张 圆

(湖北省电力勘测设计院有限公司,湖北 武汉 430040)

0 引 言

供水系统是城镇正常远转的“血液”。给水管网的安全、稳定运行受到诸多因素的影响,这些因素的属性多具有随机性、模糊性等特点,因此对其整体健康状况的评价是一项复杂的综合性工作,单纯的定性或者定量分析难以得出合理的结论。针对这一状况,本文通过分析影响给水管网运行的各种因素,运用模糊综合评判方法,充分考虑各种信息的随机性,结合定性分析和定量分析,提出了一种简便、全面的给水管网健康诊断方法。

1 模糊综合评价

综合评判[1]是对具有多项评价指标的事物或自身整体优劣受到多个属性影响的事物做出一个能够综合这些指标或属性的总体评判。它是统计分析中常见的方法,当前已在社会经济分析、人力资源管理、电力系统等多领域得到广泛的应用,在城镇供水领域,目前已有学者将其应用于给水管网的承载力评价[2]、事故影响评价[3]、管网运行安全评价[4]等。但对于给水管网,其自身部分属性或指标具有模糊性,不易定量化,各指标之间相互联系、相互影响的程度也带有模糊性、主观性,因此可采用多层次模糊综合评判法进行评价。

构建多层次模糊综合评判模型的主要步骤如下:

(1) 对被评价事物的n个因素按一定准则进行划分,将属性相似的因素归为一组,设共有I组,则:

(1)

(2) 设V={v1,v2,…,vm}为评语集,对各准则Ui用单层次模糊综合评价模型进行模糊综合评判:

Bi=Ai·Ri(i=1,2,…,l)

(2)

式中:Bi为Ui的评价结果向量;Ai为Ui相对于V的权重矩阵;Ri为Ui的模糊综合评判矩阵。

(3) 在Bi的基础上建立上一级评判矩阵R,进而求解出因素集U最终的模糊综合评判结果向量B:

B=A·R=[b1,b2，…,bm]

(4)

式中：A为一级评判因素集相对评语集V的权重矩阵。通过逐级计算,可对多层模糊综合评判模型进行求解。

2 给水管网健康状况模糊综合评判模型建立

2.1 评价指标的选取

评价指标的确定是定量分析城镇给水管网健康状况的基础。评价指标的筛选应遵循科学性、完备性、相互独立性、可行性等原则。结合文献[5，6]的研究结论,并征询城镇供水企业管理人员的经验,共选取了13个评价指标,构建评价指标体系(表1)。

表1 给水管网健康诊断指标体系

管段和节点是组成城市给水管网的基本元素,其中管道作为输配水的通路,是管网的结构基础;节点作为给水管网的输出点,直接反映着给水管网的服务性能。因此指标结构以管道健康状况和节点服务性能为两条主线,再结合以技术指标,力求站在供水企业的角度,利用丰富的信息资源,使各个指标能够从不同角度、不同层次上反映给水管网的运行状况,确保评价结果可信、可行。

2.2 评语集设计

评价指标的“优”“劣”往往是抽象的模糊性概念,需要进行量化处理,将评价指标依据特性划分为多个可度量的等级,对每个等级加以说明,即评语等级论域V:

V=[v1,v2,…,vm]

这一论域的确定,使得模糊综合评判得一模糊评判向量,被评价事物相对于各评语等级隶属度的信息通过该模糊向量表征出来,从而体现出评价结果的模糊特性。各层评价指标和最终评价目标的健康等级划分的多少,涉及相关专业规范、实践经验、数理要求及分析方法等多方面的问题。本文在对给水管网进行健康状况评价时,采用五级法,其健康状况表示为:

V=[v1,v2,v3,v4,v5]=[病危，中度病变，一般病多，亚健康，健康]分别用数字1～5表示。

2.3 指标隶属度计算

给水管网健康评价指标可分为两大类:一类是定量指标,如管道压力、节点压力、管道负荷、水龄等,这类指标可用准确的数值进行描述;另一类是定性指标,如接口形式、道路等级、管道材质等,各定性指标均存在若干选项,难以对每一选项定量的表述其优劣。模糊综合评判过程需建立表达隶属度和各指标之间隶属关系的隶属度函数,然后将指标值代入的隶属度函数,计算每个指标值对应于各评判等级的隶属度。隶属度函数是否合理将直接影响事物评判结果的可信性。

对于定量指标,以服务性能曲线[7]为基础,隶属度函数的建立通常采用分段三角函数法,建立各定量诊断指标的隶属度函数。对于定性指标,结合专家区间评分法和集值统计理论,求解出指标的评价值,采用灰色理论,构建出各等级的白化权函数,确定定性指标中各选项的隶属度。

3 应用分析

以QD市某区的给水管网为例,该市给水管网水力模型如图1所示。

图1 QD市给水管网水力模型

结合管网实例实际,参考相关专业规范,各指标等级划分见表2。

表2 给水管网诊断指标健康等级评价表

采用三级模糊综合评判法进行诊断分析,即T={C1,C2,C3}={管道健康集合，节点服务性能集合，技术指标集合}。其中C1={E1,E2,E3},C2={I9,I10,I11},C3={I12,I13}。针对管道健康集合有:E1={I1,I2},E2={I3,I4,I5,I6},E3{I7,I8}。采用层次分析法求得各层指标权重。

结合某日管网运行数据,得出给水管网健康状况模糊综合评判结果，见表3。

表3 给水管网诊断指标健康等级评价表

通过对各健康等级隶属度的分析,采用最大隶属度原则可知该日该市给水管网处于亚健康状态。4、5级百分比总和为54.79%,但仍存在较大的不健康因素,1、2级百分比总和为26.09%。

通过底层指标的深度分析,得出该市给水管道压力普遍偏大,管道铺设年代久远,管网漏损较高。同时,管道负荷普遍在2、3级之间,这与该市为工业化城市,人口密度偏低有关,从而导致管道流速偏低。

4 结束语

本文从管道健康状况、节点服务性能和技术统计等准则出发,构建的综合指标体系能够比较全面地反映当前各直接、间接因素对给水管网健康状况的影响,使给水管网健康状况评价结果具有综合性和可预见性。

给水管网健康状况评价有助于供水企业及时准确地掌握给水管网的运行态势,为在管理过程中采取针对性的预防措施,减少供水安全事故发生频率提供了一种智能化的分析工具。