基于兩級(jí)模糊識(shí)別的橋型方案優(yōu)選模型

鄒惠鑫，鄭建榮*，王淑妹

（福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福建福州350002）

基于兩級(jí)模糊識(shí)別的橋型方案優(yōu)選模型

鄒惠鑫，鄭建榮*，王淑妹

（福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福建福州350002）

根據(jù)橋型設(shè)計(jì)方案資料，對(duì)包含定性指標(biāo)的橋型方案進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。以馬洋大橋設(shè)計(jì)方案為研究案例，根據(jù)兩級(jí)模糊識(shí)別原理，提出定性指標(biāo)相對(duì)隸屬度確定方法，采用多目標(biāo)最大距離法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，建立基于兩級(jí)模糊識(shí)別的橋型方案優(yōu)選模型。優(yōu)選結(jié)果為矮塔斜拉橋方案，符合客觀實(shí)際。

橋型方案；模糊識(shí)別；權(quán)向量；相對(duì)隸屬度；多目標(biāo)最大距離法

0 引言

橋梁方案比選涉及造價(jià)、施工難度等多項(xiàng)因素，影響因素間的關(guān)系復(fù)雜，對(duì)定性因素通常是通過(guò)設(shè)計(jì)人員判斷給出評(píng)價(jià)，缺乏客觀性。采用模糊識(shí)別可將定性因素進(jìn)行量化，便于科學(xué)地對(duì)橋型進(jìn)行優(yōu)選。本文依托兩級(jí)模糊識(shí)別模型［1］及相關(guān)模糊數(shù)學(xué)理論，采用最大距離法確定指標(biāo)權(quán)重，建立新的模糊優(yōu)選模型，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了該模型。

1 橋型方案比選模型

1.1 方案集的指標(biāo)特征矩陣

依據(jù)影響橋梁結(jié)構(gòu)形式主要因素選定因素集C=（c1，c2，…，cm），根據(jù)橋型方案設(shè)計(jì)條件確定方案集V=（v1，v2，…，vn），其中ci（i=1，2，…，m）表示第i個(gè)影響因素，vj（j=1，2，…，n）表示第j個(gè)橋梁比選方案。則方案集V的指標(biāo)特征值矩陣為

其中xij表示對(duì)于方案j因素i的特征值。

1.2 定性指標(biāo)優(yōu)越性排序

就定性指標(biāo)ci對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)越性對(duì)比，建立優(yōu)越性的定性排序特征值矩陣

其中e按下式進(jìn)行取值

其中ielk=1-ielk，k=1，2，…，n；l=1，2，…，n。

根據(jù)相關(guān)理論，對(duì)所得矩陣進(jìn)行優(yōu)越性排序一致性檢驗(yàn)，并對(duì)矩陣進(jìn)行調(diào)整，使其滿足優(yōu)越性排序一致性特征值矩陣的要求。對(duì)調(diào)整后矩陣各行和數(shù)進(jìn)行從大到小的排列，給出方案集關(guān)于優(yōu)越性排序。

1.3 確定相對(duì)隸屬度矩陣［1-2］

1.3.1 定量指標(biāo)相對(duì)隸屬度根據(jù)文獻(xiàn)［2］，對(duì)

于越大越優(yōu)型特征值的相對(duì)隸屬度公式為

對(duì)于越小越優(yōu)型特征值的相對(duì)隸屬度公式為

1.3.2 定性指標(biāo)相對(duì)隸屬度結(jié)合方案vj就定性指標(biāo)ci定性排序，根據(jù)文獻(xiàn)［2］，建立方案集V就定性指標(biāo)ci對(duì)優(yōu)越性的有序二元比較矩陣

滿足條件式中ialk為就指標(biāo)ci，方案vl對(duì)vk就優(yōu)越性進(jìn)行二元比較時(shí)，方案vl對(duì)vk的優(yōu)越性定量標(biāo)度；iakl為就指標(biāo)ci，方案vk對(duì)vl就優(yōu)越性進(jìn)行二元比較時(shí)，方案vk對(duì)vl的優(yōu)越性定量標(biāo)度；排序下標(biāo)l=1，2，…，n；k=1，2，…，n；序號(hào)根據(jù)矩陣各行和數(shù)從大到小的次序排列。

