（水利水电工程专业论文）土石坝安全综合评价系统技术研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果 也不包含为获得沈阳农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意 研究生签名 喜枇 导师签名 一勺弓 时间 柳年彳月 2 日 磷佩 2 优 每6 旯f 强 关于论文知识产权和使用授权的说明 本论文的知识产权为沈阳农业大学所有 本人完全了解沈阳农业大学有关保留 使 用学位论文的规定 即 学校有权保留送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借 阅 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 同意沈阳农业大学可 以用不同方式在不同媒体上发表 传播学位论文的内容 学位论文中的所有内容不经沈阳农业大学授权不得以任何方式擅自对外发表 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 研究生签名 善 f i 时间 砷年 月 二日 导师签名 0 时阃 h 弛7 年 ai 俎 沈阳农业大学硕士学位论文 摘要 大坝是水库的主要水工建筑物 提高 改善我国的大坝安全现状 己成为关系到 国计民生的大事 本文通过调查和研究国内外土石坝安全评价技术现状 对基于模糊综 合评价法 灰色关联度法和神经网络法的综合评价技术进行理论分析 并对这些方法在 土石坝安全综合评价上的应用进行实践和研究 本研究的主要内容是 1 综合掌握国内外关于多层次综合评价技术研究现状 进行技术对比并探讨适 合于坝体综合评价的模型和方法 2 在模糊综合评价法 灰色关联度法和神经网络法理论的基础上 开发具有通 用接口的评价支持程序模型 3 以大中型土石坝为例研究确定土石坝综合评价指标体系 权重和单项指标评 价准则 并建立坝体分析评价知识库 4 运用开发的土石坝综合分析评价程序 对柴河水库大坝安全现状进行安全评 价分析 本研究的特点 1 全面分析了土石坝综合评价的指标体系与评价准则 研究确定的指标体系具 有全面 分层次 易评价和易操作的特点 2 运用计算机软件开发技术开发具有通用接口的土石坝综合评价系统软件 通 过该系统可实现不同土石坝工程的安全综合评价 系统提供从指标体系建立 权重计 算到综合评价分析的全面支持 运用本研究的开发成果在辽宁省柴河水库进行实例分析 经实际验证达到了较好 的应用效果 系统可结合土石坝安全监测自动化系统 与土石坝安全分析系统相结合 必将发挥更大的应用效益 具有较好的推广前景 关键词 土石坝 坝体安全综合评价 模糊综合评价 灰色关联度评价 评价体系 英文摘要 a b s t r a c t d a mi st h ep r i m a r yh y d r a u l i cc o n s t r u c t i o no f r e s e r v o i r t oi m p r o v ea n dh e i g h t e nd a m s s a f e t ya c t u a l i t yi no u rc o u n t r yh a sb e c o m et ob et h eg r e a ti n v e n t w h i c hc o n n e c t e dt ot h e n a t i o n a le c o n o m ya n dt h ep e o p l e sl i v e l i h o o d a c e n r d i n gt oi n v e s t i g a t i n ge a r t h r o c k f i l l d a m ss a f e t ye v a l u a t i o nt e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d a n a l y z et h e c o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nf u z z yc o m p r e h e n s i v em e t h o d g r a ya s s o c i a t e dd e g r e e a n a l y s i sa n dn nm e t h o d a n dp r a c t i c et h ea p p l i c a t i o no ft h e s em e t h o d si ne a r t h r o c k f i l l d a m ss a f e t yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n t h em a i nc o n t e n to f t h er e s e a r c hi s 1 o b t a i nt h er e s e a r c ha c t u a l i 够o fm u l t i a r r a n g e m e mc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n t