基于模糊評判法的公路抗水毀能力評價

林宛楊，郭朝珍

(1.福州大學(xué)數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院,福建福州350116;

2.福建船政交通職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)與工程系,福建福州350007)

基于模糊評判法的公路抗水毀能力評價

林宛楊1，2，郭朝珍1

(1.福州大學(xué)數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院,福建福州350116;

2.福建船政交通職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)與工程系,福建福州350007)

通過引入模糊數(shù)學(xué)的單因素和模糊綜合評判來評價 “認(rèn)知不確定”的公路抗水毀的能力，以公路抗水毀災(zāi)前預(yù)防能力評價系統(tǒng)為對象構(gòu)造模型.根據(jù)專家意見和經(jīng)驗設(shè)置權(quán)重及評語集、隸屬函數(shù)和評判矩陣將公路抗水毀能力劃分為4個備擇集.以河床糙率、邊坡穩(wěn)定性、路基施工質(zhì)量等級和養(yǎng)護(hù)維修等因素集為例設(shè)定了評判標(biāo)準(zhǔn).對模糊綜合評價進(jìn)行實際計算，并嵌入屬性和圖形數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)聯(lián)，對該系統(tǒng)應(yīng)用于抗水毀災(zāi)前預(yù)防能力等級評價進(jìn)行了可行性分析.

模糊評判法；福州市；公路；抗水毀；評價

公路水毀防治是一項系統(tǒng)工程,國內(nèi)外對于公路水毀的研究主要集中在災(zāi)前預(yù)防、災(zāi)后處理、沖刷計算和水毀機理分析等方面［1］.其中,災(zāi)前預(yù)防 (包括地貌分析、地質(zhì)氣象耦合、概率量化評價和預(yù)報指數(shù)法等)是該領(lǐng)域的研究重點［2－3］.目前,公路水毀災(zāi)前預(yù)防系統(tǒng)主要是概率論結(jié)合時間序列分析［4］,該方法需要在大樣本基礎(chǔ)上統(tǒng)計分析典型分布和歷史統(tǒng)計規(guī)律,需要大量的公路參數(shù)［5］.

福州市地上河流和地下暗河眾多,為典型的河口盆地型地貌,春季的連續(xù)降雨和夏秋季因臺風(fēng)形成的暴雨是造成公路水毀的主要原因［6］.根據(jù)福州市特殊的地理位置和水文情況設(shè)立參數(shù),使用特定算法建立一種合理可靠的適合當(dāng)?shù)氐墓房顾畾芰υu價系統(tǒng),對公路水毀進(jìn)行災(zāi)前預(yù)防是很有必要的［7］.模糊數(shù)學(xué)主要研究 “認(rèn)知不確定”問題,憑借經(jīng)驗借助隸屬函數(shù)進(jìn)行處理,采用模糊集合理論來建立模糊語言的數(shù)學(xué)模型,使語言數(shù)量化、形式化.模糊數(shù)學(xué)結(jié)合灰度理論可以在小樣本和認(rèn)知經(jīng)驗的基礎(chǔ)上解釋問題,它可以對以往的水毀數(shù)據(jù)進(jìn)行演繹和歸納,發(fā)現(xiàn)規(guī)律,解釋過去并對未來的情況進(jìn)行預(yù)警.針對福州市公路抗水毀能力的多重不確定因素影響來建立模糊評判系統(tǒng),可對不確定因素進(jìn)行處理.如果以模型建立、評分標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)反饋為核心,通過對不同地形地貌、巖土體條件及降雨量等信息進(jìn)行系統(tǒng)分析,建立評價系統(tǒng)模型,用數(shù)值表達(dá)處理主觀判斷,量化水毀防治決策的經(jīng)驗,能更加科學(xué)有效達(dá)到災(zāi)前預(yù)防的效果.本文通過引入模糊數(shù)學(xué)的單因素和模糊綜合評判來評價“認(rèn)知不確定”的公路抗水毀的能力,以公路抗水毀災(zāi)前預(yù)防能力評價系統(tǒng)為對象構(gòu)造模型,對模糊綜合評價進(jìn)行實際計算,并對該系統(tǒng)應(yīng)用于抗水毀災(zāi)前預(yù)防能力等級評價進(jìn)行了可行性分析,為福州市公路抗水毀能力的提高提供了理論依據(jù).

