一种基于主客观动态赋权-优化云模型的土石坝运行安全综合评价系统

本发明属于土石坝运行安全评价，具体涉及一种基于主客观动态赋权-优化云模型的土石坝运行安全综合评价系统。

背景技术：

1、土石坝是指由当地土料、石料或者混合料，经过抛填、碾压等方法堆筑成的挡水坝。土石坝历史悠久，是世界大坝工程建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型，目前土石坝在现有各类水库大坝中占比高达百分之九十多；但是这些大坝中，大部分修建于上世纪50-70年代，由于当时的施工技术和设计水平的限制，加之长期的荷载作用和管理不当等情况，使得这些大坝出现了不同程度的损伤。另外随着全球气候变化的加剧和极端天气的频发，水库大坝灾害突发的风险不断增加，这不仅会导致大坝的破坏和失效，还进一步的会对下游地区造成严重的生命和财产损失，因此，对土石坝的运行安全状态进行及时、准确的评价，对于预防和减少灾害的发生具有重要意义。

2、目前在进行土石坝的安全评价工作时，主要依据《水库大坝安全评价导则》(sl258-2017)经专家鉴定进行综合评价。然而，这种方法存在主观性较强、安全界限不清、未考虑评价的随机性和模糊性等问题。这些问题会导致评价结果的不准确性和不稳定性，无法全面反映土石坝的实际运行安全状态，因此亟需一种更为科学、客观、准确的土石坝运行安全综合评价方法，来解决上述问题。

技术实现思路

1、针对现有土石坝安全评价方法存在的主观性强、安全界限模糊以及未充分考虑随机性和模糊性等的缺陷和问题，本发明提供一种基于主客观动态赋权-优化云模型的土石坝运行安全综合评价系统，充分利用现代科技手段实现对土石坝运行安全状态的实时监测、数据分析和智能评价，这样不仅可以提高评价的准确性和效率，还可以降低评价成本，为水库大坝的安全管理提供更加有力的支持。

2、本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种基于主客观动态赋权-优化云模型的土石坝运行安全综合评价系统，包括评价指标选取模块、信息采集及处理模块、权重计算模块和综合评价模块，所述评价指标权选取模块用于基于目标土石坝的工程结构特点及历史病害信息构建包括目标层、准则层以及指标层在内的综合评价层次模型；所述信息采集及处理模块根据所述综合评价层次模型中指标层的指标数据，构建关于指标重要度的判断矩阵；同时该模块还对土石坝的定量监测指标和定性指标进行数据采集和处理，并构建每个指标对不同安全状态等级的评分标准，分别计算出定量监测指标和定性指标的得分情况；

3、所述权重计算模块用于利用所述判断矩阵计算出各指标的主观权重、利用所述定量监测指标和定性指标的对应得分情况将各土石坝的指标得分构成初始数据矩阵，计算该指标客观权重，以及将所述主观权重与客观权重融合后计算出主客观融合权重；所述综合评级模块利用云模型建立土石坝安全综合评价模型，包括通过对模型中的云滴数选取问题进行优化，并基于云相似度和云图结合的方式确定评价等级，从而实现对土石坝运行安全状态的评估。

4、进一步地，所述评价指标选取模块以土石坝运行安全状态为目标层，以工程质量、防洪能力、渗流安全、结构安全、运行管理、抗震安全六个方面作为指标层，以从根据待评价工程的特点来选取的多单元评价指标作为指标层，共同构建土石坝运行安全综合评价层次模型。

5、进一步地，所述信息采集及处理模块根据指标层中的各项指标将其分为监测指标和复核巡视指标，并邀请多位专家对所选取的各指标的相对重要度给出判定意见，采用九分标度法通过两两比较打分构建判断矩阵。

6、进一步地，所述权重计算模块中依据判断矩阵a＝[aij]，计算指标主观权重的方法包括：

7、计算判断矩阵a的最大特征值λmax及其对应的特征向量α，并对该矩阵进行一致性检验，计算矩阵一致性指标和一致性比率，包括以下公式：

8、

9、上式中，n为指标个数，ri为随机一致性指标；

10、当cr＜0.1时，判断矩阵a通过一致性检验，反之则需要重新构造判断矩阵，从而计算出指标主观权重

11、其中aij为第i个指标与第j个指标的相对重要度。

12、进一步地，所述权重计算模块中根据定量监测指标和定性指标的对应得分情况，将其进行规一化后将各土石坝的指标得分构成初始数据矩阵x＝[xij]，其中xij是第i个土石坝的第j个指标的评分；计算第j个指标在第i个土石坝的比重pij和第j个指标的熵值ej，公式如下：

13、

14、进而计算第j个指标的客观权重wj：

15、

16、进一步地，所述权重计算模块中将主观权重和客观权重进行融合，得到一种包含专家主观经验而又考虑客观实际的主客观融合权重，按下式计算：

17、

18、式中，和分别为第i个指标的主观权重和客观权重。

19、进一步地，综合评级模块包括以下步骤：

20、步骤一：利用正向云发生器(cg)生成云滴和逆向云发生器(cg-1)提取云特征值，包括期望ex、熵en和超熵he；

21、步骤二：依据以下公式计算综合云特征值c(ex,en,he)