e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d c o n t r a s tt h et e c h n o l o g ya n dd i s c u s st h em o d e la n dm e t h o d f o rc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n 2 b a s e do nf u z z yc o m p r e h e n s i v em e t h o d 伊a ya s s o c i a t e dd e g r e ea n a l y s i sa n dn n m e t h o d i m p o l d e rt h ep r o g r a mm o d e lw h i c hh a sc u r r e n ti n t e r f a c e 3 t a k et h el a r g eo rm e d i u m s i z e dd a mf o re x a m p l e r e s e a r c ha n da n s u l et h ei n d e x s y s t e m s c a l ea n de v a l u a t i o nr u l eo fm o n o m i a li n d e x a n dc o n s t i t u t ea n a l y z i n ge v a l u a t i o n r e p o s i t o r yo f t h ed a m 4 a p p l yt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y z i n gp r o g r a mo fe a r t h r o e k f i l ld a mt oa n a l y z et h e s a f e t ya c t u a l i t yo f c h a i h er e s e r v o i r t h cc h a r a c t e r i s t i co f t h er e s e a r c hi s 1 a n a l y z ee a r t h r o c k f i l ld a m si n d e xs y s t e ma n de v a l u a t i o nr u l e t h ea s s e ds y s t e m i saa i l a r o u n d l a y e r e ds y s t e ma n da l s oe a s yt ob ee v a l u a t e da n dh a n d l e d 2 d e v e l o pe a l t h r o c k f i l ld a ms a f e t ye v a l u a t i o ns o f t w a r eb yu s i n gc o m p u t e rs o f t w a r e w i t ht h i ss y s t e my o uc a na n a l y z ed i f f e r e n te a r t h r o e k f i l ld a m ss a f e t ya c t u a l i t y t h es y s t e m s u p p o r tt h ec o n s t r u c t i o no fi n d e xs y s t e m t h ec a l c u l a t i o no fs c a l ea n dt h es a f e t y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n a p p l yt h ee x p l o i t a t i o nr e s e ti nc h a i h er e s e r v o i ri nl i a o n i n gp r o v i n c e t h ea p p l y i n ge f f e c t i sg d 0 d t h es y s t e mc a i lc o m b i n ew i t ht h ee a r t h r o c k f i l ld a ma u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e m c o m b i n i n gw i t ht h ee a r t h r o c k f i l ld a ms a f e t ya n a l y z i n gs y s t e m t h er e s e a r c hc a ne x e r t a p p l y i n gb e n e f i t a n di th a s9 0 0 de x t e n d e df o r e g r o u n d k e yw o r d s e a r t h r o c k f d ld a m s a f e t yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no fe