等級。5大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建良好的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)是獲取可靠監(jiān)測資料和保障大壩安全的基礎(chǔ),綜合評價(jià)是判斷監(jiān)測系統(tǒng)工作狀態(tài)的主要途徑。目前監(jiān)測系統(tǒng)評價(jià)方法比較單一,綜合評價(jià)程度較低,評價(jià)指標(biāo)和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也大多缺乏明確的規(guī)范或規(guī)定。本文依據(jù)相關(guān)的規(guī)范和規(guī)定及已有的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià)中的一些關(guān)鍵性技術(shù)問題進(jìn)行了較為系統(tǒng)的綜合性研究,構(gòu)建了一個(gè)具有四層三級結(jié)構(gòu)的、涵蓋了大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià)基本內(nèi)容的評價(jià)指標(biāo)體系,提出了描述評價(jià)指標(biāo)工作狀態(tài)的四級評價(jià)等級劃分方法及其相應(yīng)的隸屬度建議區(qū)間,討論了定量評價(jià)指標(biāo)和定