基于灰色理论的在役桥梁剩余使用寿命预测及改建方案评价.doc

重庆交通大学硕士学位论文基于灰色理论的在役桥梁剩余使用寿命预测及改建方案评价姓名：卢连连申请学位级别：硕士专业：管理科学与工程指导教师：李红镝20080301口，】盹，乒锄，觚，（），目砌，（，）。甜（，嬲，：；重庆交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：幸幽缸，日期：学年弓月巧日重庆交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。学位论文作者签名：中豇娅指剥嗽森碥日期：嘭年弓月嵋日期：曙年月第一章绪论第一章绪论。研究背景及问题的提出近些年来，我国的桥梁建设事业飞速的发展，取得了巨大的成就。截至年，我国己建造各类公路桥梁万座。与此同时，我冒的桥梁面临着与国际上众多国家的桥梁同样的问题，那就是有一大批桥梁已进入“老龄阶段，一些桥梁早已出现各种“病害”，却常年带“病运营，潜伏着巨大的安全隐患。随着桥梁数量的增多和使用时间的延长，桥塌车毁人亡的事件也逐渐增多：年月日，重庆市聂江县彩虹桥在没有任何预兆的情况下整体坍塌，造成多人伤亡；年胃豳凌晨，四川宣宾南门大桥南北两端断裂，造成两辆客车和一辆货车坠入江中，人伤亡；年月豳下午时许，福建省南安市英都镇发生一起在建石拱桥坍塌事故，当场导致入死亡，圭人受伤；就在年胄量，盘锦辽河大桥轰然垮塌，经调查确认是由于超限车辆长期作用，造成预应力系统内部损伤，导致桥板断裂；年月日下午时分许，一辆运煤大货车在经过安徽卑阳市内双清路小桥时，桥梁突然坍塌，运煤大货车坠落河中。除此之外，还有很多桥梁处于带“病”运营状态，根据有关部门统计，仅公路桥梁就有多庶危桥，铁路有病害桥座，占桥梁总数的筠。露前我霞在役桥梁存在以下问题：公路车辆的超限运输在发展公路超限运输、提高公路货车车辆经济效益的同时，存在着大量提高公路运输车辆轴载重量、总质量以及外形尺寸限值标准的现象，即超载运输，给处于道路咽喉的桥梁增加了额外的载重负担，对桥梁的安全性构成巨大的威胁。结构的老化和瘸害由于结构所处外界环境的影响而产生的老化与病害，在此主要指因混凝土碳化和裂缝开展引起的钢筋锈蚀，从而造成的钢筋力学性能的改变、混凝土的强度随时闻改变，以及由此弓起的混凝土与钢筋闻的粘结能力降低等。老化和病害使结构的承载能力降低，安全性下降。究其产生的原因，除了自然老化外，更主要是由于施工质量差、材料强度下降及常年失修、恶劣的运营条件。设计标准的演变在我国，许多建予世纪年代的桥梁嚣翦仍在正常运营。这意味着依据旧规范设计的桥梁承担着新规范规定的增大的设计荷载，超载现象是客观存在的。在设计方法的发展和设计标准的不断细化过程中，虽然能保证前后规范在安全性方瑟的合理衔接，但其中存在一些问题也是难免的。意外碰撞第一章绪论结构在使用过程中，由于意外碰撞引起的结构构件断裂、失稳或变形过大而没有及时修复或更换，常常会影响相邻构件的承载能力。构件裂缝的开展会导致构件的抗力下降。随着桥梁使用年限的增长，旧桥老化日益严重，在我国近二十年来，公路交通量和车辆载重不断增加，公路桥梁负荷日趋加重，这就必然加剧既有桥梁的损伤。桥梁的倒塌是桥梁损伤破坏的一种极端现象，是桥梁损伤不断累积的结果，要避免此类事件的发生，必须及早防患，即对桥梁进行定期检测、评估和维修加固处理，延长桥梁的使用寿命，以期获得更大的经济效益。因而如何合理评价在役桥梁的现状，在此基础上预测桥梁的剩余使用寿命，以及采取何种有效的改造措施来延长桥梁的使用寿命成为一个迫切需要解决的课题。本文主要研究在役桥梁剩余使用寿命预测的方法，并对在役桥梁改建方案进行评价，从而可以采取最有效措施，以获得更大的经济效益。国内外研究现状桥梁评估研究现状由于我国现有桥梁多为年左右的混凝土桥，设计、施工的缺陷和长期使用过程中的损伤、老化或灾害逐渐暴露出来，混凝土结构开裂、使用性能降低、承载力不足、抗震性能不良等诸多问题严重影响了现有路网结构的使用寿命周期和结构安全。