模糊识别与非结构性决策在桥梁评估中的应用

・ｌ２２・　路基工程　Ｓｕｂｇｒａｄｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２０１１年第３期（总第１５６期）　模糊识别与非结构性决策在桥梁评估中的应用　刘涛涛　，周凌远　（１．中铁二院西安勘察设计研究院有限责任公司，西安７１００４５；２．西南交通大学土木工程学院，成都６１００３１）　摘要：针对既有桥梁质量评估过程中定量指标与定性意见难以综合的问题，采用了多级模糊模　式识别与非结构性决策理论的桥梁评估方法。该法可综合考虑定量、定性评估意见及评估重来对　桥梁质量状态做出综合评估。工程应用表明，该法可对桥梁质量做出准确的评估，确保桥梁运营的安　全性。　关键词：桥梁评估；综合评估；多级模糊模式识别；非结构性决策　中图分类号：Ｕ４４８　０　引言　文献标志码：Ａ　文章编号：１００３—８８２５（２０１１）０３—０１２２—０４　第二步，确定各个二级指标下三级指标权重Ｗ＝　。，　，…，ｔｆｒ　｝，建立评估人评分量化关系矩阵　ｇＩＩ　ｇ１２　近年来，有关桥梁评估理论的研究已成热点。主　要可分为基于理论计算的模型修正评估法和基于人工　智能的评估法。前者是以设计规范和荷载试验为基础　的评估方法。该法易被评估者接受和理解，但在对结　构失效模式的判断以及对结构非线性的处理上仍存在　很大的困难。而人工智能在桥梁评估中体现出强大的　模糊信息处理能力，越来越广泛应用。。　。　１　多级模糊模式识别与非结构性决策理论Ｈ　１．１基本原理　Ｇ＝　ｇ２１　ｇ２２　ｇ　１　ｇ　第三步，三级指标值向二级指标值换算，即　Ｂ　，＝（ｂ．，ｂ．，…，ｂ　）：Ｗ・Ｇ　（２）　通过应用多级模糊模式识别模型对桥梁质量评估　指标的定量部分进行量化，采用非结构性决策模型对　定性评估部分做出定量化与规范化，考虑定量与定性　评估意见中的符合度、熟悉度概念确定评估重。　最后综合考虑定量、定性评估意见与评估重的桥　梁质量状态综合评估方法。　１．２　桥梁质量状态定量评估的多级模糊模式　设有一座桥梁进行质量评估，会有ｎ位专家参　第四步，同理由二级指标向一级指标转换计算。～　－墨　一．　　至此，将所有二、三级量化指标换算至一级指标。　１．２．２一级指标的量化运算　设定量评估部分有ｍ个一级评估指标，通过指　标换算，对桥梁则有ｍ　ｘ　ｎ阶指标评分矩阵　１１　９Ｃ１２　Ｘ２１　Ｘ２２　Ｘ＝　●●●　●●●　（３）　ｍ１　Ｘｍ２　为指标运算后评估人　对指标ｉ的评定分数。　评估指标按照ｃ个等级给出标准分数，则有ｍ　Ｘ　ｃ　阶指标标准分数矩阵　Ｙｕ　Ｙ１２　加。评估分为定量与定性两部分。本节先研究定量　评估。　１．２．１定量指标聚类运算　在对桥梁进行质量评估时，根据桥梁结构形式将　Ｙ＝　Ｙ２１　Ｙ２２　＝评估指标细化为几类再对各指标进行分析，最后作出　综合的评估结果。通常将各评估指标分为一级、二级　及三级。首先，需对各级指标进行相关运算：　第一步，确定二级指标下的三级指标体系，即所　谓的三级指标论域Ｕ＝｛　，“　，…，“　｝；　收稿日期：２０１０～０４—２１　Ｙ　１　ｙｍ２　（Ｙ　）　（４）　ｙ　为级别ｈ指标ｉ的标准分数。应用公式　：　（５）　分别对矩阵（３），（４）进行规格化，得相应的　规格化矩阵Ｒ和ｓ。设评估指标的权向量　＝作者简介：刘涛涛（１９８６一），男，陕西榆林人。硕士研究生，主　要研究方向为既有桥梁结构损伤识别与健全性评估理论　等。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｔａｏ５２７８＠ｇｍａｉｌ．ｏｏｍ。　（　ｌ，　２，…，０９＇　）　（６）　应用下式求解　刘涛涛，等：模糊识别与非结构性决策在桥梁评估中的应用　・１２３・　Ｏ　————————　———　ｈ＜　或ｈ＞　ｍ２，　ｉ　≤＾≤　ｌ　，　Ｒ　槎　｝【∑［∞　（ｒ　一ｓ　）］　Ｊ　（７）　３×　［ｆＬ　　…ｋ：ｒ　３２：１ｌ　：ｋｒ：　３２　…　　ｎｋ：ｒ　３２］ＪＩ　（ｃ　１１）　＝＝式中口　，ｂｊ为评估人　的级别区间的上下限；Ｐ＝２　ｒ：　（１２）　表示距离参数取为欧氏距离。即解得定量部分的综合　评估矩阵　。因此可得到ｎ位评估人对该桥梁的定量　综合评估——级别特征值向量　Ｈ：（日　，　，…，Ｈｎ）　（８）　１．３定性评估的布尔矩阵　定性评估意见部分由两方面组成：　（１）可以正常使用、需要加固、应当停止使用。　规定：可以正常使用属于级别１——优；需要加固属　于级别２——良，中；应当停止使用相应于级别　３——差、劣。故有对是否同意加固的５　Ｘ　阶布尔　矩阵　评议人一（１）（２）…（ｎ）　级别　Ｊ　『０　１　…　０］　（１）　：ｆ　０　０　…　Ｉｊ　　．（２　）　（９）　（２）桥梁评估设优、良、中、差、劣５个级别，　根据ｎ位评估人的评估，同理得５×ｎ阶布尔矩阵　。　