本發(fā)明涉及一種屬隧道結構安全評估領域，具體涉及一種考慮評價指標相關性和評價指標等級影響的變權重的地鐵隧道結構安全模糊綜合評價方法。
背景技術：
：隨著國民經(jīng)濟的進一步發(fā)展，城市化進程的不斷加快，城市規(guī)模將逐漸擴大，而城市軌道交通在市民出行方面起到了重要的作用。近年來，越來越多的地鐵項目在各大中城市中建成并投入使用。然而隨著時間的推移，地鐵隧道在外界各種環(huán)境條件的影響下，其結構性態(tài)不斷發(fā)展變化，結構病害不斷出現(xiàn)，材料耐久性不斷下降，直至影響其使用的安全性和功能性，如何綜合、全面的評價運營期間地鐵隧道的安全成了一個刻不容緩的課題。目前關于隧道安全綜合評價方法主要有以下幾種：(1)故障類型影響分析法(FMEA)根據(jù)各類故障類型的嚴重程度劃分危險等級，列出與子系統(tǒng)相對應的故障類型或因素。這種方法的特點是故障因素內(nèi)容和對應的危險程度一目了然，缺點是故障因素對應的危險等級固定，不具有靈活性，并且故障因素與故障因素之間以及故障因素與系統(tǒng)之間沒有太大關聯(lián)。(2)事故樹分析法(FTA)事故樹分析法是一種從一個可能的事故開始層層往上探尋事故原因的事故分析法，因為層層向上如樹枝一樣被稱為事故樹。這種方法的優(yōu)點是邏輯清晰，分析演繹大型復雜系統(tǒng)可靠度和安全狀況，但是對所有的評價指標采用同樣的重要度。(3)致命度分析法(CCA)致命度分析法主要對系統(tǒng)中各個不同的嚴重故障模式計算臨界值，通常與FMEA合用，稱作故障類型影響及致命度分析法(FMECA)。作為FMEA的延續(xù)，F(xiàn)MECA在評價系統(tǒng)安全度的時候也有故障因素對應危險等級固定，故障因素非好即壞等缺點。(4)層次分析法(AHP)層次分析法是現(xiàn)在評估工作中較常用的分析方法，本質(zhì)是通過兩兩對比找出因素之間重要度關系，得出判斷矩陣，在經(jīng)過判斷矩陣的一致性檢驗后將判斷矩陣最大特征值對應的特征向量分量進行歸一化處理得到各因素的權重向量。缺點是指標過多時數(shù)據(jù)統(tǒng)計量大，權重難以確定，且特征值和特征向量的精確求法比較復雜。(5)模糊綜合評價法(FCE)模糊綜合法建立于模糊數(shù)學的基礎上，通過模糊算子作用于各因素權重向量和隸屬度矩陣得出安全評估向量。模糊數(shù)學在解決評估問題中有著得天獨厚的優(yōu)勢，它可以將定性分析的處理條件以定量結果輸出，從而提高了模糊綜合評價法的適用范圍，尤其適合在多因素復雜的情況下運用。(6)專家系統(tǒng)法專家系統(tǒng)法就是依據(jù)專家的知識，模擬專家的推理來解決具體問題。在隧道工程設計、施工和管理方面，都存在一些不確定性的因素，而理論研究還沒有涉及的因素一般難以用數(shù)值計算來解決。使用專家系統(tǒng)法，能以近似專家的水平來解決問題。但是這種方法需要采集大量同領域的專家進行知識，而采集專家個人經(jīng)驗的知識是比較困難的?，F(xiàn)有的評估方法主要存在以下兩個方面的問題：1、雖然國內(nèi)外的專家學者采取了各種方法對影響隧道結構安全的各因素進行了綜合性評價，但是鮮有考慮因素間相關性和評價等級對權重影響的綜合性評價的現(xiàn)有技術披露。在實際運營期間，由于地下情況的特殊性和復雜性，隧道性態(tài)評價指標之間表現(xiàn)出強烈的相關性。2、通常的安全評估方法中需要運用到各因素的權重，目前通常采用常權重的方法，而事實上，各因素在其處于不同狀態(tài)的情況下占的權重不是常量?？紤]到上述兩種因素，使用常權重系數(shù)并不能準確評價隧道結構安全狀態(tài)的真實情況，需要進行變權重處理，合理評價隧道結構安全狀態(tài)。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種地鐵隧道結構安全評估的方法，能對地鐵隧道的安全狀態(tài)作出評價。本發(fā)明采用以下技術方案：一種地鐵隧道結構安全評估的方法，其特征是按如下步驟實施：(1)考慮各指標檢測的可操作性以及對隧道結構安全描述的綜合周密性，基于隧道結構安全受力和變形特點，確定隧道的結構安全評價指標體系。本發(fā)明選取了滲漏水、縱向沉降、橫向收斂、錯臺、裂縫、管片破損6個評價指標。