橋梁交通運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估模型及軟件設(shè)計(jì)

郭建興，李若塵，袁觀虎

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 基建處，陜西 西安 710064；2.長(zhǎng)安大學(xué) 能源與電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710064；3.西安華為技術(shù)有限公司，陜西 西安 710100）

0 引言

橋梁作為重要的道路交通基礎(chǔ)設(shè)施，通過縮短線路里程的方式在一定程度上提高了交通運(yùn)行效率，緩解了我國(guó)復(fù)雜地形對(duì)交通運(yùn)行發(fā)展的抑制，是保證交通供給、滿足交通需求的基本條件，保障了我國(guó)各行各業(yè)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展[1]。但橋梁設(shè)施狀態(tài)并非是一成不變的，在實(shí)際工作環(huán)境中會(huì)發(fā)生一些動(dòng)態(tài)的變化，而這些變化將影響到橋梁的交通運(yùn)行狀態(tài)。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和公路交通運(yùn)輸?shù)慕Y(jié)合日益緊密，需求不斷增大，實(shí)時(shí)掌握橋梁現(xiàn)狀并對(duì)其交通運(yùn)行狀況進(jìn)行科學(xué)有效的評(píng)估，對(duì)于交通運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性都有重大意義。

在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，道路交通系統(tǒng)建設(shè)起步較早，目前建設(shè)工作已基本完成，還針對(duì)公路的各個(gè)組成部分建立了較為成熟完善的分析評(píng)價(jià)體系，并以此為基礎(chǔ)分析高速公路交通運(yùn)行狀況，進(jìn)而提高高速公路的運(yùn)行效率和服務(wù)水平。在我國(guó)，目前橋梁建設(shè)已經(jīng)基本完成，但在橋梁的使用及后續(xù)養(yǎng)護(hù)維修管理方面仍存在許多不足。例如，橋梁道路交通運(yùn)行影響的評(píng)估就是其中一項(xiàng)重要工作，做好橋梁交通運(yùn)行影響的評(píng)估、完善相關(guān)的評(píng)估體系正是當(dāng)前應(yīng)該著手研究的內(nèi)容。

文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]研究了道路平整度對(duì)自由流速度（Free-Flow Speed,FFS）與雙車道通行能力的影響；針對(duì)雙車道高速公路道路特征和車速之間的關(guān)系建立了一個(gè)準(zhǔn)確度達(dá)到96%的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。文獻(xiàn)[4]建立了一種包含道路環(huán)境、交通環(huán)境和氣候環(huán)境的運(yùn)行環(huán)境模型來描述運(yùn)行環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)性。文獻(xiàn)[5]從橋梁安全性的角度出發(fā)對(duì)橋梁交通影響進(jìn)行評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)。

基于上述研究分析，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于橋梁交通運(yùn)行中道路交通影響的研究中，缺乏關(guān)于橋梁對(duì)交通產(chǎn)生的影響的評(píng)估。本文通過分析橋梁交通的影響因素，利用層次分析法與德爾菲法以及奇異值分解相融合的算法模型建立了橋梁交通運(yùn)行狀態(tài)影響評(píng)估模型，并進(jìn)一步開發(fā)了評(píng)估軟件。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

在實(shí)際的橋梁監(jiān)測(cè)中，對(duì)大型橋梁更傾向于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這種監(jiān)測(cè)方法會(huì)產(chǎn)生許多數(shù)據(jù)指標(biāo)，需要從中篩選出與交通運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)的指標(biāo)。本文設(shè)計(jì)了基于層次結(jié)構(gòu)的橋梁評(píng)估模型，如圖1所示。

圖1 橋梁交通影響評(píng)估層次結(jié)構(gòu)

1.1 影響因素分析

大型橋梁既有信息可以分為靜態(tài)信息和動(dòng)態(tài)信息兩大類。其中靜態(tài)信息在橋梁竣工后一般不變，而動(dòng)態(tài)信息主要指動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果等實(shí)時(shí)發(fā)生變化的檢測(cè)數(shù)據(jù)，這些信息需要一定的更新頻率。