1 模型建立

模糊評判法需要對公路的抗水毀災(zāi)前預(yù)防能力的不確定因素進(jìn)行評價預(yù)處理.采用二級模糊評判涉及到確定每個集合Ui的子集特征函數(shù)和評價矩陣,子集特征函數(shù)的確立需要依賴大量的現(xiàn)場統(tǒng)計調(diào)查.由于影響因素眾多,特征函數(shù)會出現(xiàn)較大的差別,需要較強的模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ)來支撐.一級判別因素Ui所含的子集通過專家評分來處理其不確定性,在簡明、可靠、可行的同時,配合灰色理論加強了時間序列分析,來對福州市春季的連續(xù)降雨和夏秋季因臺風(fēng)天的暴雨的特殊氣候定量和定性.在本研究中,采用一級模糊評判方法對福州市公路水毀災(zāi)害進(jìn)行評價.首先,將評判對象的各種因素組成一個普通的通常都具有不同程度的模糊性集合即因素集.其次,在綜合考慮所有因素的基礎(chǔ)上,從建立的備擇集中得出最佳評價結(jié)果.再次,通過權(quán)重集的建立,根據(jù)因素集中反映各因素的重要程度,取不同的權(quán)重.最終結(jié)合三者關(guān)系,建立隸屬函數(shù),通過矩陣運算得到不同評判結(jié)果,以達(dá)到水毀預(yù)警效果.因此,系統(tǒng)中可以通過建立模糊定量和定性的綜合評價方法來提升評價可靠性.假設(shè)有K位專家進(jìn)行評分,編號為Sj(j＝1,2,…,K),建立的公路抗水毀能力判別模型如式 (1)～(3)所示：

1)建立集合U的隸屬函數(shù)μ(x)對于等級評判標(biāo)準(zhǔn),可以總結(jié)為表1所示的通用形式.對表1所列的情形,構(gòu)造隸屬函數(shù)如式 (1)～(3).

表1 等級評判標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Evaluation standard of the grade

2)根據(jù)第Sj位專家的評分和Ui隸屬函數(shù)求出評判矩陣Ri,并由模糊綜合評判公式求得Sj專家個人評判結(jié)果如式 (4)所示.

所有的評價人評價結(jié)果最終會組成一個K×4階矩陣B,矩陣?yán)锇腥说脑u判信息如式 (5)所示.

bj為B的行向量組成的集合.

3)由B求K個專家的評分經(jīng)過模糊識別以后形成的級別特征向量H,如式 (6)所示,特征向量為：

其中：

式 (7)含必要信息的特征向量則為評價結(jié)果.

模糊評判法結(jié)果體現(xiàn)在備擇集,由對公路的抗水毀能力的劃分可以分為強、較強、一般和弱4個等級,如高速公路與一級公路抗水毀能力必須達(dá)到強等級,二、三級公路的抗水毀能力要求達(dá)到較強等級,四級公路的抗水毀能力應(yīng)該達(dá)到一般等級,故本文設(shè)4種等級的備擇集.抗水毀能力等級和公路等級有相關(guān)聯(lián)系,如未達(dá)到必須完善排水、防護(hù)和調(diào)治措施以達(dá)到預(yù)警目的.

2 標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)

模糊評判法需要從抗水毀能力很多不確定的因素選擇重要標(biāo)準(zhǔn)建立因素集.水毀防治難點在于理論參數(shù)在實際工程中難以量化.福州市地理水文特點是沿河公路水毀占整個公路水毀的60%～80%,所以需要重點對已建沿河公路進(jìn)行抗水毀能力量化和評價.系統(tǒng)根據(jù)福州水文狀況設(shè)計了路基參數(shù)(包括路基類型、壓實度和路基邊坡)、河床河道參數(shù) (包括河床比降、河床粗糙率和河道形狀)、水流參數(shù) (包括平均水流和相對高程)和其他參數(shù) (包括施工質(zhì)量和養(yǎng)護(hù)維護(hù)值)進(jìn)行一系列后臺的運算和評判,建立因素集.在綜合因素集、備擇集和權(quán)重集綜合打分后,根據(jù)量化數(shù)據(jù)建立模糊定量和定性的綜合評價方法來確定和評價水毀狀態(tài),說明路基抗水毀能力為較強級,達(dá)到幾級公路抗水毀能力的要求,最終根據(jù)水毀信息的判斷進(jìn)行預(yù)警并向社會提供自然信息服務(wù).這里系統(tǒng)以河床糙率、邊坡穩(wěn)定性、路基施工質(zhì)量等級、養(yǎng)護(hù)維修等主要評價標(biāo)準(zhǔn)為例,設(shè)置因素集如下.

