CN115512561B - 面向道路交通枢纽韧性提升的路径诱导方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种面向道路交通枢纽韧性提升的路径诱导方法及系统，属于交通运营管理技术领域，包括：基于道路交通立交枢纽匝道桥及桥梁风险评估因素，确立风险因子；基于风险因子建立超重车辆路径诱导模型；求解所述超重车辆路径诱导模型，得到车辆运行路径。本发明有效弥补了现有技术中缺少计算超重车辆引导保障路径的模型和算法，能够为超重车辆提供合理的行驶路线，预防或最大限度的降低超重车辆对桥梁结构的破坏，避免桥梁坍塌等重大事故的发生，提高交通系统韧性。
Description
技术领域
本发明涉及交通运营管理技术领域，具体涉及一种面向道路交通枢纽韧性提升的路径诱导方法及系统。
背景技术
车辆超载会导致道路交通立交枢纽匝道桥及其他类型桥梁桥面板破损、结构损伤、寿命缩短，严重情况下甚至会导致立交枢纽匝道桥及其他类型桥梁坍塌，造成严重的人员伤亡和经济损失。例如，多肋式梁桥容易出现单板受力引起垮塌失效；整体式梁桥如果桥面宽度较大、采用独柱墩支撑型式，则有明显的横向倾覆风险；多辆超载车前后密集排队行驶于桥梁一侧，容易导致桥梁绕着支座的倾覆轴发生翻转失稳；拱式桥存在吊杆破断的风险。
虽然超重对道路交通立交枢纽匝道桥及其他类型桥梁损害很大，但由于特大/特重设备运输的需要，例如，变电站的变压器、发电厂的发电机静子、化工厂的反应器等运输需求，超重车辆在路上行驶无法避免。原有桥梁受设计荷载限值，如果强行行驶，会造成桥梁损坏或重大交通事故，因此需要加强超重车辆管理，加固桥梁的补强措施，配合超重车辆过桥。对超重车辆进行监测预警，提供合理的行驶路线，对提升道路交通系统安全和韧性具有重要意义。
在现有技术中，申请号为202011306383.7的中国发明专利申请提出一种基于结构监测的超重车辆行驶状态风险预警方法、系统，该方法通过融合分析超重车辆属性及状态信息与桥梁结构状态监测数据进行风险动态识别和预警。在待测超重车辆过桥前获取实际属性及状态信息，包括位置、速度、加速度、制动距离、总重量、荷载分布、轮距、轴数以及外形尺寸。判断待测超重车辆的实际属性及状态信息与通行申请中的备案属性及状态信息是否相符或超出规定；如否，则发送告警信息到指定部门；如是，监测获取待通行桥梁的结构状态信息，包括应力、温度、加速度、振动频率、位移和形变。预测待通行桥梁能够承受待测超重车辆所要求的荷载能力；如否，发送告警信息到指定部门；如是，允许待测超重车辆上桥通行。超重车辆在桥上通行过程中，实时监测待通行桥梁的结构状态信息，并发送到指定部门；如否，根据实时监测得到的结构状态信息，分析判断待通行桥梁受力能力是否在安全范围内；如否，发送告警信息给待测超重车辆的车载终端，给驾驶员车辆速度控制和行驶位置的建议；如是，待测超重车辆通过待通行桥梁后，基于最近一次实时监测获取的桥梁结构状态信息，评估桥梁服役能力并发送给桥梁运营管理部门。
申请号为201710733461.3的中国发明专利申请提出一种高速公路或城市快速通道交通超重超载远程云监控系统，包括云端总控子系统以及多个现场数据采集及传输控制子系统；现场数据采集及传输控制子系统均包括车辆动态称重系统、交通视频监控系统、交通告警指示系统；监测车辆信息、车辆行驶信息、指定区域的异常车队信息，并通过云端主控子系统，实时处理分析数据；通过网络信息反馈到现场交通告警指示系统，实现现场交通的疏导与管理。
《公路桥涵养护规范(JTG 5120-2021)》规定超重车辆通过桥梁，应采取必要的技术措施和管理措施。超重车辆过桥的技术措施应符合下列规定：①应依据现场调查结果和桥梁技术资料，按超重车辆的实际荷载，对桥梁结构进行强度、刚度、稳定性验算。②必要时应进行荷载试验，以判定桥梁的承载能力。③对不能满足通行需要的桥梁应进行加固处治。④有多条线路可通行时，应选取桥梁技术状况好、承载能力高、加固工程费用较低的路线通过。
现有技术还没有针对超重车辆的路径诱导模型和算法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种定义了道路交通立交枢纽匝道桥和其他桥梁的风险评估因素，建立了不考虑桥梁加固等费用的超重车辆路径诱导模型和算法，以及考虑桥梁加固等费用的超重车辆路径诱导模型和算法的面向道路交通枢纽韧性提升的路径诱导方法及系统，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一方面，本发明提供一种面向道路交通枢纽韧性提升的路径诱导方法，包括：
