基于直覺模糊層次分析法的公路邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型

陳孝國(guó)，肖修鴻，裴世博，楊悅，趙紹玉

基于直覺模糊層次分析法的公路邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型

陳孝國(guó)1,2，肖修鴻1，裴世博3，楊悅4，趙紹玉1

（1.三明學(xué)院 信息工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.黑龍江科技大學(xué) 理學(xué)院，哈爾濱 150022；3.東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110819；4.三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院，福建 三明 365004）

為了能夠處理具有模糊性信息的公路邊坡預(yù)警系統(tǒng)，完善邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。首先建立公路邊坡穩(wěn)定預(yù)警評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并分別按照成本型和效益型進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，轉(zhuǎn)換為區(qū)間模糊數(shù)。其次通過直覺模糊層次分析法確定各指標(biāo)因素權(quán)重。最后提出轉(zhuǎn)換公式，將不同指標(biāo)監(jiān)測(cè)值轉(zhuǎn)化為直覺模糊數(shù)，并利用直覺模糊加權(quán)相似度排序進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。研究成果不僅完善了邊坡穩(wěn)定評(píng)價(jià)模型，也為交通部門提供了決策參考。

模糊信息；直覺模糊層次分析法；公路邊坡穩(wěn)定性；安全預(yù)警

《國(guó)家公路網(wǎng)規(guī)劃(2013-2030年)》中指出，我國(guó)將陸續(xù)投入4.7萬億元，建成總規(guī)模約40萬公里的國(guó)家公路網(wǎng)。其中，普通國(guó)道總規(guī)模約26.5萬公里，高速公路約11.8萬公里。隨著公路建設(shè)的不斷增多，安全隱患也日趨明顯，滑坡事故時(shí)有發(fā)生[1-3]。資料顯示，平均每年滑坡和泥石流災(zāi)害接近3萬起，800人左右因?yàn)?zāi)死亡或失蹤，造成經(jīng)濟(jì)損失超過40億元[4-6]。如何建立科學(xué)合理的預(yù)警監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)方法具有重要的意義，近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷探索邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。袁穎等[7]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)巖質(zhì)邊坡模型對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。周蘇華等[8]利用模糊層次分析法對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索加固順層邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析預(yù)警。付君宜等[9]、李元松等[10]利用模糊綜合評(píng)價(jià)對(duì)公路邊坡進(jìn)行評(píng)價(jià)。鐘國(guó)強(qiáng)等[11]提出了一種基于改進(jìn)故障樹分析和等風(fēng)險(xiǎn)圖法的樁錨支護(hù)邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。馮忠居等[12]利用熵權(quán)-灰關(guān)聯(lián)法對(duì)巖質(zhì)開挖邊坡進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。劉維等[13]利用云模型理論對(duì)邊坡安全等級(jí)進(jìn)行了分析。楊春風(fēng)等[14]利用懲罰-激勵(lì)變權(quán)的TOPSIS法建立邊坡安全評(píng)價(jià)模型。但上述方法均沒有考慮到邊坡穩(wěn)定性的影響因素會(huì)因?yàn)榄h(huán)境變化或測(cè)量?jī)x器等原因?qū)е碌臄?shù)據(jù)不確定性。因此，本文將綜合考慮信息的模糊性，對(duì)邊坡穩(wěn)定性各級(jí)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理并轉(zhuǎn)化成直覺模糊數(shù)，在文獻(xiàn)[15]的基礎(chǔ)上探討新的直覺模糊層次分析確權(quán)法，該確定權(quán)重的方法可以在未通過一致性檢驗(yàn)的情況下設(shè)置參數(shù)重新調(diào)整專家所給分?jǐn)?shù)，從而不會(huì)因?qū)＜以俅谓o分影響偏差。最后利用直覺模糊加權(quán)距離相似度排序進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以綜合考慮各項(xiàng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 公路邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型

1.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

公路邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)對(duì)道路安全預(yù)警有著重大作用。本文在綜合考慮各個(gè)指標(biāo)對(duì)公路邊坡穩(wěn)定性的影響基礎(chǔ)上，以邊坡幾何特征、地質(zhì)特征及水文特征、其他因素為一級(jí)指標(biāo)，以坡高、坡角、平均坡率、天然容重、巖性、粘聚力、內(nèi)摩擦角、風(fēng)化作用、年均降雨量、日最大降雨量、地下水埋深、孔隙水壓力、地震烈度、植被覆蓋率和人類活動(dòng)為二級(jí)指標(biāo)建立評(píng)價(jià)體系，見表1。

在邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中，各級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)在某一區(qū)間內(nèi)變化，因此結(jié)合效益型指標(biāo)取值越大越穩(wěn)定，而成本型指標(biāo)取值越大越不穩(wěn)定的特點(diǎn)將其轉(zhuǎn)化為區(qū)間模糊數(shù)，其中坡高、坡角、平均坡率、天然容重、年均降雨量、日最大降雨量、孔隙水壓力、地震烈度按照效益型指標(biāo)轉(zhuǎn)換，粘聚力、內(nèi)摩擦角、地下水埋深、植被覆蓋率按照成本型指標(biāo)轉(zhuǎn)化，巖性、風(fēng)化作用、人類活動(dòng)根據(jù)等級(jí)將隸屬度劃分5個(gè)區(qū)間。

表1 公路邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

將表1中數(shù)據(jù)按照式(1)和(2)計(jì)算，得到的全部指標(biāo)相對(duì)邊坡穩(wěn)定性隸屬度取值見表2。

表2 全部指標(biāo)相對(duì)邊坡穩(wěn)定性隸屬度匯總

1.2 評(píng)價(jià)方法

步驟1：建立邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，將邊坡穩(wěn)定性的各級(jí)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理，并轉(zhuǎn)換為直覺模糊數(shù)。

(6)

步驟3：權(quán)重的計(jì)算。

通過加權(quán)距離相似度排序得到評(píng)價(jià)結(jié)果。

2 實(shí)例分析

黃-延高速陽坡窯邊坡位于黃-延高速公路K615km處，標(biāo)段號(hào)為L(zhǎng)J-11，呈東高西低態(tài)勢(shì)，邊坡全長(zhǎng)約為100m，坡高約為24~26m，坡角為46~50°，后緣地形比較平坦，坡體表面植被覆蓋率為15％~20％，平均坡率0.8~1.0，孔隙水壓力為0.12~0.15MPa，對(duì)應(yīng)地震基本烈度為6~7，采用擋墻支護(hù)，坡頂部減載后作為農(nóng)田使用，且坡腳與高速公路毗鄰，為了保障施工和運(yùn)營(yíng)安全需對(duì)該邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。綜合勘察資料及設(shè)計(jì)資料可知，邊坡天然容重為15~16kN/m3，粘聚力為35~37kPa，內(nèi)摩擦角為在16~18°，當(dāng)?shù)啬杲涤炅看笾略?00~300mm，日最大降雨量大致在30~40mm，地下水埋深為38~45m巖性為較硬巖，無風(fēng)化作用，人類活動(dòng)較微。

通過專家評(píng)價(jià)得到一級(jí)指標(biāo)及關(guān)系如下

二級(jí)指標(biāo)偏好關(guān)系如下

表3 指標(biāo)權(quán)重匯總

3 結(jié)束語

考慮到邊坡影響因素較為復(fù)雜，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有模糊性，因此本文提出的直覺模糊公路邊坡預(yù)警模型具有一定的實(shí)際意義，模型中采用直覺模糊層次分析法可以在偏好關(guān)系沒有通過一致性檢驗(yàn)的情況下重新調(diào)整參數(shù)，得到指標(biāo)權(quán)重，有效避免人為因素的影響。但在實(shí)際數(shù)據(jù)及穩(wěn)定性各級(jí)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)向直覺模糊數(shù)轉(zhuǎn)換過程中，可能會(huì)存在部分信息損失，如何提高信息利用率還需進(jìn)一步討論。

[1] 楊悅，陳孝國(guó)，劉紀(jì)峰，等. 山體隧道結(jié)構(gòu)安全模糊可拓評(píng)估模型[J]. 數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，2020, 50(15): 155-163.

[2] 林孝松. 山區(qū)公路邊坡安全評(píng)價(jià)與災(zāi)害預(yù)警研究[D]. 重慶：重慶大學(xué)，2010.

