CN109948926A - 一种基于规划期的高速公路混凝土桥梁养护技术评选方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于桥梁养护领域，具体涉及一种基于规划期的高速公路混凝土桥梁养护技术评选方法。本发明的技术方案如下：包括如下步骤：(1)、确定评选对象和规划年限；(2)、建立指标体系：包括经济指标和技术指标；(3)、指标量化处理：包括指标初处理和指标归一化处理；(4)、权重分配：采用层次分析法，根据专家意见计算各指标的权重；之后，根据最小二乘法确定各指标权重最优值；(5)、模型计算：采用简单线性加权计算桥梁养护技术在不同规划期内的综合评价值，根据养护部门对养护规划期的要求，得出各种病害下的桥梁养护技术组合清单。本发明填补了国内养护技术数据化决策、计算机辅助决策的空白，原理简单、使用简便、适用范围广、计算可靠性好。

Description

一种基于规划期的高速公路混凝土桥梁养护技术评选方法

技术领域

本发明属于桥梁养护领域，具体涉及一种基于规划期的高速公路混凝土桥梁养护技术评选方法。

背景技术

随着我国经济的迅猛发展，综合国力的不断提升，全国的高速公路里程也在不断增加。高速公路桥梁作为高速公路网络的关键节点，为保证区域路网内的车辆通行顺畅，其通行能力、承载能力尤为重要。随着高速公路桥梁的整体运营时间的增长，需要养护的技术状况较差的三类桥梁逐年增多，投入高速公路桥梁养护的资金也在成指数倍的增长。在此背景下，桥梁养护方案的技术经济分析显得越发重要。

因此如何在保证高速公路桥梁满足结构功能要求以及方案技术先进、可靠、适用、合理的前提下，科学确定养护周期，合理配置养护资金，选择最佳的养护时机和对策，追求桥梁养护效益与成本比值(性价比)的最大化，成为养护管理者迫切需要思考的问题。

我国由于社会、经济以及服务水平的限制，目前研究此领域受到许多限制。随着桥梁养护管理任务难度和复杂度的显著增加，以及养护资源的有限性，研究不同规划期内高速公路混凝土桥梁养护技术的评选方法，对掌握桥梁技术状态、合理使用养护资源、提高养护管理水平显得十分的必要。而目前在评定高速公路桥梁养护技术的方法中，对指标权重和分值评定中的不确定性描述的研究还不丰富和充足，因此针对桥梁养护管理中的评估与决策问题，进一步探讨和研究与之相适应的多指标评估与决策方法具有重要的实践意义。

