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        基于粗糙集理論的AC-16級(jí)配抗滑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵粒組

        2016-11-26 05:18:10趙大勇童申家
        公路工程 2016年5期

        趙大勇, 童申家

        (1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 陜西 西安 710055; 2.中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 上海 200070)

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        基于粗糙集理論的AC-16級(jí)配抗滑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵粒組

        趙大勇1,2, 童申家1

        (1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 陜西 西安 710055; 2.中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 上海 200070)

        道路工程; 瀝青混凝土; 抗滑; 分形; 灰色關(guān)聯(lián)分析; 粗糙集

        0 引言

        路面抗滑性能是影響行車安全的主要因素之一,其好壞與路面紋理特征密切相關(guān)[1]。路面紋理分布特征可用路面紋理分形維數(shù)DZ來描述[2-4],通過建立DZ與擺值和構(gòu)造深度的相關(guān)關(guān)系,可給出用以評(píng)價(jià)瀝青路面抗滑性能的DZ值。有研究表明:在材料相同的條件下,礦料級(jí)配組成對(duì)瀝青路面抗滑指標(biāo)的影響很大[5,6]。由分形級(jí)配理論可知,對(duì)于連續(xù)級(jí)配瀝青混合料,其級(jí)配組成特征可用粒徑分布分形維數(shù)D來表征[7],不同級(jí)配的瀝青混合料,對(duì)應(yīng)不同的粒徑分布分形維數(shù)D。因此,如何建立路面紋理分形維數(shù)DZ與集料粒徑分布分形維數(shù)D的關(guān)系,并按分形級(jí)配理論調(diào)整礦料級(jí)配曲線,提供了瀝青混凝土路面抗滑級(jí)配設(shè)計(jì)的新思路。本文擬從瀝青混合料分形結(jié)構(gòu)出發(fā),通過建立路面紋理分形維數(shù)DZ與瀝青混合料級(jí)配特征之間的聯(lián)系,推導(dǎo)路面紋理分形維數(shù)DZ的計(jì)算公式,并按照灰色關(guān)聯(lián)分析法,對(duì)粒組集料含量與路面紋理分形維數(shù)DZ之間的關(guān)聯(lián)程度進(jìn)行分析,根據(jù)關(guān)聯(lián)度的大小對(duì)粒組進(jìn)行分類;同時(shí)借助粗糙集理論的屬性約簡(jiǎn)功能,對(duì)不同類別粒組進(jìn)行約簡(jiǎn),從而提出AC — 16瀝青混凝土路面抗滑級(jí)配設(shè)計(jì)的關(guān)鍵粒組。

        1 路面紋理分形維數(shù)與粒徑分布分形維數(shù)的關(guān)系

        1.1 瀝青混合料的分形結(jié)構(gòu)

        瀝青混合料是由瀝青、集料、礦粉組成的復(fù)合材料體系,具有顯著的分形特征,存在著以下幾個(gè)層次的分形: ①不同粒徑的集料混合形成一種分布,其分布函數(shù)是一種數(shù)學(xué)分形,稱為集料粒徑分布分形; ②因集料粒徑分布分形導(dǎo)致集料質(zhì)量分布函數(shù)的分形,稱為集料級(jí)配分形; ③瀝青混合料存在空隙,集料無法填滿整個(gè)空間,這種空間填充能力不足形成體積分形[8,9]。

        1.2 瀝青混合料集料粒徑分布分形維數(shù)

        楊瑞華等[9,10]根據(jù)分形幾何基本原理,推導(dǎo)了連續(xù)級(jí)配瀝青混合料集料粒徑分布的分形模型:

        (1)

        式中: m(r)為粒徑不大于r的集料質(zhì)量;m0為集料總質(zhì)量;P(r)為各粒徑集料的篩孔通過率;D為集料粒徑分布分形維數(shù);rmin為集料最小粒徑;rmax為集料最大粒徑。

        在連續(xù)級(jí)配中rmin遠(yuǎn)小于rmax,故rmin可以忽略,從而(1)式可寫為:

        P(r)=(r/rmax)3-D

        (2)

        對(duì)式(2)兩邊同取對(duì)數(shù)可得:

        lgP(r)=(3-D)lg(r/rmax)

        (3)

