林宛楊，郭朝珍

(1.福州大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)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(píng)判法的公路抗水毀能力評(píng)價(jià)

林宛楊1，2，郭朝珍1

(1.福州大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)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(guò)引入模糊數(shù)學(xué)的單因素和模糊綜合評(píng)判來(lái)評(píng)價(jià) “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(píng)價(jià)系統(tǒng)為對(duì)象構(gòu)造模型.根據(jù)專家意見(jiàn)和經(jīng)驗(yàn)設(shè)置權(quán)重及評(píng)語(yǔ)集、隸屬函數(shù)和評(píng)判矩陣將公路抗水毀能力劃分為4個(gè)備擇集.以河床糙率、邊坡穩(wěn)定性、路基施工質(zhì)量等級(jí)和養(yǎng)護(hù)維修等因素集為例設(shè)定了評(píng)判標(biāo)準(zhǔn).對(duì)模糊綜合評(píng)價(jià)進(jìn)行實(shí)際計(jì)算，并嵌入屬性和圖形數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)，對(duì)該系統(tǒng)應(yīng)用于抗水毀災(zāi)前預(yù)防能力等級(jí)評(píng)價(jià)進(jìn)行了可行性分析.

模糊評(píng)判法；福州市；公路；抗水毀；評(píng)價(jià)

公路水毀防治是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,國(guó)內(nèi)外對(duì)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(jì)算和水毀機(jī)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(píng)價(jià)和預(yù)報(bào)指數(shù)法等)是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)［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(shí)間序列分析［4］,該方法需要在大樣本基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)分析典型分布和歷史統(tǒng)計(jì)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(tái)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(píng)價(jià)系統(tǒng),對(duì)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(wèn)題,憑借經(jīng)驗(yàn)借助隸屬函數(shù)進(jìn)行處理,采用模糊集合理論來(lái)建立模糊語(yǔ)言的數(shù)學(xué)模型,使語(yǔ)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(yàn)的基礎(chǔ)上解釋問(wèn)題,它可以對(duì)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(guò)去并對(duì)未來(lái)的情況進(jìn)行預(yù)警.針對(duì)福州市公路抗水毀能力的多重不確定因素影響來(lái)建立模糊評(píng)判系統(tǒng),可對(duì)不確定因素進(jìn)行處理.如果以模型建立、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)反饋為核心,通過(guò)對(duì)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(píng)價(jià)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(yàn),能更加科學(xué)有效達(dá)到災(zāi)前預(yù)防的效果.本文通過(guò)引入模糊數(shù)學(xué)的單因素和模糊綜合評(píng)判來(lái)評(píng)價(jià)“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(píng)價(jià)系統(tǒng)為對(duì)象構(gòu)造模型,對(duì)模糊綜合評(píng)價(jià)進(jìn)行實(shí)際計(jì)算,并對(duì)該系統(tǒng)應(yīng)用于抗水毀災(zāi)前預(yù)防能力等級(jí)評(píng)價(jià)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(píng)判法需要對(duì)公路的抗水毀災(zāi)前預(yù)防能力的不確定因素進(jìn)行評(píng)價(jià)預(yù)處理.采用二級(jí)模糊評(píng)判涉及到確定每個(gè)集合Ui的子集特征函數(shù)和評(píng)價(jià)矩陣,子集特征函數(shù)的確立需要依賴大量的現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)調(diào)查.由于影響因素眾多,特征函數(shù)會(huì)出現(xiàn)較大的差別,需要較強(qiáng)的模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ)來(lái)支撐.一級(jí)判別因素Ui所含的子集通過(guò)專家評(píng)分來(lái)處理其不確定性,在簡(jiǎn)明、可靠、可行的同時(shí),配合灰色理論加強(qiáng)了時(shí)間序列分析,來(lái)對(duì)福州市春季的連續(xù)降雨和夏秋季因臺(tái)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(jí)模糊評(píng)判方法對(duì)福州市公路水毀災(zāi)害進(jìn)行評(píng)價(jià).首先,將評(píng)判對(duì)象的各種因素組成一個(gè)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(píng)價(jià)結(jié)果.再次,通過(guò)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(guò)矩陣運(yùn)算得到不同評(píng)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(guò)建立模糊定量和定性的綜合評(píng)價(jià)方法來(lái)提升評(píng)價(jià)可靠性.假設(shè)有K位專家進(jìn)行評(píng)分,編號(hào)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(duì)于等級(jí)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),可以總結(jié)為表1所示的通用形式.對(duì)表1所列的情形,構(gòu)造隸屬函數(shù)如式 (1)～(3).

表1 等級(jí)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Evaluation standard of the grade

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

所有的評(píng)價(jià)人評(píng)價(jià)結(jié)果最終會(huì)組成一個(gè)K×4階矩陣B,矩陣?yán)锇腥说脑u(píng)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(gè)專家的評(píng)分經(jīng)過(guò)模糊識(shí)別以后形成的級(jí)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(píng)價(jià)結(jié)果.

