本發(fā)明屬于水工隧洞工程，涉及基于云-證據(jù)理論的寒區(qū)水工隧洞襯砌服役狀況評(píng)價(jià)方法。

背景技術(shù)：

1、在世界各地的水電站建設(shè)中，水工隧洞發(fā)揮著不可或缺的作用。隨著服役年限的增加，隧洞襯砌難免出現(xiàn)脫空、裂縫和滲漏等病害，給工程安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅。尤其是寒冷地區(qū)，大面積的結(jié)冰現(xiàn)象以及凍融循環(huán)作用使得襯砌強(qiáng)度進(jìn)一步劣化。出于安全考慮，需要根據(jù)水工隧洞襯砌病害檢測(cè)結(jié)果，評(píng)價(jià)襯砌結(jié)構(gòu)的服役狀況，為工程管理和維護(hù)決策提供參考。

2、隧洞襯砌服役狀況評(píng)價(jià)體系尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，往往依靠工程師自身積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)單一病害的影響程度進(jìn)行評(píng)估，以此來(lái)確定隧洞襯砌是否應(yīng)該進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)。隨著數(shù)學(xué)方法在工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，基于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的隧洞病害數(shù)據(jù)，結(jié)合一定的數(shù)學(xué)方法和模型，建立綜合、客觀、全面的多屬性評(píng)價(jià)體系，成為當(dāng)下水工隧洞襯砌服役狀況評(píng)價(jià)的趨勢(shì)。多屬性評(píng)價(jià)的核心是將指標(biāo)在評(píng)價(jià)基準(zhǔn)各等級(jí)的隸屬度融合成綜合隸屬度，最終確定評(píng)價(jià)結(jié)果。而指標(biāo)隸屬度通常以專家評(píng)分方式獲取，具有較強(qiáng)的模糊性與隨機(jī)性，以及對(duì)信息認(rèn)知的不確定性，這些特性對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響。此外，不同類別的評(píng)價(jià)信息之間可能存在一定的沖突性，將導(dǎo)致融合評(píng)價(jià)結(jié)果可能嚴(yán)重脫離實(shí)際。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供基于云-證據(jù)理論的寒區(qū)水工隧洞襯砌服役狀況評(píng)價(jià)方法，解決了現(xiàn)有隧洞襯砌服役狀況評(píng)價(jià)方法未能有效考慮模糊性、隨機(jī)性和沖突性，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性低的問題。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，基于云-證據(jù)理論的寒區(qū)水工隧洞襯砌服役狀況評(píng)價(jià)方法，包括以下步驟：

3、步驟1，構(gòu)建寒區(qū)水工隧洞襯砌服役狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，劃分評(píng)價(jià)等級(jí)，并制訂評(píng)價(jià)基準(zhǔn)，根據(jù)襯砌病損檢測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算指標(biāo)評(píng)分；

4、步驟2，通過(guò)云模型將指標(biāo)評(píng)分轉(zhuǎn)換為各評(píng)價(jià)等級(jí)的指標(biāo)隸屬度，引入不確定概率將指標(biāo)隸屬度轉(zhuǎn)化成證據(jù)理論的指標(biāo)mass函數(shù)；

5、步驟3，計(jì)算各指標(biāo)的動(dòng)態(tài)、主觀、客觀權(quán)重，對(duì)三種權(quán)重進(jìn)行組合，得到博弈組合權(quán)重；

6、步驟4，將博弈組合權(quán)重與指標(biāo)mass函數(shù)進(jìn)行加權(quán)，形成加權(quán)證據(jù)，并基于融合規(guī)則對(duì)加權(quán)證據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到綜合mass函數(shù)，根據(jù)最大隸屬度原則，確定水工隧洞襯砌服役狀況所屬的評(píng)價(jià)等級(jí)。

7、其中，步驟1具體過(guò)程如下：

8、步驟1.1，構(gòu)建寒區(qū)水工隧洞襯砌服役狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，包括3個(gè)一級(jí)指標(biāo)和12個(gè)二級(jí)指標(biāo)，一級(jí)指標(biāo)為裂縫、滲漏、脫空，二級(jí)指標(biāo)為裂縫寬度x1、裂縫長(zhǎng)度x2、裂縫位置x3、裂縫類型x4、滲漏位置x5、滲漏類型x6、冰凍狀態(tài)x7、脫空位置x8、脫空深度比x9、最大脫空深度x10、最大脫空長(zhǎng)度x11、脫空長(zhǎng)度比x12；

