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基于灰色模糊理论的多层次大坝安全综合评价图文精
第26卷第6期水电能源科学
Vol.26No.6文章编号:
10007709(200806007604
基于灰色模糊理论的多层次大坝安全综合评价
刘强1
沈振中1
聂琴2
丁长青
3
(1.河海大学水利水电工程学院,江苏南京210098;2.连云港市港口工程质量监督站,江苏连云港222046;
3.中国水利水电第八工程局有限公司,湖南长沙410007
摘要:
分析了影响大坝安全运行的各种指标和因素,根据现行规范构建了大坝安全综合评价的指标体系。
应用灰色模糊数学和层次分析法理论,将隶属度和灰度应用了评价过程中,建立了基于灰色模糊理论的多层次大坝安全综合评价模型,并通过实例验证了该评价方法的科学性和可行性。
关键词:
灰色模糊理论;层次分析法;大坝安全;综合评价中图分类号:
TV698.1
文献标志码:
A
收稿日期:
20080902,修回日期:
20081020
作者简介:
刘强(1983,男,硕士研究生,研究方向为大坝安全分析评价与工程管理,Email:
lqiang128@yahoo.com.cn通讯作者:
沈振中(1968,男,教授,研究方向为水工结构和岩土工程,Email:
shen1127@yahoo.com
大坝安全综合评价以大坝安全监测为基础,是一个多层次、多指标的复杂分析评价问题;是掌握大坝结构性态、保障大坝安全的重要手段[1,2]。
大坝结构和工作条件极为复杂,安全运行受众多因素影响,同时还与大坝周围的社会经济和生态环境有关。
因此,在大坝安全综合评价中,存在着大量的确定与不确定信息[3],需尽可能全面考虑影响大坝安全运行的因素,才能及时准确地掌握大坝运行的实际状态。
在大坝运行过程中,由于各项指标或影响因素不断发生变化,使对大坝运行状态的认识常落后于实际;或由于受伪信息或反信息干扰,致使评价结果发生偏差;或对大坝运行状态的信息获取不完全,使评价根据不足等。
所有这些情况可归结为信息不完全,即灰。
若灰度超过允许界
限,则评价结果不可信、无效[4]
。
在大坝安全综合评价过程中,往往一个问题中同时存在模糊性和灰色性,这就需同时考虑模糊性和灰色性的影响[5,6]。
目前,大坝安全综合评价研究还较薄弱,主要依赖专家经验及局部量化的指标,并以定性分析为主、定量分析为辅,这远不能适应大坝安全评价定量化和智能化的要求[7]。
基于此,本文从灰色模糊理论对大坝安全综合评价进行了研究。
1灰色模糊综合评价的数学基础
设A为空间X={x}上的模糊子集,若对
A隶属度A(x为[0,1]上的一个灰数,其点灰度为A(x。
A为A的支集,则称A为X上的灰色模糊子集或灰色模糊集合,简称GF集,记作A
即A
!
{(x,A(x,A(x|x!
X}(1
假定A(x的点灰度等于x的点灰度A(x,
若A(x=0,则对应的点灰度为1-A(x。
显然,A
可用集偶表示:
A=(A~
A
(2
其中
A={(x,A(x|x!
X}A
={(x,A(x|A(x>0,x!
X}式中,∀A为∀A的模糊部分(简称模部;A为∀A的灰色部分(简称灰部。
若GF集∀A灰部A为经典集合A,则∀A=(∀A,A=∀A,故模糊集合是灰色模糊集合的特例;若GF集∀A的模部∀A为经典集合A,则∀A=(A,A=A,故灰色集合也是灰色模糊集合的特例[6,8]。
2多层次大坝安全综合评价模型
依据灰色模糊数学理论和层次分析法[9]
给出大坝安全的多层次灰色模糊综合评价模型建立的基本步骤和方法。
2.1确定被评价大坝的因素集
参照文献[10],并结合工程实践经验,建立全面反映大坝安全的指标体系即因素集U。
将影响
大坝安全的因素分为7个一级因素和19个二级因素,如图1
所示。
图1大坝安全综合评价指标体系
Fig.1Comprehensiveevaluationindexsystemofdamsafety
2.2确定被评价大坝的评语集
在∀水电站大坝安全检查施行细则#
[11]
中,大
坝安全被分为三个等级。
为更准确反映大坝运行的安全程度,将大坝安全等级分四级评价,即评价集V={V1,V2,V3,V4}。
其中,V1为正常坝,V2为病坝,V3为险坝,V4为极危险坝,评语集中的正常坝对应于一类坝,病坝对应于二类坝,险坝和极危险坝对应于三类坝。
2.3确定大坝各因素权重
在评价大坝安全等级时,各因素集及其影响因素对大坝的安全影响程度不同。
对主要影响因素应给予较大权重值,对次要影响因素取较小权重值,这样才能准确反映大坝运行的实际状态。
各指标权重的计算方法较多,主要有两类:
∃主观赋值法,包括层次分析法(APH、专家排序法、专家咨询法;%客观赋权法,包括主成因分析法、因子分析法和神经网络法等[12]。
本文采用层次分析法(APH确定各因素的权重及相应的点灰度构成权重集,其中各权重值要求归一化,假定所有权重的灰度均为零,详见表1。
2.4对大坝各因素作单因素评估
实际上,单因素评估仅考虑某二级因素时研究对象与评语等级之间的灰色模糊关系,从而确定单因素灰色模糊矩阵。
灰色模糊矩阵中模糊关
