CN113536415A - 一种基于典型环境差异的综合指标体系桥梁比选方法 - Google Patents

一种基于典型环境差异的综合指标体系桥梁比选方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于典型环境差异的综合指标体系桥梁比选方法，首先对典型环境进行划分；随后构建层次分析结构模型、构建各层次判断矩阵并求出权重；之后确定评价标准和评分细则，最后进行评价并根据评价结果选出最优桥梁选择方案。本发明针对目前桥型选择评价指标不全面、指标权重不明确、客观评价标准缺失、主观经验依赖性强、对单个指标评价结果敏感度高的问题，提出一种基于典型环境差异的综合指标体系下的综合指标的桥型选择方法。采用该方法能够有效地进行桥型选择，较现有桥型选择方法具有对决策者依赖性低、系统可靠性更高、对指标误判及评价误差敏感度低的特点。

Description

一种基于典型环境差异的综合指标体系桥梁比选方法
技术领域
本发明涉及一种桥梁比选领域，特别是一种基于典型环境差异的综合指标体系桥梁比选方法。
背景技术
桥型选择问题成为业界关注的问题。已有研究工作从不同角度对桥型选择问题进行了深入探讨，取得了一定成果，但仍存在以下问题：①针对具体工程及地区进行的桥型选择研究及经验推广价值有限；②已有研究提出的桥型方案评价指标体系不够全面，常忽略耐久性、后期养护成本、适用性以及安全性的部分要求；③采用主观评价方法确定的指标权重和评价结果多建立在单一决策者评判的基础上，评价结果无法避免主观随意性；④针对某一特定指标的研究，对桥型方案比选有很高的参考价值，但任何单一指标均不可作为桥型方案比选的惟一决定性指标，不可作为桥型选择的决策依据。以上问题都会使研究成果的应用和适用范围受限。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述技术问题而提供一种基于典型环境差异的综合指标体系桥梁比选方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于典型环境差异的综合指标体系桥梁比选方法，包括以下步骤：
步骤1：对典型环境进行划分；
步骤2：构建层次分析结构模型；
步骤3：构建各层次判断矩阵并求出权重；
步骤4：确定评价标准和评分细则；
步骤5：进行评价并根据评价结果选出最优桥梁选择方案。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)采用层次分析法建立判断矩阵，充分考虑了桥型选择中决策者经验等有价值信息，使得系统对指标误判及评价误差敏感度低。
(2)采用熵权法对多次的评估结果进行赋权，确定多次评估结果对于指标体系权重的综合判断结果，避免了结果的主观随意性，使得系统对决策者依赖性更低。
(3)采用层次分析法和熵权法相结合的方法，避免了结果的主观随意性，使得系统的可靠性更高。
下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
附图说明
图1为本发明的基于典型环境差异的综合指标体系桥梁比选方法的步骤示意图。
图2为本发明的实施中的层次结构模型体系示意图。
图3为本发明的实施例中的典型环境类别下桥型优势选择示意图。
具体实施方式
结合图1，一种基于典型环境差异的综合指标体系桥梁比选方法，包括以下步骤：
步骤1：对典型环境进行划分，典型环境的划分依据包括自然环境和社会环境；
所述自然环境包括地形地貌、水文气候、地质条件、地震状况、环境类别；
所述社会环境包括政策环境、经济环境、科技环境、文化环境、产业发展状况、交通状况。
步骤2：构建层次分析结构模型，层次分析结构模型包括目标层和准则层，所述目标层的结果展示了桥梁桥型的适应性，所述准则层为桥型在所对应典型环境中适用性的各级评价准则；
目标层的结果由准则层的各级指标加权平均得分确定，准则层中高一级指标的得分由次一级的指标的加权平均得分确定。
步骤3：构建各层次判断矩阵并求出权重，包括以下步骤：
步骤3-1：构造各层次中所有判断矩阵，具体为：
在构造判断矩阵时，先取一个对象分别和其他对象进行比较，再取下一个对象和其他对象进行比较，得到两两判断矩阵，判断矩阵的一般表达式见下式：
A＝(aij)n×n
其中，aij为同一层次上的各因素两两比较的重要性标度值。
所参考的重要性标度按下表取值：