加强技术投入，实施对现有结构的安全性能评判和实时监控，利用现代结构诊断手段对营运中的桥梁结构进行有效检测、评价和投资决策管理显得尤为必要。目前世界各国都在进行桥梁评估等方面的研究工作，在投入使用的桥梁管理系统中，美国的和、日本的和欧洲的项目等都还没有能很好解决桥梁评估的问题。相比较而言，我国桥梁管理系统的研究起步较晚，管理经验与历史数据相对较少，桥梁评估方法单一，经验性和主观臆断性对评估结果的影响程度过大，缺少基于不同检测手段的评估。所谓桥梁技术状况评估就是根据所采集到的桥梁技术状况数据利用一系列评价指标和评价模型对桥梁满足其使用要求和功能性要求的程度作出判别。现行公路养护技术规范中将桥梁技术状况分为一类、二类、三类和四类四个等级，并按墩台、支座、上部结构、栏杆人行道和载重能力五个项目列出了各桥梁等级的评价标准，但在实际的桥梁管养中，由于规范的评定标准不具体，也无明确的指标，故实际评价中往往掺入不少个人的主观判断，使不同地区或不同人员对同一技术状况的桥梁评定出来的等级不相一致，给桥梁的养护管理决策造成混乱甚至失误。目前大型桥梁结构综合评估主要是应用层次分析法将影响桥梁状态的因素层次化，形成一个多层的、每层包含若干组指标的体系，先确定底层各指标的状第一章绪论态，再应用综合评估的计算方法计算出其它各层指标的状态。常规综合评估孙立军等建立的上海市桥梁管理系统和李昌铸等乜开发的公路桥梁管理系统均采用综合评估公式对桥梁结构进行综合评价。王学智口采用局部损伤度（）和总体损伤度（）两项指标作为桥梁损伤等级综合评判的标准。任宝双等用层次分析法建立了在钢筋混凝土简支梁桥结构耐久性、安全性和适用性三方面，包括子指标层、指标层、项目层和目标层的多层次评估模型。刘健畸用层次分析法建立桥梁结构层次分析模型进行综合评估，并采用变权综合的方法使个别构件存在重大缺陷时能在总体评估中表现出来。郭瑞在此基础上用加速遗传算法计算层次分析中的排序权重值。在进行桥梁结构技术状态评估研究的初期，常规综合评估方法对研究工作的开展起到了很好的奠基作用，且是目前既有桥梁评估应用中的主流。但对于很难用定量的方法描述的事物，该方法的可靠性和评估精度容易受参评人员主观因素影响。模糊综合评估模糊综合评估方法是借助模糊数学的一些概念，对实际问题进行综合评估的方法。王永平等采用多层次模糊评价模型进行桥梁评估，提出用损伤度（）来度量结构构件的损伤程度，建立了桥梁评估专家系统的基本框架，并根据值，由等级隶属函数确定桥梁相应技术等级状态。禹智涛等哺研究了既有桥梁可靠性的多级模糊综合评判方法，利用各隶属度为权取加权平均的方法来确定评定等级。等嘲采用专家系统工具（）建立了桥梁总体评估程序，提出了模糊加权向量方法。王学智运用置信度及模糊数学的方法建立了桥梁损伤评估及对策模型，将损伤严重性和补修必要性联系起来，实现了桥梁损伤评估及对策专家系统（）框架。张玲玲等们采用模糊综合评判方法进行服役结构的可靠性评定，研究了服役结构可靠性模糊综合评判方法的基本原理与实施方法，改进了现有评判方法主观性太强的缺点。季征字等建立了基于受损构件和受损结构体系残余承载力模糊评估理论的海洋平台结构破损评估专家系统，提出了在综合评估系统中建立包括损伤力学、构件性质、损伤度量、残余承载力等数据信息的受损构件样本库的思路。等运用模糊理论的聚类分析方法建立基于观测数据的模糊专家系统来诊断混凝土桥梁损伤状况，运用修正的峰值聚类（）方法进行参数识别，过滤掉不重要参数，通过模糊分划算法构建各输入参数的隶属函数，并从数集中得出模糊规则，再进行知识获取和规则优化，该系统现阶段考虑开裂和混凝土剥落这两种病害。模糊综合法以模糊数学为基础，应用模糊关系合成的原理，将一些边界不清、不易定量的因素定量化进行评估。模糊综合评估法较好地解决第一苹绪论了事物的模糊性与算法的确定性这一矛盾，能很好地反映客观事物的本质，但是，如何选择模糊运算法则，如何合理确定隶属函数形式，评判矩阵形成时如何尽可能避免参评人员主观上的不确定性和随机性等问题还不可能得到根本解决。