基于模糊评判法的公路抗水毁能力评价

林宛杨，郭朝珍

(1.福州大学数学与计算机科学学院,福建福州350116;

2.福建船政交通职业学院信息技术与工程系,福建福州350007)

基于模糊评判法的公路抗水毁能力评价

林宛杨1，2，郭朝珍1

(1.福州大学数学与计算机科学学院,福建福州350116;

2.福建船政交通职业学院信息技术与工程系,福建福州350007)

通过引入模糊数学的单因素和模糊综合评判来评价 “认知不确定”的公路抗水毁的能力，以公路抗水毁灾前预防能力评价系统为对象构造模型.根据专家意见和经验设置权重及评语集、隶属函数和评判矩阵将公路抗水毁能力划分为4个备择集.以河床糙率、边坡稳定性、路基施工质量等级和养护维修等因素集为例设定了评判标准.对模糊综合评价进行实际计算，并嵌入属性和图形数据对应关联，对该系统应用于抗水毁灾前预防能力等级评价进行了可行性分析.

模糊评判法；福州市；公路；抗水毁；评价

公路水毁防治是一项系统工程,国内外对于公路水毁的研究主要集中在灾前预防、灾后处理、冲刷计算和水毁机理分析等方面［1］.其中,灾前预防 (包括地貌分析、地质气象耦合、概率量化评价和预报指数法等)是该领域的研究重点［2－3］.目前,公路水毁灾前预防系统主要是概率论结合时间序列分析［4］,该方法需要在大样本基础上统计分析典型分布和历史统计规律,需要大量的公路参数［5］.

福州市地上河流和地下暗河众多,为典型的河口盆地型地貌,春季的连续降雨和夏秋季因台风形成的暴雨是造成公路水毁的主要原因［6］.根据福州市特殊的地理位置和水文情况设立参数,使用特定算法建立一种合理可靠的适合当地的公路抗水毁能力评价系统,对公路水毁进行灾前预防是很有必要的［7］.模糊数学主要研究 “认知不确定”问题,凭借经验借助隶属函数进行处理,采用模糊集合理论来建立模糊语言的数学模型,使语言数量化、形式化.模糊数学结合灰度理论可以在小样本和认知经验的基础上解释问题,它可以对以往的水毁数据进行演绎和归纳,发现规律,解释过去并对未来的情况进行预警.针对福州市公路抗水毁能力的多重不确定因素影响来建立模糊评判系统,可对不确定因素进行处理.如果以模型建立、评分标准和数据反馈为核心,通过对不同地形地貌、岩土体条件及降雨量等信息进行系统分析,建立评价系统模型,用数值表达处理主观判断,量化水毁防治决策的经验,能更加科学有效达到灾前预防的效果.本文通过引入模糊数学的单因素和模糊综合评判来评价“认知不确定”的公路抗水毁的能力,以公路抗水毁灾前预防能力评价系统为对象构造模型,对模糊综合评价进行实际计算,并对该系统应用于抗水毁灾前预防能力等级评价进行了可行性分析,为福州市公路抗水毁能力的提高提供了理论依据.

1 模型建立

模糊评判法需要对公路的抗水毁灾前预防能力的不确定因素进行评价预处理.采用二级模糊评判涉及到确定每个集合Ui的子集特征函数和评价矩阵,子集特征函数的确立需要依赖大量的现场统计调查.由于影响因素众多,特征函数会出现较大的差别,需要较强的模糊数学基础来支撑.一级判别因素Ui所含的子集通过专家评分来处理其不确定性,在简明、可靠、可行的同时,配合灰色理论加强了时间序列分析,来对福州市春季的连续降雨和夏秋季因台风天的暴雨的特殊气候定量和定性.在本研究中,采用一级模糊评判方法对福州市公路水毁灾害进行评价.首先,将评判对象的各种因素组成一个普通的通常都具有不同程度的模糊性集合即因素集.其次,在综合考虑所有因素的基础上,从建立的备择集中得出最佳评价结果.再次,通过权重集的建立,根据因素集中反映各因素的重要程度,取不同的权重.最终结合三者关系,建立隶属函数,通过矩阵运算得到不同评判结果,以达到水毁预警效果.因此,系统中可以通过建立模糊定量和定性的综合评价方法来提升评价可靠性.假设有K位专家进行评分,编号为Sj(j＝1,2,…,K),建立的公路抗水毁能力判别模型如式 (1)～(3)所示：