发明内容

本发明提供一种基于规划期的高速公路混凝土桥梁养护技术评选方法，填补了国内养护技术数据化决策、计算机辅助决策的空白，原理简单、使用简便、适用范围广、计算可靠性好。

本发明的技术方案如下：

一种基于规划期的高速公路混凝土桥梁养护技术评选方法，包括如下步骤：

(1)、确定评选对象和规划年限；

(2)、建立指标体系：包括经济指标和技术指标；

(3)、指标量化处理：包括指标初处理和指标归一化处理；

(4)、权重分配：采用层次分析法，根据专家意见计算各指标的权重；之后，根据最小二乘法确定各指标权重最优值；

(5)、模型计算：采用简单线性加权计算桥梁养护技术在不同规划期内的综合评价值，根据养护部门对养护规划期的要求，得出各种病害下的桥梁养护技术组合清单。

进一步地，所述的基于规划期的高速公路混凝土桥梁养护技术评选方法，所述步骤(1)中，确定评选对象和规划年限具体为：

1)、评选对象为桥梁任一构件上具体病害对应的各种养护技术；

2)、规划年限根据养护部门的需求自行规划。

进一步地，所述的基于规划期的高速公路混凝土桥梁养护技术评选方法，所述步骤(2)中，建立指标体系具体为：

a)、经济指标：即成本指标；考虑养护技术的综合单价、有效寿命，形成考虑养护技术有效寿命的成本指标，有效寿命在成本指标换算过程中考虑；

b)、技术指标：即适用指数；养护技术的适用指数和病害的严重程度有关，按照病害对结构性能影响的程度分为3种标度等级，分别为1～3、1～4、1～5标度；

c)、指标体系内各评选指标的类型和数量级没有限制，选取任意与评选对象相关的指标。

进一步地，所述的基于规划期的高速公路混凝土桥梁养护技术评选方法，所述步骤(3)中，指标量化处理具体为：

Ⅰ)、成本指标的初处理方式为：使用综合单价乘以病害工程量，之后考虑养护技术的综合单价、使用寿命和资金时间价值，形成规划年限内养护技术成本指标的初处理值C_0j；

Ⅱ)、适用指数指标初处理方式为：第一步，计算病害标度转换值A_0i；第二步：计算随时间变化的，规划年限内的适用指数初处理值A_ij；

Ⅲ)、将期望值低的成本指标转化为高归一化值，使其变成0～1之间的纲数；

Ⅳ)、将期望值高的适用指数指标正常归一化，使其变成0～1之间的纲数。

进一步地，所述的基于规划期的高速公路混凝土桥梁养护技术评选方法，所述步骤(4)中，权重分配具体为：

ⅰ)、运用层次分析法建立桥梁养护技术成本指标和适用指标权重分配模型，在专家咨询基础上，确定影响桥梁养护技术评选结果的各指标的权重；

ⅱ)、运用层次分析法建立权重分配模型包括：专家打分信息收集，单一指标的权重计算，一致性指标CI评判，一致性平均随机指标RI评判，相对一致性指标CR评判；

ⅲ)、在多位专家打分后，采用层次分析法计算各专家意见下的权重分配值，最后采用最小二乘法确定各指标权重最优值。

进一步地，所述的基于规划期的高速公路混凝土桥梁养护技术评选方法，所述步骤(5)中，模型计算具体为：

①、采用简单线性加权计算方法计算桥梁养护技术的综合评价值；

②、简单线性加权计算方法为：每一种养护技术的综合评价值C_j＝养护技术j的成本指标归一化值×成本指标权重值+养护技术j的适用指数归一化值×适用指数权重值；计算每一种病害对应的养护技术的综合评价值后，对比每种养护技术的综合评价值，综合评价值大的养护技术则为当前状况下的最佳病害修理技术。

进一步地，所述的基于规划期的高速公路混凝土桥梁养护技术评选方法，其中所述规划年限为3、5、10年。

本发明的有益效果为：

1、本发明结合桥梁养护领域专家的工程经验和工程经济学数理分析知识，合理、科学地制定桥梁养护计划，填补了国内养护技术数据化决策、计算机辅助决策的空白；

2、本发明采用的桥梁养护技术评选方法，考虑了养护技术的评定标度，其有效的和现有的桥梁技术评定方法对接，使所述方法能够和桥梁养护部门的桥梁检测结果有效的结合，更加满足桥梁养护工程实践需求；

3、本发明采用的桥梁养护技术评选方法建立多属性指标体系，其能够根据养护技术多种属性(经济属性和技术属性)来对各种病害之一的养护技术进行评选，这使得桥梁的养护决策更加科学、合理；

4、本发明指标结合了工程经济学中资金时间价值的相关知识，以解决资金随时间贬值的经济学现象，经一步提升了规划结果的准确性和可信度；

5、本发明运用层次分析法建立成本指标和适用指标权重分配模型，在咨询多位专家基础上，计算影响桥梁养护效果的各指标的权重，再根据最小二乘法确定根据多位专家意见计算的各指标权重最优值，使得权重分配结果更加科学、有效；

6、本发明采用简单线性加权进行模型计算，计算桥梁各种病害之一的各种养护技术的综合评价值，据此评选出不同规划期内高速公路混凝土桥梁各种病害之一的最优养护技术，其具有原理简单、操作便利、可拓展性高等特点。

附图说明

图1为基于规划期的高速公路混凝土桥梁养护技术评选方法的流程图。

具体实施方式

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。

本发明的基于规划期的高速公路混凝土桥梁养护技术评选方法所针对的是，在综合考虑各种病害之一的桥梁养护技术的成本指标(考虑资金的时间价值和有效寿命)和适用指数指标，在不同规划期内进行桥梁养护技术评选，评选出针对具体病害下最佳的桥梁养护技术组合。