22、ex＝exiωi   (8)

23、

24、

25、式中，ci＝(exi,eni,hei)为第i个指标的评价云数字特征；ωi为对应的指标权重；

26、步骤三：计算标尺云特征值计算

27、利用黄金分割法将评价结果的范围[0,1]划分为五个安全等级，并为每个等级确定对应的云数字特征；

28、步骤四：利用正向云发生器生成数量n＝5000的云滴，通过云图直观反映土石坝的安全状态，并计算综合云对各安全等级的隶属度；

29、步骤五：根据综合云特征值和隶属度计算结果，确定土石坝的安全等级；如果评价云主要位于某个安全等级区间内，并且对该等级的隶属度最高，则可以判断土石坝的运行安全等级。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

31、本发明提供的一种基于主客观动态赋权-优化云模型的土石坝运行安全综合评价系统，首先通过构建土石坝运行安全综合评价层次模型，可依据待评价土石坝的实际工程情况对指标进行修改，适用性强。其次，本系统在考虑专家主观喜好的前提下融合了指标客观数据，获取指标的主客观融合权重，避免了单一赋权法存在的局限性。并基于变权理论依据指标实测数据对权重进行动态调整，防止优势指标覆盖劣势指标产生的不利影响，以一种更加安全的角度评价土石坝的运行安全状态。最后，基于云模型提取了指标云特征值，基于云发生器实现了定性概念和定量指标的相互转换，充分考虑了数据的不确定性对评价结果造成的影响，并基于云相似度和云图结合方式从定性和定量的角度上确定评价等级，能够更加准确全面的反应土石坝的运行安全状态，并基于正态分布的概率密度函数推导了云相似度的解析解，将其与模型解进行对比，以5％的工程误差为界发现，当云滴数在5000时能够满足精度与计算效率的协调统一，以此对云模型中的云滴数进行了优化。

1.一种基于主客观动态赋权-优化云模型的土石坝运行安全综合评价系统，其特征在于：包括评价指标选取模块、信息采集及处理模块、权重计算模块和综合评价模块，所述评价指标权选取模块用于基于目标土石坝的工程结构特点及历史病害信息构建包括目标层、准则层以及指标层在内的综合评价层次模型；所述信息采集及处理模块根据所述综合评价层次模型中指标层的指标数据，构建关于指标重要度的判断矩阵；同时该模块还对土石坝的定量监测指标和定性指标进行数据采集和处理，并构建每个指标对不同安全状态等级的评分标准，分别计算出定量监测指标和定性指标的得分情况；所述权重计算模块用于利用所述判断矩阵计算出各指标的主观权重、利用所述定量监测指标和定性指标的对应得分情况将各土石坝的指标得分构成初始数据矩阵，计算该指标客观权重，以及将所述主观权重与客观权重融合后计算出主客观融合权重，进而基于监测数据计算结合变权理论计算变权权重；所述综合评级模块利用云模型建立土石坝安全综合评价模型，包括通过对模型中的云滴数选取问题进行优化，并基于云相似度和云图结合的方式确定评价等级，从而实现对土石坝运行安全状态的评估。

2.根据权利要求1所述的基于主客观动态赋权-优化云模型的土石坝运行安全综合评价系统，其特征在于：所述评价指标选取模块以土石坝运行安全状态为目标层，以工程质量、防洪能力、渗流安全、结构安全、运行管理、抗震安全六个方面作为指标层，以从根据待评价工程的特点来选取的多单元评价指标作为指标层，共同构建土石坝运行安全综合评价层次模型。

3.根据权利要求1所述的基于主客观动态赋权-优化云模型的土石坝运行安全综合评价系统，其特征在于：所述信息采集及处理模块根据指标层中的各项指标将其分为监测指标和复核巡视指标，并邀请多位专家对所选取的各指标的相对重要度给出判定意见，采用九分标度法通过两两比较打分构建判断矩阵。

4.根据权利要求1所述的基于主客观动态赋权-优化云模型的土石坝运行安全综合评价系统，其特征在于：所述权重计算模块中依据判断矩阵a＝[aij]，计算指标主观权重的方法包括：

5.根据权利要求1所述的基于主客观动态赋权-优化云模型的土石坝运行安全综合评价系统，其特征在于：所述权重计算模块中根据定量监测指标和定性指标的对应得分情况，将其进行规一化后将各土石坝的指标得分构成初始数据矩阵x＝[xij]，其中xij是第i个土石坝的第j个指标的评分；计算第j个指标在第i个土石坝的比重pij和第j个指标的熵值ej，公式如下：

6.根据权利要求1所述的基于主客观动态赋权-优化云模型的土石坝运行安全综合评价系统，其特征在于：所述权重计算模块中将主观权重和客观权重进行融合，得到一种包含专家主观经验而又考虑客观实际的主客观融合权重，按下式计算：

7.根据权利要求1所述的基于主客观动态赋权-优化云模型的土石坝运行安全综合评价系统，其特征在于：所述综合评级模块包括包括以下步骤：