基于正態(tài)云模型的橋梁結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

劉 洋，熊偉芬，邱明喜

(1.武漢港灣工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，湖北武漢 430040;2.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430040;3.中機(jī)三勘巖土工程有限公司，湖北武漢 430030)

基于正態(tài)云模型的橋梁結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

劉 洋1，2，熊偉芬3，邱明喜1，2

(1.武漢港灣工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，湖北武漢 430040;2.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430040;3.中機(jī)三勘巖土工程有限公司，湖北武漢 430030)

為進(jìn)一步了解橋梁運(yùn)營過程中風(fēng)險(xiǎn)特性及穩(wěn)定性的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，選取13個(gè)可量化的定性與定量相結(jié)合的因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，創(chuàng)新性地將云模型引入到橋梁結(jié)構(gòu)安全預(yù)評(píng)價(jià)體系中;根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)因子的不確定性，構(gòu)建了運(yùn)營橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)云模型，并用某地4座橋梁為例，對(duì)模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明:基于正態(tài)云模型的運(yùn)營橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等級(jí)具有較好的可行性與適用性，可為控制和維護(hù)運(yùn)營橋梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定提供支持。

橋梁結(jié)構(gòu);云模型;安全評(píng)價(jià);層次分析法

云模型是由李德毅院士于20世紀(jì)90年代提出［3］，能夠?qū)崿F(xiàn)定性與定量的轉(zhuǎn)換，對(duì)于不確定性知識(shí)的表達(dá)具有很強(qiáng)的優(yōu)越性，在數(shù)據(jù)挖掘、決策分析與智能控制等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用［4］。由于橋梁的結(jié)構(gòu)受外界的影響比較大，而外界環(huán)境是一個(gè)不確定因素。為了客觀評(píng)價(jià)橋梁在運(yùn)營中的安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，避免由于環(huán)境的模糊性、隨機(jī)性等不確定性因素而導(dǎo)致的結(jié)果不準(zhǔn)確，本文結(jié)合層次分析法(AHP)［5］和云模型構(gòu)建橋梁安全評(píng)價(jià)模型，為相關(guān)的橋梁維護(hù)管理者提供借鑒和決策意見。

1 正態(tài)云模型理論

云模型是一種處理定性概念和定量描述的不確信轉(zhuǎn)換模型［6］。設(shè)U為一個(gè)用精確值表示的定量論域，C為U上的定性概念，若定量數(shù)值x∈U，且x是定性概念C的一次隨機(jī)實(shí)現(xiàn)，x對(duì)C的隸屬度μ(x)∈［0，1］，是具有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù) μ ，即 μ:U →［0，1］，存在 x∈U，x→μ(x);則 x在論域 U 上的分布稱為云，記為C(x)，每個(gè)x稱為一個(gè)云滴(x，μ(x))［7］。

云的數(shù)字特征反映了定性概念的定量特征，用期望Ex、熵En和超熵He表征。期望Ex表示論域空間最具代表性的定性概念值，反映了論域空間的中心值。En是定性概念模糊性和隨機(jī)性的綜合度量，En的大小不僅能夠反映論域空間中可被定性概念接受的云滴的取值范圍，也能夠反映云滴之間的離散程度。He描述熵的不確定性，反映的是論域空間中云滴的凝聚程度，He越大，云滴就越厚［8-10］。

2 基于正態(tài)云模型的橋梁運(yùn)營結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

2．1 基于正態(tài)云模型的橋梁安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程

橋梁的結(jié)構(gòu)安全受多重因素的影響，而這些因素往往都是隨機(jī)的，前人的研究主要采用專家經(jīng)驗(yàn)和指標(biāo)相結(jié)合的方法來確定風(fēng)險(xiǎn)，本文提出基于正態(tài)云模型對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行安全預(yù)評(píng)價(jià)，其主要流程如下。