指標的選取遵循以下原則：科學性原則、相對完備性原則、簡捷性原則、相對獨立性原則、可操作性原則、層次性原則；(2)根據(jù)現(xiàn)有的安全等級劃分方法、相關規(guī)范以及隧道受力和變形控制標準確定評價指標的分級標準；(3)以乘積標度法為基礎，確定指標權重向量；(4)收集6個指標的現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，根據(jù)指標檢測值，結合各指標的分級標準，計算各指標的隸屬度向量組成隸屬度矩陣；(5)根據(jù)各指標之間的相關性和指標評價等級進行變權重處理；(6)用模糊綜合評價原理計算模糊綜合評價向量，按照最大隸屬度原則確定評級結果。進一步地，步驟(5)中根據(jù)各指標之間的相關性和指標安全狀態(tài)等級進行變權重處理的步驟如下：(1)對各指標進行分析，確定各指標之間的相關性以及相關性的強弱程度，據(jù)此進行第一次變權重處理；(2)根據(jù)每個指標的評價等級進行第二次變權重處理，為提高安全性，應提高高危等級隸屬度高的指標；(3)將調(diào)整后的權重向量進行歸一化處理，得到新的權重向量。進一步地，變權重處理方法如下：若某一指標受其他一個或多個指標影響較大，則應降低該指標的權重；若某一指標的隸屬度向量顯示該指標所處的危險等級較高，則應提高對該指標的重視程度，提高該指標的權重。步驟(6)中運用模糊綜合評價原理進行綜合評價，使定性的評價指標定量化。評價過程中對指標權重進行調(diào)整，使評價結果更加科學合理。步驟(5)中所述的變權重處理方法，其具體步驟如下：(1)對各指標進行分析，確定各指標之間的相關性以及相關性的強弱程度，據(jù)此進行第一次變權重處理。ωri＝ηωi其中，ωri為修正后的權重，ωi為修正前的權重，η為折減系數(shù)。當指標完全相關時(即某指標完全由另一指標引起時)取η為0，指標相關性強時取η為0.33，指標相關性弱時時取η為0.66。(2)根據(jù)每個指標的評價等級進行第二次變權重處理，為了突出處于較差等級的評價指標對最終評價結果的影響，應提高其權重，避免高危等級指標被平均化。變權重過程如下：常權重向量為[Wi]＝{ω1,ω2,ω3…ωn}設經(jīng)過變權重處理的權重向量為[Wri]＝{ωr1,ωr2,ωr3,…,ωrn}式子中ωri(i＝1,2,...,n)分別為評價指標{ci}的權值。設評價指標在最極端情況下的權向量為[W0i]＝{ω01,ω02,ω03,…,ω0n}式子中ω0i(i＝1,2,...,n)為其所對應的評價指標所處等級最差而其他指標所處等級最好時的權重。因此，ωi≤ω0i≤1，并且有ωri≤ω0i≤1，為保證后續(xù)公式中λ0i的合理計算，[W0i]＝{0.99,0.99,0.99,…,0.99}。當其他因素評價等級一定時，因素i的權重ωi隨著其危險程度的提高而提高；當因素i的評價等級一定時，其權重ωi隨著其他因素危險程度的提高而下降。經(jīng)過變權重處理后的指標權重為式中，λi為函數(shù)，可以表示為：λ0i、λ*、vi、mi為計算參數(shù)，可以根據(jù)[Wi]、[W0i]求得，其中：vi根據(jù)指標等級計算得到的百分制評分vi＝ri1×12.5+ri2×37.5+ri3×62.5+ri4×87.5rij為評價指標i對等級j的隸屬度Ri＝(ri1,ri2,ri3,ri4)為評價指標i的隸屬度向量(3)將調(diào)整后的權重向量進行歸一化處理，得到新的權重向量。本發(fā)明以模糊綜合評價方法為基礎，考慮了各評價指標的相關性和評價指標等級影響，進行了變權重處理，使得評價方法更加科學合理，和其他評價方法相比，具有如下特點：(1)建立于模糊數(shù)學的基礎上，在解決評估問題中有著得天獨厚的優(yōu)勢，可以將定性分析的處理條件以定量結果輸出，從而提高了模糊綜合評價法的適用范圍。(2)通過模糊算子作用于各因素權重向量和隸屬度矩陣得出安全評估向量。(3)考慮了各評價指標的相關性。各個評價指標之間并不是完全獨立的，而是有一定的相關性，某一指標的變化會對另一指標產(chǎn)生影響。(4)考慮了指標等級對權重向量的影響，指標危險等級越高，對應的權重越高。(5)采用最大隸屬度原則，選取模糊綜合評價向量中最大隸屬度對應的等級為評價結果。附圖說明圖1為病害示意圖。圖2為本發(fā)明的流程圖。圖3為隸屬度函數(shù)示意圖。圖4為評價指標相關性示意圖。