１．４评估重的确定　评估人的权重可根据符合程度与熟悉程度来确　定。符合程度简称符合度，有以下三点：　（１）评估人对桥梁给出的定性评估部分的布尔　矩阵　与定性评估部分布尔矩阵　的符合程度。　（２）定量评估部分的级别特征值向量日与布尔　矩阵　的符合程度。　（３）级别特征值向量Ｈ与布尔矩阵　的符合程　度。符合的相对隶属度公式　ｋｒ＝一　———————　（１０）　ｌｊ　式中　ｒ为对于符合的相对隶属度；　为对模糊概念　符合的标度值，其关系如表１。　表１符合程度的量化关系　根据　与　、　与　、　与日的相差级别，由　表１可得到评估人对符合程度的３×ｎ阶相对隶属度　矩阵　表２熟悉程度的量化关系　根据评估人在评估意见中提供的关于对该项目的　熟悉程度，由表２可得评估人对熟悉程度的１　Ｘ　ｎ阶　相对隶属度向量　ｇｒ＝（ｇｒ１，ｇｒ２，…，ｇｒ　，）　（１３）　综合考虑评估人关于评估符合程度相对隶属度矩　阵　与熟悉程度相对隶属度向量　ｒ，将矩阵　与向　量　ｋ综合为４　Ｘ　ｎ阶相对隶属度矩阵　ｋｇｒｌｌ　ｋｇｒｌ２　ｋｇｒｌｎ　培ｒ２１　ｋｇｒ２２　姆ｒ２　培Ｒ４　＝　（１４）　ｋｇｒ３１　ｋｇｒ３２　ｋｇｒ３ｎ　培ｒ４１　ｋｇｒ４２　设符合程度１，２，３与熟悉程度的权向量　Ｗ＝（培　ｌ，船　２，堙Ｗ３，培　４）　（１５）　满足归一化，则评估人未归一化权向量　ｐ姆Ｗ　＝ｐｋｇｗ‘培Ｒ４　＝（ｐ　Ｗｌ，ｐｋｇｗ２，…，ｐ　）（１６）　将式（１６）归一化，得到ｒｔ位评估人的权向量为　＝（　（ｔ）ｌ，ｐ培∞２，…，ｐ培（￡’　）　（１７）　１．Ｓ综合评估　根据评估人的权向量出　与定量部分的综合评估　矩阵Ｕ的转置矩阵相乘，得到定量部分的评估行矩阵　Ａｌ＝ｐｋｇｗ・Ｕ＝（口１１，０１２，…，０ｌ　）　（１８）　因定性评估　的级别分为５级，为使定量评估　与定性评估的级别一致，故定量评估中取Ｃ＝５。将评　估向量式与矩阵　的转置矩阵相乘，得到定性　评估　的评估行矩阵　Ａ２＝　妇　・　：＝（血２１，０２２，…，０２５）　（１９）　同理得到定性评估　的评估行矩阵　Ａ３＝Ｐ　ｚ￡Ｊ・　＝（口３ｌ，口３２，…，口３５）　（２ｏ）　设定量评估、定性评估　，　的权向量为　。Ｗ＝（　∞１，　２，。（ｔ）３，）（２１）　则综合评估为　・ｌ２４・　路基工程　Ｓｕｂｇｒａｄｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２０１１年第３期（总第１５６期）　Ｉ　ａｌｌ　ａ１２…ａ１５　ｌ　Ａ＝・式中　为当等级为Ｃ时一级指标ｍ的标准分数；　。　Ｌ　Ｉ－　０２２…ｎ２５　ｌ＝（０１，ｎ２，…，０５）　Ｊ　。，　…　。。　（２２）　…为当等级为ｃ时Ｄ　的标准分数；∞　为指标ｍ的　（２）符合程度与熟悉程度在确定评估重中　权重因子；ｎ为一级指标的数目。　式中ａ。，ａ　，…，ａ　分别为该项目对于１级（优），２　级（良），３级（中），４级（差），５级（劣）的相对隶　取为等权重，即符合度与熟悉各为０．５０。符合度三种　情况按等权重考虑，其总和为０．５０，为简便取０．１７，　０．１７，０．１６　。则得符合与熟悉程度的权向量　＝　（０．１７，０．１７，０．１６，０．５０）。　属度。则该桥梁经／＇ｔ位专家评估后的综合评估级别　曰＝　（２３）　１．６模型参数设置　（１）规范中规定　：Ｄ　≥８８为一类；８８＞Ｄ　≥　６０为二类；６０＞Ｄ　Ｉ＞４０为三类；４０＞Ｄ，为四、五类。　（３）权重取法：两种定性评估各为０．３，定量评　估为０．４…。　２评估实例分析　哈尔滨松花江斜拉桥为双塔双索面钢一混凝土组　合梁斜拉桥，主桥跨径４４．０　ｍ＋１３６．０　ｍ＋３３６．０　ｍ＋　１３６．０　ＩＴＩ＋４４．０　ｉｎ，桥宽３３．２　ｍ。以此为例，将上述　方法和理论应用到该桥的综合评估中，如表３　。　其中Ｄ，为全桥结构技术状况评分。现依据上述规范要　求构造不同等级的标准分数。考虑到一级指标均作为　桥梁质量状态的控制性指标，本文提出按指标权重比　例进行等级标准分数计算的理论，可有效改善不同指　标影响的显著性。即　＝Ｎ　ｉ　＋１２×（∞　一１／ｎ）。　表３　哈尔滨松花江斜拉桥综合评估模型及评分　刘涛涛，等：模糊识别与非结构性决策在桥梁评估中的应用　・１２５・　由式（２３）计算可得值Ｂ＝１．３８８　８，偏向于级　别１一优，桥梁属于优级偏良级别状况，可继续使　参考文献：　用，与实际计算结果基本吻合，证明采用的方法合　［１］Ｂｅｒｇｍｅｉｓｔｅｒ　Ｋ，Ｓａｎｔａ　Ｕ．Ｇｌｏｂａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｃｏｎｃｅｐｔｓ　ｆｏｒ　ｂｒｉｄｇｅｓ［Ｃ］．　Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ　２　ｗａｙｓ，Ｕｔｉｌｉｔｉｅｓ，ａｎｄ　Ｐｉｐｅ　２　ｌｉｎｅｓ　ＩＶ，　理、可靠，可适用于大跨度桥梁的综合评估。　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　Ｓ　ＰＩ　Ｅ．ＵＳＡ：２０００，３９９５：１４—２５．　［２］郭彤，李爱群，李兆霞，等．大跨桥梁结构状态评估方法研究进展　３结语　［Ｊ］．东南大学学报（自然科学版），２００４，３４（５）：６６９—７０４．　［３］袁万城，崔飞，张启伟．桥梁健康监测与状态评估的研究现状与发展　（１）本文应用多级模糊模式识别与非结构性决　［Ｊ］．同济大学学报（自然科学版），１９９９，（２）：１８４—１８８．　策理论所建评价模型，能融合更多专家决策信息，对　［４］陈守煜．工程模糊集理论与应用［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９９８：　桥梁质量作出准确评估，可真实地反映桥梁当前的质　１８８—２０４．　［５］徐家云，何晓鸣，张俊，等．模糊理论在桥梁评估中的应用［Ｊ］．武汉　量状况。　理工大学学报，２００３，２５（７）：３８—４１．　（２）对哈尔滨松花江斜拉桥的分析表明，该法　［６］陈开利，王邦楣，林亚超．桥梁工程鉴定与加固手册［Ｋ］．北京：人　能较好地解决实际工程问题，可为桥梁维修加固提供　民交通出版社，２００５：３—１８．　［７］任远，黄侨，李辉．大跨度斜拉桥的综合评估理论体系研究［Ｃ］．全　定量的依据。　国既有桥梁加固、改造与评估学术会议论文集．２００８：１６５—１７０．　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｆｕｚｚｙ　Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｎｏｎ－ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｄｅｃｉｓｉｏｎ　ｉｎ　Ｂｒｉｄｇｅ　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ＬＩＵ　Ｔａｏ．ｔａｏ　，ＺＨＯＵ　Ｌｉｎｇ．ｙｕａｎ　（１．ＣＲＥＥＣ　Ｘｉ’ａｎ　Ｓｕｒｖｅｙ，Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｘｉ’ａｎ　７１００４５，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００３　１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ　ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ　ｔａｒｇｅｔｓ　ａｎｄ　ｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ａｒｅ　ｈａｒｄｌｙ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ　ｄｕｒｉｎｇ　ｂｒｉｄｇｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｂｒｉｄｇｅｓ，ｍｕｌｔｉ—ｌｅｖｅｌ　ｆｕｚｚｙ　ｐａｔｔｅｒｎ　ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｎｏｎ—ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｃｉｓｉｏｎ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｒｅ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｔｏ　ｅｖａｌｕａｔｅ　ｂｒｉｄｇｅ．Ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔａｋｅｓ　ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ＆ｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　ａｓｓｅｓｓｏｒ’Ｓ　ｗｅｉｇｈｔｉｎｇ　ｉｎｔｏ　ｆｕｌｌ　ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｇｉｖｅ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　ｂｒｉｄｇｅ　ｑｕａｌｉｔｙ．