9、步驟1.2，將寒區(qū)水工隧洞襯砌服役狀況分為5個(gè)等級(jí)：完好無(wú)損，輕微受損、中度受損、嚴(yán)重受損、極端受損；

10、步驟1.3，為了基于一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)定性指標(biāo)和定量指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，根據(jù)病害對(duì)隧洞安全的影響程度對(duì)指標(biāo)進(jìn)行等級(jí)劃分，并賦予相應(yīng)的分值，最終將這一指標(biāo)不同等級(jí)數(shù)量和等級(jí)評(píng)分進(jìn)行加權(quán)平均，并將其映射到[0,1]區(qū)間內(nèi)，獲得指標(biāo)評(píng)分結(jié)果。

11、步驟1.1中，脫空深度比＝脫空深度平均值/襯砌厚度，脫空長(zhǎng)度比＝累計(jì)脫空長(zhǎng)度/隧洞總長(zhǎng)度。

12、步驟1.3中，指標(biāo)等級(jí)及對(duì)應(yīng)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示：

13、表1寒區(qū)水工隧洞襯砌服役狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

14、

15、表1中，裂縫寬度x1的單位為mm，裂縫長(zhǎng)度x2的單位為m，最大脫空深度x10的單位為cm，最大脫空長(zhǎng)度x11的單位為m。

16、步驟2具體過(guò)程如下：

17、步驟2.1，采用黃金分割法將5個(gè)等級(jí)的定性概念轉(zhuǎn)換為云模型，取論域?yàn)閇0,1]，中間云為c0(ex0,en0,he0)，左右相鄰的云分別為c-1(ex-1,en-1,he-1)，c+1(ex+1,en+1,he+1)，c-2(ex-2,en-2,he-2)，c+2(ex+2,en+2,he+2)，各云的數(shù)字特征計(jì)算公式如下所示：

18、

19、式中，ex0為等級(jí)ⅲ的期望，en0為等級(jí)ⅲ的熵，he0為等級(jí)ⅲ的超熵，ex-1為等級(jí)ⅱ的期望，en-1為等級(jí)ⅱ的熵，he-1為等級(jí)ⅱ的超熵，ex+1為等級(jí)ⅳ的期望，en+1為等級(jí)ⅳ的熵，he+1為等級(jí)ⅳ的超熵，ex-2為等級(jí)ⅰ的期望，en-2為等級(jí)ⅰ的熵，he-2為等級(jí)ⅰ的超熵，ex+2為等級(jí)ⅴ的期望，en+2為等級(jí)ⅴ的熵，he+2為等級(jí)ⅴ的超熵，xmax為論域的上界，xmin為論域的下界；

20、步驟2.2，通過(guò)公式(1)、公式(2)和公式(3)計(jì)算5個(gè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)云模型，計(jì)算結(jié)果如表2所示：

21、表2標(biāo)準(zhǔn)云模型計(jì)算結(jié)果

22、 等級(jí) 描述 云模型 ⅰ 完好無(wú)損 (0.000，0.104，0.013) ⅱ 輕微受損 (0.309，0.064，0.008) ⅲ 中度受損 (0.500，0.039，0.005) ⅳ 嚴(yán)重受損 (0.691，0.064，0.008) ⅴ 極端受損 (1.000，0.104，0.013)

23、步驟2.3，將第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)xj的評(píng)分值記為zj，結(jié)合評(píng)價(jià)等級(jí)區(qū)間與標(biāo)準(zhǔn)云模型計(jì)算結(jié)果，計(jì)算指標(biāo)xj在各評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度μjr：

24、

25、步驟2.4，引入指標(biāo)xj的不確定概率θj，將云模型計(jì)算得出的指標(biāo)隸屬度轉(zhuǎn)換為符合證據(jù)理論的指標(biāo)mass函數(shù)：

26、

27、式中，mj(ar)為指標(biāo)xj在第r個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)中的mass函數(shù)。

28、步驟3具體過(guò)程如下：

29、步驟3.1，計(jì)算各指標(biāo)的動(dòng)態(tài)權(quán)重w1j；

30、步驟3.2，邀請(qǐng)水工隧洞工程領(lǐng)域?qū)＜腋鶕?jù)工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)每個(gè)指標(biāo)的主觀權(quán)重進(jìn)行分配，求均值，即獲得各指標(biāo)的主觀權(quán)重w2j；