[3] 李彪. 黃—延高速單體滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)研究[D]. 淮南：安徽理工大學(xué)，2018.

[4] 張鵬，陳孝國(guó)，張紅芬，等. 露天礦邊坡危險(xiǎn)度的直覺模糊熵權(quán)法評(píng)價(jià)模型[J]. 煤炭工程，2018, 50(08): 153-157.

[5] 楊悅，楊丹，陳孝國(guó)，等. 基于梯形Vague集熵權(quán)法的煤礦應(yīng)急救援能力評(píng)價(jià)研究[J]. 災(zāi)害學(xué)，2018, 33(03): 156-160.

[6] 陳孝國(guó)，黃鴻輝，楊悅，等. 長(zhǎng)斜井煤礦TBM施工災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型[J]. 災(zāi)害學(xué)，2019, 34(03): 146-149.

[7] 袁穎，寧志杰，周愛紅，等. 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)處理方法研究[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2020, 29(05): 150-160.

[8] 周蘇華，邢靜康，張運(yùn)強(qiáng)，等. 基于模糊層次分析法的預(yù)應(yīng)力錨索加固順層邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2020, 20(05): 1695-1704.

[9] 付君宜，楊光玉. 基于模糊綜合評(píng)判的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[J]. 建材與裝飾，2017(16): 212-213.

[10] 李元松，段鑫，李洋. 公路邊坡安全模糊綜合預(yù)警方法[J]. 武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2014, 36(03): 28-32.

[11] 鐘國(guó)強(qiáng)，宋杰，趙杰，等. 樁錨支護(hù)邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的改進(jìn)故障樹分析方法及應(yīng)用[J]. 公路，2020, 65(11): 38-43.

[12] 馮忠居，朱彥名，高雪池，等. 基于熵權(quán)-灰關(guān)聯(lián)法的巖質(zhì)開挖邊坡安全評(píng)價(jià)模型[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2020, 20(02): 55-65.

[13] 劉維，王海濤，莊心欣，等. 高陡巖質(zhì)邊坡安全評(píng)價(jià)研究[J]. 大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2020, 41(05): 88-93.

[14] 楊春風(fēng)，任雁飛，王可意. 基于懲罰-激勵(lì)變權(quán)的TOPSIS法邊坡安全評(píng)價(jià)模型[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2019, 38(02): 59-64.

[15] 顧婧，任珮嘉，徐澤水. 基于直覺模糊層次分析的創(chuàng)業(yè)投資引導(dǎo)基金績(jī)效評(píng)價(jià)方法研究[J]. 中國(guó)管理科學(xué)，2015, 23(09): 124-131.

Pythagorean fuzzy set decision model based on the decision-maker's deterministic preference

CHEN Xiao-guo1,2，XIAO Xiu-hong1，PEI Shi-bo3，YANG Yue4，ZHAO Shao-yu1

(1.School of Information Engineering, Sanming University, Fujian Sanming 365004, China; 2.College of Science, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin 150022, China; 3.School of Information Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China; 4.College of Architecture and Civil Engineering, Sanming University, Fujian Sanming 365004, China)

Firstly, in order to handle the highway slope early security system with fuzzy information and improve the evaluation method of stability of slope, the author established the early security warning's index system in the stability of highway. And the security warning's index system was standardized and converted into interval fuzzy numbers according to cost type and benefit type. Secondly, through the intuitionistic fuzzy analytic hierarchy process, the author determined the weight of each indicator factors. Finally, the conversion formulas were proposed, and the monitoring values of different indicators was converted into intuitionistic fuzzy numbers which the author used the intuitionistic fuzzy weighted similarity ranking to evaluate. The thesis is not only to improve the slope stability evaluation model, but also to provide decision-making reference for the transportation department.

fuzzy information；intuitionistic fuzzy analytic hierarchy process；stability of highway slope；early security Warning

2020-12-31

福建省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2020J01384）；福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目（JAT190688；B201901）；三明學(xué)院引進(jìn)高層次人才科研啟動(dòng)項(xiàng)目（19YG01）；黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（LH2019E085）

陳孝國(guó)（1978-），男，黑龍江克東人，教授，博士，主要從事模糊決策研究，kjdxcxg@sohu.com。

U416.14

A

1007-984X(2021)04-0085-05