m b a n k m e n t f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n g r a ya s s o c i a t e dd e g r e ee v a l u a t i o n e v a l u a t i o ns y s t e m 2 沈阳农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 目前我国已建水库8 6 9 0 0 多座 其中大型水库近4 0 0 座 中型水库约2 6 4 0 座 大 中型水库中有1 1 0 多座以发电为主 由电力行业管理 其余均由水利行业管理 此外还 有8 3 0 0 0 多座小型水库 这些水库决大多数建造于2 0 世纪五六十年代 在防洪 发电 灌溉 洪水和航运等方面发挥着巨大的社会效益和经济效益 我国己建的大坝以土石坝为主 大型水库的大坝7 0 是土石坝 中型水库的大坝9 2 是土石坝 而小型水库的大坝几乎都是土石坝 尤其以均质土石坝最多 由于种种原因 许多水库存在着防洪标准低 工程质量差 病险隐患多等严重问题 目前约有2 4 的大 中型水库以及3 0 4 0 的小型水库是三类病险水库 据1 9 9 1 年统计 我国已溃决的大 坝近3 0 0 0 座 其中1 5 0 0 多座是坝高小于l o m 的低坝 坝高3 0 m 5 5 m 的有近1 0 0 座 特别值得注意的是 1 9 7 5 年特大洪水导致板桥 石漫滩两座大型水库土石坝溃决 1 9 9 3 年8 月沟后水库坝高7 1 m 的混凝土面板堆石坝溃决 这些事故的发生反映出我国大坝 安全状况 尤其是土石坝的安全状况令人担忧 当前随着西部大开发和西电东送战略目 标的初步实施 土石坝工程质量的好坏以及能否安全运行 不仅会影响工程效益的充分 发挥 而且还将直接关系到下游和两岸人民的生命财产安全 由于土石坝筑坝材料的非线性 效应的滞后性及岩基工作条件的复杂性 受力荷载 边界条件 计算参数和计算方法等还难以精确确定 且在设计中也不可能将所有对大坝 结构造成影响的因素 如实际的地质基础情况 地震强度 超设计洪水 恶劣的运行环 境等 都考虑进去 或做出精确计算 这就使得土石坝实际性态与预期设计的通常不可 能一致 这就要求对大坝进行实时自动化监测 利用原型观测资料科学分析土石坝各效 应量及其影响量之间的关系 及时掌握大坝的运行状态 对大坝安全性态做出综合评价 在事故到来之前采取对策 从而保证大坝运行安全 充分发挥其经济效益和社会效益 有关分析表明 大坝失事或严重大坝事故主要表现为几种形式 1 设计洪水偏低引起漫顶 2 地质勘探不充分造成失稳或渗漏 3 设计或施工缺陷导致大坝老化加速 4 遭遇地震等特殊荷载 第一章绪论 5 参数选取不准确 因此 必须针对不同大坝的具体情况和特点 设置相应的观测项目 对大坝的变形 渗流 应力应变等进行连续而又全面的监测 并对实测数据进行及时的处理和分析 在 此基础上实现大坝的安全性态的综合评价 以馈控大坝的安全运行 目前对大坝结构实测性态的研究主要是借助工程经验和对单个测点 单个项目的实 测效应量建立单测点数学模型 统计模型 确定性模型和混合模型 来进行 单测点在 解释坝结构性态和实施安全监控方面已经而且正在发挥着重要的作用 但是单测点数学 模型所反映的主要是单个测点所在部位的某一项目的结构性态 在反映大坝的整体结构 性态上 还存在着一定的局限性 对大坝结构实测性态做出评价不仅仅取决于对单个测 点 单个项目所反映出的结构性态做出评价 更重要的还取决于对大坝多个测点 不同 项目所反映出的大坝整体结构性态的评价 因此 要真正对大坝结构的性态做出合理 真实的评价 就必须将位于大坝不同部位的多个测点 多个项目的效应量有机地联系起 来 进行综合比较 分析和评价 1 2 国内外研究现状及存在问题 在观测资料正分析方面 近2 0 年来 随着计算机技术的快速发展 大坝观测资料 的正分析研究也取得了很大的进步 统计模型 确定性模型及其混合模型在生产实践中 得到了广泛的应用 在观测资料与大坝结构性态的反分析方面 近年来国内外最具代表 性的是采用非线性弹性模型 邓肯模型 或双屈服面弹塑性模型 沈珠江模型 沈珠江 赵魁芝等还提出了比较简单实用的三参数模型 近2 0 年来 对于大坝位移的反分析方 法研究发展很快 已从弹性问题发展到弹塑性和粘弹塑性问题的位移反分析 近几年 吴中如 顾冲时 朱伯芳等 1 9 9 7 提出位移时空模型 模糊数学反演以及其他的一些 反分析方法 安全监测资料的正反分析一般仅局限于对单项物理量的分析 存在一定的局限性 因此 在正分析 反分析基础上 对大坝等水工建筑物的安全性态进行综合评判与决策 综合评判与决策是指对各种资料进行不同层次的分析 找出荷载集与效应集 效应集与 控制集之间的非确定性和确定性关系 然后通过一定的理论和方法或凭借专家的丰富经 验进行综合分析和推理 以评判大坝等水工建筑物的工作性态 在大坝安全综合评判与 决策的研究和应用方面 吴中如 顾冲时 沈振中等 2 0 0 0 提出并开发了建立在一机 四库 推理机 数据库 知识库 方法库和图库 基础上的大坝安全综合评价专家系统 4 沈阳农业大学硕士学位论文 应用模式识别和模糊评判 通过综合推理机 对四库进行综合调用 将定量分析和定性 分析结合起来 