        由式(3)可知:lgP(r)與lg(r/rmax)具有線性相關(guān)性,因此在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖中,對(duì)級(jí)配曲線進(jìn)行擬合,根據(jù)擬合直線斜率k=3-D即可算得D值。

        1.3 瀝青路面紋理分形維數(shù)

        在討論瀝青路面紋理分形維數(shù)之前,先給出分形幾何基本公式:

        A(δ)=A0(δ/δmax)E-D

        (4)

        式中:A0為圖形是整形時(shí)A的數(shù)值;δ為度量碼尺;δmax為最大碼尺長(zhǎng)度;D為分形維數(shù);E=0時(shí),A和δ對(duì)應(yīng)于點(diǎn)數(shù);E=1時(shí),A和δ對(duì)應(yīng)于長(zhǎng)度;E=2時(shí),A和δ對(duì)應(yīng)于面積;E=3時(shí),A和δ對(duì)應(yīng)于體積。

        由(4)式可給出瀝青混合料集料體積分形和路面紋理分形如下:

        V(r)=V0(r/rmax)3-DV

        (5)

        Z(r)=Z0(r/rmax)1-DZ

        (6)

        式中:V(r)為分形體積;V0為整形體積;DV為體積分形維數(shù);Z(r)為路面紋理分形;Z0為整形路面紋理;DZ為路面紋理分形維數(shù)。

        集料空間填充能力不足形成體積分形,路面紋理分形可看作集料填充能力不足在路面縱橫向的反映,故集料體積分形與路面紋理分形存在一階導(dǎo)數(shù)關(guān)系,即:

        Z(r)=dV(r)/dr

        (7)

        若以ρ(r)表示粒徑不大于r的集料平均密度,則:

        (8)

        為使問題簡(jiǎn)化,忽略不同粒徑集料密度ρ(r)的差異,則:

        (9)

        將式(2)代入式(9)并結(jié)合式(7)可得:

        (10)

        對(duì)比式(6)和式(10)可知:

        DZ=D-1

        (11)

        式(11)建立了路面紋理分形維數(shù)DZ與集料粒徑分布分形維數(shù)D之間的關(guān)系。對(duì)于連續(xù)級(jí)配瀝青混合料而言,其級(jí)配特征可用粒徑分布分形維數(shù)D來描述,不同級(jí)配的瀝青混合料,對(duì)應(yīng)不同的粒徑分布分形維數(shù)D。式(11)實(shí)質(zhì)在路面抗滑性能與瀝青混合料級(jí)配特征之間建立了聯(lián)系,這提供了路面抗滑級(jí)配設(shè)計(jì)的新思路。

        2 基于灰色關(guān)聯(lián)分析的粒組分類

        2.1 試驗(yàn)級(jí)配

        本論文采用集料最大粒徑為19 mm的AC — 16級(jí)配,按規(guī)范推薦的級(jí)配曲線范圍確定的10組集料級(jí)配見表1。其中級(jí)配1~5為代表性級(jí)配走向: 1接近規(guī)范上限,2接近下限,3接近中值,4沿0.075~16 mm篩孔,級(jí)配曲線由上限到下限,5沿0.075~16 mm篩孔,級(jí)配曲線由下限到上限,涵蓋了級(jí)配曲線范圍所有可能的級(jí)配走向;級(jí)配6~10為在級(jí)配曲線范圍內(nèi)隨機(jī)選取級(jí)配。

        表1 AC—16礦料級(jí)配組成Table1 GradationcompositionofAC—16級(jí)配類型篩孔(mm)的質(zhì)量通過率/%0.0750.150.30.61.182.364.759.513.216191814192837506480909510024710152132456779911003610131821324870849510046913182437517081921005471116213355759096100646812162534607489100746913182940637690100858111723365069809110097101316233246677791100108121319253548708091100

        2.2 路面紋理分形維數(shù)計(jì)算

        以級(jí)配1為例來說明路面紋理分形維數(shù)DZ的計(jì)算過程。將級(jí)配1的級(jí)配曲線繪于雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中并進(jìn)行線性擬合,見圖1,由擬合直線斜率k=3-D,得集料粒徑分維數(shù)D=2.5610,由式(11)可得路面紋理分形維數(shù)DZ=1.5610,按相同方法可計(jì)算其它級(jí)配類型的路面紋理分形維數(shù),計(jì)算結(jié)果見表2。

