专利名称：一种中小跨径混凝土桥梁养护的决策方法
技术领域：
本发明主要涉及到桥梁的养护领域，特指一种区域内中小跨径混凝土养护的决策方法。
背景技术：
随着国民经济的不断发展，公路交通的作用和地位日益提高。桥梁是确保公路畅通的咽喉，其承载能力和通行能力是沟通全线的关键，直接影响经济效益和社会效益。我国在近30年建造了大量的桥梁，在使用过程中，由于车辆荷载、交通量不断增加，桥梁的负荷日趋加重，以及外界各种因素作用和影响，使桥梁结构产生病害，出现缺陷，严重影响其正常使用。在桥梁规模的迅速增长的同时，出现大量病害桥梁，危桥数量呈增长趋势。对桥梁结构进行合理的养护，能显著改善桥梁的服务水平，提高结构的使用寿命。 但实际上桥梁的养护维修并未得到有效的执行。一方面是桥梁管理部门仍停留在落后的管理模式和管理手段上，缺少科学的指导思想、系统的检测评价方法。另一方面是桥梁的养护资金往往不足以完成所有桥梁的维修需求，资源分配方面缺乏客观的评判标准和科学的决策手段。目前的桥梁养护管理系统，普遍采用的技术方案为通过对桥梁构件进行检查检测，运用层次分析法(AHP)对桥梁结构进行评估，并人为设定某一限值判定桥梁结构是否休要进行维护。检查与检测的方法以及人为限值的存在，意味着桥梁状态评估的原始数据以及判定原则存在人为因素。AHP法通过人为确定桥梁构件重要性，比较桥梁构件的重要性得到权重矩阵，偏离了真实情况。同时养护策略的对象往往仅为一座桥梁，无法考虑交通网络全局的最优状态，合理安排有限资金。因此，上述决策方法存在以下问题(1)桥梁结构状态的合理评估手段。目前普遍使用的评估方法，是目视检查、仪器检测桥梁结构构件，运用AHP法计算得到桥梁结构的得分，并假定其退化规律。由于在检查检测、拟定AHP权重矩阵和假定退化规律的过程中人为因素不可以避免的存在，因此需要寻找更加客观的评估方法；(2)养护决策的对象。对于主管部门而言，往往面临着在区域内合理安排预算资金，解决在什么时候对什么桥梁采用什么养护手段的问题。目前的养护策略优化对象为单个的桥梁项目，无法从交通网络效率的全局来进行合理的资金分配和优化；(3)平衡养护成本和桥梁网络服务性能。人们总是期望能够用最小的代价获得到最好的服务，然而这是不现实的。桥梁网络服务性能的提高往往要求增加养护成本，这两个目标是相互冲突，它们之间如何平衡？从某种程度上而言就是要基于这两个目标，解决养护策略优劣判别标准的问题；(4)计算手段。对于单个桥梁的养护决策，在一定年限内可以穷举所有策略并进行比较得到最优策略；当对象上升到桥梁网络以后，每增加一座桥梁，可能的养护策略成几何级数增长，造成所谓的组合爆炸问题，依靠穷举法寻找最优全局策略是一件非常低效且痛苦的事情。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、使用简便、适用范围广、可靠性好的中小跨径混凝土桥梁养护的决策方法。为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案一种中小跨径混凝土桥梁养护的决策方法，其特征在于，步骤为(1)、确定决策对象和预测年限，决策对象为桥梁网络OD模型；(2)、桥梁网络OD模型的识别将图形形式的OD模型转化为数值形式的OD模型， 并识别为可以用于决策计算的最小路集矩阵P ；(3)、建立养护策略的成本模型以及对OD模型进行事件树分析得到养护策略的效应模型用于计算任一养护策略的两个目标函数值，桥梁网络连通可靠度Rnw和养护成本 Cnw ；并定义了非支配关系作为养护策略优劣的判别标准；0)、改进的非支配排序遗传算法定义养护策略的编码方法，将桥梁网络连通可靠度Rnw和养护成本Cnw作为两个目标参与遗传进化，进行帕累托优化，寻找全局最优解； 即，通过帕累托优化得到一个帕累托最优解集，在解集中选取合适帕累托最优策略。