实现对大坝安全状态的在线实时分析和综合评价 原南京自动化所研制 开发了d a m s 大坝自动监测系统和d s i m s 大坝安全管理信息系统 南京水文所开发了 d g 大坝自动监测系统 这些系统实现了观测数据的自动化采集 在线分析和实时监控 近年来 国内外对水工建筑物安全评价方法的研究有了较大发展 在国外 美国 加拿 大等国已用s e e d 法及风险值概念对大坝失事的总概率进行计算 如b c y e n 1 9 9 6 对随机荷载和抗力作用下水工建筑物系统的可靠性估算方法进行研究 对均值一次二阶 矩法和改进的一次法进行重点讨论 并将它们与失事树 或事件树 联合应用 为定量 考虑影响整个系统可靠性的所有因素提供了一个虽然近似但较为合理的框架 在国内 吴中如 尉维斌等 1 9 9 4 利用模糊数学方法自下而上的确定大坝实测性态评价体系各层 元素的权重 实现对大坝安全实测性态的评判 王绍泉 1 9 9 7 以模糊数学理论为依据 在考虑各专家的权威性权和专业熟悉性权的基础上 研究了大坝安全分析的多层次阈值 模糊综合评判模型 导出了其相应的求解矩阵 实现大坝的综合评判 何金平等 1 9 9 7 研究了一种基于突变理论的大坝实测性态动态模糊综合分析与评判方法 李珍照等 1 9 9 8 利用模糊模式识别方法 采用 最大隶属度 原则对大坝实测性态进行多层递 归模糊模识别 此外 还有在大坝结构实测性态的综合评判中引入模糊积分的概念 从 各评价指标的满意度和重视度两个方面综合反映大坝的实测性态 吴云芳等 2 0 0 3 研 究了用多级灰关联来评价大坝实测性态的方法 用关联度反映单个评价元素的质量 逐 级综合评判后得到对大坝实测性态状况的综合评判 麻荣永 黄海燕等 2 0 0 4 综合考 虑了影响大坝安全各因素的随机性模糊性 对大坝进行定量模糊风险分析 在分析评价中 模糊综合评价方法是理论上比较成熟并且应用十分广泛的方法 但 是对于各个具体大坝而言 其指标体系是各不相同的 当运用模糊评价对大坝进行分析 时 指标体系中的专家打分确定 难免要依赖有本大坝观测经验的专家 每个大坝又各 有各的确定准则 难以避免的在结果中加入了过多的人为因素 近几年发展起来的人工 智能 神经网络方法可以克服传统方法的局限性 但是它也有自己的弱点 比如学习样 本数量不够导致结果不准确 无法解决局部最优问题等 使预报通常不准确 让管理者 很难判断 1 3 本文的主要工作 本文将在充分掌握土石坝综合评价领域国内外研究的基础上 对综合评价的模型理 第一章绪论 论基础进行研究 并开发基于灰色关联度分析 模糊综合评价与b p 神经网络的土石坝 综合评价系统 对土石坝的安全评价理论进行研究 分析适用于土石坝特点的综合评价 体系与评价准则 最后将运用系统在辽宁省柴河水库进行应用实践 1 4 小结 本节通过对国内外该领域研究现状的分析 确定了本研究的研究工作内容 本研 究成果将具有如下特点 运用计算机软件开发技术开发具有通用接口的土石坝综合评 价系统软件 通过该系统可实现不同土石坝工程的安全综合评价 提供从指标体系建 立 权重计算到综合评价分析的全面支持 全面分析土石坝综合评价的指标体系与评 价准则 研究确定的指标体系具有全面 分层次 易评价和易操作的特点 6 沈阳农业大学硕士学位论文 第二章综合评价模型 本章介绍模糊数学 灰色理论 人工神经网络三方面的原理并分析它们在安全评价 中的应用 2 1 模糊综合评价方法在评价中的应用 2 1 1 模糊综合评价方法原理 数学是关于数量的科学 它研究的对象是现实世界的空间形式和数量关系 在科学 的发展历程中 每次重大的变革或革命都有数学的烙印 数学的影响是比较深刻的 数 学经历了从常数数学一经典精确数学一随机数学一模糊数学的发展过程 都是因为社 会 经济 技术的发展和需要 在社会认识实践中由感性认识上升到理性知识的创造性 应用的结果 进而受到广泛的重视 也一度成为时代背景条件下研究的热点 模糊数学 是美国加里福尼亚大学控制论专家查德 l a z a d e h 于1 9 6 5 年首先提出的 在这么多年 的发展中 其理论方法日臻完善 已广泛渗透到自然科学和社会科学各领域中 由于模 糊数学在处理客观实际问题时既能与精确数学结合又有区别于精确数学 非此即彼 的 亦此亦彼 的特性 因而为它的广泛应用找到了理由 也使它成为国际上目前较为敏 感的新兴学科 韩立岩 1 9 9 8 模糊数学拓宽了经典精确数学的基础 找到了一条解 决概念上不确定性现象的描述方法 二者的结合使数学本身又升华了一个新的层次 在 客观世界中 存在着许多不确定性的现象 这种不确定性主要表现在两个方面 一是随 机性 二是模糊性 随机性所造成的不确定性是由于对事物的因果规律掌握不够 也就 是说对事件发生的条件无法严格控制 以致一些偶然因素使事件结果产生了不确定性 但事件本身确是有明确的含义的 随机事件的特点是结果的不可预知性 日常生活中模 糊性现象很多 如长短 高低等 模糊性的实质是客观事物之间差异的中间过渡性所引 起的划分上的一种不确定性 使概念的内涵和外延的不分明性 外延是指适合这个概念 的一切对象 它是从量的方面来反映的 内涵是外延包括的一切对象所共同具有的本质 属性 是从质的方面来反映的 模糊性和精确往是对立统一的 相互依存 可以相互转 化的 荩垆 1 9 8 9 模糊性是普遍的绝对的 精确性是具体的相对的 是包含了模糊 性的精确性 