BWM评估方法在桥梁评估中的应用*

2023-11-01陈金州李耘宇张智成

交通科技 2023年5期

陈金州夏飞李耘宇张智成

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司武汉 430212; 2.武汉理工大学交通与物流工程学院武汉 430063)

我国的桥梁建设事业发展迅速,目前正在服役的桥梁数目庞大,耐久性和安全性问题日益凸显,对其进行科学有效的针对性评估越发重要。现有的桥梁评估有方法很多种,主要可分为2大类:综合评估和人工智能评估。外观检测评估、荷载试验评估、层次分析法、模糊算法、基于可靠性评估方法、基于灰色理论评估法和基于设计规范的评估方法等可归为综合评估体系;而基于神经网络、遗传算法、贝叶斯网络的评估方法则应归为人工智能评估方法。

国内外在复杂桥梁系统病害风险分析、桥梁结构整体安全等级评估,以及推理诊断事故致因等方面进行了广泛的研究,并取得了一定的成果。Miyamoto等[1]在现有桥梁评估方法的基础上,基于质量可靠和成本优化之上提出了一种高效的桥梁管理系统;黄志伟等[2]深入研究了现有模糊综合评价在评价等级和合成算子方面的选择问题;M. Rashidi等[3]利用优先级发展法建立了一种可判断桥梁整体情况的桥梁评估模型。Amol Mankar等[4]提出了可对桥梁结构进行耐久性评估的概率模型年;陈小波等[5]通过获取得到桥梁的实测数据,采用熵权法-TOPSIS法对桥梁韧性进行全面综合的评估;徐望喜等[6]基于可靠度与贝叶斯更新理论,提出了综合考虑评估基准期与历史服役荷载的评估分项系数取值方法。

BWM(best worst method)方法是一种解决多准则决策问题(MCDM)的新方法,该方法被广泛应用于供应链管理、金融行业等许多领域的评价体系中。国内外众多学者对BWM方法有着较为深入的研究,S.Sadaghiani等[7]在评估影响油气行业供应链的外部因素时用到了此方法,以指导油气公司识别可能驱动(阻碍)其实施SCSCM的外部力量。Torabi等[8]提出了一种基于企业信息管理系统的增强风险评估框架,并利用BWM方法进行了系统的风险评估。S.Ghaffari等[9]使用这种方法来评估技术创新发展中的关键因素。J.Rezaei等[10]使用这种方法在判断物流绩效指标重要性上取得了突破。在中国,BWM方法的研究和应用较少,一般是作为方案比较的决策方法[11-12]。除此之外,BWM还可与模糊理论相结合,利用模糊集[13]、三角模糊数、区间数等来反映BWM中的不确定性,提高了决策者表达观点的准确性。

本文依托于湖北省交通运输厅科技项目中小跨“径梁板式危桥病害分析与改造策略研究”(项目编号:KJFZ-2020S-004),以“梁板式危桥技术状况等级评定”等为重点研究内容,针对中、小型梁板式危桥的典型病害进行评估。考虑到梁板式旧危桥的实际数量及结构特点,为满足高效、准确、客观地对其进行评估,作者构建了旧桥综合评价体系,并首次将BWM评估方法引入到桥梁评价体系中;同时,以实际桥梁为例,详细阐述BWM在综合评估体系中应用的步骤与过程,说明该方法的可行性和有效性。

1 BWM方法优势

BWM是一种新的多准则决策方法,它基于一种结构化的成对比较方式,能把定性因素定量化。专家只需要提供参照比较的偏好程度,将其转化成为最大、最小问题并公式化表达,通过一致性的检验校正偏好程度的逻辑正确性。Rezaei将BWM与AHP方法进行了一致性比率、最小违背、总偏差、一致性四方面的比较已明确表示,相较于AHP等方法,BWM方法在一定程度上减少了主观影响,且具有更高的一致性,使得评价更趋于科学化。

与AHP相比较,BWM方法有着如下的具体优势。

1) 需要的比较数据较少,专家或决策者评分过程更简单。AHP、BWM方法实施示意图见图1、图2。

图1 AHP方法实施示意图

图2 BWM方法实施示意图

通过简单对比图1和图2不难发现,对于n个项目,采用AHP两两比较法需要获得(n2-n)个数据。BWM方法简化了操作流程,只需要把(n-2)个项目分别与最优和最劣对比从而获得(2n-3)个数据。

4、强化全社会的环境保护意识和林业资源保护意识。林业资源的破坏引发了一系列的生态环境问题，比如，水土流失、土地沙漠化等，相关政府部门应加强林业资源保护工作的宣传力度，鼓励绿色经济和集约型经济的快速发展。加强与其他国家地区关于林业资源保护领域的研究合作，学习借鉴其他国家地区在林业资源管理方面取得的成功经验，不断的调整和完善我国林业资源发展机制。

2) BWM方法只需要表达整数范围1～9两两比较的结果,比AHP方法涉及分数的方法更简单有效。

3) 结果更加可靠。BWM方法减少了数据量,相比AHP方法不会出现逻辑不一致的问题。一致性指标更容易通过一致性检验,一致性指标的值越小,说明得到的数据可靠性越高。