基于道路交通立交枢纽匝道桥及桥梁风险评估因素，确立风险因子；其中，所述风险因子包括弯矩的超重车辆荷载效应和设计汽车荷载效应之比、剪力的超重车辆荷载效应和设计汽车荷载效应之比、正截面超重车辆内力和抗弯承载力之比、斜截面超重车辆内力和抗剪承载力之比、上缘应力(拉应力时)和允许值之比、下缘应力(拉应力时)和允许值之比、正常使用极限状态活载最大挠度值和正常使用极限状态挠度规范限值之比、桥台竖向承载力和桥台支座竖向承载力允许值之比、竖向承载力最大值和桥墩支座竖向承载力允许值之比；
基于风险因子建立超重车辆路径诱导模型；
求解所述超重车辆路径诱导模型，得到车辆运行路径。
进一步的，道路交通立交枢纽匝道桥及桥梁风险评估因素，包括：
定义表示路径j中桥梁i弯矩的设计汽车荷载效应，/>表示路径j中桥梁i弯矩的超重车辆荷载效应；
定义表示路径j中桥梁i剪力的设计汽车荷载效应，/>表示路径j中桥梁i剪力的超重车辆荷载效应；
当桥梁弯矩和剪力的超重车辆荷载效应均小于设计汽车荷载效应时，超重车辆可正常通行，可通行条件如下：
当桥梁弯矩或剪力的超重车辆荷载效应大于等于设计汽车荷载效应时，需进一步验算评定承载能力极限承载状态及正常使用极限状态；
定义表示路径j中桥梁i正截面超重车辆内力，/>表示路径j中桥梁i正截面抗弯承载力；
定义表示路径j中桥梁i斜截面超重车辆内力，/>表示路径j中桥梁i斜截面抗剪承载力；
超重车辆能正常通行需满足桥梁正截面超重车辆内力小于正截面抗弯承载力，桥梁斜截面超重车辆内力小于斜截面抗剪承载力，即
定义表示路径j中桥梁i拉应力时的上缘应力，/>表示路径j中桥梁i拉应力时的下缘应力。/>和/>分别表示路径j中桥梁i上下缘应力允许值；
当桥梁上缘应力和下缘应力为拉应力，上缘应力和下缘应力小于允许值时，满足通行条件，即
定义表示路径j中桥梁i正常使用极限状态活载最大挠度值，表示路径j中桥梁i正常使用极限状态挠度规范限值；
超重车辆能正常通行需满足正常使用极限状态活载最大挠度值小于正常使用极限状态挠度规范限值，即
定义表示路径j中超重车辆在桥梁i的桥台竖向承载力，/>表示路径j中桥梁i的桥台支座竖向承载力允许值；
超重车辆能正常通行需满足超重车辆在桥梁的桥台竖向承载力小于桥台支座竖向承载力允许值，即
定义表示路径j中超重车辆在桥梁i的桥墩竖向承载力最大值，表示路径j中桥梁i的桥墩支座竖向承载力允许值；
超重车辆能正常通行需满足超重车辆在桥墩的竖向承载力最大值小于桥墩支座竖向承载力允许值，即
进一步的，基于风险因子建立的超重车辆路径诱导模型为不考虑桥梁加固成本、燃油成本以及车辆通行成本的超重车辆路径诱导模型；包括：
当桥梁弯矩和剪力的超重车辆荷载效应均小于设计汽车荷载效应时，超重车辆能正常通行；此时，只需考虑弯矩和剪力的超重车辆荷载效应与设计汽车荷载效应，模型的目标函数与约束条件如下：
目标函数：
约束条件：
式中，nj表示可选择的路径j包含的桥梁个数；s.t.表示约束条件；
进一步的，当桥梁弯矩或剪力的超重车辆荷载效应大于等于设计汽车荷载效应时，需进一步验算评定承载能力极限承载状态及正常使用极限状态，超重车辆正常通行需满足下述条件：
桥梁正截面超重车辆内力小于正截面抗弯承载力；
桥梁斜截面超重车辆内力小于斜截面抗剪承载力；
当桥梁上缘应力为拉应力时，上缘应力小于允许值；
当桥梁下缘应力为拉应力时，下缘应力小于允许值；
正常使用极限状态活载最大挠度值小于正常使用极限状态挠度规范限值；
超重车辆在桥梁的桥台竖向承载力小于桥台支座竖向承载力允许值；
超重车辆在桥墩的竖向承载力最大值小于桥墩支座竖向承载力允许值；
此时，模型需要综合考虑上述条件，目标函数是使上述各项指标实际值与上限值之比的总和最小化，约束条件是超重车辆正常通行需满足的条件；模型的目标函数与约束条件如下：
目标函数：
约束条件：
式中，nj表示可选择的路径j包含的桥梁个数；
进一步的，用αi,j表示路径j中超重车辆在桥梁i的弯矩和剪力的超重车辆荷载效应是否均小于设计汽车荷载效应；如果小于，αi,j＝0；否则，αi,j＝1；
通过参数αi,j将上述桥梁弯矩或剪力的超重车辆荷载效应小于设计汽车荷载效应，以及大于等于设计汽车荷载效应两种情况下的模型合并，得到不考虑桥梁加固成本、燃油成本以及车辆通行成本的超重车辆路径诱导模型，如下所示：
目标函数：
约束条件：
进一步的，基于风险因子建立的超重车辆路径诱导模型为考虑了桥梁加固成本、燃油成本以及车辆通行成本的超重车辆路径诱导模型；包括：
定义表示路径j中桥梁i的加固费用，/>表示选择路径j的燃油费，表示选择路径j的通行费，/>表示选择路径j的总费用；