如图1所示，本发明的详细步骤为：

步骤1：确定评选对象和规划年限；

根据需要，确定评选对象为桥梁任一构件上具体病害对应的各种养护技术。根据桥梁养护措施成本调研及其经济性比较，确定病害多种养护方案成本价格。根据养护部门需求，选定规划年限可为3、5、10年。

步骤2：建立指标体系；

综合考虑养护技术的特性和桥梁各构件技术状况的情况，选用成本指标(考虑养护技术的使用寿命和资金的时间价值)和适用指数指标建立多属性评选指标体系。

步骤3：指标量化处理；

a)指标初处理；

1)成本指标按照式(1)进行初处理：

式中：C_0j—成本指标初处理值；j—养护技术类型；n—评价年；l_j—养护技术j的使用寿命；—取整运算，如t_j—养护技术j的工程量；c_j—养护技术j的单价。

2)适用指数按以下步骤进行初处理：

第一步：计算病害标度转换值，其计算见公式(2)：

A_0i＝100-U_i(2)

式中：A_0i—病害i适用指数的初处理值；U_i—病害i的扣分值，扣分值见表1(取自《公路桥梁技术评定标准》(JTGT H21-2011))；

表1病害扣分值

第二步：计算随时间变化的，3、5、10年期内的适用指数初处理值A_ij，计算见公式(3)：

A_ij＝100-|A_i-A_j| (3)

式中：A_ij—病害i对应的养护技术j的适用指数的初处理值；A_j—养护技术j适用指数的适用指数转换值，取值见表2(由表1转换而来)；A_i—病害i随时间变化的退化值；

表2养护技术适用指数的适用指数转换值

A_i和时间n的关系见公式(4)(本式由桥梁损坏模型拟合而来，桥梁损坏模型见表3)；

A_i＝p₁n³+p₂n²+p₃n+p₄ (4)

式中：p₁＝0.002056，p₂＝-0.1147，p₃＝-0.1757，p₄＝100.3，n为构件技术状况等价年。

表3桥梁损坏模型

b)归一化处理；

将期望值低的成本指标转化为高归一化值，将期望值高的适用指数指标正常归一化，使其变成0～1之间的纲数。

成本指标和适用指数分别采用式(5)、式(6)进行归一化处理：

式中：D_j—养护技术j成本指标归一化值；d_j—养护技术j成本指标初处理值；

式中：E_j—养护技术j适用指数归一化值；e_j—养护技术j适用指数指标初处理值；

步骤4：权重的分配；

a)专家打分信息收集

对桥梁病害结构养护方案的成本指标和适用指数指标进行多位专家打分并收集整理，打分表如表4所示；

表4打分表

b)单一指标的权重计算；

求解成本指标、适用指数的两两判断矩阵的特征根，得出权重向量ω；权重向量ω通过下式(7)得出，

式中：v_q—特征向量V中第q个元素，q＝1,2，元素依次代表成本指标、适用指数的权重；

c)一致性检验；

检验计算是否符合要求，采用以下三个指标进行评判：

一致性指标CI计算见公式(8)：

式中：m—判断矩阵阶数；λ_max—成本指标、适用指数判断矩阵的最大特征值。

一致性平均随机指标RI计算：

一致性平均随机指标RI是根据判断矩阵阶数的变化而变化的，该值通过多次重复计算所对应特征根，再进行算术平均值计算而得出的，参考龚木森，许树柏迭代1000次所得1到15阶的RI值，如表5所示。

表5一致性平均随机指标

相对一致性指标CR计算见公式(9)：

式中：CI：一致性指标；RI：一致性平均随机指标。

当CR＜0.1时，认为矩阵的一致性符合要求，可以接受所计算权重向量。若CR＞0.1时，认为矩阵一致性不符合要求，需要对矩阵中的值进行分析后重新给出各因素标度值，再进行验算，直至符合一致性要求。

d)计算最优权重值；

通过汇总多位专家的意见，得到权重向量，应用“最小二乘法”计算出最终权重值，见式(10)：

式中：为第a个指标最优权重值，a＝1,2；μ_ab为第a个指标对应于第b个专家的权重值，b＝1,2,3…k，其中，k为专家数量；

步骤5：模型计算；

采用简单线性加权法建立评选模型，评选模型的计算公式见下式：

每一种养护技术的综合评估值C_j＝养护技术j的成本指标归一化值×成本指标权重值+养护技术j的适用指数归一化值×适用指数权重值

根据评选值的大小排出方案的优劣，选出最佳养护技术。

以上所述，仅是本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不仅局限于此上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进、变化、替换和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于规划期的高速公路混凝土桥梁养护技术评选方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、确定评选对象和规划年限；

