基于组合赋权云模型的水利信息系统可靠性评价_刘英杰.pdf

第 54 卷 第 2 期2 0 2 3 年 2 月人民长江YangtzeiverVol 54，No 2Feb，2023收稿日期:2021 12 17基金项目:国家自然科学基金项目(51709116);华北水利水电大学高层次人才科研启动项目(10030)作者简介:刘英杰，女，副教授，博士，研究方向为工程项目管理信息及技术。E mail:lyjwhish163 com文章编号:1001 4179(2023)02 0227 07引用本文:刘英杰，李光辉，马锐鑫 基于组合赋权云模型的水利信息系统可靠性评价 J 人民长江，2023，54(2):227 233基于组合赋权云模型的水利信息系统可靠性评价刘 英 杰1，2，3，李 光 辉1，马 锐 鑫1(1 华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450046;2 水资源高效利用与保障工程河南省协同创新中心，河南 郑州 450046;3 河南省水环境模拟与治理重点实验室，河南 郑州 450046)摘要:水利信息系统运行可靠性关乎水利事业各项工作的正常开展。为了综合评价水利信息系统的运行可靠性，将可能危及系统可靠运行的主要问题作为一个评价系统，从运行环境、硬件、网络系统软件、人为因素 4 个方面分析影响系统运行可靠性的因素，建立了包含准则层、目标层和状态层等多层次的运行可靠性评价指标体系。采用 AHP 法和改进 CITIC 法确定评价指标权重，构建基于云模型的水利信息系统综合评价模型。以一个供水工程决策支持系统为例，对该系统运行可靠性进行研究分析，并利用 Python 软件编程将综合评价结果可视化和直观化。结果表明:该决策支持系统运行可靠性更优，与实际情况相符，验证了评价模型的可行性。研究成果可为开展类似水利信息系统运行可靠性评价与研究提供参考。关键词:水利信息系统;运行可靠性;云模型;AHP 法;改进 CITIC 法中图法分类号:TV68文献标志码:ADOI:10 16232/j cnki 1001 4179 2023 02 0340引 言近年来，水利信息化快速发展，推动传统水利向现代水利转变1。水利信息系统作为水利信息化在水利行业的表现形式，利用互联网、大数据挖掘、人工智能等多种技术，建成了各种集信息管理、资源共享、技术支持等多功能的综合型水利数据中心，推动了水利现代化、智慧化进程，适应了现代水利信息化可持续发展的需求，实现了效益最大化2。目前，水利信息系统内容在水利行业的多个方面有所应用，涉及到水资源调度3 4、移民工作安置5 6、水质监测7、生态环境管理8 等多个领域。随着业务范围的不断扩展，对信息系统运行质量、稳定性要求也越来越高，水利信息系统运行可靠性不仅关系到水利工作的正常进行，对水利现代化建设也有一定的推动作用。因此，对水利信息系统运行可靠性进行合理评估显得尤为必要。国内外学者对水利信息系统的运行可靠性展开了大量研究。Solhee 等9 对农水信息系统的安全运行进行研究分析，并识别出系统中的薄弱环节，提出针对性建议。刘子龙等10 对水文自动测报系统特性进行研究分析，从数据采集精度、通信及数据传输可靠性、水文预报精度 3 个方面对系统运行可靠性进行综合评价。贺挺等11 采用 AHP 法和 SPA 法对水利业务系统的安全性进行综合评估。付静等12 分析了水利信息系统运行存在的主要问题，并在此基础上提出维护措施。水利信息系统在运行过程中，由于人为、自然等因素的影响，产生的实体问题是危及系统安全运行的主要问题来源。基于此，本文以水利信息系统运行可靠为目标，从运行环境、硬件、网络系统软件、人为因素 4个方面分析系统运行可靠性，并借鉴以往的研究工作提出了基于云模型的系统运行可靠性评价模型，对评价信息实现定量与定性的相互转换。应用该模型对一个供水工程决策支持系统运行可靠性进行了综合评价，以期为水利信息系统运行可靠性评价提供实质性人民长江2023 年帮助。