1)建立集合U的隶属函数μ(x)对于等级评判标准,可以总结为表1所示的通用形式.对表1所列的情形,构造隶属函数如式 (1)～(3).

表1 等级评判标准Table 1 Evaluation standard of the grade

2)根据第Sj位专家的评分和Ui隶属函数求出评判矩阵Ri,并由模糊综合评判公式求得Sj专家个人评判结果如式 (4)所示.

所有的评价人评价结果最终会组成一个K×4阶矩阵B,矩阵里包含着所有人的评判信息如式 (5)所示.

bj为B的行向量组成的集合.

3)由B求K个专家的评分经过模糊识别以后形成的级别特征向量H,如式 (6)所示,特征向量为：

其中：

式 (7)含必要信息的特征向量则为评价结果.

模糊评判法结果体现在备择集,由对公路的抗水毁能力的划分可以分为强、较强、一般和弱4个等级,如高速公路与一级公路抗水毁能力必须达到强等级,二、三级公路的抗水毁能力要求达到较强等级,四级公路的抗水毁能力应该达到一般等级,故本文设4种等级的备择集.抗水毁能力等级和公路等级有相关联系,如未达到必须完善排水、防护和调治措施以达到预警目的.

2 标准和依据

模糊评判法需要从抗水毁能力很多不确定的因素选择重要标准建立因素集.水毁防治难点在于理论参数在实际工程中难以量化.福州市地理水文特点是沿河公路水毁占整个公路水毁的60%～80%,所以需要重点对已建沿河公路进行抗水毁能力量化和评价.系统根据福州水文状况设计了路基参数(包括路基类型、压实度和路基边坡)、河床河道参数 (包括河床比降、河床粗糙率和河道形状)、水流参数 (包括平均水流和相对高程)和其他参数 (包括施工质量和养护维护值)进行一系列后台的运算和评判,建立因素集.在综合因素集、备择集和权重集综合打分后,根据量化数据建立模糊定量和定性的综合评价方法来确定和评价水毁状态,说明路基抗水毁能力为较强级,达到几级公路抗水毁能力的要求,最终根据水毁信息的判断进行预警并向社会提供自然信息服务.这里系统以河床糙率、边坡稳定性、路基施工质量等级、养护维修等主要评价标准为例,设置因素集如下.

1)河床糙率n的取值.福州市公路的路基特别是沿江沿海路基常建在海滩和江滩处,海滩和江滩的糙率容易影响水流速率［8］,糙率对水流速率的影响如表2所示.

表2 海滩及河滩糙率标准Table 2 Standards of the beach and flood plain roughness

2)边坡m取值.边坡是该系统中的一个典型单个承灾体.边坡取值是否合理可以用边坡稳定系数K进行衡量,具体如下：当K＞1＋a时为稳定；当1＜K≤1＋a时为较稳定；当1－a＜K≤1时为一般稳定；当K≤1－a时为不稳定.

3)路基施工质量评价.路基施工质量评价成为针对已建成公路或已有的旧公路的抗水毁能力的一个重要指标,在累计的连续降雨和台风暴雨期间其危险性和等级起到重要作用,这里根据福州市的河口地貌对沿河路基提出了要求,路基工程验收评定结果分为优、良、中、差4个等级.