橋梁動(dòng)態(tài)信息在交通運(yùn)行中的影響可以從橋梁技術(shù)狀況、橋梁健康等級(jí)、伸縮縫裝置以及橋梁服務(wù)設(shè)施等因素進(jìn)行分析。

1.2 影響因素等級(jí)劃分

本文對(duì)既有信息的各項(xiàng)交通影響因素進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析法的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和專家打分的結(jié)果，得到橋梁基礎(chǔ)設(shè)施交通影響因素和影響程度，見表1 所列。其中影響程度從0 到1 遞增。表中分類及各個(gè)標(biāo)度標(biāo)準(zhǔn)定義與現(xiàn)行《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》一致。

表1 橋梁基礎(chǔ)設(shè)施交通影響因素和影響程度

2 評(píng)估模型

本文評(píng)估了橋梁基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)變化對(duì)交通運(yùn)行狀態(tài)的影響，提出了一種將Delphi（德爾菲法）、AHP-SVD（層次分析-奇異值分解方法）相融合的交通狀態(tài)影響模型。本評(píng)估系統(tǒng)總體流程如圖2所示。

圖2 橋梁交通影響評(píng)估系統(tǒng)流程

2.1 主體結(jié)構(gòu)交通影響計(jì)算

本文選取了橋梁的上部結(jié)構(gòu)各部件及下部結(jié)構(gòu)各部件作為橋梁主體結(jié)構(gòu)的影響因素。設(shè)橋梁主體結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)檢測(cè)結(jié)果和下部結(jié)構(gòu)檢測(cè)結(jié)果的交通影響程度為xi，i=1,2；不同因素的影響權(quán)重為β1i，i=1,2；交通影響結(jié)果f1可由式（1）計(jì)算得到。

式中，xi=1 時(shí)橋梁上部和下部結(jié)構(gòu)檢測(cè)結(jié)果對(duì)交通的影響程度達(dá)到最大值。

2.2 橋面系交通影響計(jì)算

本文選取了橋面鋪裝、伸縮縫裝置、排水系統(tǒng)以及照明設(shè)施四種影響因素作為橋面系交通影響因素。設(shè)不同影響因素的交通影響程度分別為yi，不同因素的影響權(quán)重分別為β2i，i=1,2,3,4；交通影響結(jié)果f2可由式（2）計(jì)算得到。

2.3 橋梁總體交通影響計(jì)算

設(shè)橋梁不同影響因素的交通影響程度分別為fi，不同因素的影響權(quán)重分別為αi，其中i=1,2，交通影響結(jié)果f可由式（3）計(jì)算得到。

式中：f1表示主體結(jié)構(gòu)檢測(cè)結(jié)果對(duì)交通影響程度，f1=1 時(shí)影響程度最大；f2表示橋面系檢測(cè)結(jié)果對(duì)交通的影響程度。

由上述推導(dǎo)可得評(píng)價(jià)路段當(dāng)前最大通行能力如下：

式中：Cs為評(píng)價(jià)路段當(dāng)前最大通行能力；C為設(shè)計(jì)通行能力；f為交通影響值。

3 評(píng)估方法及理論

根據(jù)前文交通影響因素的分析，橋梁交通運(yùn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估主要包括實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)和橋梁本身對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的影響。從長(zhǎng)期而言，橋梁各個(gè)部件的工作狀態(tài)處于一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的狀態(tài)，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列關(guān)于橋梁的動(dòng)態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)；但就一小段時(shí)間來看，橋梁各個(gè)部件的狀態(tài)可以在一定程度上看作是保持不變的，但在一定條件下會(huì)發(fā)生突變并在短時(shí)間內(nèi)會(huì)對(duì)橋梁交通運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生較大影響。

多目標(biāo)系統(tǒng)評(píng)估的關(guān)鍵之處在于如何科學(xué)、合理地對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)和綜合計(jì)算，將一個(gè)多目標(biāo)的問題綜合成一個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)的形式[6]。本文對(duì)層次分析法（AHP）和德爾菲法（Delphi）結(jié)合奇異值分解法（SVD）進(jìn)行改進(jìn)，從而得到各評(píng)估影響因素在評(píng)估模型中的權(quán)重值。