模糊数学是研究和处理模糊现象的科学 所揭示的是客观事物之间差异的 中介过渡性引起的划分上的一种不确定性 它定义的具有描述事物渐变过渡能力的隶属 函数 使人们从 亦此亦彼 的事物中 提取 非此即彼 的信息成为可能 而这使人 7 第二章综合评价模型 们在认识事物的属性的程度上提高了准确度 在自然科学 社会科学 工程技术的各个领域 都会涉及大量的模糊因素和模糊信 息处理问题 模糊技术几乎渗透到了所有领域 列有模糊专题的较大型国际会议每年约 有十多个 对土石坝总体安全度进行评判 即要进行模糊综合评判 模糊综合评判的方 法通常是 先对单个因素单独评判 再对所有因素进行综合评判 具体步骤如下 1 确立因素集 因素集是影响评判对象的各种因素所构成的集合 设有n 种因素所构成的因素集 通常用u 表示 u 函 2 1 各元素u i i l 2 n 代表对评判事物有影响的因素 这些因素通常具有不同 程度的模糊性 由于土石坝安全度模糊综合评判属于多级模糊综合评判 因而在进行这 一步工作时 就要建立因素体系 即确定各级的目标和影响因素 上一级的目标同时又 是下一级的影响因素 2 确立权重集 一般地 各因素对所评判的对象的影响是不一致的 为了反映各因素的重要程度 对各元素u j i l 2 n 应赋予相应的权数l q i 1 2 n 故因素权重的分配 可视为u 上的模糊集 记为 k 瓴 毛 t f p 2 2 其中t 表示各因素甜一的权重 它们满足归一化条件 智 y 岛 l 3 确立评价集 评价集是由评判者对评判对象可能的各种结果所组成的集合 设有m 种决断所构成 的评判集 通常用v 表示 y 匕 2 3 各元素m i l 2 m 代表各个可能的评判结果 模糊综合评判的目的 就 是在综合考虑所有影响因素后 从评价集中得出最佳评价结果 4 单因素模糊评判 如土石坝坝体抗滑稳定的安全系数隶属于水库总体安全度判断中某一级别的程度 沈阳农业大学硕士学位论文 需要确定抗滑稳定的安全系数k 这个单一因素对评价集的隶属函数 这就是单因素模糊 评判 单因素模糊集实际上可视为因素集u 和评价集v 之间的一种模糊关系 因此单 因素评价集可以表示为 冗一生 垒 血 t v 1 q v 2 鸭 k 2 4 5 模糊综合评判 m 个判定也并非都是绝对的肯定和否定 因此综合后的判断也可以看作v 上的模 糊集 记为 b 娩 6 2 j f 矿 其中岛反映了第j 个判断在评判总体v 中所占的地位 假定有一个u 与v 之间的模糊关系r 2 r k 南 如 吒 e 则输出一个模糊综合评判 b k x r 于县 丑 a 屯 k 毛 如 毛 i l i 2 l 勃 r 1 r 2 2 5 以及一个权重分配 i 吒 埘 2 7 多层次模糊综合评判模型 以上介绍的为模糊评判的初始模型 多层次模糊综合评判模型的步骤如下 第一步 将因素集u 2u i 地 按某些属性分成s 个子集合 u q 2 扣1 2 s 它们满足条件 啊 他 7 一 u u u u u q n q 2 庐 f 第二步 对每一子因素集u 分别做出综合评判 设矿2 m v 2 为评判集 9 第二章综合评价模型 u 中各因素相对v 的权重分配为 k 2 t z 2 8 其 中k i l 毛 l 若足为单因素评判矩阵 则得出一级评判向量 旦 k r 6 j 岛 f 1 2 s 2 9 第三步 将每个v 视为一个因素 记 2 u l u s 于是u 又是一个因素集 u 的单因素评鞠f 矩阵为o r 墨 马 鱼 6 l 6 i 岛 6 2 1 6 2 k k 2 一i o 每个配作为u 的一部分 反映了u 的某种特性 可以按照它们重要性给出权重分配 x 毛 岛 t 于是得到二级向量 b k x r 6 2 k 2 一1 1 如果每个子因素集u i 1 2 s 仍含有较多的因素 可将u 再进行划分 于是有三级模型 自然也有四级模型 五级模型等等 隶属函数的选择 隶属函数是模糊集合应用于实际问题的基石 一个具体的模糊对象 首先应当确定 其切合实际的隶属函数 才能应用模糊数学方法作具体的定量分析 确定隶属函数的注 意事项 隶属函数的确定过程 本质上是客观的 但又容许一定的人为技巧 有时这种 人为技巧对问题的解决起决定作用 隶属函数可以通过模糊统计 概率统计 二元对比法 模糊运算等方法加以确 定 在一定的条件下 隶属函数可以作为推理的产物 但必须符合客观实际 隶属 函数是否符合实际 主要不在于单个元素的隶属度数值如何 而在于是否正确地反映了 元素隶属于集合与不属于集合这一变化过程的整体特性 模糊综合评判指标的处理 1 0 沈阳农业大学硕士学位论文 得到评判指标吩后 就需要进行一定处理以得出对评判对象的评判结果 处理的方 法主要有最大隶属度法 加权平均法以及贴近度分析法等几种 2 1 2 模糊综合评价方法在土石坝综合评价中的应用 从模糊综合评价方法的原理中可以看出 该方法非常适合应用于多层次指标体系的 综合评价 土石坝安全的综合评价正是这种多层次体系的问题 在对坝体安全实际评价 过程中 要构建坝体的安全评价体系和评价准则 而对应模糊综合评价指标体系就是它 的因素集 评价准则就是它的隶属函数 因此土石坝安全综合评价问题也就是运用模糊 综合评价方法中计算目标集与评价集贴近关系的问题 2 2 灰色理论在评价中的应用 2 2 1 灰色系统原理 客观世界是物质的世界 也是信息的世界 既有大量已知信息 