31、步驟3.3，計(jì)算各指標(biāo)的客觀權(quán)重w3j；

32、步驟3.4，將計(jì)算的各指標(biāo)動(dòng)態(tài)權(quán)重w1j、主觀權(quán)重w2j、客觀權(quán)重w3j分別形成權(quán)重向量w1＝(w11，w12，…，w1n)，w2＝(w21，w22，…，w2n)，w3＝(w31，w32，…，w3n)，構(gòu)造博弈組合權(quán)重向量w：

33、w＝α1w1t+α2w2t+α3w3t??????????????????(6)

34、式中，α1為動(dòng)態(tài)權(quán)重形成的權(quán)重向量w1的系數(shù)，α2為主觀權(quán)重形成的權(quán)重向量w2的系數(shù)，α3為客觀權(quán)重形成的權(quán)重向量w3的系數(shù)；

35、步驟3.5，對(duì)線性組合系數(shù)α1、α2和α3進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到博弈組合權(quán)重向量w與動(dòng)態(tài)權(quán)重向量w1、主觀權(quán)重向量w2和客觀權(quán)重向量w2的離差極小化的目標(biāo)，由公式(6)得到目標(biāo)函數(shù)：

36、

37、對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)，得到以下線性方程組：

38、

39、步驟3.6，求解線性方程組(8)，得到系數(shù)α1,α2,α3，對(duì)α1,α2,α3進(jìn)行歸一化處理，根據(jù)處理結(jié)果計(jì)算指標(biāo)xj的博弈組合權(quán)重：

40、wj＝α1*w1j+α2*w2j+α3*w3j???????????(9)

41、式中，α1*為歸一化的動(dòng)態(tài)權(quán)重系數(shù)，α2*為歸一化的主觀權(quán)重系數(shù)，α3*為歸一化的客觀權(quán)重系數(shù)。

42、步驟3.1的具體過(guò)程如下：

43、步驟3.1.1，假設(shè)每個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)有n個(gè)證據(jù)需要融合，計(jì)算每個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)中n個(gè)指標(biāo)的平均mass函數(shù)值

44、步驟3.1.2，計(jì)算指標(biāo)xj與的距離：

45、

46、步驟3.1.3，計(jì)算指標(biāo)xj的動(dòng)態(tài)權(quán)重：

47、

48、步驟3.3的具體過(guò)程如下：

49、步驟3.3.1，假設(shè)存在m組樣本，每組樣本包括n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)化處理計(jì)算第i組樣本的第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分：

50、

51、式中，zij為標(biāo)準(zhǔn)化處理前第i組樣本第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分，zij為標(biāo)準(zhǔn)化處理后第i組樣本第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分；

52、步驟3.3.2，計(jì)算熵值ej：

53、

54、步驟3.3.3，計(jì)算各指標(biāo)的客觀權(quán)重：

55、

56、步驟4的具體過(guò)程如下：

57、步驟4.1，將各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的mj(ar)與博弈組合權(quán)重wj進(jìn)行加權(quán)，形成加權(quán)證據(jù)m*：

58、

59、步驟4.2，根據(jù)式(16)和式(17)，對(duì)加權(quán)證據(jù)m*進(jìn)行n-1次合成，得到該組樣本的綜合mass函數(shù)，即證據(jù)融合結(jié)果：

60、

61、式中，m(a)為融合m1(a1)和m2(a2)的mass函數(shù)，k為沖突系數(shù)，反映證據(jù)間的沖突程度；

62、步驟4.3，根據(jù)最大隸屬度原則，確定水工隧洞襯砌服役狀況所屬的評(píng)價(jià)等級(jí)。

63、本發(fā)明的有益效果是，考慮寒冷地區(qū)水流結(jié)冰的影響，構(gòu)建了寒區(qū)水工隧洞襯砌服役狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并劃分了評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)云模型將指標(biāo)評(píng)分轉(zhuǎn)換為各評(píng)價(jià)等級(jí)的指標(biāo)隸屬度，在證據(jù)理論的框架下，計(jì)算博弈組合權(quán)重，融合多屬性信息進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，不僅有效考慮了問題的隨機(jī)性和模糊性，而且考慮到了不同類別評(píng)價(jià)信息之間可能存在的沖突性，能夠在指標(biāo)評(píng)分高度沖突的情況下給出更加合理和準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)結(jié)果，該寒區(qū)水工隧洞襯砌服役狀況評(píng)價(jià)方法不僅可以用于水工隧洞工程，還可以用于地鐵隧道、堤防大壩等工程領(lǐng)域，可推廣性較強(qiáng)。