2 BWM方法实施步骤

其实施基本步骤如下。

假设某指标体系存在n个指标,定义为{c1,c2,…,cn}

1) 在指标中进行初步打分,选择最优指标cB和最劣指标cW。

2) 利用1～9的标度值构造cB对所有指标的最优准则向量(best-to-others)AB=(aB1,aB2,…,aBn),其中aBj(向量第j个数)表示最优指标cB对指标cj的偏好程度,且aBB=1。

(1)

wj≥0,j∈N

5) 检查一致性。一致性是判断最优、最劣偏好度逻辑正确性和结果可靠性的重要指标,需将一致性限定在某一范围内。此时,引入BWM偏好信息一致性比率CR对一致性进行判断,其值可由式(2)进行计算

(2)

式中:CI为一致性指标;CR∈[0,1]。当一致性比率CR等于0时,即ξ*=0,偏好信息为完全一致,而一致性比率CR越大,偏好信息的一致性程度越低。Rezaei认为当CR<0.1时,偏好信息满足一致性要求。

3 中小跨径梁板式桥梁综合评价指标体系

桥梁评估的主要内容包括承载能力评估、耐久性评估、使用性评估、损伤状态评估。在建立模型的过程中,主要从以下几个因素来考虑:①满足完全性原则:模型应整体反映桥梁的工作状态;②满足简捷性原则:在满足安全性原则的前提下,应尽可能减少模型中指标的数量;③满足客观性原则:评估指标要求不同桥梁之间具有可比性和通用性。本文基于现有中、小型梁板式危桥的典型病害的归纳、总结,将旧桥的综合评估从安全性、耐久性、适用性、加固经济性这4个方面进行讨论,以此为基础构建起来的综合评估体系见图3。指标之间交叉渗透,共同作用于桥梁,对桥梁进行定期的综合评价与评估,便于掌握其整体状态。

图3 桥梁综合评价指标体系结构图

3.1 安全性和耐久性

桥梁结构承载着经济民生和科技进步,是国家的命脉,桥梁安全关系着国计民生。然而,由于长时间暴露在自然环境中,受到雨雪、阳光和大风侵蚀,造成外部混凝土劣化,内部钢筋材料锈蚀等情况,破坏整体结构,降低桥梁结构承载力、缩短使用寿命,严重影响桥梁的安全性。通过对旧桥安全性和耐久性的评估,对桥梁结构整体安全状态进行把握。

3.2 适用性

桥梁适用性即在正常运营状态下,判断桥梁的工作性能能否在保持良好状况的指标。桥梁作为交通运输的咽喉,其运营状态对保障交通的正常安全通行、提高运营效益具有非常重要的作用,因此备受社会各界的关注。尤其是近些年来,随着通车年限的增长及桥梁养护等因素造成外部荷载情况发生变化等,桥梁是否能满足交通状况的需要、桥梁检测与维护如何开展等问题,越来越受到关注。

3.3 加固经济性

在役桥梁随着时间的推移,必定会受到环境的侵蚀和影响,导致结构性能的退化与损伤,因此对其进行维修和加固是在所难免的。桥梁生命周期内的维修费用占总成本的比例较大,需要从维修加固费用、维修加固质量、近期与未来影响的经济效益等方面进行考虑,即桥梁的维修加固策略本质上是一个投入产出比的问题。由此可见,在旧桥的综合评价中,除桥梁全寿命周期的问题,建设与养护平和的问题亦值得关注。

4 实例介绍

易家桥是位于宜城市上的一座板拱桥,桥梁全长22.8 m,桥跨组合为1×10 m+1×4 m;桥面全宽7.2 m,原设计荷载等级为公路-II级。可根据上述BWM计算方法的原理及计算流程,基于图3中的安全性B1对应的一级指标主梁/板C1中的二级指标层进行评估与打分,以实例说明BWM方法实施的具体步骤与流程。

根据图3所示综合评估指标体系结构图,不难得到所需打分与评价二级指标层级中的具体项目,见图4。

图4 安全性评估指标层

按照第2节中的步骤和方法,尝试对二级指标进行打分,本例中有3个决策指标分别见图4中D1、D2、D3。决策者首先选定D1为最重要指标,D3为最不重要指标,各指标比较分值与构成向量见表1。

基于数学规划方法对其进行求解最优权重w*=(0.595 6,0.331 2,0.073 2),最优目标值ξ*=1.21。进行一致性判定CR=ξ*/CI=0.271>0.1,并不满足CR<0.1的要求,说明对于最优、最劣的比较偏好度存在一定的逻辑误差,此时,需重新进行偏好度比较或修正进而求得正确的最优权重值。

重新构建最优与最劣向量,各指标比较信息结果见表2。

此时,最优目标值ξ*=0.355,对其一致性进行判断CR=ξ*/CI=0.079 4<0.1,表明偏好信息满足一致性,由此得到的权重值w*=(0.577 4,0.350 7,0.071 9)为该层级各个指标的最优权重值。