定义li表示路段i的长度，如果路段属于桥梁，则li表示桥梁i的长度；mj表示路径j中路段总数，Θoil price表示每公里的燃油价格，则的计算公式如下：
目标函数是使所选择的路径的总费用最小化，约束条件是桥梁加固前或加固后满足超重车辆正常通行的条件，如下所示：
目标函数：
约束条件：
第二方面，本发明提供一种面向道路交通枢纽韧性提升的路径诱导系统，包括：
确立模块，用于基于道路交通立交枢纽匝道桥及桥梁风险评估因素，确立风险因子；其中，所述风险因子包括弯矩的超重车辆荷载效应和设计汽车荷载效应之比、剪力的超重车辆荷载效应和设计汽车荷载效应之比、正截面超重车辆内力和抗弯承载力之比、斜截面超重车辆内力和抗剪承载力之比、上缘应力(拉应力时)和允许值之比、下缘应力(拉应力时)和允许值之比、正常使用极限状态活载最大挠度值和正常使用极限状态挠度规范限值之比、桥台竖向承载力和桥台支座竖向承载力允许值之比、竖向承载力最大值和桥墩支座竖向承载力允许值之比；
建立模块，用于基于风险因子建立超重车辆路径诱导模型；
求解模块，用于求解所述超重车辆路径诱导模型，得到车辆运行路径。
第三方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如上所述的面向道路交通枢纽韧性提升的路径诱导方法。
第四方面，本发明提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序当在一个或多个处理器上运行时，用于实现如上所述的面向道路交通枢纽韧性提升的路径诱导方法。
第五方面，本发明提供一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现如上所述的面向道路交通枢纽韧性提升的路径诱导方法的指令。
本发明有益效果：针对超重车辆路径诱导问题，提出面向道路交通枢纽韧性提升的路径诱导方法，包括道路交通立交枢纽匝道桥和其他桥梁的风险评估因素、不考虑桥梁加固等费用的超重车辆路径诱导模型和算法、考虑桥梁加固等费用的超重车辆路径诱导模型和算法，有效弥补了现有技术中缺少计算超重车辆引导保障路径的模型和算法；不考虑桥梁加固等费用的超重车辆路径诱导模型和算法重点考虑了桥梁技术状况好、承载能力高，且不需要加固桥梁的路线，不过该模型没有考虑燃油费和通行费；考虑桥梁加固等费用的超重车辆路径诱导模型和算法，不仅考虑了桥梁技术状况、承载能力，而且还考虑了加固工程费用、燃油费、通行费等综合费用较低的路线；能够为超重车辆提供合理的行驶路线，预防或最大限度的降低超重车辆对桥梁结构的破坏，避免桥梁坍塌等重大事故的发生，提高交通系统韧性。
本发明附加方面的优点，将在下述的描述部分中更加明显的给出，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述的面向道路交通枢纽韧性提升的路径诱导方法流程示意图。
具体实施方式
下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
实施例1
首先，本实施例1中，提供了一种面向道路交通枢纽韧性提升的路径诱导系统，该系统包括：
确立模块，用于基于道路交通立交枢纽匝道桥及桥梁风险评估因素，确立风险因子；其中，所述风险因子包括弯矩的超重车辆荷载效应和设计汽车荷载效应之比、剪力的超重车辆荷载效应和设计汽车荷载效应之比、正截面超重车辆内力和抗弯承载力之比、斜截面超重车辆内力和抗剪承载力之比、上缘应力(拉应力时)和允许值之比、下缘应力(拉应力时)和允许值之比、正常使用极限状态活载最大挠度值和正常使用极限状态挠度规范限值之比、桥台竖向承载力和桥台支座竖向承载力允许值之比、竖向承载力最大值和桥墩支座竖向承载力允许值之比；
建立模块，用于基于风险因子建立超重车辆路径诱导模型；
求解模块，用于求解所述超重车辆路径诱导模型，得到车辆运行路径。
其次，本实施例1中，利用上述的系统，实现了面向道路交通枢纽韧性提升的路径诱导方法，包括：
使用确立模块，基于道路交通立交枢纽匝道桥及桥梁风险评估因素，确立风险因子；其中，所述风险因子包括弯矩的超重车辆荷载效应和设计汽车荷载效应之比、剪力的超重车辆荷载效应和设计汽车荷载效应之比、正截面超重车辆内力和抗弯承载力之比、斜截面超重车辆内力和抗剪承载力之比、上缘应力(拉应力时)和允许值之比、下缘应力(拉应力时)和允许值之比、正常使用极限状态活载最大挠度值和正常使用极限状态挠度规范限值之比、桥台竖向承载力和桥台支座竖向承载力允许值之比、竖向承载力最大值和桥墩支座竖向承载力允许值之比；
使用构建模块基于风险因子建立超重车辆路径诱导模型；
