陳金州 夏 飛 李耘宇 張智成

(1.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司 武漢 430212; 2.武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 武漢 430063)

我國的橋梁建設(shè)事業(yè)發(fā)展迅速,目前正在服役的橋梁數(shù)目龐大,耐久性和安全性問題日益凸顯,對其進(jìn)行科學(xué)有效的針對性評估越發(fā)重要。現(xiàn)有的橋梁評估有方法很多種,主要可分為2大類:綜合評估和人工智能評估。外觀檢測評估、荷載試驗評估、層次分析法、模糊算法、基于可靠性評估方法、基于灰色理論評估法和基于設(shè)計規(guī)范的評估方法等可歸為綜合評估體系;而基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的評估方法則應(yīng)歸為人工智能評估方法。

國內(nèi)外在復(fù)雜橋梁系統(tǒng)病害風(fēng)險分析、橋梁結(jié)構(gòu)整體安全等級評估,以及推理診斷事故致因等方面進(jìn)行了廣泛的研究,并取得了一定的成果。Miyamoto等[1]在現(xiàn)有橋梁評估方法的基礎(chǔ)上,基于質(zhì)量可靠和成本優(yōu)化之上提出了一種高效的橋梁管理系統(tǒng);黃志偉等[2]深入研究了現(xiàn)有模糊綜合評價在評價等級和合成算子方面的選擇問題;M. Rashidi等[3]利用優(yōu)先級發(fā)展法建立了一種可判斷橋梁整體情況的橋梁評估模型。Amol Mankar等[4]提出了可對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性評估的概率模型年;陳小波等[5]通過獲取得到橋梁的實測數(shù)據(jù),采用熵權(quán)法-TOPSIS法對橋梁韌性進(jìn)行全面綜合的評估;徐望喜等[6]基于可靠度與貝葉斯更新理論,提出了綜合考慮評估基準(zhǔn)期與歷史服役荷載的評估分項系數(shù)取值方法。

BWM(best worst method)方法是一種解決多準(zhǔn)則決策問題(MCDM)的新方法,該方法被廣泛應(yīng)用于供應(yīng)鏈管理、金融行業(yè)等許多領(lǐng)域的評價體系中。國內(nèi)外眾多學(xué)者對BWM方法有著較為深入的研究,S.Sadaghiani等[7]在評估影響油氣行業(yè)供應(yīng)鏈的外部因素時用到了此方法,以指導(dǎo)油氣公司識別可能驅(qū)動(阻礙)其實施SCSCM的外部力量。Torabi等[8]提出了一種基于企業(yè)信息管理系統(tǒng)的增強風(fēng)險評估框架,并利用BWM方法進(jìn)行了系統(tǒng)的風(fēng)險評估。S.Ghaffari等[9]使用這種方法來評估技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展中的關(guān)鍵因素。J.Rezaei等[10]使用這種方法在判斷物流績效指標(biāo)重要性上取得了突破。在中國,BWM方法的研究和應(yīng)用較少,一般是作為方案比較的決策方法[11-12]。除此之外,BWM還可與模糊理論相結(jié)合,利用模糊集[13]、三角模糊數(shù)、區(qū)間數(shù)等來反映BWM中的不確定性,提高了決策者表達(dá)觀點的準(zhǔn)確性。

本文依托于湖北省交通運輸廳科技項目中小跨“徑梁板式危橋病害分析與改造策略研究”(項目編號:KJFZ-2020S-004),以“梁板式危橋技術(shù)狀況等級評定”等為重點研究內(nèi)容,針對中、小型梁板式危橋的典型病害進(jìn)行評估?？紤]到梁板式舊危橋的實際數(shù)量及結(jié)構(gòu)特點,為滿足高效、準(zhǔn)確、客觀地對其進(jìn)行評估,作者構(gòu)建了舊橋綜合評價體系,并首次將BWM評估方法引入到橋梁評價體系中;同時,以實際橋梁為例,詳細(xì)闡述BWM在綜合評估體系中應(yīng)用的步驟與過程,說明該方法的可行性和有效性。

1 BWM方法優(yōu)勢

BWM是一種新的多準(zhǔn)則決策方法,它基于一種結(jié)構(gòu)化的成對比較方式,能把定性因素定量化。專家只需要提供參照比較的偏好程度,將其轉(zhuǎn)化成為最大、最小問題并公式化表達(dá),通過一致性的檢驗校正偏好程度的邏輯正確性。Rezaei將BWM與AHP方法進(jìn)行了一致性比率、最小違背、總偏差、一致性四方面的比較已明確表示,相較于AHP等方法,BWM方法在一定程度上減少了主觀影響,且具有更高的一致性,使得評價更趨于科學(xué)化。