        圖1 級(jí)配雙對(duì)數(shù)圖Figure 1 Double logarithmic figure of gradation

        表2 AC—16各級(jí)配的路面紋理分形維數(shù)Table2 PavementtexturefractaldimensionofAC—16gra-dation級(jí)配斜率k相關(guān)系數(shù)R2DZ10.43180.98911.561020.56210.99831.437930.49650.99431.503540.50050.99941.499550.57490.99751.406060.57520.99341.424870.57460.99881.425480.53080.99841.469290.47830.99591.5217100.45570.99711.5443

        2.3 路面紋理分形維數(shù)與粒組含量灰色關(guān)聯(lián)分析

        2.3.1 灰色關(guān)聯(lián)分析模型的建立

        選取各粒組集料含量為比較序列變量Xi(k),路面紋理分形維數(shù)為參考序列變量X0(k),假設(shè)X0(k)=f(Xi(k)),則變量Xi(k)與變量X0(k)按映射f相關(guān)聯(lián)。

        2.3.2 依據(jù)模型計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度

        由比較序列及參考序列形成灰色關(guān)聯(lián)分析原始數(shù)據(jù)表,見表3。表中各粒組集料含量X1(≤0.075)、X2(0.075~0.15)、X3(0.15~0.3)、X4(0.3~0.6)、X5(0.6~1.18)、X6(1.18~2.36)、X7(2.36~4.75)、X8(4.75~9.5)、X9(9.5~13.2)、X10(13.2~16)、X11(16~19)共十一個(gè)粒組,構(gòu)成比較序列指標(biāo);路面紋理分形維數(shù)X0,構(gòu)成參考序列指標(biāo)。

        表3 灰色關(guān)聯(lián)分析原始數(shù)據(jù)表Table3 Rawdatatableofgreycorrelationanalysis級(jí)配類型粒組集料含量/%X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X018659913141610551.5682243356111322121291.4379364353111622141151.5035463456131419111181.499554345512222015641.425164224499261415111.42487423451111231314101.4254853366131419111191.469297333791421101491.52171084166101322101191.5443

        灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算步驟如下:

        ③ 根據(jù)公式ξi(k)=Δmin+ρΔmax/Δi(k)+ρΔmax,計(jì)算粒組含量與路面紋理分形維數(shù)之間的關(guān)聯(lián)系數(shù),式中ρ為分辨系數(shù),依據(jù)文獻(xiàn)[11-14]關(guān)于分辨系數(shù)的研究,取ρ=0.5。

        表4 粒組含量與路面紋理分形維數(shù)的關(guān)聯(lián)度Table4 Correlationdegreebetweentexturefractaldimensionandgraingroupγ1γ2γ3γ4γ5γ6γ7γ8γ9γ10γ110.8210.7280.7870.7540.7680.9280.8900.7600.8000.5110.663

        2.3.3 依據(jù)關(guān)聯(lián)度的粒組分類

        當(dāng)取ρ=0.5時(shí):若γi≥0.6,則子母因素有關(guān)聯(lián);γi<0.6時(shí),則關(guān)聯(lián)性較差;γi<0.5時(shí)認(rèn)為無關(guān)聯(lián)[7,12]。由表4的關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果可知:γ10=0.511,即粒組X10(13.2-16)與路面紋理分形維數(shù)的關(guān)聯(lián)性較差,其對(duì)路面紋理分形維數(shù)的影響可以忽略;其余γi均大于0.6,即粒組X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X11與路面紋理分形維數(shù)存在關(guān)聯(lián),但不同粒組與路面紋理分形維數(shù)之間的關(guān)聯(lián)程度并不相同,其中γ6=0.928為最大,即粒組X6(1.18-2.36)對(duì)路面紋理分形維數(shù)的影響程度最大,γ11=0.663為最小,即粒組X11(16-19)對(duì)路面紋理分形維數(shù)的影響程度最小。根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度的大小,可將粒組分為四個(gè)粒組類別,見表5。

