劉 洋，熊偉芬，邱明喜

(1.武漢港灣工程質(zhì)量檢測有限公司，湖北武漢 430040;2.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護加固技術(shù)湖北省重點實驗室，湖北武漢 430040;3.中機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)安全風險評價

劉 洋1，2，熊偉芬3，邱明喜1，2

(1.武漢港灣工程質(zhì)量檢測有限公司，湖北武漢 430040;2.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護加固技術(shù)湖北省重點實驗室，湖北武漢 430040;3.中機三勘巖土工程有限公司，湖北武漢 430030)

為進一步了解橋梁運營過程中風險特性及穩(wěn)定性的風險等級，選取13個可量化的定性與定量相結(jié)合的因素作為評價指標，創(chuàng)新性地將云模型引入到橋梁結(jié)構(gòu)安全預(yù)評價體系中;根據(jù)風險因子的不確定性，構(gòu)建了運營橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評價云模型，并用某地4座橋梁為例，對模型的有效性進行了驗證。結(jié)果表明:基于正態(tài)云模型的運營橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等級具有較好的可行性與適用性，可為控制和維護運營橋梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定提供支持。

橋梁結(jié)構(gòu);云模型;安全評價;層次分析法

云模型是由李德毅院士于20世紀90年代提出［3］，能夠?qū)崿F(xiàn)定性與定量的轉(zhuǎn)換，對于不確定性知識的表達具有很強的優(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)境是一個不確定因素。為了客觀評價橋梁在運營中的安全風險狀態(tài)，避免由于環(huán)境的模糊性、隨機性等不確定性因素而導(dǎo)致的結(jié)果不準確，本文結(jié)合層次分析法(AHP)［5］和云模型構(gòu)建橋梁安全評價模型，為相關(guān)的橋梁維護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的一次隨機實現(xiàn)，x對C的隸屬度μ(x)∈［0，1］，是具有穩(wěn)定傾向的隨機數(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x稱為一個云滴(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)云模型的橋梁運營結(jié)構(gòu)風險評價模型

2．1 基于正態(tài)云模型的橋梁安全風險評價流程

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的，前人的研究主要采用專家經(jīng)驗和指標相結(jié)合的方法來確定風險，本文提出基于正態(tài)云模型對橋梁的結(jié)構(gòu)風險進行安全預(yù)評價，其主要流程如下。

(1)確定指標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，構(gòu)建評價指標的集合U={u1，u2，…，un}，同時確定指標的評語集 V，本文僅考慮 5 個等級，因此 V={v1，v2，v3，v4，v5}。

(2)確定指標權(quán)重Wi。本文采用主客觀線性相結(jié)合的方法確定各個評價指標的權(quán)重，利用層次分析法確定指標的主觀權(quán)重w1i，利用熵權(quán)法確定客觀權(quán)重 w2i。

(3)計算指標云模型特征值(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)所確定的評價指標，計算相應(yīng)風險等級的Ex，En，He。

(4)計算評價結(jié)果B。利用權(quán)重和隸屬度矩陣R確定風險評價結(jié)果B。

(5)確定隸屬度等級。根據(jù)最大隸屬度原則確定橋梁結(jié)構(gòu)風險安全等級。

2．2 橋梁結(jié)構(gòu)安全風險評價體系因子和權(quán)重的確定

2．2．1 指標體系建立

橋梁在運營過程中，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，亟需對橋梁結(jié)構(gòu)安全問題進行預(yù)評價，從而提前采取有效的措施進行管理和控制。

本文在前人關(guān)于橋梁風險研究的基礎(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個方面。考慮每個指標值的可獲取性和是否可量化，本文選擇了13個定性與定量相結(jié)合的三級因素指標，從而建立橋梁結(jié)構(gòu)安全風險預(yù)評價體系，如圖1所示。

2．2．2 安全評價等級的劃分

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劃分標準，將橋梁結(jié)構(gòu)安全等級評價劃分為“Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ”5類，級別越高，對應(yīng)的橋梁安全狀況就越差，具體如表1所示。同時，也給出每個評價等級所對應(yīng)的取值范圍，如表2所示。

表1 橋梁安全狀態(tài)等級劃分

2．2．3 評價指標權(quán)重的確定

表2 橋梁結(jié)構(gòu)安全性評價因子分級

為了確定橋梁結(jié)構(gòu)安全風險的預(yù)評價等級，有必要先確定各個評價指標的綜合權(quán)重。權(quán)重的大小對最終的評價結(jié)果有重大的影響，因此，為了確保指標權(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指標權(quán)重Wi的大小，這種方法融合了專家知識和實際監(jiān)測值，能有效地消除由于主觀偏好而出現(xiàn)的錯誤結(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u＜0．5時，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，反之則認為主觀權(quán)重的影響更大?；诖?，本文認為主觀權(quán)重和客觀權(quán)重具有相同重要性，因此，每個指標的最終權(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)法計算獲得。