4)养护维修.根据福州市水文地质情况设置的维护资金现状,将养护维修的评价标准分为优、良、中和差4个等级.其中：优为资金充足 (高于维护费的80%),有固定的高级道路维护技术员,维护工具齐备,周期短,应急方案充分；良是有适量的资金 (约为维护费的50%～80%),中级技术人员固定,维护工具基本齐备、周期较短,应急方案具备；中对应资金不足 (为维护费的20%～50%),技术人员职称低,维护工具缺乏,周期长,无应急方案；差指的是资金不足 (低于维护费的20%),相关技术人员不固定,大型工具缺少,周期长,无应急方案.

最后根据以上建立的打分标准,并综合多位专家的意见得到如表3所示的综合评价因素集的标准分数.

表3 综合评价因素集的标准分数Table 3 Standard score of the comprehensive evaluation factor set

3 应用实例验证

为了进一步验证模糊评判法和评分系统的有效性,本文根据所建立的模型和评分标准对依托福州市某工程国道××线××段 (桩号K1792)进行现场评分.根据所提供河床糙率、边坡稳定性、路基施工质量等级、养护维修、河床性质和水流情况等因素集进行分析和计算,得到福州市桩号K1792号路基在一定条件下的预警等级,其结果如表4所示,并以此来确定路基的抗水毁能力和给出补救措施.

表4 现场评分结果Table 4 Score table

将各单因素评判的隶属度为行组成矩阵,即式 (1)～(3)以及得出的表4得判断矩阵：

在因素集中,各因素的重要程度是不一样的.为了反映各因素的重要程度,对各因素ui(i＝1,2,…, m)应赋予一个相应的权数ai(i＝1,2,…,m).由各权数所组成的集合A＝(0.3 0.1 0.2 0.1 0.2 0.1).

单因素模糊评判仅反映了一个因素的影响,这显然是不够的,需要在综合考虑所有因素影响的基础上得出科学的评判,这就是模糊综合评判B

由模糊综合评价的计算结果可知,桩号K1792号路基抗水毁能力为较强级,已达到二级公路抗水毁能力的要求.

为了进一步实现数据高速安全共享反馈,及时实现属性数据和图形数据间的对应关系,建立数据库和相应网页.根据算法参数设置福州市抗水毁能力评价系统的数据库系统由公路基本信息表、工程条件表、地质地形特征表、水流特征表、权限组表、系统日志表和用户信息表等组成.根据公路基本信息记录基本信息,以路段代码为关键字,连接工程条件表、地质地形特征表、水流特征表等加以统计分析得出公路水毁路段统计表、公路易水毁路段统计表等,便于通过网络实时输入数据导入数据库,对公路水毁进行批量评价分析,进而运用系统模型对公路水毁进行实时预决策.图1是根据所提实例导出福州市沿河公路抗水毁能力评价网页界面,在具体的参数值可以根据参数规定从网页文档中读取的同时也提高了管理数据库的系统安全.

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

4 结论

本文基于模糊评判法,引入模糊数学的单因素集,依据福州市的特殊的地理位置和水文情况设计公路抗水毁能力评价分析.根据功能分析需求,设计了水毁预测模型,确定了河床糙率、边坡稳定性、路基施工质量等级、养护维修等公路抗水毁能力的评价标准水毁损毁等级评价系统.并通过典型的路段进行分析和计算以验证系统的可行性,建立了公路抗水毁能力评价系统,并作为灾前预防依据,对系统的实践性判断问题及图形数据相互对应的问题进行了可行性分析.

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［8］崔伯恩.公路设施抗水毁能力评价与损毁等级划分方法研究 ［D］.上海：同济大学，2006.

Fuzzy Evaluation of the Road Waterlogging Prevention System

LIN Wan-yang1，2，GUO Chao-zhen1
（1.College of Mathematics and Computer Science，Fuzhou University，Fuzhou 350116，China；2.Information Technology and Engineering Department，Fujian Chuanzheng Communication College，Fuzhou 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

（责任编辑 雨 松）

2015－03－03

2015－07－01

福建省教育厅科技项目 (JA14217,JA14223)

林宛杨 (1981－),女,讲师,硕士,研究方向为数据库.E-mail：78414046＠qq.com