(1)確定指標(biāo)U。結(jié)合橋梁的安全規(guī)范、前人研究成果以及專家經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)的集合U={u1，u2，…，un}，同時(shí)確定指標(biāo)的評(píng)語集 V，本文僅考慮 5 個(gè)等級(jí)，因此 V={v1，v2，v3，v4，v5}。

(2)確定指標(biāo)權(quán)重Wi。本文采用主客觀線性相結(jié)合的方法確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，利用層次分析法確定指標(biāo)的主觀權(quán)重w1i，利用熵權(quán)法確定客觀權(quán)重 w2i。

(3)計(jì)算指標(biāo)云模型特征值(Ex，En，He)，構(gòu)建隸屬度關(guān)系矩陣R。結(jié)合云模型理論，根據(jù)所確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的Ex，En，He。

(4)計(jì)算評(píng)價(jià)結(jié)果B。利用權(quán)重和隸屬度矩陣R確定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果B。

(5)確定隸屬度等級(jí)。根據(jù)最大隸屬度原則確定橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)安全等級(jí)。

2．2 橋梁結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系因子和權(quán)重的確定

2．2．1 指標(biāo)體系建立

橋梁在運(yùn)營過程中，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受到環(huán)境、荷載等因素的影響，易導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)損傷或者破壞;而這些因素往往都具有不確定性，如橋梁所受荷載的不確定性、惡劣天氣的不確定性等。因此，亟需對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全問題進(jìn)行預(yù)評(píng)價(jià)，從而提前采取有效的措施進(jìn)行管理和控制。

本文在前人關(guān)于橋梁風(fēng)險(xiǎn)研究的基礎(chǔ)上［11］，結(jié)合相應(yīng)的橋梁結(jié)構(gòu)安全規(guī)范、歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，確定影響橋梁結(jié)構(gòu)的因素主要包括橋梁的混凝土碳化、橋梁鋼筋銹蝕、橋梁的基礎(chǔ)沉降以及管理水平這4個(gè)方面?？紤]每個(gè)指標(biāo)值的可獲取性和是否可量化，本文選擇了13個(gè)定性與定量相結(jié)合的三級(jí)因素指標(biāo)，從而建立橋梁結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)價(jià)體系，如圖1所示。

2．2．2 安全評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分

結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)規(guī)范以及前人研究［12］，本文嘗試性地建立橋梁的安全等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，將橋梁結(jié)構(gòu)安全等級(jí)評(píng)價(jià)劃分為“Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ”5類，級(jí)別越高，對(duì)應(yīng)的橋梁安全狀況就越差，具體如表1所示。同時(shí)，也給出每個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)所對(duì)應(yīng)的取值范圍，如表2所示。

表1 橋梁安全狀態(tài)等級(jí)劃分

2．2．3 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

表2 橋梁結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)因子分級(jí)

為了確定橋梁結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)評(píng)價(jià)等級(jí)，有必要先確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重。權(quán)重的大小對(duì)最終的評(píng)價(jià)結(jié)果有重大的影響，因此，為了確保指標(biāo)權(quán)重分配的合理性和客觀性，本文采用主客觀權(quán)重相結(jié)合的辦法來確定每個(gè)指標(biāo)權(quán)重Wi的大小，這種方法融合了專家知識(shí)和實(shí)際監(jiān)測(cè)值，能有效地消除由于主觀偏好而出現(xiàn)的錯(cuò)誤結(jié)果［13-14］。

式中:u為主觀偏好系數(shù);1－u為客觀偏好系數(shù);w1i為主觀權(quán)重;w2i為客觀權(quán)重。

當(dāng)u＜0．5時(shí)，可以假定客觀權(quán)重占據(jù)了很大的比重，比主觀權(quán)重更重要，反之則認(rèn)為主觀權(quán)重的影響更大。基于此，本文認(rèn)為主觀權(quán)重和客觀權(quán)重具有相同重要性，因此，每個(gè)指標(biāo)的最終權(quán)重為式中:主觀權(quán)重w1i可以采用層次分析法獲得，客觀權(quán)重w2i利用熵權(quán)法計(jì)算獲得。