2．3 橋梁結(jié)構(gòu)安全風險云模型

根據(jù)橋梁的安全風險等級劃分和每個指標的取值范圍，基于云模型理論，計算13個指標的云模型特征值(Ex，En，He)。橋梁結(jié)構(gòu)安全風險預(yù)評價指標的云模型數(shù)字特征如表3所示。

在確定橋梁結(jié)構(gòu)的安全預(yù)評價因子云模型數(shù)字特征后，運用正向正態(tài)云發(fā)生器，將影響橋梁運營結(jié)構(gòu)安全風險的13個可量化指標生成相應(yīng)的評價等級云模型。為了避免占據(jù)大量篇幅，此處僅僅給出了2個指標的云模型圖，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 橋梁運營結(jié)構(gòu)安全風險評價因子云模型數(shù)字特征

圖2 指標X4和X12的評價等級云模型

3 實證分析

3．1 工程背景

本文選取某地區(qū)的 4 座橋梁 Y1、Y2、Y3、Y4，分別對這4座橋梁進行現(xiàn)場指標數(shù)據(jù)監(jiān)測，同時邀請4位橋梁安全專家進行打分，最終得到該橋梁安全預(yù)評價指標的數(shù)據(jù)，如表4所示。

3．2 橋梁運營結(jié)構(gòu)預(yù)評價結(jié)果分析

出于篇幅限制，本文僅以Y1橋梁為例，詳細描述具體評價流程。結(jié)合云模型理論，計算各個評價指標的隸屬度，例如，通過正向云發(fā)生器的計算可得到橋梁Y1沉降速度值(X9)隸屬于各個安全評價等級的確定度 u1=0、u2=0．836、u3=0．98、u4=0.874、u5=0．806，利用最大確定度原則，可以判定該指標對應(yīng)的風險隸屬于Ⅲ級風險。

表4 某地區(qū)4個橋梁結(jié)構(gòu)安全評價指標實際值

由指標區(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級風險，說明橋梁的結(jié)構(gòu)較差，這一結(jié)果與計算得到的隸屬度安全等級相同。因此，可以說明云模型在定性與定量表達之間能進行不確定性表達。

同理，其他評價指標相對應(yīng)的風險評價等級也可以被確定。結(jié)合權(quán)重理論，利用式(4)計算每個安全等級的綜合確定度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。4座橋梁的最終評價結(jié)果如表5所示。

式中:ui為第i個指標的隸屬度;wi為該指標權(quán)重。

表5 橋梁結(jié)構(gòu)安全等級評價結(jié)果

從4座橋梁的安全評價結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，橋梁Y1、Y2、Y4的結(jié)構(gòu)安全預(yù)評價等級為Ⅲ級，結(jié)構(gòu)情況較差，橋梁部門應(yīng)該加大監(jiān)測力度，同時采取有效的措施進行管理和修復(fù)，避免出現(xiàn)事故;橋梁Y3運營結(jié)構(gòu)的安全評價等級為Ⅱ級，結(jié)構(gòu)狀態(tài)較好、無破損，此時采用的措施應(yīng)是持續(xù)監(jiān)測，同時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)安全風險的相關(guān)文獻、橋梁結(jié)構(gòu)規(guī)范，并根據(jù)橋梁運營過程中所處的環(huán)境，分別從橋梁的混凝土碳化、鋼筋銹蝕、基礎(chǔ)沉降以及運營維護與管理這4個方面，將定性指標與定量指標相結(jié)合，確定了13個評價指標，從而確定了橋梁結(jié)構(gòu)安全預(yù)評價體系。

(2)本文將云模型引入橋梁結(jié)構(gòu)安全風險預(yù)評價體系中，通過云模型數(shù)字特征實現(xiàn)橋梁安全預(yù)評價等級的定性語言與定量數(shù)值的不確定性轉(zhuǎn)化。同時，在一定程度上對人為主觀因素對評價結(jié)果的影響進行了修正，使得最后的結(jié)果更準確、更客觀。

(3)以某地4座橋梁為例，驗證了該評價方法的可行性和有效性，該方法為后續(xù)橋梁的運營管理與維護提供了一定的借鑒，具有顯著的實用價值。

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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

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

當前，橋梁安全狀態(tài)評價主要采用定性的評價方法，例如層次分析法、模糊綜合評價法、故障樹法等，這些方法缺乏客觀性，主要依賴專家的知識和經(jīng)驗進行打分，在確定指標權(quán)重的時候，有很強的主觀性，不能真實反映風險等級。實際上，橋梁結(jié)構(gòu)的安全問題是一個巨大的不確定性系統(tǒng)［1］，這種不確定性主要表現(xiàn)在評價因素的不確性和因素數(shù)據(jù)的模糊性、隨機性。因此，有必要結(jié)合定性評價和定量評價，進一步融合各評價指標監(jiān)測數(shù)據(jù)以及專家知識，實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)安全的客觀準確評價，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，研究方向為橋梁與隧道工程。

［責任編輯:杜敏浩］