1)河床糙率n的取值.福州市公路的路基特別是沿江沿海路基常建在海灘和江灘處,海灘和江灘的糙率容易影響水流速率［8］,糙率對水流速率的影響如表2所示.

表2 海灘及河灘糙率標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Standards of the beach and flood plain roughness

2)邊坡m取值.邊坡是該系統(tǒng)中的一個典型單個承災(zāi)體.邊坡取值是否合理可以用邊坡穩(wěn)定系數(shù)K進(jìn)行衡量,具體如下：當(dāng)K＞1＋a時為穩(wěn)定；當(dāng)1＜K≤1＋a時為較穩(wěn)定；當(dāng)1－a＜K≤1時為一般穩(wěn)定；當(dāng)K≤1－a時為不穩(wěn)定.

3)路基施工質(zhì)量評價.路基施工質(zhì)量評價成為針對已建成公路或已有的舊公路的抗水毀能力的一個重要指標(biāo),在累計的連續(xù)降雨和臺風(fēng)暴雨期間其危險性和等級起到重要作用,這里根據(jù)福州市的河口地貌對沿河路基提出了要求,路基工程驗收評定結(jié)果分為優(yōu)、良、中、差4個等級.

4)養(yǎng)護(hù)維修.根據(jù)福州市水文地質(zhì)情況設(shè)置的維護(hù)資金現(xiàn)狀,將養(yǎng)護(hù)維修的評價標(biāo)準(zhǔn)分為優(yōu)、良、中和差4個等級.其中：優(yōu)為資金充足 (高于維護(hù)費的80%),有固定的高級道路維護(hù)技術(shù)員,維護(hù)工具齊備,周期短,應(yīng)急方案充分；良是有適量的資金 (約為維護(hù)費的50%～80%),中級技術(shù)人員固定,維護(hù)工具基本齊備、周期較短,應(yīng)急方案具備；中對應(yīng)資金不足 (為維護(hù)費的20%～50%),技術(shù)人員職稱低,維護(hù)工具缺乏,周期長,無應(yīng)急方案；差指的是資金不足 (低于維護(hù)費的20%),相關(guān)技術(shù)人員不固定,大型工具缺少,周期長,無應(yīng)急方案.

最后根據(jù)以上建立的打分標(biāo)準(zhǔn),并綜合多位專家的意見得到如表3所示的綜合評價因素集的標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù).

表3 綜合評價因素集的標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)Table 3 Standard score of the comprehensive evaluation factor set

3 應(yīng)用實例驗證

為了進(jìn)一步驗證模糊評判法和評分系統(tǒng)的有效性,本文根據(jù)所建立的模型和評分標(biāo)準(zhǔn)對依托福州市某工程國道××線××段 (樁號K1792)進(jìn)行現(xiàn)場評分.根據(jù)所提供河床糙率、邊坡穩(wěn)定性、路基施工質(zhì)量等級、養(yǎng)護(hù)維修、河床性質(zhì)和水流情況等因素集進(jìn)行分析和計算,得到福州市樁號K1792號路基在一定條件下的預(yù)警等級,其結(jié)果如表4所示,并以此來確定路基的抗水毀能力和給出補救措施.

表4 現(xiàn)場評分結(jié)果Table 4 Score table

將各單因素評判的隸屬度為行組成矩陣,即式 (1)～(3)以及得出的表4得判斷矩陣：

在因素集中,各因素的重要程度是不一樣的.為了反映各因素的重要程度,對各因素ui(i＝1,2,…, m)應(yīng)賦予一個相應(yīng)的權(quán)數(shù)ai(i＝1,2,…,m).由各權(quán)數(shù)所組成的集合A＝(0.3 0.1 0.2 0.1 0.2 0.1).