使用求解模块求解所述超重车辆路径诱导模型，得到车辆运行路径。
其中，道路交通立交枢纽匝道桥及桥梁风险评估因素，包括：
定义表示路径j中桥梁i弯矩的设计汽车荷载效应，/>表示路径j中桥梁i弯矩的超重车辆荷载效应；
定义表示路径j中桥梁i剪力的设计汽车荷载效应，/>表示路径j中桥梁i剪力的超重车辆荷载效应；
当桥梁弯矩和剪力的超重车辆荷载效应均小于设计汽车荷载效应时，超重车辆可正常通行，可通行条件如下：
当桥梁弯矩或剪力的超重车辆荷载效应大于等于设计汽车荷载效应时，需进一步验算评定承载能力极限承载状态及正常使用极限状态；
定义表示路径j中桥梁i正截面超重车辆内力，/>表示路径j中桥梁i正截面抗弯承载力；
定义表示路径j中桥梁i斜截面超重车辆内力，/>表示路径j中桥梁i斜截面抗剪承载力；
超重车辆能正常通行需满足桥梁正截面超重车辆内力小于正截面抗弯承载力，桥梁斜截面超重车辆内力小于斜截面抗剪承载力，即
定义表示路径j中桥梁i拉应力时的上缘应力，/>表示路径j中桥梁i拉应力时的下缘应力。/>和/>分别表示路径j中桥梁i上下缘应力允许值；
当桥梁上缘应力和下缘应力为拉应力，上缘应力和下缘应力小于允许值时，满足通行条件，即
定义表示路径j中桥梁i正常使用极限状态活载最大挠度值，表示路径j中桥梁i正常使用极限状态挠度规范限值；
超重车辆能正常通行需满足正常使用极限状态活载最大挠度值小于正常使用极限状态挠度规范限值，即
定义表示路径j中超重车辆在桥梁i的桥台竖向承载力，/>表示路径j中桥梁i的桥台支座竖向承载力允许值；
超重车辆能正常通行需满足超重车辆在桥梁的桥台竖向承载力小于桥台支座竖向承载力允许值，即
定义表示路径j中超重车辆在桥梁i的桥墩竖向承载力最大值，表示路径j中桥梁i的桥墩支座竖向承载力允许值；
超重车辆能正常通行需满足超重车辆在桥墩的竖向承载力最大值小于桥墩支座竖向承载力允许值，即
基于风险因子建立的超重车辆路径诱导模型为不考虑桥梁加固成本、燃油成本以及车辆通行成本的超重车辆路径诱导模型；包括：
当桥梁弯矩和剪力的超重车辆荷载效应均小于设计汽车荷载效应时，超重车辆能正常通行；此时，只需考虑弯矩和剪力的超重车辆荷载效应与设计汽车荷载效应，模型的目标函数与约束条件如下：
目标函数：
约束条件：
式中，nj表示可选择的路径j包含的桥梁个数；s.t.表示约束条件；
其中，当桥梁弯矩或剪力的超重车辆荷载效应大于等于设计汽车荷载效应时，需进一步验算评定承载能力极限承载状态及正常使用极限状态，超重车辆正常通行需满足下述条件：
桥梁正截面超重车辆内力小于正截面抗弯承载力；
桥梁斜截面超重车辆内力小于斜截面抗剪承载力；
当桥梁上缘应力为拉应力时，上缘应力小于允许值；
当桥梁下缘应力为拉应力时，下缘应力小于允许值；
正常使用极限状态活载最大挠度值小于正常使用极限状态挠度规范限值；
超重车辆在桥梁的桥台竖向承载力小于桥台支座竖向承载力允许值；
超重车辆在桥墩的竖向承载力最大值小于桥墩支座竖向承载力允许值；
此时，模型需要综合考虑上述条件，目标函数是使上述各项指标实际值与上限值之比的总和最小化，约束条件是超重车辆正常通行需满足的条件；模型的目标函数与约束条件如下：
目标函数：
约束条件：
式中，nj表示可选择的路径j包含的桥梁个数；
其中，用αi,j表示路径j中超重车辆在桥梁i的弯矩和剪力的超重车辆荷载效应是否均小于设计汽车荷载效应；如果小于，αi,j＝0；否则，αi,j＝1；
通过参数αi,j将上述桥梁弯矩或剪力的超重车辆荷载效应小于设计汽车荷载效应，以及大于等于设计汽车荷载效应两种情况下的模型合并，得到不考虑桥梁加固成本、燃油成本以及车辆通行成本的超重车辆路径诱导模型，如下所示：
目标函数：
约束条件：
本实施例1中，另一方面，基于风险因子建立的超重车辆路径诱导模型为考虑了桥梁加固成本、燃油成本以及车辆通行成本的超重车辆路径诱导模型；包括：
定义表示路径j中桥梁i的加固费用，/>表示选择路径j的燃油费，表示选择路径j的通行费，/>表示选择路径j的总费用；
定义li表示路段i的长度，如果路段属于桥梁，则li表示桥梁i的长度；mj表示路径j中路段总数，Θoil price表示每公里的燃油价格，则的计算公式如下：
目标函数是使所选择的路径的总费用最小化，约束条件是桥梁加固前或加固后满足超重车辆正常通行的条件，如下所示：
目标函数：
约束条件：
实施例2