2．3 橋梁結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)云模型

根據(jù)橋梁的安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分和每個(gè)指標(biāo)的取值范圍，基于云模型理論，計(jì)算13個(gè)指標(biāo)的云模型特征值(Ex，En，He)。橋梁結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的云模型數(shù)字特征如表3所示。

在確定橋梁結(jié)構(gòu)的安全預(yù)評(píng)價(jià)因子云模型數(shù)字特征后，運(yùn)用正向正態(tài)云發(fā)生器，將影響橋梁運(yùn)營結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)的13個(gè)可量化指標(biāo)生成相應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)云模型。為了避免占據(jù)大量篇幅，此處僅僅給出了2個(gè)指標(biāo)的云模型圖，其中包括濕度(X4)以及管理水平(X12)，具體的可視化效果如圖2所示。

表3 橋梁運(yùn)營結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因子云模型數(shù)字特征

圖2 指標(biāo)X4和X12的評(píng)價(jià)等級(jí)云模型

3 實(shí)證分析

3．1 工程背景

本文選取某地區(qū)的 4 座橋梁 Y1、Y2、Y3、Y4，分別對(duì)這4座橋梁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指標(biāo)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，同時(shí)邀請(qǐng)4位橋梁安全專家進(jìn)行打分，最終得到該橋梁安全預(yù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)，如表4所示。

3．2 橋梁運(yùn)營結(jié)構(gòu)預(yù)評(píng)價(jià)結(jié)果分析

出于篇幅限制，本文僅以Y1橋梁為例，詳細(xì)描述具體評(píng)價(jià)流程。結(jié)合云模型理論，計(jì)算各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度，例如，通過正向云發(fā)生器的計(jì)算可得到橋梁Y1沉降速度值(X9)隸屬于各個(gè)安全評(píng)價(jià)等級(jí)的確定度 u1=0、u2=0．836、u3=0．98、u4=0.874、u5=0．806，利用最大確定度原則，可以判定該指標(biāo)對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)隸屬于Ⅲ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。

表4 某地區(qū)4個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際值

由指標(biāo)區(qū)間范圍(表2)可知，橋梁Y1每月沉降量為1.2 mm，應(yīng)屬于Ⅲ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，說明橋梁的結(jié)構(gòu)較差，這一結(jié)果與計(jì)算得到的隸屬度安全等級(jí)相同。因此，可以說明云模型在定性與定量表達(dá)之間能進(jìn)行不確定性表達(dá)。

同理，其他評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)也可以被確定。結(jié)合權(quán)重理論，利用式(4)計(jì)算每個(gè)安全等級(jí)的綜合確定度u，根據(jù)最大確定度原則，可以確定該橋梁結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)。4座橋梁的最終評(píng)價(jià)結(jié)果如表5所示。

式中:ui為第i個(gè)指標(biāo)的隸屬度;wi為該指標(biāo)權(quán)重。

表5 橋梁結(jié)構(gòu)安全等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果

從4座橋梁的安全評(píng)價(jià)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，橋梁Y1、Y2、Y4的結(jié)構(gòu)安全預(yù)評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅲ級(jí)，結(jié)構(gòu)情況較差，橋梁部門應(yīng)該加大監(jiān)測(cè)力度，同時(shí)采取有效的措施進(jìn)行管理和修復(fù)，避免出現(xiàn)事故;橋梁Y3運(yùn)營結(jié)構(gòu)的安全評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，結(jié)構(gòu)狀態(tài)較好、無破損，此時(shí)采用的措施應(yīng)是持續(xù)監(jiān)測(cè)，同時(shí)保持之前的管理措施。