3.1 層次分析法

層次分析法將與決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行決策能夠更為簡(jiǎn)單有效[7]。求解時(shí)需首先建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型，之后構(gòu)建各層次模型的判斷矩陣，最后對(duì)各層次進(jìn)行排序并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

評(píng)估時(shí)，根據(jù)AHP 理論將影響因素分為n個(gè)不同層次的集合U={u1,u2,...,un}，各個(gè)層次影響因素對(duì)應(yīng)的權(quán)重集合W={w1,w2,...,wn}。根據(jù)橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的等級(jí)劃分，建立相應(yīng)的評(píng)語集V={v1,v2,...,v5}，并定義影響因素評(píng)定結(jié)果集合R={r1,r2,...,rn}，其中ri可由式（5）計(jì)算得到。

式中權(quán)重向量W={w1,w2,...,wn}的選擇使用德爾菲法求得。

3.2 德爾菲法

德爾菲法（Delphi）又稱為專家函詢調(diào)查法[8]，它是通過匿名對(duì)專家進(jìn)行重復(fù)的多輪次詢問調(diào)查來參考不同專家組成的專家小組的意見，并將獲得的專家意見繼續(xù)交予其余專家進(jìn)行參考打分，最后以多次征詢反饋得到的專家意見作為參考，從而做出符合發(fā)展趨勢(shì)的結(jié)論和決策[9]。實(shí)質(zhì)是將一些無法直接定量定性分析的復(fù)雜問題，通過構(gòu)建的專家組的專業(yè)知識(shí)和豐富經(jīng)驗(yàn)來尋求問題的結(jié)論[10]。具體流程如圖3所示。

圖3 德爾菲法應(yīng)用流程

依據(jù)德爾菲法的結(jié)果最終確定橋梁影響因素、橋梁主體結(jié)構(gòu)影響因素、橋梁橋面系影響因素的交通影響權(quán)值，分別見表2～表4 所列。

表2 橋梁影響因素交通影響權(quán)值

表3 橋梁主體結(jié)構(gòu)影響權(quán)值

表4 橋梁橋面系影響權(quán)值

3.3 奇異值分解法

在3.2 節(jié)中使用德爾菲法得到的值用于評(píng)估模型各因素的相對(duì)重要程度，而并非能直接應(yīng)用的獨(dú)立權(quán)重值。在此使用奇異值分解法[11]對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

首先，構(gòu)造初始矩陣，設(shè)由德爾菲法專家打分獲得的原始數(shù)據(jù)為bk，k=1,2,...,r，其中r為評(píng)估模型的影響因素個(gè)數(shù)。構(gòu)造初始矩陣A∈Rr×r：取aii=1，i=1,2,...,r；當(dāng)i＜j，i，j=1,2,...,r，設(shè)k=j-1，則aij=aikbk；若aij≠0，則aji=1/aij。如此構(gòu)造出的r×r矩陣即為所求初始矩陣。

其次，應(yīng)用奇異值分解法對(duì)矩陣A∈Rr×r進(jìn)行分解，分解后還需對(duì)結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，使得各因素權(quán)值之和為1。具體方法如下：求矩陣特征值po和特征向量pv；找到最大特征值及其對(duì)應(yīng)特征向量，對(duì)該特征向量進(jìn)行歸一化[12]。

經(jīng)過上述步驟就可以將德爾菲法得到的不能直接應(yīng)用的值轉(zhuǎn)化為能夠直接應(yīng)用的獨(dú)立權(quán)重值。

4 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)及評(píng)估軟件

4.1 系統(tǒng)仿真

本仿真實(shí)驗(yàn)選取了包含馬鞍石大橋約23 km 路段為實(shí)驗(yàn)仿真路段，該路段位于渝武高速。在TransModeler 軟件中，設(shè)置仿真路段自由流車速為120 km/h，橋梁自由流車速為70 km/h，仿真路段入口流量為2 500 輛/小時(shí)，出口流量為2 500 輛/小時(shí)，仿真時(shí)間為1 h，起始時(shí)間為10:00，終止時(shí)間為11:00，其中各種障礙設(shè)置10:20 開始、10:40 結(jié)束。在仿真路段上通過改變傳感器數(shù)據(jù)模擬橋梁狀態(tài)的改變，設(shè)置出道路通行能力分別為優(yōu)、良、差三種通行狀態(tài)，并驗(yàn)證交通運(yùn)行影響因素發(fā)生改變時(shí)對(duì)交通運(yùn)行狀態(tài)的影響程度。