本实施例2中，提供了面向道路交通枢纽韧性提升的路径诱导方法，如图1所示。首先确立了道路交通立交枢纽匝道桥和其他桥梁的风险评估因素，然后构建了不考虑桥梁加固等费用的超重车辆路径诱导模型，对构建的模型进行求解，得到最终的优化路径。其中，道路交通立交枢纽匝道桥和其他桥梁的风险评估因素包括9个风险因子：弯矩的超重车辆荷载效应和设计汽车荷载效应之比、剪力的超重车辆荷载效应和设计汽车荷载效应之比、正截面超重车辆内力和抗弯承载力之比、斜截面超重车辆内力和抗剪承载力之比、上缘应力(拉应力时)和允许值之比、下缘应力(拉应力时)和允许值之比、正常使用极限状态活载最大挠度值和正常使用极限状态挠度规范限值之比、桥台竖向承载力和桥台支座竖向承载力允许值之比、竖向承载力最大值和桥墩支座竖向承载力允许值之比。在9个风险因子的基础上，建立重点考虑桥梁技术状况好、承载能力高，且不需要加固桥梁的路线，即不考虑桥梁加固等费用的超重车辆路径诱导模型和算法。进一步，在考虑桥梁加固工程费用、燃油费、通行费等综合费用的情况下，建立考虑桥梁加固等费用的超重车辆路径诱导模型和算法。
(1)道路交通立交枢纽匝道桥和其他桥梁的风险评估因素如下：
道路交通立交枢纽匝道桥和其他桥梁的结构极限状态包括承载能力极限状态和正常使用极限状态。承载能力极限状态对应于桥梁结构及其构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形或变位的状态。正常使用极限状态对应于桥梁结构或其构件达到正常使用或耐久性能的某项限值的状态。如果超过该极限状态，结构不满足预定的适用性或耐久性要求。正常使用极限状态的验算内容包括正常使用的抗裂验算和正常使用的挠度验算。
①荷载效应比较
定义表示路径j中桥梁i弯矩的设计汽车荷载效应，/>表示路径j中桥梁i弯矩的超重车辆荷载效应。
定义表示路径j中桥梁i剪力的设计汽车荷载效应，/>表示路径j中桥梁i剪力的超重车辆荷载效应。
当桥梁弯矩和剪力的超重车辆荷载效应均小于设计汽车荷载效应时，超重车辆可正常通行，可通行条件如下：
当桥梁弯矩或剪力的超重车辆荷载效应大于等于设计汽车荷载效应时，需进一步验算评定承载能力极限承载状态及正常使用极限状态。
②承载能力极限状态验算
定义表示路径j中桥梁i正截面超重车辆内力，/>表示路径j中桥梁i正截面抗弯承载力；
定义表示路径j中桥梁i斜截面超重车辆内力，/>表示路径j中桥梁i斜截面抗剪承载力。
超重车辆能正常通行需满足桥梁正截面超重车辆内力小于正截面抗弯承载力，桥梁斜截面超重车辆内力小于斜截面抗剪承载力，即
③正常使用极限状态抗裂验算
定义表示路径j中桥梁i拉应力时的上缘应力，/>表示路径j中桥梁i拉应力时的下缘应力。/>和/>分别表示路径j中桥梁i上下缘应力允许值。
当桥梁上缘应力和下缘应力为拉应力，上缘应力和下缘应力小于允许值时，满足通行条件，即
④正常使用极限状态挠度验算
定义表示路径j中桥梁i正常使用极限状态活载最大挠度值，表示路径j中桥梁i正常使用极限状态挠度规范限值。
超重车辆能正常通行需满足正常使用极限状态活载最大挠度值小于正常使用极限状态挠度规范限值，即
⑤支座竖向承载力验算
定义表示路径j中超重车辆在桥梁i的桥台竖向承载力，/>表示路径j中桥梁i的桥台支座竖向承载力允许值。
超重车辆能正常通行需满足超重车辆在桥梁的桥台竖向承载力小于桥台支座竖向承载力允许值，即
定义表示路径j中超重车辆在桥梁i的桥墩竖向承载力最大值，表示路径j中桥梁i的桥墩支座竖向承载力允许值。
超重车辆能正常通行需满足超重车辆在桥墩的竖向承载力最大值小于桥墩支座竖向承载力允许值，即
综合上述桥梁的风险评估因素，建立9个桥梁风险因子，包括：弯矩的超重车辆荷载效应和设计汽车荷载效应之比剪力的超重车辆荷载效应和设计汽车荷载效应之比/>正截面超重车辆内力和抗弯承载力之比/>斜截面超重车辆内力和抗剪承载力之比/>上缘应力(拉应力时)和允许值之比/>下缘应力(拉应力时)和允许值之比/>正常使用极限状态活载最大挠度值和正常使用极限状态挠度规范限值之比/>桥台竖向承载力和桥台支座竖向承载力允许值之比/>竖向承载力最大值和桥墩支座竖向承载力允许值之比/>
在9个风险因子的基础上，建立重点考虑桥梁技术状况好、承载能力高，且不需要加固桥梁的路线，即不考虑桥梁加固等费用的超重车辆路径诱导模型和算法。进一步，在考虑桥梁加固工程费用、燃油费、通行费等综合费用的情况下，建立考虑桥梁加固等费用的超重车辆路径诱导模型和算法。
(2)不考虑桥梁加固等费用的超重车辆路径诱导模型构建如下：
当桥梁弯矩和剪力的超重车辆荷载效应均小于设计汽车荷载效应时，超重车辆能正常通行。此时，只需考虑弯矩和剪力的超重车辆荷载效应与设计汽车荷载效应，模型的目标函数与约束条件如下：
目标函数：
约束条件：
式中，nj表示可选择的路径j包含的桥梁个数。s.t.表示约束条件(subject to)。
