基于Vague集的路堑边坡设计方案的优选.pdf

第28卷第1期2011年1月公路交通科技JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopmentV01．28No．1Jan．2011文章编号：1002—0268(2011)01-0052—04基于Vague集的路堑边坡设计方案的优选项琴1’2，朱宏伟2(1．西南交通大学，四川成都610031；2．四川建筑职业技术学院，四川德阳618000)摘要：介绍了Vague集的基本概念和Vague集多准则评价模糊决策问题，构造了其记分函数，并将该决策理论应用于路堑边坡设计方案的优选问题中。分析了影响方案优选的基本因素，给出了工程造价、边坡稳定效果、占地、施工环境、施工难度和弃方量等评价指标，阐述了各备选方案的Vague集表达方法，为路堑边坡设计方案的选择提供了新的思路。最后以渝湘高速公路的某深挖路堑边坡为例，详细说明了该评价模型的应用步骤，并证实了该方法的有效性。研究表明，基于Vague集的路堑边坡方案优选模型，计算过程简单，评价结果可靠，具有较高的实用性。关键词：道路工程；路堑边坡；Vague集；方案优选中图分类号：TU416．1+3文献标识码：AOptimalOptionofDesignPlansforCuttingSlopeBasedonVagueSetXIANGQinl’-。ZHUHongwei2(1．SouthwestJiaotongUniversity，ChengduSiehuan610031，China；2．SichuanCollegeofArchitecturalTechnology，DeyangSichuan618000，China)Abstract：TheconceptaboutVaguesetandmulti·-criteriafuzzydecision··makingproblembasedonVaguesetwereintroduced，itsscorefunctionwasconstructed，andthistheoryofdecision—makingwasappliedtochoosetheoptimaldesignplanforcuttingslope．Thebasicfactorsthataffectthedecision-makingwereanalyzed，themulti-criteriasystemincludingcost，effectofslopestability，areaoccupation，constructionenvironment，difficultiesandvolumedisposablewassuggested．TheexpressionmethodofdesignplansbasedonVaguesetWasillustrated，whichprovidedanewwayofselectingdesignplansforcuttingslope．Finally，arepresentativeexampleofdeepcuttingslopeinYuxiangExpresswayprojectwasgiventoillustratetheapplicationprocessofthemodelindetailandtheeffectivenessoftheproposedapproachWasverified．Theresearchindicatesthatthemodelissimple，reliableandhashighusabilityinchoosingtheoptimaldesignplanforcuttingslope．Keywords：roadengineering；cuttingslope；Vagueset；optimaloptionofdesignplans0引言在山区修建高等级公路，不可避免地会遇到深挖路堑边坡。近年来，我国山区路堑边坡失稳事故频繁发生，对其进行处治设计时，设计方案的比选往往凭经验而定⋯。事实上，边坡设计既是一个系统优化问题，也是一个系统决策过程㈦：一方面加陡边坡可以减少废石剥离量，节省弃土场的占地面积及降低工程造价等；另一方面加陡边坡降低了边坡的稳定性，有可能增加边坡补救T程的费用。如果要提高边坡的可靠性，则需要采取稳同措施，如疏干排水，降低坡度，对其进行加固等，从而增加了费用。简言之，一个合理的边坡设计方案必须同时考虑满足多个目标，这些目标相互联系、相互制收稿兀期：2009—06—30基金项目：国家科技支撑计划课题(2008BAG07805)作者简介：项琴(1984一)，女，湖北天fJ人，博l：研究生，从事道路与铁道I：程决策研究．(mmxqin@163．eOlla) 第l期项琴，等：基于Vague集的路堑边坡没计方案的优选53约，形成了一种复杂的结构体系。同时，由于边坡设计对应于不同的边坡高度、位置和坡角，因而是多方案的。