模糊神经网络法采用神经网络的结构和模糊逻辑的推理机制，将神经网络和模糊系统有机地结合在一起，模糊技术和神经网络技术的融合可以有效地发挥各自的优势并且弥补各自的不足。神经网络的研究成果广泛用于模式识别、自动控制、图像处理、语言识别等领域。模糊技术和神经网络的结合，大大拓宽了神经网络处理信息的范围和能力，可以处理确定的与模糊的信息，同时使模糊系统成为自适应模糊系统。大量应用事实证明神经网络的“黑箱操作”有足够的精度，且随着神经网络理论的发展和完善其精度也会越来越高。特别是对目前无法用显函数形式表达的函数关系，应用该方法来处理是一种很好的选择。当然神经网络的学习需要大量的样本，如果积累的资料少，其结果的准确性存在一定的局限。胡雄等采用模糊神经网络对拉索桥梁安全性与耐久性进行评估，首先将结构细分为子结构，每个子系统采用较少的神经元实现神经网络的自学习和知识推理，以期避免神经网络权值难以理解以及学习过程“黑箱”的不足。等们研究的桥梁状态等级评估专家系统（）是系统的评估子模块，该系统基本思路是基于模糊规则对诊断过程进行存储，先将结构按层次划分，确定各级指标（分耐久性、承载力两个系列）的影响因素，从而确定输入条目，再根据模糊规则和隶属函数定出各因素的隶属度，计算每一条规则对应的适应度，最后根据健康分值来评判结构的健康等级。系统根据上述模糊规则构造神经网络拓扑结构，以避免神经网络的“暗箱操作。潘黎明翻采用层次分析法、模糊数学理论、神经网络方法进行桥梁安全性评估。刘沐宇等明考虑承载力、结构损伤和缺陷状况等方面，以结构校正系数、吊杆内力校正系数、裂缝开裂度、钢筋锈蚀率等为评价指标，参照公路养护技术规范中对承载力的评级标准，利用模糊神经网络方法对大跨度钢管混凝土拱桥安全性进行评价。运用模糊理论与神经网络相结合的方法来进行桥梁结构技术状态评估是目前此方面研究的一大趋势，目前国内外很多学者都在从事这方面的工作。但对于评价指标体系如何确定、模糊控制规则如何形成、评估模型如何建立和选取、网络拓扑结构如何确定等问题都还有待进一步深入，即使是目前这方面工作开展相对比较成熟的日本系统也因数据积累的不足而有待对评估结果的进一步验证。基于结构可靠度理论的方法由德国、西班牙、法国、挪威、英国和斯洛文尼亚等欧洲各国共同研究的欧洲桥梁管理系统研究项目（简称项目）目前已开发出了概略框架，在参与第一章绪论项目的国家中桥梁技术状态评估不是一种简单化方法就是一种半经验性（即考虑部分安全因素）的，考虑采用结构的测量资料对设计标准进行修正并通过结构分析来确定荷载效应。但是这些方法有时候被认为是保守的，因此，一种重视变量的不确定性的新思维即研究对象的可靠性指标逐渐成为评估的决定性因素，认为采用可靠度理论能有效改善状态评价的手段。等考虑加载历程对老化桥梁可靠度的影响建立了概率评估模型，认为目前基于可靠度理论的方法为旧桥评估决策提供了一种更完善的框架，并提出荷载试验尽管能较好提供第一手资料，但不经济，且有可能会出现加载失效，故需在试验前进行风险一成本一效益分析。等印研制了一种针对混凝土桥梁的管理专家系统原型，其对结构的评价采用可靠度理论，采用（）方法进行可靠性评估，根据最小可靠度指标和失效概率确定结构是否需要维修加固。目前可靠度理论在桥梁技术状态评估中的应用尚处于初级阶段，重点放在桥梁承载能力评估方面，对于构件的失效评估能较好实现，但对于整体结构的失效评估尚不成熟，对于结构失效模式的确定也还有待进一步研究。桥梁寿命预测研究现状桥梁剩余使用寿命桥梁与其它产品一样，都具有使用寿命。对于在役桥梁，若能准确预测剩余使用寿命，就能进行合理的投资，采取有效的加固措施。桥梁剩余使用寿命是指桥梁在当前状况下，在不进行大修或正常维护以及正常使用条件下，结构可能继续使用的年限口引。在英国的建筑物耐久性标准中，提出了要求使用寿命、预期使用寿命、设计寿命的不同概念啪。英国的从使用寿命终结的角度出发，将使用寿命分为：技术性使用寿命、功能性使用寿命、经济性使用寿命三类。