模糊評(píng)判法結(jié)果體現(xiàn)在備擇集,由對(duì)公路的抗水毀能力的劃分可以分為強(qiáng)、較強(qiáng)、一般和弱4個(gè)等級(jí),如高速公路與一級(jí)公路抗水毀能力必須達(dá)到強(qiáng)等級(jí),二、三級(jí)公路的抗水毀能力要求達(dá)到較強(qiáng)等級(jí),四級(jí)公路的抗水毀能力應(yīng)該達(dá)到一般等級(jí),故本文設(shè)4種等級(jí)的備擇集.抗水毀能力等級(jí)和公路等級(jí)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(píng)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(diǎn)在于理論參數(shù)在實(shí)際工程中難以量化.福州市地理水文特點(diǎn)是沿河公路水毀占整個(gè)公路水毀的60%～80%,所以需要重點(diǎn)對(duì)已建沿河公路進(jìn)行抗水毀能力量化和評(píng)價(jià).系統(tǒng)根據(jù)福州水文狀況設(shè)計(jì)了路基參數(shù)(包括路基類型、壓實(shí)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(duì)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(tái)的運(yùn)算和評(píng)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(píng)價(jià)方法來(lái)確定和評(píng)價(jià)水毀狀態(tài),說(shuō)明路基抗水毀能力為較強(qiáng)級(jí),達(dá)到幾級(jí)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(huì)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(jí)、養(yǎng)護(hù)維修等主要評(píng)價(jià)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(duì)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(gè)典型單個(gè)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(shí)為穩(wěn)定；當(dāng)1＜K≤1＋a時(shí)為較穩(wěn)定；當(dāng)1－a＜K≤1時(shí)為一般穩(wěn)定；當(dāng)K≤1－a時(shí)為不穩(wěn)定.

3)路基施工質(zhì)量評(píng)價(jià).路基施工質(zhì)量評(píng)價(jià)成為針對(duì)已建成公路或已有的舊公路的抗水毀能力的一個(gè)重要指標(biāo),在累計(jì)的連續(xù)降雨和臺(tái)風(fēng)暴雨期間其危險(xiǎn)性和等級(jí)起到重要作用,這里根據(jù)福州市的河口地貌對(duì)沿河路基提出了要求,路基工程驗(yàn)收評(píng)定結(jié)果分為優(yōu)、良、中、差4個(gè)等級(jí).

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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分為優(yōu)、良、中和差4個(gè)等級(jí).其中：優(yōu)為資金充足 (高于維護(hù)費(fèi)的80%),有固定的高級(jí)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(fèi)的50%～80%),中級(jí)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(duì)應(yīng)資金不足 (為維護(hù)費(fèi)的20%～50%),技術(shù)人員職稱低,維護(hù)工具缺乏,周期長(zhǎng),無(wú)應(yīng)急方案；差指的是資金不足 (低于維護(hù)費(fèi)的20%),相關(guān)技術(shù)人員不固定,大型工具缺少,周期長(zhǎng),無(wú)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(jiàn)得到如表3所示的綜合評(píng)價(jià)因素集的標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù).

表3 綜合評(píng)價(jià)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(shí)例驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證模糊評(píng)判法和評(píng)分系統(tǒng)的有效性,本文根據(jù)所建立的模型和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)依托福州市某工程國(guó)道××線××段 (樁號(hào)K1792)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)評(píng)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(jí)、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(jì)算,得到福州市樁號(hào)K1792號(hào)路基在一定條件下的預(yù)警等級(jí),其結(jié)果如表4所示,并以此來(lái)確定路基的抗水毀能力和給出補(bǔ)救措施.

表4 現(xiàn)場(chǎng)評(píng)分結(jié)果Table 4 Score table

將各單因素評(píng)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(duì)各因素ui(i＝1,2,…, m)應(yīng)賦予一個(gè)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(píng)判僅反映了一個(gè)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(píng)判,這就是模糊綜合評(píng)判B

由模糊綜合評(píng)價(jià)的計(jì)算結(jié)果可知,樁號(hào)K1792號(hào)路基抗水毀能力為較強(qiáng)級(jí),已達(dá)到二級(jí)公路抗水毀能力的要求.

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速安全共享反饋,及時(shí)實(shí)現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,建立數(shù)據(jù)庫(kù)和相應(yīng)網(wǎng)頁(yè).根據(jù)算法參數(shù)設(shè)置福州市抗水毀能力評(píng)價(jià)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)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(jì)分析得出公路水毀路段統(tǒng)計(jì)表、公路易水毀路段統(tǒng)計(jì)表等,便于通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)輸入數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)公路水毀進(jìn)行批量評(píng)價(jià)分析,進(jìn)而運(yùn)用系統(tǒng)模型對(duì)公路水毀進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)決策.圖1是根據(jù)所提實(shí)例導(dǎo)出福州市沿河公路抗水毀能力評(píng)價(jià)網(wǎng)頁(yè)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(yè)文檔中讀取的同時(shí)也提高了管理數(shù)據(jù)庫(kù)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(píng)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(jì)公路抗水毀能力評(píng)價(jià)分析.根據(jù)功能分析需求,設(shè)計(jì)了水毀預(yù)測(cè)模型,確定了河床糙率、邊坡穩(wěn)定性、路基施工質(zhì)量等級(jí)、養(yǎng)護(hù)維修等公路抗水毀能力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)水毀損毀等級(jí)評(píng)價(jià)系統(tǒng).并通過(guò)典型的路段進(jìn)行分析和計(jì)算以驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性,建立了公路抗水毀能力評(píng)價(jià)系統(tǒng),并作為災(zāi)前預(yù)防依據(jù),對(duì)系統(tǒng)的實(shí)踐性判斷問(wèn)題及圖形數(shù)據(jù)相互對(duì)應(yīng)的問(wèn)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(xiàng)目 (JA14217,JA14223)

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