对于这种多f=t标多方案的结构体系，人们仅凭直觉和经验很难做f}{科学合理的判断和选择，而多目标决策则是解决这类问题的一种有效方法。的记分函数，并建立了合理的Vague集表示方法，这在避免或减少决策方法带来的失误上有较大的现实意义。1基本概念在决策方法的应用上，前人已经做了大量的研1·1Vague集究，总结起来，主要有灰色优选法‘31、模糊综合评设菇∈u(u≠∥)，定义闭区间h(茗)，1屯(菇)]价法H。5]、自然类比法№3等。本文在分析上述评价为Vague集A在点菇的Vague值。其中：t．(省)+方法的基础上，提出采用Vague集评价理论进行路厶(石)≤1，且有0≤“(髫)≤1，0<<-fa(石)≤1。堑边坡方案决策。Vague集实际上是推广了的模糊集“和厶分别称为Vague集A的真、假隶属函数，理论，不同的是，它同时包含了肯定与否定的信息，同时表示了支持和反对x∈A的隶属程度。使得它在处理不确定性问题时比传统的模糊集有更例如，在方案优化问题中，设方案Ai的特征用强的表示能力，且更具灵活性o¨。本文构造了合适Vague集表示为：Ai={(c。，[t；，，l—Z。])，(c2，[t吐，1一厶])，⋯，(c，，[t；f，l一厶])，⋯}，(1)那么，方案Ai满足评价指标Ci的程度为0；不满足方案的关键性技术经济指标(亦称特征指标)主要评价指标ci的程度为厶；踌躇度为1一t。一厶。有工程造价、边坡处治效果、占地、施工环境、施1．2记分函数工难度和弃方量等。利用层次分析法，确定每个评记分函数用来表示备选方案满足决策者要求的价指标的权重，建立如下的Vague集综合评价指标程度，记分值越高，方案越优。本文根据Vague集体系，见表l。的相似度‘83来构造记分函数。设2个Vague值为X=表1边坡设计方案的指标体豸[t；，1一六]，Y=[t，，1一^]，那么它们之间的相似度定义为：M(X,Y)-l一(糕+糕)o(2)假设方案评价指标为C={C，，C2，⋯，G}，对各评价指标按其重要性赋权，权苇分别为埘，，W：，⋯，埘。，其中，tt7l，W2，⋯，W。∈[0，1]，且Wl+W：+⋯+W。=1。令理想方案的所有Vague值均为[1，1]，根据备选方案与理想方案之间的相似度，本文定义如下记分函数：肘(Ai)2；iI哆(，一鼍一南)，(3)=、二十r：二I十r．：，式中，tg、兀分别为备选方案Ai对于评价指标cf的真、假隶属度。2基于Vague集的路堑边坡设计方案优选基于Vague集的路堑边坡设计方案优选步骤主要有：(1)建立影响边坡设计的评价指标体系，并确定各指标权重；(2)用Vague集表示每个方案的特征；(3)计算各方案的记分函数值，从而选择最优方案。2．1建立评价指标体系及权重对于一个多目标评价系统，指标体系的合理与否直接关系到最后的评价结果。影响路堑边坡设计Tab．1Multi-criteriasystemforchoosingdesignplansofcuttingslope特征指标权重工程造价0．25l7边坡处治效果0．2385占地0．1563施工环境施工难度译li毪0．16420．1374O．05I92．2建立备选方案的Vague集建立备选方案的Vague集有2种方法。一种是专家打分法【9j，即请专家根据评价指标，用10分制对备选方案打分。分数在区间[0，4)为反对意见，[4，6]为不确定性意见，(6，10]为支持意见。然后，对打出的分数经过归一化处理，即町得到备选方案的Vague集。这种方法要求多位专家的介入，比较麻烦。另一种方法是指标量化法¨0|，即通过计算或者评估得到能够反映各指标特性的有量纲数据，根据量化值计算真隶属度t和假隶属度／，以得到各方案的Vague集。这种方法灵活性强，不需要专家介入，故本文采用这种方法来建立备选方案的Vague集。对于获益瞄指标(即值越大，偏女擢谢高的指标)：￡：兰竺生×f堕二竺竺二鳖!r．(4)移哪一秒min、t，哪一口mi。，’‘ 公路交通科技第28卷，：旦×f堕3[型r(5)Fmax—Urain、／)nutx一13min，对于损失性指标(值越大，偏好程度越低的指标)：l：旦×f堕二dll／3，(6)秽m“一矽min、t，Ⅻ一Vmin，／=瓦--IJmin×(与兰掣)∞㈡，式中，秽为备选方案对于某指标的量化值；tI。，和移面。分别为该指标的理论最大值和理论最小值，移。，和移面。可根据经验或规范确定，也可取为各备选方案中该指标的最大值或最小值乘以一定系数得到。这样，对于2种指标，踌躇度均为：仃：l—f一／：1一f坚三塾一r。(8)、"Ⅻ一秽面n／显然，当秽=口一或口mi。时，仃=0；秽=(秽一+秽耐。)／2时，7r=1。本文中，对于定量指标，秽～等于各备选方案中该指标的最大值乘以系数1．05，秽。i。则等于各备选方案该指标的最小值乘以系数0．95；对于定性指标，移一为10，秽湍为0。3实例分析渝湘高速公路某深挖路堑边坡，施工中边坡滑塌，重新处治设计时，设计单位提供了4种方案。其相应技术经济指标数值与定性评价如表2所列，试作方案优选。下面应用Vague集理论进行4种方案的比较。