與AHP相比較,BWM方法有著如下的具體優(yōu)勢。

1) 需要的比較數(shù)據(jù)較少,專家或決策者評分過程更簡單。AHP、BWM方法實施示意圖見圖1、圖2。

圖1 AHP方法實施示意圖

圖2 BWM方法實施示意圖

通過簡單對比圖1和圖2不難發(fā)現(xiàn),對于n個項目,采用AHP兩兩比較法需要獲得(n2-n)個數(shù)據(jù)。BWM方法簡化了操作流程,只需要把(n-2)個項目分別與最優(yōu)和最劣對比從而獲得(2n-3)個數(shù)據(jù)。

4、強化全社會的環(huán)境保護意識和林業(yè)資源保護意識。林業(yè)資源的破壞引發(fā)了一系列的生態(tài)環(huán)境問題，比如，水土流失、土地沙漠化等，相關(guān)政府部門應(yīng)加強林業(yè)資源保護工作的宣傳力度，鼓勵綠色經(jīng)濟和集約型經(jīng)濟的快速發(fā)展。加強與其他國家地區(qū)關(guān)于林業(yè)資源保護領(lǐng)域的研究合作，學(xué)習(xí)借鑒其他國家地區(qū)在林業(yè)資源管理方面取得的成功經(jīng)驗，不斷的調(diào)整和完善我國林業(yè)資源發(fā)展機制。

2) BWM方法只需要表達(dá)整數(shù)范圍1～9兩兩比較的結(jié)果,比AHP方法涉及分?jǐn)?shù)的方法更簡單有效。

3) 結(jié)果更加可靠。BWM方法減少了數(shù)據(jù)量,相比AHP方法不會出現(xiàn)邏輯不一致的問題。一致性指標(biāo)更容易通過一致性檢驗,一致性指標(biāo)的值越小,說明得到的數(shù)據(jù)可靠性越高。

2 BWM方法實施步驟

其實施基本步驟如下。

假設(shè)某指標(biāo)體系存在n個指標(biāo),定義為{c1,c2,…,cn}

1) 在指標(biāo)中進(jìn)行初步打分,選擇最優(yōu)指標(biāo)cB和最劣指標(biāo)cW。

2) 利用1～9的標(biāo)度值構(gòu)造cB對所有指標(biāo)的最優(yōu)準(zhǔn)則向量(best-to-others)AB=(aB1,aB2,…,aBn),其中aBj(向量第j個數(shù))表示最優(yōu)指標(biāo)cB對指標(biāo)cj的偏好程度,且aBB=1。

(1)

wj≥0,j∈N

5) 檢查一致性。一致性是判斷最優(yōu)、最劣偏好度邏輯正確性和結(jié)果可靠性的重要指標(biāo),需將一致性限定在某一范圍內(nèi)。此時,引入BWM偏好信息一致性比率CR對一致性進(jìn)行判斷,其值可由式(2)進(jìn)行計算

(2)

式中:CI為一致性指標(biāo);CR∈[0,1]。當(dāng)一致性比率CR等于0時,即ξ*=0,偏好信息為完全一致,而一致性比率CR越大,偏好信息的一致性程度越低。Rezaei認(rèn)為當(dāng)CR<0.1時,偏好信息滿足一致性要求。

3 中小跨徑梁板式橋梁綜合評價指標(biāo)體系

橋梁評估的主要內(nèi)容包括承載能力評估、耐久性評估、使用性評估、損傷狀態(tài)評估。在建立模型的過程中,主要從以下幾個因素來考慮:①滿足完全性原則:模型應(yīng)整體反映橋梁的工作狀態(tài);②滿足簡捷性原則:在滿足安全性原則的前提下,應(yīng)盡可能減少模型中指標(biāo)的數(shù)量;③滿足客觀性原則:評估指標(biāo)要求不同橋梁之間具有可比性和通用性。本文基于現(xiàn)有中、小型梁板式危橋的典型病害的歸納、總結(jié),將舊橋的綜合評估從安全性、耐久性、適用性、加固經(jīng)濟性這4個方面進(jìn)行討論,以此為基礎(chǔ)構(gòu)建起來的綜合評估體系見圖3。指標(biāo)之間交叉滲透,共同作用于橋梁,對橋梁進(jìn)行定期的綜合評價與評估,便于掌握其整體狀態(tài)。