Figure BDA0003114746110000021
Figure BDA0003114746110000031
步骤3-2：层次单排序，具体为：
步骤3-2-1：确定判断矩阵每行元素乘积Mi：
Figure BDA0003114746110000032
步骤3-2-2：确定Mi的n次方根：
Figure BDA0003114746110000033
步骤3-2-3：将向量
Figure BDA0003114746110000034
正规化：
Figure BDA0003114746110000035
则
Figure BDA0003114746110000036
即为该层元素相应的权重，W＝[W1,W2,...,Wn]T为该判断矩阵的特征向量。
步骤3-3：对各层次的判断矩阵进行一致性检验，具体为：
对每个层次的判断矩阵A＝(aij)n×n，判断其是否符合一致性要求，C.R.越小，则判断矩阵的一致性越好，当C.R.等于零时，判断矩阵是完全一致的：
Figure BDA0003114746110000037
Figure BDA0003114746110000038
Figure BDA0003114746110000039
式中：C.I.为矩阵一致性指标，R.I.为平均随机一致性指标，C.R.为随机一致性比率；λmax为该判断矩阵的最大特征值，(AW)i为向量AW的第i个元素，A为该判断矩阵，W为该判断矩阵的特征向量
R.I.根据矩阵阶数n查表可得到：
n 1 2 3 4 5 6 7 8 9
R.I. 0 0 0.58 0.9 1.12 1.24 1.32 1.41 1.45
当随机一致性比率C.R.的值小于设定的阈值时，则认为判断矩阵A＝(aij)n×n符合一致性要求，若不符合一致性要求，则剔除该结果，重新构造本层次的判断矩阵。
一般来说，当一致性比率C.R.＜0.1时，则认为判断矩阵符合一致性要求。
步骤3-4：利用熵权法求出各层次的指标权重，具体为：
步骤3-4-1：对于同一层次中的n个指标，对其重要程度进行m次评估，则可得到由向量B1,B2,…,Bm组成的m×n阶特征权重矩阵：
Figure BDA0003114746110000041
Figure BDA0003114746110000042
步骤3-4-2：对这n个指标，，客观上存在一个最优的相对权重，设W＝(w1,w2,…wn)为结构体系n个指标的最优权重向量，它可利用数学上通常的广义距离概念和最小方差求得，利用熵权法求出指标的综合权重：
Figure BDA0003114746110000043
令：
Figure BDA0003114746110000044
则：
Figure BDA0003114746110000045
Figure BDA0003114746110000046
这里ck可以理解为由第k个专家造成的评价权重误差在总权重误差中所占的相对比例，并根据误差越小，熵值越大作如下变换：
Figure BDA0003114746110000051
Figure BDA0003114746110000052
V＝λB＝(v1,v2,...vn)λ＝(λ1,λ2,...λn)
式中，vj表示第j个指标的综合权重。
步骤4：根据获取的评价结果和步骤3求得的权重，确定最终评价得分，并选出最优桥梁选择方案，具体为：
步骤4-1：从外部获取评价结果，将桥梁方案的准则层内最次一级的评价结果乘以该指标的权重，得到该指标在层次分析模型中的实际得分，带入高一级指标的计算中；
步骤4-2：逐级计算后，最终得到目标层的得分；
步骤4-3：根据分值确定该典型环境类别下的最优桥梁选择方案。
下面根据实施例对本发明做进一步的说明。
实施例
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
一种基于典型环境差异的综合指标体系桥梁比选方法，包括以下步骤：
步骤1：对典型环境进行划分，典型环境的划分依据包括自然环境和社会环境；
所述自然环境包括地形地貌、水文气候、地质条件、地震状况、环境类别；
所述社会环境包括政策环境、经济环境、科技环境、文化环境、产业发展状况、交通状况。
在本实施例中根据自然环境和社会环境，可划分为平原区、湖泊区、节点桥、城市桥梁、改扩建桥梁。
步骤2：构建层次分析结构模型，层次分析结构模型包括目标层和准则层，所述目标层的结果展示了桥梁桥型的适应性，所述准则层为桥型在所对应典型环境中适用性的各级评价准则；