当桥梁弯矩或剪力的超重车辆荷载效应大于等于设计汽车荷载效应时，需进一步验算评定承载能力极限承载状态及正常使用极限状态，超重车辆正常通行需满足下述条件：
桥梁正截面超重车辆内力小于正截面抗弯承载力；桥梁斜截面超重车辆内力小于斜截面抗剪承载力；当桥梁上缘应力为拉应力时，上缘应力小于允许值；当桥梁下缘应力为拉应力时，下缘应力小于允许值；正常使用极限状态活载最大挠度值小于正常使用极限状态挠度规范限值；超重车辆在桥梁的桥台竖向承载力小于桥台支座竖向承载力允许值；超重车辆在桥墩的竖向承载力最大值小于桥墩支座竖向承载力允许值。
此时，模型需要综合考虑上述条件，目标函数是使上述各项指标实际值与上限值(或允许值)之比的总和最小化，约束条件是超重车辆正常通行需满足的条件。模型的目标函数与约束条件如下：
目标函数：
约束条件：
式中，nj表示可选择的路径j包含的桥梁个数。
用αi,j表示路径j中超重车辆在桥梁i的弯矩和剪力的超重车辆荷载效应是否均小于设计汽车荷载效应。如果小于，αi,j＝0；否则，αi,j＝1。
通过参数αi,j将上述桥梁弯矩或剪力的超重车辆荷载效应小于设计汽车荷载效应，以及大于等于设计汽车荷载效应两种情况下的模型合并，得到不考虑桥梁加固等费用的超重车辆路径诱导模型，如下所示：
目标函数：
约束条件：
本实施例2中，不考虑桥梁加固等费用的超重车辆路径诱导模型的求解算法描述如下：
将路网离散化为路段和节点，并设置路段的桥梁风险因子权重；
用ρi,j,k表示路径j中超重车辆在桥梁i的第k个风险因子。如果路段属于立交枢纽匝道桥或其他桥梁，路段的桥梁风险因子权重包括弯矩的超重车辆荷载效应和设计汽车荷载效应之比剪力的超重车辆荷载效应和设计汽车荷载效应之比正截面超重车辆内力和抗弯承载力之比/>斜截面超重车辆内力和抗剪承载力之比/> 上缘应力(拉应力时)和允许值之比/>下缘应力(拉应力时)和允许值之比/>正常使用极限状态活载最大挠度值和正常使用极限状态挠度规范限值之比/>桥台竖向承载力和桥台支座竖向承载力允许值之比/>竖向承载力最大值和桥墩支座竖向承载力允许值之比/>共9个风险因子；
当ρi,j,1<1且ρi,j,2<1时，ρi,j,k＝0(k＝3,4,5,6,7,8,9)；
当ρi,j,1≥1或ρi,j,2≥1时：如果ρi,j,k<1(k＝3,4,5,6,7,8,9)，ρi,j,k等于实际计算结果；如果ρi,j,k≥1(k＝3,4,5,6,7,8,9)，设定ρi,j,k＝∞；
如果路段不属于立交枢纽匝道桥或其他桥梁，路段的桥梁风险因子权重设置为零，即ρi,j,k＝0(k＝1,2,3,4,5,6,7,8,9)；
基于上述路段权重，利用Dijkstra算法搜索路径中桥梁风险因子之和最小的路径，即最小的路径，作为引导超重车辆安全行驶的保障路径。
实施例3
本实施例3中，提供了另一种面向道路交通枢纽韧性提升的路径诱导方法，如图1所示。同实施例2，首先确立了道路交通立交枢纽匝道桥和其他桥梁的风险评估因素，然后构建了考虑桥梁加固等费用的超重车辆路径诱导模型，对构建的模型进行求解，得到最终的优化路径。其中，道路交通立交枢纽匝道桥和其他桥梁的风险评估因素包括9个风险因子：弯矩的超重车辆荷载效应和设计汽车荷载效应之比、剪力的超重车辆荷载效应和设计汽车荷载效应之比、正截面超重车辆内力和抗弯承载力之比、斜截面超重车辆内力和抗剪承载力之比、上缘应力(拉应力时)和允许值之比、下缘应力(拉应力时)和允许值之比、正常使用极限状态活载最大挠度值和正常使用极限状态挠度规范限值之比、桥台竖向承载力和桥台支座竖向承载力允许值之比、竖向承载力最大值和桥墩支座竖向承载力允许值之比。在9个风险因子的基础上，在考虑桥梁加固工程费用、燃油费、通行费等综合费用的情况下，建立考虑桥梁加固等费用的超重车辆路径诱导模型和算法。
定义表示路径j中桥梁i的加固费用，/>表示选择路径j的燃油费，表示选择路径j的通行费，/>表示选择路径j的总费用。
定义li表示路段i的长度(单位：千米)，如果路段属于桥梁，则li表示桥梁i的长度。mj表示路径j中路段总数，Θoil price表示每公里的燃油价格，则的计算公式如下：/>
超重车辆通行费的收费标准与超限重量有关，例如，超限运输车辆行驶收费公路不超限部分，按规定收取车辆通行费；对超限30％(含30％)以内的车辆，超限重量部分按基本费率的1倍线性递增至3倍计收通行费；对超限30％-100％(含100％)的车辆，超限重量部分按基本费率的3倍线性递增至6倍计收通行费；对超限100％以上的车辆，超限重量部分按基本费率的6倍计收通行费。