4.2 結(jié)果分析

在道路通行能力的三種不同狀況下進(jìn)行仿真，將通行狀態(tài)為良和差的情況分別與通行狀態(tài)為優(yōu)的情況進(jìn)行對(duì)比，并加入相鄰車道變化情況的對(duì)比。圖4～圖7 為通行狀態(tài)為良時(shí)所采集到的車輛數(shù)和平均車速與通行能力為優(yōu)時(shí)的對(duì)比結(jié)果。

圖4 通行狀態(tài)為優(yōu)、良時(shí)378 號(hào)傳感器采集車輛數(shù)

圖5 通行狀態(tài)為優(yōu)、良時(shí)378 號(hào)傳感器采集平均車速

圖6 通行狀態(tài)為優(yōu)、良時(shí)379 號(hào)傳感器采集車輛數(shù)

圖7 通行狀態(tài)為優(yōu)、良時(shí)379 號(hào)傳感器采集平均車速

圖8～圖11 反映了通行能力為差時(shí)所采集到的車輛數(shù)和平均車速與通行能力為優(yōu)時(shí)的對(duì)比結(jié)果。

圖8 通行狀態(tài)為優(yōu)、差時(shí)378 號(hào)傳感器采集車輛數(shù)

圖9 通行狀態(tài)為優(yōu)、差時(shí)378 號(hào)傳感器采集平均車速

圖10 通行狀態(tài)為優(yōu)、差時(shí)379 號(hào)傳感器采集車輛數(shù)

圖11 通行狀態(tài)為優(yōu)、差時(shí)379 號(hào)傳感器采集平均車速

從關(guān)于378 號(hào)傳感器的圖中可以看出：當(dāng)?shù)缆窐蛄夯A(chǔ)設(shè)施發(fā)生微小變化時(shí)，道路通行能力會(huì)受到一定影響，但整體影響不大且恢復(fù)較為迅速；當(dāng)?shù)缆窐蛄夯A(chǔ)設(shè)施發(fā)生重大變化時(shí)，道路通行能力會(huì)發(fā)生劇變，對(duì)車輛和通行產(chǎn)生巨大影響，且交通恢復(fù)也較為緩慢。而從布置在相鄰車道的379號(hào)傳感器所收集的數(shù)據(jù)來看，相鄰車道的道路通行能力同樣會(huì)受到影響。這一結(jié)論符合交通運(yùn)行的一般規(guī)律，具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性。

4.3 評(píng)估軟件

基于上文提出的評(píng)估方法以及建立的評(píng)估模型，在Microsoft Visual Studio2010開發(fā)環(huán)境下，結(jié)合Microsoft SQL Server2005 數(shù)據(jù)庫工具實(shí)現(xiàn)了橋梁交通運(yùn)行狀態(tài)影響的評(píng)估功能，并在實(shí)際工程中進(jìn)行了實(shí)踐和運(yùn)用。圖12 為橋梁交通運(yùn)行狀態(tài)影響評(píng)估軟件流程，圖13 為評(píng)估軟件架構(gòu)，圖14 為軟件系統(tǒng)部分運(yùn)行界面。

圖12 橋梁交通影響系統(tǒng)評(píng)估軟件流程

圖13 橋梁交通影響系統(tǒng)評(píng)估軟件框架

圖14 橋梁交通影響系統(tǒng)評(píng)估軟件界面

5 結(jié)語

本文在對(duì)橋梁交通影響評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行建模的基礎(chǔ)上，提出了一種結(jié)合現(xiàn)有橋梁數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)分析及德爾菲法與AHPSVD 方法的橋梁交通運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估模型，并開發(fā)了橋梁交通運(yùn)行狀態(tài)影響評(píng)估軟件。目前關(guān)于橋梁交通運(yùn)行狀態(tài)的研究仍不夠深入和完善，模型在精度以及應(yīng)用的廣泛性上仍有較大的優(yōu)化空間；還可以參考道路實(shí)際情況，考慮更多交通影響因素，實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的評(píng)估。