目标层的结果由准则层的各级指标加权平均得分确定，准则层中高一级指标的得分由次一级的指标的加权平均得分确定。
本实施例中目标层为桥型适应性，准则层中的一级指标为安全性、适用性、经济性、耐久性、美观、环保，是给出桥型在所对应典型环境中适用性的评价准则，二、三级指标为对上一级指标的细化。
步骤3：构建各层次判断矩阵并求出权重，包括以下步骤：
步骤3-1：构造各层次中所有判断矩阵，具体为：
在构造判断矩阵时，先取一个对象分别和其他对象进行比较，再取下一个对象和其他对象进行比较，得到两两判断矩阵，判断矩阵的一般表达式见下式：
A＝(aij)n×n
其中，aij为同一层次上的各因素两两比较的重要性标度值。
所参考的重要性标度按下表取值：
Figure BDA0003114746110000061
步骤3-2：层次单排序，具体为：
步骤3-2-1：确定判断矩阵每行元素乘积Mi：
Figure BDA0003114746110000062
步骤3-2-2：确定Mi的n次方根：
Figure BDA0003114746110000063
步骤3-2-3：将向量
Figure BDA0003114746110000064
正规化：
Figure BDA0003114746110000065
则
Figure BDA0003114746110000066
即为该层元素相应的权重，W＝[W1,W2,...,Wn]T为该判断矩阵的特征向量。
在本实施例中，对准则层中的一级指标构建的其中一个判断矩阵如下表所示：
A 安全性 适用性 经济性 耐久性 美观性 环保性
安全性 1 8 9 9 9 9
适用性 1/8 1 1 1 3 3
经济性 1/9 1 1 1 1 3
耐久性 1/9 1 1 1 3 9
美观性 1/9 1/3 1 1/3 1 3
环保性 1/9 1/3 1/3 1/9 1/3 1
权重 0.61 0.10 0.08 0.12 0.06 0.03
步骤3-3：对各层次的判断矩阵进行一致性检验，具体为：
对每个层次的判断矩阵A＝(aij)n×n，判断其是否符合一致性要求，C.R.越小，则判断矩阵的一致性越好，当C.R.等于零时，判断矩阵是完全一致的：
Figure BDA0003114746110000071
Figure BDA0003114746110000072
Figure BDA0003114746110000073
式中：C.I.为矩阵一致性指标，R.I.为平均随机一致性指标，C.R.为随机一致性比率；λmax为该判断矩阵的最大特征值，(AW)i为向量AW的第i个元素，A为该判断矩阵，W为该判断矩阵的特征向量
R.I.根据矩阵阶数n查表可得到：
n 1 2 3 4 5 6 7 8 9
R.I. 0 0 0.58 0.9 1.12 1.24 1.32 1.41 1.45
当随机一致性比率C.R.的值小于设定的阈值时，则认为判断矩阵A＝(aij)n×n符合一致性要求，若不符合一致性要求，则剔除该结果，重新构造本层次的判断矩阵。
一般来说，当一致性比率C.R.＜0.1时，则认为判断矩阵符合一致性要求。本实施例中步骤3-2中的判断矩阵的一致性检验结果为：
λmax＝6.47；C.I.＝0.09；R.I.＝1.24；C.R.＝0.07<0.1，满足一致性检验。
步骤3-4：利用熵权法求出各层次的指标权重，具体为：
步骤3-4-1：对于同一层次中的n个指标，对其重要程度进行m次评估，则可得到由向量B1,B2,…,Bm组成的m×n阶特征权重矩阵：
Figure BDA0003114746110000081
Figure BDA0003114746110000082
在本实施例中，收集到7个判断结果，矩阵B如下表所示：
Figure BDA0003114746110000083
步骤3-4-2：对这n个指标，，客观上存在一个最优的相对权重，设W＝(w1,w2,…wn)为结构体系n个指标的最优权重向量，它可利用数学上通常的广义距离概念和最小方差求得，利用熵权法求出指标的综合权重：
Figure BDA0003114746110000084
令：
Figure BDA0003114746110000085
则：
Figure BDA0003114746110000086
Figure BDA0003114746110000087