方案vi就指標(biāo)ci相對(duì)隸屬度公式為

為了便于給出優(yōu)越性定量標(biāo)度，文獻(xiàn)［1］建立了符合我國(guó)語(yǔ)言習(xí)慣的語(yǔ)氣算子、定量標(biāo)度及相對(duì)隸屬度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見(jiàn)表1。

表1 語(yǔ)氣算子、定量標(biāo)度及相對(duì)隸屬度關(guān)系表Tab.1 Relationship among mood operator，quantitative scale and relative membership grade

1.4 多目標(biāo)最大距離法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

多目標(biāo)最大距離法的基本思想是：依據(jù)客觀統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，尋找一個(gè)權(quán)重向量，使各方案與理想方案的加權(quán)距離最大，從而將這些方案更明顯地區(qū)分開來(lái)［3］。

根據(jù)上述方法計(jì)算各個(gè)因素相對(duì)隸屬度，建立目標(biāo)相對(duì)優(yōu)的相對(duì)隸屬度矩陣

由模糊原理及文獻(xiàn)［4］可知，可將矩陣R轉(zhuǎn)置作為規(guī)范化后的決策矩陣

為確定各指標(biāo)權(quán)重W=（w1，w2，…，wm），建立多目標(biāo)最優(yōu)化模型

為指標(biāo)的“理想值”。zj的含義為各方案vj=（qj1w1，qj2w2，…，qjmwm）同理想方案v*=（1·w1，1·w2，…，1·wm）之間的距離，即可作為對(duì)該方案的一種評(píng)價(jià)。

上述多目標(biāo)最優(yōu)化模型采用線性綜合方法，將它轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)最優(yōu)化模型，即

根據(jù)上述模型，調(diào)用MATLAB最優(yōu)化工具箱中的fmincon函數(shù)解出W=（w1，w2，…，wm）。

1.5 計(jì)算各方案評(píng)價(jià)值

將軟件運(yùn)行結(jié)果W=（w1，w2，…，wm）代入，求得各個(gè)方案的綜合評(píng)價(jià)值并進(jìn)行從大到小排序。

從模型建立的意義可知，所得出的綜合評(píng)價(jià)值越大，說(shuō)明方案偏離理想值越大；反之，綜合評(píng)價(jià)值越小，說(shuō)明方案越接近理想值。因此，可得出最優(yōu)方案為綜合評(píng)價(jià)值最小的方案。

2 橋型方案比較實(shí)例

本文以永泰縣馬洋大橋橋型方案選擇為例。馬洋大橋是銜接大樟溪兩岸的重要部分，亦是永泰城市景觀建設(shè)的華重一筆。橋型方案的選擇除了滿足橋梁使用功能和橋下通航要求外，橋梁應(yīng)具備結(jié)構(gòu)安全實(shí)用、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、外形美觀，同時(shí)應(yīng)盡量采用新結(jié)構(gòu)、新工藝，施工技術(shù)難度適中，力求造型新穎，做到與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。

2.1 建立特征矩陣

影響橋型選擇的因素很多，本文主要選擇5個(gè)因素，構(gòu)成因素集C=（工期c1，施工難度c2，維護(hù)成本c3，景觀效果c4，造價(jià)c5）［5］。其中c1和c5是兩個(gè)結(jié)構(gòu)性（定量）因素，c2、c3、c4是3個(gè)非結(jié)構(gòu)性（定性）因素。

依據(jù)橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、地面線形式、地質(zhì)水文等情況以及橋梁選型原則，構(gòu)成方案集V=（三塔扇形索矮塔斜拉橋v1，中承式鋼管系桿拱橋v2，上承式葵花形拱橋v3，無(wú)背索斜拉橋v4）［6-10］。

根據(jù)類似橋型方案指標(biāo)及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)建立橋型方案比較表（特征矩陣），如表2所示。

2.2 定性指標(biāo)優(yōu)越性排序

就定性指標(biāo)c2對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)越性定性對(duì)比，

表2 橋型方案比較表Tab.2 Comparison of bridge type schemes

建立優(yōu)越性定性排序特征值矩陣經(jīng)檢驗(yàn)，矩陣滿足優(yōu)越性排序一致性特征值矩陣的要求。對(duì)矩陣各行和數(shù)進(jìn)行從大到小的排列，得方案優(yōu)越性排序依次為2、4、1、3。依照上述方法對(duì)定性指標(biāo)c3、c4進(jìn)行排序。