Ｉｔ　ｉｓ　ｓｈｏｗｎ　ｆｒｏｍ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｇｉｖｅ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　ｂｒｉｄｇｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｔｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｒｉｄｇｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ；ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ；ｍｕｈｉ—ｌｅｖｅｌ　ｆｕｚｚｙ　ｐａｔｔｅｍ　ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ；ｎｏｎ—ｓｔｕｒｃｔｕｒａｌ　ｄｅｃｉｓｉｏｎ　（上接第１２１页）　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｌｉｍｉｔ　ｏｆ　Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　Ｌｉｎｅａｒ　Ｒｉｇｉｄｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｉｅｒ　ｆｏｒ　Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｂｅａｍ　Ｂｒｉｄｇｅ　ｏｎ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｌｉｎｅ　ｏｆｒ　Ｐａｓｓｅｎｇｅｒ　ａｎｄ　Ｆｒｅｉｇｈｔ　Ｔｒａｆｉｆｃ　ＬＩＵ　Ｇａｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｍｉｎｇ－ｊｉａｎ　（Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｓｕｒｖｅｙ＆Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１　１００３　１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｗｅｌｄｅｄ　ｒａｉｌ－ｐｉｅｒ—ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ　ｌｉｍｉｔ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｌｉｎｅａｒ　ｒｉｉｇｄｉｔｙ　ｏｆ　ｐｉｅｒ　ｆｏｒ　４０　ｍ＋６４　ｍ＋４０　ｍ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｂｅａｍ　ｂｒｉｄｇｅ　ｏｎ　ｒａｉｌｗａｙ　ｌｉｎｅ　ｆｏｒ　ｐａｓｓｅｎｇｅｒ　ａｎｄ　ｆｒｅｉｇｈｔ　ｔｒａｆｉｆｃ　ｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ＡＮＳＹＳ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｏｆ　ｂｅａｍ—ｒａｉｌ　ｆａｓｔ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｕｎｄｅｒ　ｂｒａｋｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ，ｉｔ　ｉｓ　ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｌｉｎｅａｒ　ｒｉｇｉｄｉｔｙ　ｏｆ　ｐｉｅｒ　ｓｈｏｕｌｄ　ｎｏｔ　ｂｅ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　１　０００　ｋＮ／ｃｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｅａｍ—ｒａｉｌ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ；ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｗｅｌｄｅｄ　ｒａｉｌ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ；ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｌｉｎｅａｒ　ｒｉｇｉｄｉｔｙ　ｏｆ　ｐｉｅｒ