表2边坡设计方案的特征指标量化值及Vague值Tab．2QuantizedvaluesofcharacteristicindexesandVaguevaluesforchoosingdesignplansofcuttingslope环境篱篙盖苫：篙絮篙’：嚣乞=；施，雄度篱未篙、笏。．[0。．矾093][。0埘．67，5]’[。0．伪．516]’[。0．．埘221]’弃方／⋯⋯⋯[O．922，[0．227，[O．084，[0．581(×104m3)12·821．524石15一j．955]j．511]≥148]’j．7971首先根据式(3)一式(6)计算各方案针对各评价指标的Vague值，以第1个方案的工程造价为例：秽=640，口。=710X1．05=745．5，秽一=630XO．95=598．5那么，745．5—640，l2X640—745．5—598．5|、“’●一一、，l————————————————————————————————————————一_!!qJ一745．5—598．56＼745．5—598．5J一0．544．，640—598．5．／l2X640—745．5—598．5|、”’J11—745．5—598．5“I745．5—598．5J一0．214。然后，根据式(2)，计算出4种方案的记分函数值为：M(A1)=0．576，M(A2)=0．439，肘(A，)=0．379，肘(A4)=0．586。比较M(A．)、M(A2)、M(A3)和M(A。)可知，显然最佳方案为方案4，方案1次之，其余2种方案较差。在实际工程中，亦采用了方案4作为本段边坡的处治方案。4结语路锈边坡方案的优选问题足公路建设中不可避免的问题。由于Vague集理论对于模糊概念具有较强的表示能力和灵活的记分方法，本文设计了基于Vague集的路堑边坡方案的优选方法。该方法计算过程简单，具有较强的实用性。在实际工程中。由于深挖路堑边坡系统本身具有许多不确定的因素，故应注意系统数据的收集及更新，以保证结果的可靠度。参考文献：·References：[1]沈大用．边坡设计方案的经济分析[J】．矿业快报，2005，5(5)：17一19．SHENDayong．EconomyAnalysisofSlopeDesignPlan[J]．ExpressInformationofMiningIndustry，2005，5(5)：17一19．[2]崔艺斌，陈晓斌．强度折减法在基坑边坡设计中的应用[J]．广州建筑，1999，37(1)：10—13．CUIYibin，CHENXiaobin．StrengthReducedMethodAppliedinSlopeofFoundationPit[J]．GuangzhouArchitecture，1999，37(1)：10—13．[3]唐树名，邓安福．深挖路堑边坡设计方案的灰色优选·[J]．重庆建筑大学学报，1999，21(2)：74—78．TANGShuming，DENGAnfu．GreyOptimalOptionsofDesignPlansforDeepCuttingSlope[J]．Journal0fChongqingJianzhuUniversity，1999，21(2)：130—131． 第1期项琴，等：基于Vague集的路堑边坡设计方案的优选55[4][5][6][7]谢全敏，夏元友．岩体边坡治理决策的模糊层次分析方法研究[J]．岩土力学与工程学报，2003，22(7)：1117—1120．X1EQuartmin，XIAYuanyou．FuzzyHierarchyAnalysisonDecisionMakingofRockmassSlopeTreatmentBasedonEntropyWeight[J]．ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2003，22(7)：1117—1120．叶万军，折学森．基于工程模糊集理论的边坡治理方案优化【J]．公路交通科技，2008，25(6)，30一33．YEWanjun，SHEXuesen．OptimizationMethodforTreatmentDecisionofSlopeBasedonEngineeringFuzzySetTheory[J]．JournalofHig}1wayandTransportationResearchandDevelopment，2008，25(6)，30—33．李萍，王秉纲．自然类比法在黄土路堑边坡设计中的应用研究[J]．公路交通科技，2009，26(2)：l一5．LIPing，WANGBinggang．StudyonAnMogismUsedinHighwayCuttingLoessSlopeDesign[J]．JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment，2009，26(3)：1—5．刘澜，戢晓峰．基于Vague集的道路交通状态决策信[8][9][10]息融合[J]．