1运行可靠性评价指标体系构建1 1评价指标体系若要对水利信息系统运行可靠性进行有效评估，必须建立符合其特性的指标体系。中国于 2015 年发布了 水利信息系统运行维护规范，对水利信息系统的物理环境、信息采集设施、主机等基础设施和水资源管理、水利工程管理等业务系统进行运维管理，并根据具体指标定期对系统进行安全性评估。王文义13 从系统的接地、环境温度和湿度及电源问题等方面对影响水利调度系统可靠运行的环境因素进行研究分析。周维续14 将影响水利信息系统安全的因素划分为物理层、网络层、主机系统层、应用层、数据层和安全管理等 6 个层次。李柳15 对影响工程运行调度的风险因素进行分析，认为应用软件和硬件设备设施能够正常使用是自动化系统平稳运行的关键。蔡阳16 构建了包含采集监控层、支撑层、应用层、门户层等 4 个层次的水利信息系统运行保障平台，提高了信息系统运行可靠性。翟宜峰等17 结合水量调度运行管理特点，将水利自动化系统分为应用系统、应用支撑平台、基础设施、组织管理、技术保障等 5 部分。严升等18 认为了解水利自动化系统的整体结构和设备的运行特征、掌握系统的工作原理能够更好地保障系统稳定运行。以上研究多从水利信息系统的组成结构和功能特点出发研究系统运行可靠性问题，却忽略了人为因素、运行流程失误等对系统安全运行造成的影响。根据 GartnerGroup 的调查发现，流程和人员才是造成信息系统运行故障的主要原因19。本文基于以上研究，依据水利信息系统的特点，结合实地调研情况，构建起水利信息系统运行可靠性评价指标体系。评价体系分为准则层、目标层、状态层 3层。准则层包括运行环境、硬件、网络系统软件、人为因素 4 个部分。目标层由各个部分包含的具体指标构成，其中运行环境分为机房环境、综合布线;硬件分为UPS 系统、机柜系统、计算机系统、传感器、安防系统、通信系统;网络系统软件分为操作系统、业务系统、网络系统;人为因素分为人员素质、技能水平、操作经验。目标层指标又可根据结构的功能要求进行详细划分，构成系统评价指标体系的状态层。具体指标见图 1。1 2状态层指标评估标准采用定性语言值对状态层指标的具体性状进行描述，使用一般、较重、严重 3 个等级表示状态层指标对目标层指标的影响程度(见表 1)。限于篇幅，本文只列出部分指标的评估标准。2运行可靠性评价模型研究2 1确定评价指标权重2 1 1AHP 法确定主观权重AHP 法是一种实用有效的多准则决策方法，是常用的主观赋权法之一，能够使定性问题定量化，复杂系统层次化20。通过邀请行业专家对指标重要性进行两两判断，确定指标权重 j。2 1 2改进 CITIC 法确定客观权重CITIC 法是一种基于评价指标的客观赋权法，通过相关系数、标准差分别衡量指标间的冲突性和指标内的差异性21。本文依据水利信息系统运行可靠性评价指标的具体特点，利用变异系数代替标准差，改进传统 CITIC 法确定指标权重，以此提高评价结果的准确性。假设有 a 个样本，b 个运行可靠性评价指标，则客观权重的计算步骤如下:图 1水利信息系统运行可靠性评价指标体系Fig 1Operation reliability evaluation index system of water conservancy information system822第 2 期刘英杰，等:基于组合赋权云模型的水利信息系统可靠性评价表 1状态层指标评估标准Tab 1Evaluation criteria of state level indicators评价指标评估标准评价等级机房卫生环境缺陷机房环境、自动化设备存在灰尘，影响设备运行环境一般自动化设备性能因灰尘阻塞而受到影响较重自动化设备因灰尘阻塞而存在损坏的风险严重机房环境温度不达标 