作为本发明的进一步改进所述桥梁网络OD模型建立的步骤为(1)、桥梁网络OD模型中桥梁为节点、道路为弧；O)、实际桥梁之间的连通关系，在桥梁网络OD模型中用弧将对应的节点连接起来；(3)、桥梁网络OD模型中道路是永不失效的；(4)、桥梁网络OD模型中仅存在连通关系，忽略桥梁和道路的长度、宽度等信息。所述桥梁网络OD模型识别的步骤为(1)、根据节点之间的连通关系生成OD模型的邻接矩阵A ；(2)、在A中搜索从OD之间连通可能存在的所有通路，以T表示；(3)、在通路树中进一步搜索最小路集，以矩阵P表示。所述对OD模型进行事件树分析得到养护策略的效应模型为(1)、根据OD模型节点构成情况，生成完整事件树，以矩阵E表示；(2)、依据步骤106得到的最小路集P，对E的分支逐条分析失效与否，得到失效分支集台Ef ；(3)、依据最小路集P以及失效分支集合Ef，生成养护策略效应模型。所述改进的非支配排序遗传算法为根据OD模型的节点规模以及优化年限，首先确定种群规模，并按照染色体编码规则，完成种群的初始化；依据养护策略的成本模型和养护策略的效应模型，计算所有个体的两个目标函数值，即该个体对应的桥梁网络失效概率和养护成本；以此为基础对计算个体的非支配分层，并对种群进行分层排序，结合聚集度比较算子完成交配池的生成过程；交配池中父种群以及其通过交叉、变异运算得到的子种群进行合并，通过偏序关系算子的选择产生下一代种群。与现有技术相比，本发明的优点在于
1、本发明采用可靠度指标描述桥梁的结构状态，综合考虑了钢筋混凝土性能退化和运营环境对于结构性能的影响，相对于目视检查等手段更加科学客观；2、本发明的决策对象为包含区域内所有中小跨径混凝土桥梁的OD模型，从“网” 上考虑养护问题，相对于“点”上更加满足实践工作需要；3、本发明中通过建立养护策略效应模型、成本模型，定义非支配关系，得到不同养护策略在成本、效应这对冲突目标上的优劣评价问题；4、本发明中采用改进的非支配排序遗传算法，令计算效率得到保证，克服了 “组合爆炸”问题；进一步，非支配排序尤其适合于处理多个冲突目标的优化，找到帕累托最优；遗传算法具有很强的全局搜索能力，与非支配排序配合可以找到全局帕累托最优养护策略。
图1是本发明的流程示意图；图2是本发明中所使用的改进非支配排序遗传算法进行养护策略优化的流程示意图；图3是本发明具体应用实例中采用染色体编码的示意图；图4是本发明具体应用实例中采用种群分布的示意图；图5是本发明具体应用实例中采用帕累托前沿进化的示意图。
具体实施例方式以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明中小跨径混凝土桥梁养护的决策方法所针对的是区域内桥梁网络，对其进行全局养护决策判定，寻找养护资金和桥梁网络通行能力的帕累托最优。如图1所示，本发明的详细步骤为1.步骤101 确定决策对象和预测年限；根据需要，确定区域交通网络，从桥梁管理信息系统中获取区域内桥梁、道路分布模型，并得到对应桥梁的构件组成和养护手段。考虑到物价变化、可操作性、计算规模等，建议预测年限为10年以内。2.步骤102 将决策对象抽象为桥梁网络OD模型；交通网络是由桥梁和道路组成的复杂连通网络，桥梁和道路均具有不同的属性和状态。步骤102将实际的桥梁网络进行相应的抽象和简化，原则如下1、OD模型中桥梁为节点、道路为弧；2、实际桥梁之间的连通关系，在OD模型中用弧将对应的节点连接起来；3、 OD模型中道路是永不失效的；4、OD模型中仅存在连通关系，忽略桥梁和道路的长度、宽度