也有不少未知的或 非确知的信息 未知或非确知信息称之为黑色的 已知信息称之为白色的 既含有已知 信息又含有未知或不确定信息的系统称为灰色系统 从另一方面讲 对一个客体 例如 承受水压力 交温等荷载作用的大坝 可以用一组状态变量构成的系统来描述 此系统 可视为 箱 黑箱就是指只计及输入和输出关系而不计内部结构与状态的系统 或指 内部状态不可预测 不可控制的系统 相反 对内部结构完全可以观测和控制的系统称 为白箱 而介于这两者之间的就是灰箱或灰色系统 灰色系统普遍存在 它的研究对象 包括 社会系统 经济系统 工程技术系统 生态系统 和 管理系统 等等 研究灰色系统的理论就是灰色系统理论 简称灰色理论 灰色理论 是我国华中理工大 学邓聚龙教授1 9 8 2 年创立的 这种新的系统理论的出现 开辟了新的研究领域 提出 了新的研究方法 填补了信息不完全的灰色现象研究的空白 灰色系统理论的主要特点 是 1 它视不确定量为灰色量 提出了灰色系统五步建模的具体方法 它能利用离 散数据列 建立微分方程型的连续动态模型g m 为复杂系统的研究提供了强有力的数 学工具 2 灰色系统理论和方法 将表面似乎杂乱无章的原始数据进行整理 生成 用 生成数建模 运用 就数找数 方法来揭示客观事物的规律性 这是充分开发利用信息 资源的有效方法 第二章综合评价模型 3 灰色系统理论善于处理贫信息系统 它能在短资料 少信息条件下建模 预 测和决策 4 注重动态研究 定性与定量紧密结合 灰色系统理论与方法 既有理论性 又有较强的实用性 因此 灰色系统理论受到了国内外学者的广泛重视和关注 综合评价中采用灰色关 联度分析模型 是计算各评价序列与灰色集合标准序列之间的关联程度 通过关联度可 以量化地比较各待评价序列的优劣 其分析与计算的步骤如下 第一步 确定评价矩阵 第二步 确定灰色集合标准序列 本研究采用的方法为 在待评价序列中选择各指 标的相对最优值 以此为依据形成评价灰色集合标准序列 第三步 计算关联系数 为了保证评价指标的可比性 应对评价指标集进行同一化 的纯量处理 根据灰色关联度原理 待评价序列与灰色集合标准序列的关联系数为 帕 2 篑署 批 式中 m a x a m n p 功一置 j l m 砥 n 归 n 錾n p 的一置 d 域 f j 一五 i x i k 为纯量化处理后的评价序列 名为分辩系数 取啦1 0 之间的任意数 第四步 计算关联度 关联系数只能反映生成参考数列与生成比较数列在采样点 指 标 k 处的关联度 是孤立分散的信息 集中这些孤立分散的信息 并做均一化处理 便得到生成参考数列与生成比较数列的灰色关联度 根据层次分析法所得到的权重集 为 a 口 1 口 2 口 棚 2 1 3 则加权关联度为 r 口 j j i k l 口 矿呻 坍 2 1 4 7 1 4 1 2 沈阳农业大学硕士学位论文 2 2 2 灰色关联度分析在土石坝综合评价中的应用 关联分析可根据数列的可比性 可近性分析系统内部主要因子之间的相关程度 定 量地刻划了系统内部结构之间的联系 是对系统内部各因子之间状态的量化比较分析 大坝是由一系列既互相联接又可相对独立工作的水工建筑物 如挡水坝段 泄水坝段 电站坝段 船闸等 构成 通过构建大坝安全性态评价体系和评价准则 评价中需要用 到的指标体系和评价准则的建立将在本文的第四章中详细介绍 根据评价指标对评价 矩阵中每个评价指标体系的关联系数矩阵进行加权求和即可得到待评价序列与各级安 全评价标准序列间的综合关联度 从而实现坝体的安全综合评价 2 3 人工神经网络在评价中的应用 2 3 1 人工神经网络技术原理 人工神经网络是一种模仿人脑神经系统的工作机制而建立的网络模型 它是2 0 世 纪8 0 年代中后期在世界范围内迅速发展起来的一个新兴学科分支 虽为时不长 但已 对计算机科学 人工智能 认知科学等领域产生了重大影响 陈明 1 9 9 5 智能是指 人们认知客观事物并运用知识解决实际问题的能力 它表现为运用知识认识新情况 解 决新问题 学习新方法 预见新趋势 创造新思维的能力 智能的高低反映在对客观事 物的认识的深刻 正确 全面的程度以及运用知识解决实际问题的速度和质量上 智能 研究两个基本问题 探索人类智能的奥秘 研究人类的认识过程 和运用人工手段模仿人 类的智能行为 在后一问题的研究上又有两种指导思想 结构主义一从硬件上模拟人脑 的构成 功能主义一撇开人脑的具体结构 仅从输入输出关系上构造出与人脑功能相一 致的人工智能系统 功能主义成了传统人工智能的基础 这种理论的核心就是以冯 诺 依曼数字计算机为支持 编制出本领超凡的软件程序 以此达到模拟人脑智能的目的 传统人工智能理论在求解高精度计算问题以及过程模拟 过程控制等方面取得了巨大成 功 但也遇到了许多它无法克服的问题 以结构主义为指导思想 从分析人脑神经网络 的微观结构入手 抓住人脑结构的主要特征 即大量相对简单的非线性神经元之间复杂 而又灵活的联接关系 深刻揭示人脑认识过程的结构作用的研究 人工神经网络理论的 研究 成为人工智能理论研究的另一大分支 人工智能理论研究的这两大分支是相辅相 成 相互补充的关系 它们有着共同的研究基础 这就是对信息的处理 所不同的只是 处理方法上的差别 1 人工神经网络技术具有如下特性 第二章综合评价模型 并行分布处理 神经网络具有高度的并行结构和并行实现能力 因而具有较好 