考虑桥梁加固等费用的超重车辆路径诱导模型的目标函数是使所选择的路径的总费用最小化，约束条件是桥梁加固前或加固后满足超重车辆正常通行的条件，如下所示：
目标函数：
约束条件：
本实施例3中，考虑桥梁加固等费用的超重车辆路径诱导模型的求解算法描述如下：
将路网离散化为路段和节点，并设置路段权重，包括桥梁风险因子权重、桥梁加固费用、长度权重；
用ρi,j,k表示路径j中超重车辆在桥梁i的第k个风险因子。如果路段属于立交枢纽匝道桥或其他桥梁，路段的桥梁风险因子权重包括弯矩的超重车辆荷载效应和设计汽车荷载效应之比剪力的超重车辆荷载效应和设计汽车荷载效应之比正截面超重车辆内力和抗弯承载力之比/>斜截面超重车辆内力和抗剪承载力之比/> 上缘应力(拉应力时)和允许值之比/>下缘应力(拉应力时)和允许值之比/>正常使用极限状态活载最大挠度值和正常使用极限状态挠度规范限值之比/>桥台竖向承载力和桥台支座竖向承载力允许值之比/>竖向承载力最大值和桥墩支座竖向承载力允许值之比/>共9个风险因子；
当ρi,j,1<1且ρi,j,2<1时，ρi,j,k＝0(k＝3,4,5,6,7,8,9)，
当ρi,j,1≥1或ρi,j,2≥1时：如果ρi,j,k<1(k＝3,4,5,6,7,8,9)，ρi,j,k等于实际计算结果；如果ρi,j,k≥1(k＝3,4,5,6,7,8,9)，设定设置为桥梁加固所需的费用；
如果路段不属于立交枢纽匝道桥或其他桥梁，路段的桥梁风险因子权重设置为零，即ρi,j,k＝0(k＝1,2,3,4,5,6,7,8,9)，
基于上述桥梁风险因子权重、桥梁加固费用、长度权重，以及燃油价格和超重车辆收费标准，利用Dijkstra算法搜索总费用最小的路径，即 最小的路径，作为引导超重车辆安全行驶的保障路径。
实施例4
本发明实施例4提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现面向道路交通枢纽韧性提升的路径诱导方法。
实施例5
本发明实施例5提供一种计算机程序(产品)，包括计算机程序，所述计算机程序当在一个或多个处理器上运行时，用于实现面向道路交通枢纽韧性提升的路径诱导方法。
实施例6
本发明实施例6提供一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现面向道路交通枢纽韧性提升的路径诱导方法的指令。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种面向道路交通枢纽韧性提升的路径诱导方法，其特征在于，包括：
基于道路交通立交枢纽匝道桥及桥梁风险评估因素，确立风险因子；其中，所述风险因子包括弯矩的超重车辆荷载效应和设计汽车荷载效应之比、剪力的超重车辆荷载效应和设计汽车荷载效应之比、正截面超重车辆内力和抗弯承载力之比、斜截面超重车辆内力和抗剪承载力之比、拉应力时的上缘应力和允许值之比、拉应力时的下缘应力和允许值之比、正常使用极限状态活载最大挠度值和正常使用极限状态挠度规范限值之比、桥台竖向承载力和桥台支座竖向承载力允许值之比、竖向承载力最大值和桥墩支座竖向承载力允许值之比；
基于风险因子建立超重车辆路径诱导模型；
求解所述超重车辆路径诱导模型，得到车辆运行路径；
道路交通立交枢纽匝道桥及桥梁风险评估因素，包括：
定义表示路径j中桥梁i弯矩的设计汽车荷载效应，/>表示路径j中桥梁i弯矩的超重车辆荷载效应；
定义表示路径j中桥梁i剪力的设计汽车荷载效应，/>表示路径j中桥梁i剪力的超重车辆荷载效应；
当桥梁弯矩和剪力的超重车辆荷载效应均小于设计汽车荷载效应时，超重车辆可正常通行，可通行条件如下：
当桥梁弯矩或剪力的超重车辆荷载效应大于等于设计汽车荷载效应时，需进一步验算评定承载能力极限承载状态及正常使用极限状态；
定义表示路径j中桥梁i正截面超重车辆内力，/>表示路径j中桥梁i正截面抗弯承载力；
定义表示路径j中桥梁i斜截面超重车辆内力，/>表示路径j中桥梁i斜截面抗剪承载力；
超重车辆能正常通行需满足桥梁正截面超重车辆内力小于正截面抗弯承载力，桥梁斜截面超重车辆内力小于斜截面抗剪承载力，即
定义表示路径j中桥梁i拉应力时的上缘应力，/>表示路径j中桥梁i拉应力时的下缘应力；/>和/>分别表示路径j中桥梁i上下缘应力允许值；
当桥梁上缘应力和下缘应力为拉应力，上缘应力和下缘应力小于允许值时，满足通行条件，即
定义表示路径j中桥梁i正常使用极限状态活载最大挠度值，/>表示路径j中桥梁i正常使用极限状态挠度规范限值；
超重车辆能正常通行需满足正常使用极限状态活载最大挠度值小于正常使用极限状态挠度规范限值，即