        表5 粒組類別表Table5 Categoriesofgraingroup類別粒組關(guān)聯(lián)度類別粒組關(guān)聯(lián)度一X110.663X20.728X40.754二X80.760X50.768X30.787三X90.800X10.821四X70.890X60.928

        同一粒組類別中的各粒組與路面紋理分形維數(shù)的關(guān)聯(lián)度相差不大,即其對(duì)路面紋理分形維數(shù)的影響程度基本相當(dāng),以哪一粒組作為決定路面紋理分形維數(shù)的關(guān)鍵粒組,很難做出取舍。粗糙集理論具有屬性約簡(jiǎn)功能,能在灰色關(guān)聯(lián)分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步將影響因素歸一劃分[7],約簡(jiǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的冗余屬性,簡(jiǎn)化知識(shí)表達(dá),方便用戶決策。

        3 基于粗糙集理論的粒組約簡(jiǎn)

        3.1 粗糙集理論基本概念

        定義4: 若存在獨(dú)立的Q=P-r,Q?P,滿足ind(Q)=ind(P),則稱Q為P的一個(gè)約簡(jiǎn),用red(P)表示,通常P有多種約簡(jiǎn),全部約簡(jiǎn)的交集定義為P的核,記作core(P)=∩red(P)。

        3.2 粒組含量與路面紋理分形維數(shù)預(yù)測(cè)決策表的建立

        3.3 基于粗糙集理論的屬性約簡(jiǎn)

        本文以基于粗糙集理論的表格邏輯數(shù)據(jù)分析工具Rosetta為計(jì)算平臺(tái),采用基于遺傳算法的粗糙集屬性約簡(jiǎn)改進(jìn)算法對(duì)決策信息表的條件屬性進(jìn)行約簡(jiǎn),條件屬性的6種約簡(jiǎn)結(jié)果見表7。

        表6 決策信息表Table6 DecisioninformationtableC1C2C3C4C5C6C7C8C9C11D44444431124122233233423322133342332323432233123224434121111211444111212324342222334322424212322334442222433244

        表7 條件屬性的約簡(jiǎn)結(jié)果Table7 Reductionresultsofconditionattribution編號(hào)約簡(jiǎn)冗余屬性1C3,C5,C7{}C1,C2,C4,C6,C8,C9,C11,2C3,C5,C6{}C1,C2,C4,C7,C8,C9,C113C3,C8,C9{}C1,C2,C4,C5,C6,C7,C114C3,C4,C6,C7{}C1,C2,C5,C8,C9,C115C3,C7,C8,C11{}C1,C2,C4,C5,C6,C96C2,C3,C6,C8{}C1,C4,C5,C7,C9,C11

        3.4 約簡(jiǎn)結(jié)果分析

        4 結(jié)語(yǔ)

        ① 從瀝青混合料的分形結(jié)構(gòu)出發(fā),建立了路面紋理分形維數(shù)DZ與集料粒徑分布分形維數(shù)D之間的關(guān)系,推導(dǎo)了DZ的計(jì)算公式,給出了DZ的計(jì)算方法,在瀝青混合料級(jí)配特征與路面抗滑性能之間建立了聯(lián)系,提供路面抗滑級(jí)配設(shè)計(jì)的新思路。

        ② 運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析方法,對(duì)粒組集料含量與路面紋理分形維數(shù)的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了研究,根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度的大小,將粒組分為四個(gè)粒組類別,同一粒組類別中的各粒組與路面紋理分形維數(shù)的關(guān)聯(lián)度相差不大,其對(duì)路面紋理分形維數(shù)的影響程度基本相當(dāng)。

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        The Key Grain Group for Anti-sliding Gradation Design of AC-16 Based on Rough Set Theory

        ZHAO Dayong1,2, TONG Shenjia1

        (1.School of Civil Engineering,Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an Shanxi 710055, China; 2.China Railway Shanghai Design Institute Group Co.Ltd, Shanghai 200070, China)

        road engineering; asphalt concrete; skid-resistance performance; fractal; grey correlation analysis; rough set

        2015 — 04 — 20

        國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51408480);西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(20113187721260)

        趙大勇(1987 — ),男,甘肅平?jīng)鋈?,碩士生,主要從事公路工程等方面的研究。

        U 414.1

        A

        1674 — 0610(2016)05 — 0017 — 05

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