的耐故障能力和较快的总体处理能力 这特别适于实时和动态处理 非线性映射 神经网络具有固有的非线性特性 这源于其近似任意非线性映射 变换 能力 这一特性给处理非线性问题带来新的希望 通过训练进行学习 神经网络是通过所研究系统过去的数据记录进行训练的 一个经过适当训练的神经网络具有归纳全部数据的能力 因此 神经网络能够解决那些 由数学模型或描述规则难以处理的问题 适应与集成 神经网络能够适应在线运行 并能同时进行定量和定性操作 神经 网络的强适应和信息融合能力使得网络过程可以同时输入大量不同的控制信号 解决输 入信息问的互补和冗余问题 并实现信息集成和融合处理 这些特性特别适于复杂 大 规模和多变量系统 2 b p 人工神经网络算法 这是目前应用最广泛的一种人工神经网络 由于这一网络采用了误差逆传播学习算 法 所以人们简称之为误差逆传播人工神经网络或b p 网络 误差逆传播人工神经网络 是一种具有三层或三层以上的层次结构网络 相邻上 下层之间各神经元实现权连接 即下层的每个神经元与上层的每个神经元都实现权连接 而每层各神经元之间无连接 网络按有教师示教的方式进行学习 当一对学习模式提供给网络后 神经元激活值从输 入层经各中间层向输出层传播 在输出层的各神经元获得网络的输入相应 在这之后 按减小预期输出与实际输出误差的方向 从输出层经各中间层逐层修正各连接权 再回 到输入层 图2 1 是一个典型的三层b p 网络 它由输入层 隐含层 也叫中间层 和输 出层组成 图中输入层节点个数n 输出层节点数q 隐含层节点个数p 目前尚无统一 的确定方法 是一个比较复杂的问题 虽然从方程组的求解理论可以对单隐层b p 网络 估计其隐节点数目p 为 p m q n q 2 1 5 式中 驻一学习样本对数 淌入节点数 q 输出节点数 但是 至今隐节点选取尚无理论上的指导 而是根据经验选取的 由于b p 网络对 于大样本的学习非常费时 所以一般情况下m 并不大 因此用上式确定的p 常常偏小 1 4 沈阳农业大学硕士学位论文 难以进行非线性识别 此时可取p 为n 和q 中较大的一个 或稍小一些 当学习时间过 长时 可适当减小p 的数目 q 行 输 屠髓台层输出层 闰2 1三层即网络结构 f i g 2 1t h r e e l a y e r b p n e t w o r k s o u c t u r e b p 网络的学习由四个过程组成 学习模式由输入层经中间层向输出层的 模式顺 传播 过程 网络的预期输出与实际输出之差的误差信号由输出层经中间层向输入层逐 层修正连接权的 误差逆传播 过程 由 模式顺传播 与 误差逆传播 的反复交替 形成的 记忆训练 过程 网络趋向收敛即网络的全局误差趋向极小值的 学习收敛 过程 模式顺传播 记 确入层神经元数 p 一中间层神经元数 q 输出层神经元数 m 学习模式对数 设输入模式向量为 a k 彳 磋 露 7 后 l 2 肼 2 1 6 为简洁起见 在下面某些字符中将略去标号k 则中间层各神经元的输入为 乃 w o a i o j j l 2 p 2 1 7 i l 式中 嘞 输入层神经元l 至中间层神经元j 的连接权 p 一中间层神经元的阈值 第二章综合评价模型 中间层各神经兀的输出为 包 f s j 专闰 2 p 类似地 输出层各神经元的输入 输出可分别按下列两式计算 五 屯一以 f 1 t 而1 彳f 协一 g 式中 屹一中间层神经元j 至输出层神经元t 的连接权 形一输出层神经元的阈值 误差逆传播 记网络的预期输出向量为 c c l 乞 白 7 预期输出与实际输出之差为 4 a t y tf l 2 q 4 的均方值可表示成 乓 2 圭t i 砰 丢喜 一 2 于是问题便归结为求解 m i l l 乓 其中 w v f n 篝 等舞一她 训屯m i to j t 西镕 1 按梯度下降原则 如令口 0 1 则连接权 的修正值可按下式计算 吨一口 静钳删训乃 再定义彤为e 对输出层输入 的偏导数之负值 即 彤 一等 4 m o y 1 6 2 1 8 2 一1 9 2 2 0 2 2 1 2 2 2 2 2 3 2 2 4 2 2 5 2 2 6 沈阳农业大学硕士学位论文 口露q t 2 1 2 g j 2 1 2 p k 1 2 肼 2 2 7 两o e r 偿等鸶 考嚣 偿c 一 心k 幽 一诺 b 扣嘲q 再定义蟛为 对中间层输入 的偏导数之负为下式 嘭一等 擂 b j 1 屯 2 2 s 便得连接权 的修正值的计算公式 嵋 一 等 膀q 倒 2 l 2 咖 l 2 肌 2 2 9 其中 0 1 类似地 阈值z 和e 的修正值分别为 乃 一口 t l 2 g 2 3 0 易 一彤 j l 2 p 2 3 1 3 b p 网络学习算法 现将b p 网络学习算法的计算步骤归纳如下 步骤1 对各连接权 峋 和阈值 e 以 赋 1 1 之间的随机数 步骤2 随机选取一模式对q 彳 露 7 c t 甜 砖 砖厂输入网络 步骤3 计算中间层各神经元的输入q 和输出i 0 q 一0 2 3 2 乃 呜 击 l 2 p 2 3 3 步骤4 计算输出层各神经元的输入 和输出 口 l 一以 2 3 4 1 7 第二章综合评价模型 m f 1 t 南 忙1 2 q 卜3 5 步骤5 按下式计算钟 彬 c f 一只 1 一儿 t 1 2 g 2 3 6 步骤6 