^fn 息。3.步骤103 =OD模型的识别；通过上述步骤102得到的OD模型是以图的形式存在的，虽然能直观地表达桥梁网络，却不易运算。步骤103完成的是将以图的形式存在的OD模型转化为数值OD模型的过程，包含3个子步骤104，105，106。子步骤104根据节点之间的连通关系生成OD模型的邻接矩阵A ；子步骤105在A中搜索从OD之间连通可能存在的所有通路，以T表示；子步骤 106在通路树中进一步搜索最小路集，以矩阵P表示。
a)步骤104 邻接矩阵AOD模型所有节点(包含节点0、所有桥梁节点、节点D)构成集合V，对应元素为Vi ； 所有弧构成集合L，对应元素为1”邻接矩阵A :A = Laij] (1)元素aij代表节点Vi到节点Vj的连通性 =|0，<νι，ν 〗)“ ，、"⑵即当节点Vi到节点、存在道路Ik连接时，Bij取1，否则取0。A的生成方法是首先初始化一个元素全为0的η (集合V的元素个数)阶矩阵； 对集合L中每个元素为Ik循环，根据Ik的起点Vi和终点Vj，将对应的％设置为1。A中i 行的非零元素，代表从i节点出发可以到达的节点集合；j列的非零元素，代表可以到达j 节点的节点集合。b)步骤105 通路树矩阵T通路树矩阵T的每一行、代表OD间的一条通路，元素代表、的一个构成节点，对应的值为节点编号。、的第一个元素为节点0，最后一个元素为节点D。存在回路的通路，即同一个节点出现一次以上的通路不计入T中。T的生成方法是从A的第一行所有非零元素( = l(j = 1，2，...，n))出发，搜索编号为这些元素列编号的行中所有非零元素(ajk =Kk=I,2,..., η))，不断变列编号为行编号，进行这个搜索过程并保存搜索记录，直到非零元素的所在的列为A的最后一列为止。c)步骤106 最小路集矩阵P最小路集P是T的一个子集，P中每一条通路Pi都是最小的，删除其中任意一个节点之后，此通路就是失效的。P的生成方法为首先将T赋予P ；对P中每一条通路Pi循环，分别与T中所有节点数目小于Pi节点数目的通路tk比较，如果存在一条通路tk使得Pi包含tk的所有节点， 则Pi WP删除。4.步骤107 养护策略效应模型；步骤107对OD模型进行事件树分析得到养护策略的效应模型，其包含三个子步骤子步骤108根据OD模型节点构成情况，生成完整事件树，以矩阵E表示；子步骤109，依据步骤106得到的最小路集P，对E的分支逐条分析失效与否，得到失效分支集合& ；子步骤110，依据最小路集P以及失效分支集合&，生成养护策略效应模型。a)桥梁可靠度指标的效应桥梁结构养护后，桥梁的可靠度指标β及其退化规律发生相应的变化，本发明采用三个参数来描述每一种养护方式对可靠度指标的影响γ 跃升值，描述养护后β的瞬间提升；α β年度退化率减少值，描述可靠度曲线曲率的减少；ta 有效时间，描述α的作用时间。并且认为1) γ不得使养护后的结构比结构初始状态有更高的可靠度指标。Y值并不能改
6变可靠度曲线的斜率，在可靠度指标β值提升后，结构按照原有的退化率进行退化。2) α的最大值不得使得养护后的可靠度退化率大于0，并且存在有效作用时间 ta，在ta之外，桥梁按照原有的退化率退化。桥梁结构由不同的构件组成，不同的构件可以采用不同的养护手段，每种养护手段都可以用Y、a、ta三个参数来描述其效应。b)步骤108 事件树矩阵E已知网络中所有桥梁的可靠度指标，得到桥梁网络的连通可靠度，需要依靠事件树进行分析。桥梁网络A的事件树为所有节点分别处于正常与失效状态的组合，可以使用一个2n_2X(n-2)阶的矩阵E (认为节点0、节点D是永不失效的)对事件树进行描述，每一行^代表了事件树的一条分支，元素代表了桥梁j在事件支^中的状态。= 0表示桥梁失效，eiJ = 1表示桥梁正常工作。eij的取值可以用下式表达