定义表示路径j中超重车辆在桥梁i的桥台竖向承载力，/>表示路径j中桥梁i的桥台支座竖向承载力允许值；
超重车辆能正常通行需满足超重车辆在桥梁的桥台竖向承载力小于桥台支座竖向承载力允许值，即
定义表示路径j中超重车辆在桥梁i的桥墩竖向承载力最大值，/>表示路径j中桥梁i的桥墩支座竖向承载力允许值；
超重车辆能正常通行需满足超重车辆在桥墩的竖向承载力最大值小于桥墩支座竖向承载力允许值，即
基于风险因子建立的超重车辆路径诱导模型为不考虑桥梁加固成本、燃油成本以及车辆通行成本的超重车辆路径诱导模型；包括：
当桥梁弯矩和剪力的超重车辆荷载效应均小于设计汽车荷载效应时，超重车辆能正常通行；此时，只需考虑弯矩和剪力的超重车辆荷载效应与设计汽车荷载效应，模型的目标函数与约束条件如下：
目标函数：
约束条件：
式中，nj表示可选择的路径j包含的桥梁个数；s.t.表示约束条件；
当桥梁弯矩或剪力的超重车辆荷载效应大于等于设计汽车荷载效应时，需进一步验算评定承载能力极限承载状态及正常使用极限状态，超重车辆正常通行需满足下述条件：
桥梁正截面超重车辆内力小于正截面抗弯承载力；
桥梁斜截面超重车辆内力小于斜截面抗剪承载力；
当桥梁上缘应力为拉应力时，上缘应力小于允许值；
当桥梁下缘应力为拉应力时，下缘应力小于允许值；
正常使用极限状态活载最大挠度值小于正常使用极限状态挠度规范限值；
超重车辆在桥梁的桥台竖向承载力小于桥台支座竖向承载力允许值；
超重车辆在桥墩的竖向承载力最大值小于桥墩支座竖向承载力允许值；
此时，模型需要综合考虑上述条件，目标函数是使上述各项指标实际值与上限值之比的总和最小化，约束条件是超重车辆正常通行需满足的条件；模型的目标函数与约束条件如下：
目标函数：
约束条件：
式中，nj表示可选择的路径j包含的桥梁个数；
用αi,j表示路径j中超重车辆在桥梁i的弯矩和剪力的超重车辆荷载效应是否均小于设计汽车荷载效应；如果小于，αi,j＝0；否则，αi,j＝1；
通过参数αi,j将上述桥梁弯矩或剪力的超重车辆荷载效应小于设计汽车荷载效应，以及大于等于设计汽车荷载效应两种情况下的模型合并，得到不考虑桥梁加固成本、燃油成本以及车辆通行成本的超重车辆路径诱导模型，如下所示：
目标函数：
约束条件：
2.根据权利要求1所述的面向道路交通枢纽韧性提升的路径诱导方法，其特征在于，基于风险因子建立的超重车辆路径诱导模型为考虑了桥梁加固成本、燃油成本以及车辆通行成本的超重车辆路径诱导模型；包括：
定义表示路径j中桥梁i的加固费用，/>表示选择路径j的燃油费，/>表示选择路径j的通行费，/>表示选择路径j的总费用；
定义li表示路段i的长度，如果路段属于桥梁，则li表示桥梁i的长度；mj表示路径j中路段总数，Θoil price表示每公里的燃油价格，则的计算公式如下：
目标函数是使所选择的路径的总费用最小化，约束条件是桥梁加固前或加固后满足超重车辆正常通行的条件，如下所示：
目标函数：
约束条件：
3.一种基于如权利要求1或2所述的方法的面向道路交通枢纽韧性提升的路径诱导系统，其特征在于，包括：
确立模块，用于基于道路交通立交枢纽匝道桥及桥梁风险评估因素，确立风险因子；其中，所述风险因子包括弯矩的超重车辆荷载效应和设计汽车荷载效应之比、剪力的超重车辆荷载效应和设计汽车荷载效应之比、正截面超重车辆内力和抗弯承载力之比、斜截面超重车辆内力和抗剪承载力之比、拉应力时的上缘应力和允许值之比、拉应力时的下缘应力和允许值之比、正常使用极限状态活载最大挠度值和正常使用极限状态挠度规范限值之比、桥台竖向承载力和桥台支座竖向承载力允许值之比、竖向承载力最大值和桥墩支座竖向承载力允许值之比；
建立模块，用于基于风险因子建立超重车辆路径诱导模型；
求解模块，用于求解所述超重车辆路径诱导模型，得到车辆运行路径。
4.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如权利要求1或2所述的面向道路交通枢纽韧性提升的路径诱导方法。
5.一种计算机程序产品，其特征在于，包括计算机程序，所述计算机程序当在一个或多个处理器上运行时，用于实现如权利要求1或2所述的面向道路交通枢纽韧性提升的路径诱导方法。
6.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现如权利要求1或2所述的面向道路交通枢纽韧性提升的路径诱导方法的指令。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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