按下式计算p 亏 倭影 扣圳 川名 p 2 3 7 步骤7 更新连接权v 和阈值 1 盯钟q 2 3 8 以 1 以 一岱钟 j 1 2 p t l 2 q 2 3 9 步骤8 更新连接权值 和阈值6 1 1 d 肘彳 2 4 0 e j n 0 0 一 弓 i l 2 j 1 2 p 2 4 1 步骤9 随机选取下一模式对输入网络 返回步骤3 直至全部 个模式对训练完 毕 步骤1 0 开始新一轮学习训练 直至满足下列不等式为止或一直进行到设定的训 l i 练次数为止 l 荟 l 不等式左边是全局误差的绝对值 占是预给精度 2 3 2b p 人工神经网络在土石坝综合评价中的应用 由于神经网络具有学习和自适应 自组织 函数逼近和大规模并行处理等能力 因 此可用b p 网络非线性处理能力来处理水利工程中较为复杂的非线性问题 针对土石坝 综合评价 运用b p 神经网络可以通过学习来模拟评价体系与评价准则之间的对应模式 实际应用中可利用评价体系和评价目标准则来构造神经网络体系 输入层个数可采用待 评价的指标个数 输出层的个数可采用大坝评价的等级个数 可以运用待评价工程历史 上获得认可的评价指标和评价结果制作样本数据进行权重训练 通过观测训练曲线可以 不断的改进网络的中间层 由此便可构造一座土石坝的综合评价模型 1 5 沈阳农业大学硕士学位论文 2 4 土石坝评价模型的选取 运用上述三种模型均可实现土石坝的综合评价 三种方法各有自身特点 在实际工 程的评价应用在三种方法中灰色关联度分析的实现最为方便 该方法可在评价准则不健 全的评价体系中应用 可用来分析坝体安全的变化趋势和过程 适用于构建坝体在线评 价系统 模糊综合评价方法适用于坝体评价准则健全的评价项目 能够明确的评价出坝 体当前所处的安全级别 适用于进行坝体的等级确定和分类 人工神经网络方法的本质 是对事物规律的学习和模仿 因此它是当坝体评价体系和准则成熟的基础上才能够有效 应用的一种智能型的评价方法 由此可见 通过这三种方法可以解决不同坝体工程的综 合评价需求 2 5 小结 综合以上几种方法可以看出 大坝安全的综合评价的几个关键步骤为 评价指标特 征值的确定 各指标权重的确定 综合评价模型的选择 可得出如下结论 1 利用模糊综合评判法可以得出坝体安全的综合评价结果 同时还可以得到每 一层次评价总体相对于各评价等级的隶属度 该方法也可以用于项目多种方案的选优 2 灰色关联度分析方法应用于大坝安全评价 机理明确 可用于方案优选 3 人工神经网络模型评价方法具有运算速度快 容错能力和自学能力强等特点 将有广泛的应用前景 在对实际坝体进行综合评价时 可以应用上述方法中的一种或几种 最终的目的是 对工程的综合安全性态做出客观的评价 以便为决策者的决策提供参考 1 9 第三章模型程序开发 第三章模型程序开发 基于上述应用于坝体综合评价模型的理论 本研究专门开发土石坝安全综合评价系 统 系统实现灰色关联度评价 模糊综合评价与b p 神经网络评价的通用软件模型开发 通过系统可动态构建某一土石坝工程的综合评价系统 实现对坝体的综合安全状态进行 评价支持 本章将对研究开发的成果进行介绍 3 1 系统功能设计 综合评价模型是系统的主要功能 系统的总体功能设计就是针对综合评价模型的实 现进行的 对模型的输入 计算 输出 成果管理进行计算机软件支持与数据库支持 因此系统的设计以模型功能实现为目标 系统的主要支持模型包括 灰色关联度评价模 型 模糊综合评价模型与b p 神经网络评价模型 本研究根据模型的相同之处与各自的 特点对系统进行详细的功能划分 系统的功能结构图3 i 如下 图3 1 系统功能结构图 f i g s i s t r g c t m g o f s y s t e m f u n c t i o n 3 2 系统数据流设计 系统的数据按照性质可分为 原始观测数据 模型数据 评价参数数据与成果数据 各种数据的有机结合实现了系统的模块功能 系统的数据流设计如下图 沈阳农业大学硕士学位论文 围3 2 系统数据流图 f i g 3 2d a t a s t r e a m o f t h e 叫s t e m 由数据流图中可以看出 通过系统可构造评价体系 然后运用指标体系及评价准则 参数构造评价模型接口 并通过交互输入指标体系对应的监测数据即可生成评价成果 3 3 系统数据库设计 本系统开发选择的数据库操作系统为s q ls e r v e r2 0 0 0 采用关系型数据库设计 系统数据库包括 评价模型数据库 观测数据库 评价参数数据库和评价成果数据库 各数据库间通过所属评价体系编号进行关联 3 4 模型开发成果 本系统采用v i s u a lb a s i c6 0 开发 按照周期法结合原型法的方式进行设计开发 现 将开发的主要成果介绍如下 1 评价指标体系建立功能 评价指标体系建立功能是具有通用性的指标体系建立支持模块 该模块可对指标体 系的层次管理 专家打分 权重计算 层次分析及一致性检验的全过程进行支持 并可 利用数据库对体系建立的中间过程数据及最终运用层次分析法计算的指标权重成果进 行管理 通过该模块建立的指标权重可被灰色关联分析模块及模糊综合评价子模块调 用 并且通过接口转换可作为b p 神经网络模型的输入层节点 下图为分层权重计算界 面 2 1 第三章模型程序开发 图3 3 分层权重计算与检验界面 f i g 3 3i