设备散热性能较差，降温缓慢一般设备发热量较大，无法有效降温，导致设备性能下降较重因设备发热量大导致设备损坏或引发火灾严重防静电设施缺陷未安装防静电设施，但未影响设备运行一般由于静电原因造成打印混乱、图像紊乱的现象较重由于静电原因造成磁盘读写失败，击穿芯片或主机板严重机房内结露因机房内发生结露，但未引发漏电、短路现象或不影响设备运行一般因机房内发生结露，引发自动化设备故障或造成漏电较重因机房内发生结露，造成自动化设备损坏或因漏电造成人身伤害严重机房鼠害由于老鼠进入机房，但未对设备、线缆造成损坏一般由于老鼠进入机房，对设备、线缆造成损坏较重由于老鼠进入机房，对设备、线缆造成损坏，并造成人员触电严重接线不规范线缆安装杂乱一般强电线缆接线不规范，存在短路、断路风险较重弱电线缆接线不规范，影响数据传输，存在传输中断或数据失真隐患严重线槽、穿线管缺陷线槽、穿线管未封闭或被损一般线槽、穿线管未封闭或被损，对设备运行和运维造成影响较重线槽、穿线管未封闭或被损，造成人员触电或发生火灾严重接线箱内杂乱接线箱密封不严，造成灰尘或异物进入一般接线箱内存在灰尘、杂物或异物，影响系统运行和运维较重接线箱内存在灰尘、杂物或异物，导致设备受损严重蓄电池安装不规范不同厂家、不同容量、不同型号、新旧程度不同的电池并联使用，加速蓄电池老化，影响使用寿命一般电池架安装不劳固，存在电池架垮塌风险较重电池架垮塌，造成蓄电池接线短路引发火灾或人身伤害严重(1)建立决策矩阵 X=xija b，xij代表第 i 个样本关于第 j 个指标的数据。(2)计算第 j 个指标的信息熵 Ej。Ej=kai=1pijlnpij，0 Ej 1(1)式中:i=1，2，a;j=1，2，b;k=1lna;pij=xij/ai=1xij。(3)计算第 j 个指标的变异系数 gi。gj=1 Ej(2)(4)对决策矩阵进行标准化处理，利用统计学概念计算相关系数，得到相关系数矩阵 =rj1j2b b，j1，j2=1，2，b，其中 rj1j2表示第 j1个指标和第 j2个指标间的相关系数。(5)各指标间的综合信息量 Cj。Cj=gjbj=1(1 rj1j2)(3)(6)确定指标权重 jj=Cjbj=1Cj(4)2 1 3组合赋权本文采用基于理想点法的组合赋权法22，将 AHP法确定的主观权重 j和改进 CITIC 法确定的客观权重 j相结合，计算公式为wj=wjbj=1wj(5)式中:wj=2j+2j2，j=1，2，b。2 2建立水利信息系统综合评价云模型2 2 1云模型基础理论云模型由李德毅教授提出，是基于模糊数学和概率论算法实现定量与定性转换的一种模型，能够用于解决不确定性问题23。设 U 为定量论域，C 是 U 上的定性概念，若定量值 xU，且 x 对 C 的隶属度(x)0，1 是有稳定倾向的随机数，即:U 0，1，x U，x(x)(6)在云模型中，由期望 Ex、熵 En 和超熵 He 反映整体特征，其中 Ex 表示论域的中心，En 表示定性概念 C的不确定性，He 表示熵的不确定度。云模型可由云发生器建立，包含正向和逆向。正向云发生器是实现定性到定量的转换，通过云模型数字特征产生云滴;逆向云发生器则是将定量数据转换为定性概念。2 2 2确定评价等级标准云本文选取准则层指标作为制定水利信息系统运行可靠性等级量化标准因子，将水利信息系统运行可靠性划分为 4 个等级，分别为优(V1)、良(V2)、中(V3)、差(V4)，由专家根据经验给出量化区间 Bmin，Bmax。同时，为表现定性评语量化过程的模糊性，本文参考文献 24 将不同评语的量化区间彼此相交，并由专家确定相交区域的大小，提高评价结果的准确度。评语集云模型的数字特征计算公式如下:Ex=(Bmin+Bmax)/2En=(Bmax Bmin)/6He=k(7)式中:Bmax，Bmin分别表示评语取值范围的最大值、最小值;k 为常数。2 2 3确定目标层评价云邀请专家依据自身经验和评价等级，结合实地调922人民长江2023 年研情况，根据评价指标体系中状态层指标的评估标准，对目标层指标的运行可靠性进行定量打分，记为 Cxy(x为评价专家个数，y 为评价指标个数)。通过逆向云发生器算法计算目标层指标的评价云模型(Ex，En，He)。计算公式如下:(1