这里ck可以理解为由第k个专家造成的评价权重误差在总权重误差中所占的相对比例，并根据误差越小，熵值越大作如下变换：
Figure BDA0003114746110000091
Figure BDA0003114746110000092
V＝λB＝(v1,v2,...vn)λ＝(λ1,λ2,...λn)
式中，vj表示第j个指标的综合权重。
本发明实施例中，计算得到准则层一级指标综合权重如下表所示：
指标 安全性 适用性 经济性 耐久性 美观性 环保性
综合权重 0.50 0.17 0.10 0.15 0.04 0.05
步骤4：根据获取的评价结果和步骤3求得的权重，确定最终评价得分，并选出最优桥梁选择方案，具体为：
所述评价结果的来源可以根据层次分析模型确定的最次一级评价指标，确定该指标的评分点和评分细则，给出评价依据和范围，其评价依据也可以使用《公路桥梁技术状况评定标准》(JTGTH21-2011)，对指标进行评分，本发明根据获取的评价结果进行后续操作；
在本实施例中安全性的评分点及评分细则如下表所示：
Figure BDA0003114746110000093
Figure BDA0003114746110000101
步骤4-1：从外部获取评价结果，将桥梁方案的准则层内最次一级的评价结果乘以该指标的权重，得到该指标在层次分析模型中的实际得分，带入高一级指标的计算中；
步骤4-2：逐级计算后，最终得到目标层的得分；
步骤4-3：根据分值确定该典型环境类别下的最优桥梁选择方案。
下列7个表格，展示了在本实施例中平原区，八种方案的桥型适应性的得分情况：
安全性评价得分：
Figure BDA0003114746110000102
Figure BDA0003114746110000111
适用性评价得分：
Figure BDA0003114746110000112
经济性评价得分：
Figure BDA0003114746110000113
耐久性评价得分：
Figure BDA0003114746110000114
美观评价得分：
Figure BDA0003114746110000115
Figure BDA0003114746110000121
环保评价得分：
Figure BDA0003114746110000122
总体评价得分：
Figure BDA0003114746110000123
根据总体评价得分，选择出最优的桥梁方案。
根据不同典型环境的差异，分别评判备选方案的桥型适应性可以得到在如图3所示的桥型建议。
采用本方法能够有效地进行桥型选择，对决策者依赖性低、系统可靠性更高、对指标误判和评价误差敏感度低。

Claims (9)

1.一种基于典型环境差异的综合指标体系桥梁比选方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：对典型环境进行划分；
步骤2：构建层次分析结构模型；
步骤3：构建各层次判断矩阵并求出权重；
步骤4：根据获取的评价结果和步骤3求得的权重，确定最终评价得分，并选出最优桥梁选择方案。
2.根据权利要求1所述的基于典型环境差异的综合指标体系桥梁比选方法，其特征在于，所述步骤1中的典型环境包括自然环境和社会环境；
所述自然环境包括地形地貌、水文气候、地质条件、地震状况、环境类别；
所述社会环境包括政策环境、经济环境、科技环境、文化环境、产业发展状况、交通状况。
3.根据权利要求1所述的基于典型环境差异的综合指标体系桥梁比选方法，其特征在于，所述步骤2中的层次分析结构模型包括目标层和准则层，所述目标层的结果展示了桥梁桥型的适应性，所述准则层为桥型在所对应典型环境中适用性的各级评价准则；
目标层的结果由准则层的各级指标加权平均得分确定，准则层内高一级指标的得分由次一级的指标的加权平均得分确定。
4.根据权利要求1所述的基于典型环境差异的综合指标体系桥梁比选方法，其特征在于，所述步骤3中的构建各层次判断矩阵并求出权重，具体包括以下步骤：
步骤3-1：构造各层次中所有判断矩阵；
步骤3-2：层次单排序；
步骤3-3：对各层次的判断矩阵进行一致性检验；
步骤3-4：利用熵权法求出各层次的指标权重。
5.根据权利要求4所述的基于典型环境差异的综合指标体系桥梁比选方法，其特征在于，所述步骤3-1中的构建各层次中的判断矩阵具体为：