公路交通科技，2009，26(5)：112一115．LIULan，JIXiaofeng．RoadTrafficStateDecisionInformationFusionBasedonVagueSet[J]．JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment，2009，26(5)：112—115．徐风生．Vague集相似度量方法[J]，计算机工程与应用，2009，45(5)：53—54．XUFengsheng．MethodforSimilarityMeasuresbetweenVagueSets[J]．ComputerEngineeringandApplications，2009，45(5)：53—54．谭满春。李丹丹．基于Vague集的公交出行路径选择方法[J]．中国公路学报，2008，21(3)：86—90．TANManchun，LIDandan．RouteChoiceApproaehonTransitT陷ve】BasedonVagueSet[J]．ChinaJournalofHighwayandTransport，2008，21(3)：86—90．徐凤生，Vague集相似度链方法[J]．计算机科学与应用，2009，45(5)：53—54．XUFengsheng．MethodforSimilarityMeasuresbetweenVagueSets[J]．ComputerEngineeringandApplications，2009，45(5)：53—54．、妒毡—、妒pp、p吣，、ppp、一ppppppppppppppppppppp、妒q—、一pppppppppp≯p、j声(上接第36页)P．R．China．MinistryofCommunications．JTGE42—2005TestMethodsofAggregatesforHighwayEngineering[S]．Beijing：ChinaCommunicationsPress，2005．[5]中华人民共和国交通部．JTJ03402000公路路面基层施工技术规范[s]．北京：人民交通出版社，2000．P．R．China．MinistryofCommunications．JTJ034—2000TechnicalSpecificationsforConstructionofHighwayRoadbases[s]．Beijing：ChinaCommunicationsPress，2000．[6]中华人民共和国交通部．JTG057—94公路工程无机结合料稳定材料试验规范[s]．北京：人民交通出版社，1994．P．R．China．MinistryofCommunications．JTG057—94TestMethodsofMaterialStabilizedwithInorganicbindersforHighwayEngineering[S]．Beijing：ChinaCommunicationsPress，1994．[7]陈潇，周明凯，蔡智，等．水泥粉煤灰稳定碎石的力学参数体系研究[J]．公路交通科技，2009，26(3)：33—37．48．CHENXiao，ZHOUMingkal，CAIZhi，eta1．ResearchonMechanicalParameterSystemofCementFly-ashStabilizedCrushedStones[J]．JournalofHighwayand[8][9][10]TransportationResearchandDevelopment，2009，26(3)：33—37，48．余秀峰，周明凯，李伟男，等．水泥粉煤灰路面基层材料工程实验研究[J]．武汉理工大学学报，2007，29(9)：122—125．YUXiufeng，ZHOUMingkai，LIWeinan，eta1．ExperimentalResearchontheCement—flyAshRoadBaseMaterial[J]．JournalofWuhanUniversityofTechnology，2007，29(9)：122—125．孙廷选．水泥粉煤灰稳定碎石基层路用性能研究[J]．公路，2004(9)：137—142．SUNTingxuan．StudyonRoadPerformanceofCement-flyashMacadamBase[J]．Highway，2004(9)：137—142．陈志国，王哲人，赵长虹．火山灰路面基层路用性能研究及机理分析[J]．公路交通科技，2008，25(8)：15—20．30．CHENZhiguo，WANGZheren，ZHAOChanghong．ResearchonPavementPerformanceofVolcanicAshRoadBaseandItsMechanism[J]．JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment，2008，25(8)：15—20，30．