4 結(jié) 詰

(1)本文結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)文獻(xiàn)、橋梁結(jié)構(gòu)規(guī)范，并根據(jù)橋梁運(yùn)營過程中所處的環(huán)境，分別從橋梁的混凝土碳化、鋼筋銹蝕、基礎(chǔ)沉降以及運(yùn)營維護(hù)與管理這4個(gè)方面，將定性指標(biāo)與定量指標(biāo)相結(jié)合，確定了13個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，從而確定了橋梁結(jié)構(gòu)安全預(yù)評(píng)價(jià)體系。

(2)本文將云模型引入橋梁結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)價(jià)體系中，通過云模型數(shù)字特征實(shí)現(xiàn)橋梁安全預(yù)評(píng)價(jià)等級(jí)的定性語言與定量數(shù)值的不確定性轉(zhuǎn)化。同時(shí)，在一定程度上對(duì)人為主觀因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響進(jìn)行了修正，使得最后的結(jié)果更準(zhǔn)確、更客觀。

(3)以某地4座橋梁為例，驗(yàn)證了該評(píng)價(jià)方法的可行性和有效性，該方法為后續(xù)橋梁的運(yùn)營管理與維護(hù)提供了一定的借鑒，具有顯著的實(shí)用價(jià)值。

［1］ 吳振營．橋梁結(jié)構(gòu)體系運(yùn)營期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法研究［D］．長沙:中南大學(xué)，2008．

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Risk Assessment of Bridge Structures Based on Normal Cloud Model

LIU Yang1，2，XIONG Wei-fen3，QIU Ming-xi1，2
(1．Wuhan Harbour Engineering Quality Test Co．，Ltd．，Wuhan 430040，Hubei，China;2．Hubei Key Laboratory of Advanced Materials ＆ Reinforcement Technology Research for Marine Environment Structures，Wuhan 430040，Hubei，China;3．China Machinery TIDI Geotechnical Engineering Co．，Ltd．，Wuhan 430030，Hubei，China)

In order to further understand the risk characteristics and the structural stability of the bridges in operation，13 quantifiable qualitative and quantitative factors were selected as a combination of evaluation indicators，and the cloud model was newly introduced into the safety pre-evaluation system．According to the uncertainty of risk factors，the cloud model of bridge stability evaluation was established，and the validity of the model was verified by using four bridges．The results show that the stability level of the bridge structure based on the normal cloud model has good feasibility and applicability，which provides support for the control and maintenance of the structural stability of bridges in operation．

bridge structure;cloud model;safety evaluation;analytic hierarchy process

U447

B

1000-033X(2017)09-0116-05

0 引 言

隨著中國交通運(yùn)輸事業(yè)的飛速發(fā)展，大量的橋梁建成使用并承擔(dān)著巨大的荷載，而受外界環(huán)境等的影響，橋梁結(jié)構(gòu)可能會(huì)受到破壞，影響橋梁的運(yùn)營使用。因此，如何有效地對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行預(yù)評(píng)價(jià)是當(dāng)前亟待解決的問題，也是控制和保證橋梁運(yùn)營安全的前提。

當(dāng)前，橋梁安全狀態(tài)評(píng)價(jià)主要采用定性的評(píng)價(jià)方法，例如層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、故障樹法等，這些方法缺乏客觀性，主要依賴專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行打分，在確定指標(biāo)權(quán)重的時(shí)候，有很強(qiáng)的主觀性，不能真實(shí)反映風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。實(shí)際上，橋梁結(jié)構(gòu)的安全問題是一個(gè)巨大的不確定性系統(tǒng)［1］，這種不確定性主要表現(xiàn)在評(píng)價(jià)因素的不確性和因素?cái)?shù)據(jù)的模糊性、隨機(jī)性。因此，有必要結(jié)合定性評(píng)價(jià)和定量評(píng)價(jià)，進(jìn)一步融合各評(píng)價(jià)指標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及專家知識(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全的客觀準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，從而為管理者提供決策和指導(dǎo)建議［2］。

2017-02-08

劉 洋(1986-)，男，湖北仙桃人，工程師，研究方向?yàn)闃蛄号c隧道工程。

［責(zé)任編輯:杜敏浩］