权利要求
1.一种中小跨径混凝土桥梁养护的决策方法，其特征在于，步骤为(1)、确定决策对象和预测年限，决策对象为桥梁网络OD模型；(2)、桥梁网络OD模型的识别将图形形式的OD模型转化为数值形式的OD模型，并识别为可以用于决策计算的最小路集矩阵P ；(3)、建立养护策略的成本模型以及对OD模型进行事件树分析得到养护策略的效应模型用于计算任一养护策略的两个目标函数值，桥梁网络连通可靠度Rnw和养护成本Cnw ；并定义了非支配关系作为养护策略优劣的判别标准；G)、改进的非支配排序遗传算法定义养护策略的编码方法，将桥梁网络连通可靠度 Rnw和养护成本Cnw作为两个目标参与遗传进化，进行帕累托优化，寻找全局最优解；S卩，通过帕累托优化得到一个帕累托最优解集，在解集中选取合适帕累托最优策略。
2.根据权利要求1所述的中小跨径混凝土桥梁养护的决策方法，其特征在于，所述桥梁网络OD模型建立的步骤为(1)、桥梁网络OD模型中桥梁为节点、道路为弧；(2)、实际桥梁之间的连通关系，在桥梁网络OD模型中用弧将对应的节点连接起来；(3)、桥梁网络OD模型中道路是永不失效的；(4)、桥梁网络OD模型中仅存在连通关系，忽略桥梁和道路的长度、宽度信息。
3.根据权利要求2所述的中小跨径混凝土桥梁养护的决策方法，其特征在于，所述桥梁网络OD模型识别的步骤为(1)、根据节点之间的连通关系生成OD模型的邻接矩阵A ；O)、在A中搜索从OD之间连通可能存在的所有通路，以T表示；(3)、在通路树中进一步搜索最小路集，以矩阵P表示。
4.根据权利要求1所述的中小跨径混凝土桥梁养护的决策方法，其特征在于，所述对 OD模型进行事件树分析得到养护策略的效应模型为(1)、根据OD模型节点构成情况，生成完整事件树，以矩阵E表示；O)、依据步骤106得到的最小路集P，对E的分支逐条分析失效与否，得到失效分支集(3)、依据最小路集P以及失效分支集合&，生成养护策略效应模型。
5.根据权利要求1所述的中小跨径混凝土桥梁养护的决策方法，其特征在于，所述改进的非支配排序遗传算法为根据OD模型的节点规模以及优化年限，首先确定种群规模， 并按照染色体编码规则，完成种群的初始化；依据养护策略的成本模型和养护策略的效应模型，计算所有个体的两个目标函数值，即该个体对应的桥梁网络失效概率和养护成本；以此为基础对计算个体的非支配分层，并对种群进行分层排序，结合聚集度比较算子完成交配池的生成过程；交配池中父种群以及其通过交叉、变异运算得到的子种群进行合并，通过偏序关系算子的选择产生下一代种群。
全文摘要
一种中小跨径混凝土桥梁养护的决策方法，其步骤为(1)、确定决策对象和预测年限，决策对象为桥梁网络OD模型；(2)、桥梁网络OD模型的识别将图形形式的OD模型转化为数值形式的OD模型，并识别为可以用于决策计算的最小路集矩阵P；(3)、建立养护策略的成本模型以及对OD模型进行事件树分析得到养护策略的效应模型；(4)、改进的非支配排序遗传算法定义养护策略的编码方法，将桥梁网络连通可靠度Rnw和养护成本Cnw作为两个目标参与遗传进化，进行帕累托优化，寻找全局最优解。本发明具有原理简单、使用简便、适用范围广、可靠性好等优点。
文档编号G06F17/50GK102262702SQ20111022016
公开日2011年11月30日 申请日期2011年8月2日 优先权日2011年8月2日
发明者李瑜, 王晓明, 王甜, 耿少波, 贺耀北 申请人:湖南省交通规划勘察设计院