圖3 橋梁綜合評價指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)圖

3.1 安全性和耐久性

橋梁結(jié)構(gòu)承載著經(jīng)濟民生和科技進(jìn)步,是國家的命脈,橋梁安全關(guān)系著國計民生。然而,由于長時間暴露在自然環(huán)境中,受到雨雪、陽光和大風(fēng)侵蝕,造成外部混凝土劣化,內(nèi)部鋼筋材料銹蝕等情況,破壞整體結(jié)構(gòu),降低橋梁結(jié)構(gòu)承載力、縮短使用壽命,嚴(yán)重影響橋梁的安全性。通過對舊橋安全性和耐久性的評估,對橋梁結(jié)構(gòu)整體安全狀態(tài)進(jìn)行把握。

3.2 適用性

橋梁適用性即在正常運營狀態(tài)下,判斷橋梁的工作性能能否在保持良好狀況的指標(biāo)。橋梁作為交通運輸?shù)难屎?其運營狀態(tài)對保障交通的正常安全通行、提高運營效益具有非常重要的作用,因此備受社會各界的關(guān)注。尤其是近些年來,隨著通車年限的增長及橋梁養(yǎng)護等因素造成外部荷載情況發(fā)生變化等,橋梁是否能滿足交通狀況的需要、橋梁檢測與維護如何開展等問題,越來越受到關(guān)注。

3.3 加固經(jīng)濟性

在役橋梁隨著時間的推移,必定會受到環(huán)境的侵蝕和影響,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能的退化與損傷,因此對其進(jìn)行維修和加固是在所難免的。橋梁生命周期內(nèi)的維修費用占總成本的比例較大,需要從維修加固費用、維修加固質(zhì)量、近期與未來影響的經(jīng)濟效益等方面進(jìn)行考慮,即橋梁的維修加固策略本質(zhì)上是一個投入產(chǎn)出比的問題。由此可見,在舊橋的綜合評價中,除橋梁全壽命周期的問題,建設(shè)與養(yǎng)護平和的問題亦值得關(guān)注。

4 實例介紹

易家橋是位于宜城市上的一座板拱橋,橋梁全長22.8 m,橋跨組合為1×10 m+1×4 m;橋面全寬7.2 m,原設(shè)計荷載等級為公路-II級?？筛鶕?jù)上述BWM計算方法的原理及計算流程,基于圖3中的安全性B1對應(yīng)的一級指標(biāo)主梁/板C1中的二級指標(biāo)層進(jìn)行評估與打分,以實例說明BWM方法實施的具體步驟與流程。

根據(jù)圖3所示綜合評估指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)圖,不難得到所需打分與評價二級指標(biāo)層級中的具體項目,見圖4。

圖4 安全性評估指標(biāo)層

按照第2節(jié)中的步驟和方法,嘗試對二級指標(biāo)進(jìn)行打分,本例中有3個決策指標(biāo)分別見圖4中D1、D2、D3。決策者首先選定D1為最重要指標(biāo),D3為最不重要指標(biāo),各指標(biāo)比較分值與構(gòu)成向量見表1。

基于數(shù)學(xué)規(guī)劃方法對其進(jìn)行求解最優(yōu)權(quán)重w*=(0.595 6,0.331 2,0.073 2),最優(yōu)目標(biāo)值ξ*=1.21。進(jìn)行一致性判定CR=ξ*/CI=0.271>0.1,并不滿足CR<0.1的要求,說明對于最優(yōu)、最劣的比較偏好度存在一定的邏輯誤差,此時,需重新進(jìn)行偏好度比較或修正進(jìn)而求得正確的最優(yōu)權(quán)重值。

重新構(gòu)建最優(yōu)與最劣向量,各指標(biāo)比較信息結(jié)果見表2。

此時,最優(yōu)目標(biāo)值ξ*=0.355,對其一致性進(jìn)行判斷CR=ξ*/CI=0.079 4<0.1,表明偏好信息滿足一致性,由此得到的權(quán)重值w*=(0.577 4,0.350 7,0.071 9)為該層級各個指標(biāo)的最優(yōu)權(quán)重值。

5 結(jié)語

1) 基于現(xiàn)有的舊橋評估規(guī)范和理論,通過梁板式舊危橋的實際病害及結(jié)構(gòu)特點的歸納、總結(jié),構(gòu)建了一種橋梁綜合評價指標(biāo)體系。

2) 創(chuàng)新地將多準(zhǔn)則決策方法BWM方法引入到橋梁評估領(lǐng)域。該方法具有計算相對簡單、邏輯判斷更清晰的特點。

3) 通過舊橋評價實例,充分證明BWM方法能較好地解決老橋評價中涉及的多指標(biāo)群決策問題,并能使評價指標(biāo)之間的一致性更高,評價誤差更小,可信度更高。