(2)、建立指标体系：包括经济指标和技术指标；

(3)、指标量化处理：包括指标初处理和指标归一化处理；

(4)、权重分配：采用层次分析法，根据专家意见计算各指标的权重；之后，根据最小二乘法确定各指标权重最优值；

(5)、模型计算：采用简单线性加权计算桥梁养护技术在不同规划期内的综合评价值，根据养护部门对养护规划期的要求，得出各种病害下的桥梁养护技术组合清单。

2.根据权利要求1所述的基于规划期的高速公路混凝土桥梁养护技术评选方法，其特征在于，所述步骤(1)中，确定评选对象和规划年限具体为：

1)、评选对象为桥梁任一构件上具体病害对应的各种养护技术；

2)、规划年限根据养护部门的需求自行规划。

3.根据权利要求2所述的基于规划期的高速公路混凝土桥梁养护技术评选方法，其特征在于，所述步骤(2)中，建立指标体系具体为：

a)、经济指标：即成本指标；考虑养护技术的综合单价、有效寿命，形成考虑养护技术有效寿命的成本指标，有效寿命在成本指标换算过程中考虑；

b)、技术指标：即适用指数；养护技术的适用指数和病害的严重程度有关，按照病害对结构性能影响的程度分为3种标度等级，分别为1～3、1～4、1～5标度；

c)、指标体系内各评选指标的类型和数量级没有限制，选取任意与评选对象相关的指标。

4.根据权利要求3所述的基于规划期的高速公路混凝土桥梁养护技术评选方法，其特征在于，所述步骤(3)中，指标量化处理具体为：

Ⅰ)、成本指标的初处理方式为：使用综合单价乘以病害工程量，之后考虑养护技术的综合单价、使用寿命和资金时间价值，形成规划年限内养护技术成本指标的初处理值C_0j；

Ⅱ)、适用指数指标初处理方式为：第一步，计算病害标度转换值A_0i；第二步：计算随时间变化的，规划年限内的适用指数初处理值A_ij；

Ⅲ)、将期望值低的成本指标转化为高归一化值，使其变成0～1之间的纲数；

Ⅳ)、将期望值高的适用指数指标正常归一化，使其变成0～1之间的纲数。

5.根据权利要求4所述的基于规划期的高速公路混凝土桥梁养护技术评选方法，其特征在于，所述步骤(4)中，权重分配具体为：

ⅰ)、运用层次分析法建立桥梁养护技术成本指标和适用指标权重分配模型，在专家咨询基础上，确定影响桥梁养护技术评选结果的各指标的权重；

ⅱ)、运用层次分析法建立权重分配模型包括：专家打分信息收集，单一指标的权重计算，一致性指标CI评判，一致性平均随机指标RI评判，相对一致性指标CR评判；

ⅲ)、在多位专家打分后，采用层次分析法计算各专家意见下的权重分配值，最后采用最小二乘法确定各指标权重最优值。

6.根据权利要求5所述的基于规划期的高速公路混凝土桥梁养护技术评选方法，其特征在于，所述步骤(5)中，模型计算具体为：

①、采用简单线性加权计算方法计算桥梁养护技术的综合评价值；

②、简单线性加权计算方法为：每一种养护技术的综合评价值C_j＝养护技术j的成本指标归一化值×成本指标权重值+养护技术j的适用指数归一化值×适用指数权重值；计算每一种病害对应的养护技术的综合评价值后，对比每种养护技术的综合评价值，综合评价值大的养护技术则为当前状况下的最佳病害修理技术。

7.根据权利要求2所述的基于规划期的高速公路混凝土桥梁养护技术评选方法，其特征在于，所述规划年限为3、5、10年。