系是按指标特征选用不同的隶属函数确定相应的隶属度;灰色关系由评价者根据因素量的不充分程度确定。
2.4.1隶属度确定
对不同的指标按不同方法确定相应的隶属度uij。
定量指标的隶属度一般是评价者根据掌握的资料采用隶属函数或离散化赋值方法确定;定性指标的隶属度则结合工程资料、经验和理论推理确定。
2.4.2灰色度确定
考虑信息的充分程度很难用通用公式描述,故将信息的充分程度划分为{充分,较充分,一般,
表1各指标权重Tab.1Indexweight
一级评价因素(权重二级评价因素权重
评分
安全
一般较差危险
灰度评分
0&y&1大坝运行安全管理评价U1(0.048
是
0.10工程质量评价U2(0.076
坝址区工程地址评价0.163是
0.10坝体工程质量评价0.540是0.15其他建筑物工程质量评价
0.297是
0.20防洪安全评价U3(0.173坝顶高程评价0.833是
0.10
泄洪安全评价0.167是0.20渗流安全评价U4(0.249
坝体渗流整体性评价0.502是
0.10坝体局部渗透稳定评价0.215是
0.20防渗与排水系统评价0.131是0.40坝基渗流性态评价
0.152是0.30结构稳定安全评价U5(0.303坝体抗滑稳定分析0.380是
0.20坝体变形分析0.213是0.70抗震安全分析0.098是
0.50其他建筑物安全分析0.079是0.20坝基抗滑稳定分析0.125是0.40库区岸坡稳定分析0.105是0.30金属结构安全评U6(0.089闸门结构安全评价0.750是
0.20启闭机械安全评价0.250是
0.20其他影响评价U7(0.062
社会经济影响评价0.875是
0.40生态环境影响评价
0.125
是
0.30
∋
77∋第26卷第6期刘强等:
基于灰色模糊理论的多层次大坝安全综合评价
较贫乏,贫乏},并确定对应的点灰度为vij={0~0.2,0.2~0.4,0.4~0.6,0.6~0.8,0.8~1.0},具体由评价者根据实际情况赋值。
由确定的各因素隶属度和灰色度即可得到灰色模糊矩阵∀Rt。
2.5灰色模糊综合评价
在大坝安全评价过程中需尽可能保留评价信息,以使评价结果尽可能符合实际。
在模部运算中采用M(∋,#算子,在灰部运算中采用M(,+算子。
(1一级评价。
先通过灰色模糊变化,得到二级指标的评价结果:
∀Bt=∀At∀Rt=[(bj,bj]n=
min1,(mi=1atiutij,mi=1(1∗(tj+tijn(3式中,ati、tj为二级指标的权重和相应的点灰度;utij、tij为二级指标的隶属度和相应的点灰度;t=1,2,+,7。
(2二级评价。
通过对各二级指标进行一级评价,得到∀R={∀B1,∀B2,+,∀B7},将其与一级指标的权重矩阵进行灰色模糊变换,就可得大坝安全二级评价结果:
∀B=∀A∀R=[(bj,j]4。
其中,bj、i分别为对第j等级的隶属度和相应的点灰度(即信息的不可信度,若评价结果中各隶属度之和不等于1,则可根据需要将其归一化。
(3评价结果处理。
若令zj=1-j,则zj为bj的可信度,即∀B=[(bj,zj]4。
可根据隶属度最大和灰色度最小原则得出评价结论,同时总评价
灰度需满足条件g(∀B=(41vj4&0.1,才能认为得出的综合评价结论有效。
3实例
应用多层次大坝安全综合评价模型对福华山水库大坝的安全状态进行灰色模糊综合评价。
福华山水库是一座以灌溉为主,兼顾防洪、发电、养殖等综合利用的中型水库,主要建筑物有主坝、副坝、溢洪道、灌溉发电涵管、电站等。
一级和二级评价指标的权重及该大坝的评分和灰度评分见表1。
3.1一级评价
(1大坝运行安全管理评价U1。
∀B
1
=[(0,1,(0,1,(1,0.1,(0,1]
(2工程质量评价U2。
∀B2=[(0.163,0,(0.540,0,(0.297,0]∋
(0,1(1,0.1(0,1(0,1(0,1(0,1(1,0.15(0,1(0,1(0,1(1,0.2(0,1=
[(0,1,(0.163,0.1,(0.837,0.03,(0.1](3防洪安全评价U3。
∀B
3
=[(0.833,0,1,(0,1,(0.167,0.2,(0,1](4渗流安全评价U4。
∀B
4
=[(0,1,(0,1,(0.785,0.12,(0.215,0.2](5结构稳定安全评价U5。
∀B
5
=[(0,1,(0.311,0.35,(0.689,0.005,(0,1](6金属结构安全评价U6。
∀B
6
=[(0,1,(0,1,(0.75,0.2,(0.25,0.2](7其他影响评价U7。
∀B
7
=[(0,1,(0.875,0.4,(0.125,0.2,(0,1]3.2二级评价
已知Ui(i=1,2,+,7在U中的权重分配为:
∀A=[(0.048,0,(0.076,0,(0.173,0,(0.249,0,(0.303,0,(0.089,0,(0.064,0]故二级评价为:
∀B=∀A∀R=∀A[∀B
1
∀B
2
∀B
3
∀B
4
∀B
5
∀B
6
∀B
7
]T=[(0.144,0.1,(0.161,0.014,(0.571,0,(0.076,0.04]
3.3评价结果处理