在构造判断矩阵时，先取一个对象分别和其他对象进行比较，再取下一个对象和其他对象进行比较，得到两两判断矩阵，判断矩阵的一般表达式见下式：
A＝(aij)n×n
其中，aij为同一层次上的各因素两两比较的重要性标度值。
6.根据权利要求5所述的基于典型环境差异的综合指标体系桥梁比选方法，其特征在于，所述步骤3-2中的层次单排序，具体包括以下步骤：
步骤3-2-1：确定判断矩阵每行元素乘积Mi：
Figure FDA0003114746100000021
步骤3-2-2：确定Mi的n次方根：
Figure FDA0003114746100000022
步骤3-2-3：将向量
Figure FDA0003114746100000023
正规化：
Figure FDA0003114746100000024
则
Figure FDA0003114746100000025
即为该层元素相应的权重，W＝[W1,W2,...,Wn]T为该判断矩阵的特征向量。
7.根据权利要求6所述的基于典型环境差异的综合指标体系桥梁比选方法，其特征在于，所述步骤3-3中的一致性检验，具体为：
对每个层次的判断矩阵A＝(aij)n×n，判断其是否符合一致性要求：
Figure FDA0003114746100000026
Figure FDA0003114746100000027
Figure FDA0003114746100000028
式中：C.I.为矩阵一致性指标，R.I.为平均随机一致性指标，C.R.为随机一致性比率；λmax为该判断矩阵的最大特征值，(AW)i为向量AW的第i个元素，A为该判断矩阵，W为该判断矩阵的特征向量；
R.I.根据矩阵阶数n查表可得到：
n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 R.I. 0 0 0.58 0.9 1.12 1.24 1.32 1.41 1.45
当随机一致性比率C.R.的值小于设定的阈值时，则认为判断矩阵A＝(aij)n×n符合一致性要求，若不符合一致性要求，则剔除该结果，重新构造本层次的该判断矩阵。
8.根据权利要求4所述的基于典型环境差异的综合指标体系桥梁比选方法，其特征在于，所述步骤3-4中的利用熵权法求出权重，具体包括以下步骤：
步骤3-4-1：对于同一层次中的n个指标，对其重要程度进行m次评估，则可得到由向量B1,B2,…,Bm组成的m×n阶特征权重矩阵：
Figure FDA0003114746100000031
Figure FDA0003114746100000032
步骤3-4-2：对这n个指标，利用熵权法求出指标的综合权重：
Figure FDA0003114746100000033
令：
Figure FDA0003114746100000034
则：
Figure FDA0003114746100000035
Figure FDA0003114746100000036
Figure FDA0003114746100000037
Figure FDA0003114746100000038
V＝λB＝(v1,v2,...vn)λ＝(λ1,λ2,…λn)
式中，vj表示第j个指标的综合权重。
9.根据权利要求1所述的基于典型环境差异的综合指标体系桥梁比选方法，其特征在于，所述步骤4中的确定最终评价得分，并选出最优桥梁选择方案，具体包括以下步骤：
步骤4-1：从外部获取评价结果，将桥梁方案的准则层内最次一级的评价结果乘以该指标的权重，得到该指标在层次分析模型中的实际得分，带入高一级指标的计算中；
步骤4-2：逐级计算后，最终得到目标层的得分；
步骤4-3：根据分值确定该典型环境类别下的最优桥梁选择方案。
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AU2021100692A4 (en) * 2020-12-25 2021-04-22 Institute Of Geology And Geophysics, Chinese Academy Of Sciences Optimal design method and system for slope reinforcement with anti-slide piles

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