具體實施方式參見圖1，實施步驟如下：(1)綜合考慮各指標檢測的可操作性以及對隧道結構安全的影響程度，選取合適的評價指標，建立隧道結構安全評價指標體系；(2)根據(jù)現(xiàn)有的安全等級劃分方法、相關規(guī)范以及隧道結構受力和變形控制標準確定評價指標的分級標準；(3)選用合理的隸屬度函數(shù)，根據(jù)各指標的檢測值，結合各指標的分級標準，計算各指標的隸屬度向量；(4)將各指標的隸屬度向量組合成評價指標的隸屬度矩陣；(5)比較各指標的重要性，以乘積標度法為基礎，確定各評價指標的權重，得到權重向量；(6)考慮各指標之間的相關性以及指標評價等級，對權重向量進行變權重處理；(7)采用模糊綜合評價方法，將修正后的權重向量與評價指標隸屬度矩陣相乘，得到最終的模糊綜合評價向量；(8)按照最大隸屬度原則，模糊綜合評價向量中最大隸屬度對應的等級即為評價結果。下面通過實例進一步描述本發(fā)明。在實際監(jiān)測中選擇一環(huán)作為計算實例，各指標的監(jiān)測結果如表2所示。表2各指標實測值因素狀態(tài)滲漏水C1III級(有部分濕跡)縱向沉降C2曲率半徑7587m橫向收斂C3收斂值75mm錯臺C40裂縫C50管片破損C60(1)權重向量綜合9/9～9/1標度法、10/10～18/2標度法和指數(shù)標度法提出乘積標度法，若A指標比B指標的權重稍微大，則他們的比為1.354:1，若A指標比B指標的權重比稍微大還要稍微大，則他們的比為(1.354×1.354)：1＝1.833:1。在6個指標中，認為縱向沉降、橫向收斂、錯臺為重要性“相同”的因素，而這三個因素比較與滲漏水是“稍微大”，在對裂縫和管片破損比較時是比“稍微大”更“稍微大”，而滲漏水比較裂縫與管片破損是“稍微大”的，裂縫與管片破損為“相同”。因此6個指標的權重之比為[ωi]＝(1.354,1.833,1.833,0.207,1,1)T歸一化后得到6個指標的權重向量為[ωi]＝(0.153,0.207,0.207,0.207,0.113,0.113)T(2)計算單因素隸屬度向量隸屬度函數(shù)選為正態(tài)型圖3為隸屬度函數(shù)的示意圖，b0,b1,...,bn-1為各指標的等級劃分點，a0,a1,...,an-1為各段的中點，an＝1.5×bn-1。表3-表8為6個指標的控制等級表。表3滲漏水指標控制等級表等級具體情況IV滿足國家二級防水技術的要求；III腰部有輕微滲水；隧道頂部滲水；無泥沙；II底部輕微滲水；腰部滲水明顯；I涌水；有堆積的泥沙；有連續(xù)滲流，表面可見水膜；或線流。表3縱向變形指標控制等級表等級縱向變形曲率半徑對應狀態(tài)IV大于15000正常III4700～15000無法達到設計要求II3000～4700接頭螺栓屈服I小于3000接頭張開量無法滿足表4橫向變形指標控制等級表等級橫向直徑變化量％D對應狀態(tài)IV小于0.5正常III0.5—1超過設計要求II1—1.5螺栓達到屈服強度I大于1.5混凝土達到強度標準值表5錯臺指標控制等級表等級錯臺高度mm對應狀態(tài)IV小于4正常III4—8超過設計標準II8—10螺栓屈服變形I大于10混凝土與螺栓之間壓力過大表6裂縫寬度指標控制等級表等級裂縫寬度(mm)IV小于0.05III0.05—0.1II0.1—0.2I大于0.2表7管片破損指標控制等級表等級管片破損(cm2)IV＜20III20～100II100～200I＞200由隸屬度函數(shù)計算隸屬度時，除縱向變形指標外，其他指標u1表示隸屬于IV級的隸屬度，u2表示隸屬于III級的隸屬度，u3表示隸屬于II級的隸屬度，u4表示隸屬于I級的隸屬度，對于縱向沉降，控制縱向沉降曲率半徑的閾值分別為15000m、4700m、3000m，4個函數(shù)中的參數(shù)均已知，將x＝7587m帶入可得Rc2＝(00.1110.8890)同理可得另外5個指標的隸屬度向量為Rc3＝(00.9410.0590)Rc1＝(0010)Rc4＝(0001)Rc5＝(0001)Rc6＝(0001)可以得到各因素隸屬度矩陣(3)變權重處理①.考慮各指標的相關性進行變權重經(jīng)過分析，認為滲漏水大部分由縱向沉降、橫向收斂和錯臺引起，所以取η＝0.33歸一化處理后[ωri]＝(0.059,0.238,0.238,0.238,0.113,0.113)歸一化時無關指標的權重保持不變。②.考慮各指標評價等級進行變權重采用前文所述變權重方法可得考慮隸屬度向量后的權重[ω'i]＝{0.058,0.239,0.372,0.169,0.081,0.081}(4)計算模糊綜合評價向量得Z＝(00.3770.2920.331)即認為綜合評價結果Z隸屬于IV級的隸屬度為0.331，隸屬于III級的隸屬度為0.292，隸屬于II級的隸屬度為0.377。根據(jù)最大隸屬度原則，選取模糊綜合評價向量中最大隸屬度對應的等級為評價結果，該實例的評價結果為II級。當前第1頁1 2 3