單因素模糊評判僅反映了一個因素的影響,這顯然是不夠的,需要在綜合考慮所有因素影響的基礎(chǔ)上得出科學(xué)的評判,這就是模糊綜合評判B

由模糊綜合評價的計算結(jié)果可知,樁號K1792號路基抗水毀能力為較強級,已達(dá)到二級公路抗水毀能力的要求.

為了進(jìn)一步實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速安全共享反饋,及時實現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)間的對應(yīng)關(guān)系,建立數(shù)據(jù)庫和相應(yīng)網(wǎng)頁.根據(jù)算法參數(shù)設(shè)置福州市抗水毀能力評價系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由公路基本信息表、工程條件表、地質(zhì)地形特征表、水流特征表、權(quán)限組表、系統(tǒng)日志表和用戶信息表等組成.根據(jù)公路基本信息記錄基本信息,以路段代碼為關(guān)鍵字,連接工程條件表、地質(zhì)地形特征表、水流特征表等加以統(tǒng)計分析得出公路水毀路段統(tǒng)計表、公路易水毀路段統(tǒng)計表等,便于通過網(wǎng)絡(luò)實時輸入數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫,對公路水毀進(jìn)行批量評價分析,進(jìn)而運用系統(tǒng)模型對公路水毀進(jìn)行實時預(yù)決策.圖1是根據(jù)所提實例導(dǎo)出福州市沿河公路抗水毀能力評價網(wǎng)頁界面,在具體的參數(shù)值可以根據(jù)參數(shù)規(guī)定從網(wǎng)頁文檔中讀取的同時也提高了管理數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)安全.

圖1 福州市沿河公路路基抗水毀能力界面Fig.1 The interface waterlogging resistance capability along the river highway subgrade of Fuzhou city

4 結(jié)論

本文基于模糊評判法,引入模糊數(shù)學(xué)的單因素集,依據(jù)福州市的特殊的地理位置和水文情況設(shè)計公路抗水毀能力評價分析.根據(jù)功能分析需求,設(shè)計了水毀預(yù)測模型,確定了河床糙率、邊坡穩(wěn)定性、路基施工質(zhì)量等級、養(yǎng)護(hù)維修等公路抗水毀能力的評價標(biāo)準(zhǔn)水毀損毀等級評價系統(tǒng).并通過典型的路段進(jìn)行分析和計算以驗證系統(tǒng)的可行性,建立了公路抗水毀能力評價系統(tǒng),并作為災(zāi)前預(yù)防依據(jù),對系統(tǒng)的實踐性判斷問題及圖形數(shù)據(jù)相互對應(yīng)的問題進(jìn)行了可行性分析.

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Fuzzy Evaluation of the Road Waterlogging Prevention System

LIN Wan-yang1，2，GUO Chao-zhen1
（1.College of Mathematics and Computer Science，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350116，China；2.Information Technology and Engineering Department，F(xiàn)ujian Chuanzheng Communication College，F(xiàn)uzhou 350007，China）

Fuzzy single factor evaluation and fuzzy synthetic evaluation were used to establish a waterlogging warning evaluation system to evaluate the epistemically uncertain road damage resistance.In the model，the weight and comment set，the membership functions and evaluating matrix were set up on experts' expertise and real world demand，and road waterlogging resistance were divided in four four alternative sets. Evaluating criteria include bed roughness，slope stability，roadbed construction quality and maintenance for computing on the fuzzy synthetic evaluation.Attribute and graphic data were embedded to the evaluation system.A feasibility analysis was conducted to the road waterlogging warning evaluation system.

fuzzy evaluation system；Fuzhou；road；water damage resistance；evaluation

TP399;O29

A

1673－4432（2015）05－0064－06

（責(zé)任編輯 雨 松）

2015－03－03

2015－07－01

福建省教育廳科技項目 (JA14217,JA14223)

林宛楊 (1981－),女,講師,碩士,研究方向為數(shù)據(jù)庫.E-mail：78414046＠qq.com