根据隶属度最大和灰色度最小原则,从大坝的评语集V中查找可得福华山水库大坝等级为V3,即属于险坝;同时g(∀B=(41j4=0.030&0.1,即认为综合评价结论有效且与实际情况相符。
4结语
a.根据大坝安全综合评价的特点,构建评价大坝安全的两层次指标体系,并通过模糊关系刻画各因素与安全性等级间的关系,以灰度描述信息的不充分程度。
在此基础上建立多层次大坝安全综合评价模型,其评价结论最大限度地接近客观实际。
b.多层次灰色模糊综合评价方法对大坝运行状态评价应用价值较高。
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(下转第185页∋
78
∋水电能源科学2008年
其中,图7(a、(b采用恒压充电方式,跟踪速度快,用时小于0.3s、无静差、无超调,图7(c将限幅器幅值Ig降低为1A,测试限流充电方式。
结果表明,电流环能有效限制充电电流幅值,使其小于限幅器幅值。
5结语
a.仿真结果表明,采用双闭环PID控制可实
现恒压限流的充电方式。
b.铅酸蓄电池先恒流后恒压的二阶段充电方式简单、稳定、可行,也可适用于其他的分布式发电系统。
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ResearchonBatteryChargingControlStrategyinStandaloneWind/Photovoltaic
HybridStreetLampLightingSystem
XIAJichengZHANGHuaqiangWANGZhixin
(Dept.ofElectricalEng.,ShanghaiJiaotongUniv.,Shanghai200240,China
Abstract:
Thearticleestablishedcircuitmodelsofphotovoltaicarray,windturbineandbattery.Itappliedthetwostagebatterychargingcontrol(constantcurrenttoconstantvoltagewhichbasedonthebestbatterychargingcurrentcurve,andthenrealizeditbydoubleloopPIDcontroller.Thearticlealsosimulatedthesystem.ThesimulationresultsprovedthatthemodelofthesystemandthedoubleloopPIDcontrolareeffectiveandreasonable.
Keywords:
wind/photovoltaichybridgeneration;batterychargingcontrol;PIDcontrol
(上接第78页
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MultilevelDamSafetyComprehensiveAppraisalBasedonGreyfuzzyTheory
LIUQiang1
SHENZhenzhong1
NIEQin2
DINGChangqing
3
(1.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEng.HohaiUniv.,Nanjing210098,China;
2.HarbourEng.QualitySupervisionStationofLianyungangCity,Lianyungang222046,China;
3.SinohydroEng.Bureau8Co.,LTD.,Changsha410007,China
Abstract:
Variousindexandfactorsofeffectondamsafetyoperationareanalyzed.lndexsystemofdamsafetycomprehensiveappraisalaccordingtocurrentcodesandregulationsisconstructed.Grayfuzzytheoryandanalyticalhierarchyprocess(AHP,grayandmembershipdegreesareappliedintheevaluationprocess.Amultileveldamsafetycomprehensiveappraisalmodelanditsscientificalnessandfeasibilitybyanexampleareverified.
Keywords:
greyfuzzytheory;analyticalhierarchyprocess(AHP;damsafety;comprehensiveappraisal
∋
185∋第26卷第6期夏继琤等:
离网型风光互补路灯照明系统蓄电池充电控制研究
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