2.3 確定相對(duì)隸屬度矩陣

2.3.1 定量指標(biāo)相對(duì)隸屬度c1、c5屬于越小越優(yōu)型指標(biāo)，應(yīng)用（5）式進(jìn)行計(jì)算，本文僅列出1r的計(jì)算過(guò)程。

則1r=（1.000，0.923，1.000，0.889）。

2.3.2 定性指標(biāo)相對(duì)隸屬度經(jīng)認(rèn)真考慮，認(rèn)為對(duì)指標(biāo)c2，優(yōu)越性排序?yàn)?的方案v3，與排序?yàn)?的方案v1相比為“略為”優(yōu)越；與排序?yàn)?的方案v4相比為“極其”優(yōu)越，與排序?yàn)?的方案v2相比為“明顯”優(yōu)越。查表1，即可得

2r=（0.667，0.111，1.000，0.429）。

類似地，可以確定指標(biāo)c3、c4的相對(duì)隸屬度。得到相對(duì)隸屬度矩陣為

2.4 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

將矩陣R進(jìn)行轉(zhuǎn)置得到?jīng)Q策矩陣根據(jù)（11）式，調(diào)用fmincon函數(shù)，解出

W=（0.218，0.148，0.134，0.153，0.347）。

2.5 計(jì)算各方案評(píng)價(jià)值

z1=0.114，z2=0.295，

z3=0.120，z4=0.287，由此得zmin=z1=0.114，即最優(yōu)方案為方案一。

2.6 優(yōu)選結(jié)果分析

從優(yōu)選結(jié)果可以看出，方案一略優(yōu)于方案三，明顯優(yōu)于其他方案。該方案施工難度、維護(hù)成本、造價(jià)適中，工期短，能和周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)，景觀效果好。因此方案一作為優(yōu)選方案較為合理。

3 結(jié)語(yǔ)

1）采用基于兩級(jí)模糊識(shí)別橋型優(yōu)選模型，通過(guò)對(duì)影響橋梁橋型選擇的不同指標(biāo)采用不同方法確定相對(duì)隸屬度，客觀地給出橋型方案評(píng)價(jià)值，降低人為判斷的影響。

2）根據(jù)兩級(jí)模糊識(shí)別模型的建立原理，采用多目標(biāo)最大距離法，建立多目標(biāo)最優(yōu)化模型，通過(guò)MATLAB軟件計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，簡(jiǎn)化傳統(tǒng)計(jì)算權(quán)重步驟，提高了計(jì)算精度。

（References）

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［3］劉新建，張瑞鳳.多目標(biāo)決策中一種確定權(quán)重的方法［J］.山西師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，16（3）：20-22.

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［5］張海龍.模糊數(shù)學(xué)在橋梁方案確定中的應(yīng)用［J］.橋梁建設(shè)，1993（3）：72-76.

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［7］中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［8］陳寶春.橋梁工程［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［9］金立新，郭慧乾.多塔斜拉橋發(fā)展綜述［J］.公路，2010（7）：24-29.

［10］吳巨軍，趙林強(qiáng).系桿葵拱橋設(shè)計(jì)研究［J］.公路，2007（9）：12-15.

（責(zé)任編輯：曾婷）

Optimization of Bridge Type Schemes Model Based on Two-Extreme Fuzzy Recognition

ZOU Huixin，ZHENG Jianrong*，WANG Shumei
（College of Traffic and Civil Engineering，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou 350002，F(xiàn)ujian，China）

Based on information of bridge type design scheme，objectively evaluates the bridge type scheme including qualitative index．Taking the design schemes of Mayang New Bridge as an re?search object，propose the method for qualitative index to solve relative membership grade．Multi-objective maximum distance method is introduced into the calculation of the index weight．Based on two-extreme fuzzy recognition theory，optimization of bridge type schemes model is estab?lished．The short tower cable-stayed bridge is the optimized outcome which is consistent with the objective reality．

bridge type scheme；fuzzy recognition；weight vector;relative membership grade；multi-objective maximum distance method

U442.54

A

1673-0143（2014）02-0041-04

2014-02-20

鄒惠鑫（1986—），男，碩士生，研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)。

*通信作者：鄭建榮（1964—），男，副教授，研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)。E-mail：364167349@qq.com