西南交通大学的屈文俊提出桥梁的寿命分为技术使用寿命和经济使用寿命，前者为随机变量，后者为经济优化的结果。从期望效益与期望经济风险的优化分析入手，建立桥梁结构的修、废判别标准，并提出了桥梁经济使用寿命的优化方法。大连理工大学的赵尚传，首先把结构的失效状态分为真性失效和假性失效，然后从结构剩余寿命与维护费用之间的关系的角度入手，对在役混凝土结构的使用寿命进行了优化。但是目前人们所说的桥梁使用寿命基本上是指其技术使用寿命和经济使用寿命，桥梁改造的时机，一般取决于桥梁的技术使用寿命和经济使用寿命。桥梁剩余使用寿命预测常用的方法目前桥梁剩余使用寿命的预测方法归纳起来主要包含以下几类：）基于经验的预测方法这是根据实验室和现场大量试验结果与以往经验的积累，对使用寿命做半定第一章绪论量的预测，其中包含了经验知识与推理。目前的一些混凝土标准也是这样来估计寿命的，认为如果能够按照标准提出的原则和方法，混凝土就将具有所需要的寿命。要是设计寿命比较长，使用环境条件恶劣，或者遇到一种新的情况而缺少经验这种预测方法就不太可靠。）基于比较的预测方法这种方法用的甚少，其中假定如果混凝土在某一期限内是耐久的，则相似环境下的相似混凝土也将有同样的寿命。由于材料、形状、施工质量、荷载和环境的变异性，每一种桥梁结构往往是独一无二的，不同的小气候条件也会影响混凝土的使用寿命。所以即便有相似的使用条件，将过去的经验直接用来比较则不太合理。）寿命预测的随机方法上述的寿命预测方法都属于确定性方法，即将影响结构使用寿命的各因素均作为确定的量值，由此得到的寿命预测结果只能是均值意义上的使用寿命。在耐久性评估中，无论采用哪一种寿命准则，由于影响结构使用寿命的各因素都是随机变量，甚至是随时间变化的随机过程，如混凝土保护层厚度经实测统计是符合正态分布的随机变量，当由于混凝土腐蚀或钢筋锈蚀而使混凝土保护层剥落时，甚至是随机过程；影响混凝土结构耐久性的各项因素，如环境温湿度、有害介质含量、混凝土的密实性和孔隙率等都是随机变量或随机过程；此时结构的荷载与抗力都是随机过程。因而应用概率方法进行结构的剩余使用寿命预测是比较合理的方法，但是此方法用起来非常复杂。）数学模型预测方法利用数学模型预测使用寿命是目前较多使用的方法，其预测的可靠程度与模型的合理性以及材料与环境参数选取的准确性有关。现在已发展了考虑不同的侵蚀介质从混凝土表面向内部侵入过程的数学模型用于寿命预测。研究主要内容及意义桥梁剩余使用寿命预测是桥梁评估中的一个重要方面。目前，对现有桥梁的技术改造已成为工程界普遍关注的问题。对现有桥梁，技术改造的目的是为了恢复或提高原桥梁的使用功能，其最基本的任务首要是要对现有桥梁的技术状况进行全面的评估。寿命作为桥梁结构的一个重要特征，在技术评估中就显得十分必要，尤其是对于不良环境中的桥梁结构，了解其可能的剩余使用寿命年限对合理地进行工程决策更具有重要意义。本文主要应用灰色系统理论对桥梁剩余使用寿命进行预测，并对桥梁改建方案进行评价，得出相应数学模型。主要研究内容如下：第一章绪论影响桥梁结构技术使用寿命与经济使用寿命的因素是多种多样的，因素内部以及因素之间的关系也错综复杂，某些因素对于桥梁使用寿命影响的有关信息，由于种种条件限制，目前尚不知道，因此对桥梁结构使用寿命的分析系统常具有灰色性特征。建立桥梁剩余技术使用寿命预测模型。分析桥梁剩余技术使用寿命主要取决于桥梁整体损伤变化的情况，首先对桥梁的整体损伤度进行评估，再以桥梁总体损伤度为原始序列，建立损伤度灰色预测模型，同时建立相对应的日期预测模型；并充分有效地利用新信息，改善边界条件，建立改进灰色预测模型。根据预测模型外推出桥梁剩余技术使用寿命。建立桥梁剩余经济使用寿命预测模型。灰色预测的主要特点就是模型使用的不是原始经济数据序列，而是生成的数据序列，其对波动性不好的时间序列预测结果较差。分析了桥梁运营期间费用的变化情况，采用灰色指数平滑组合方法对其进行预测。首先采用灰色指数平滑组合方法对桥梁各年运营成本进行预测，然后考虑时间价值采用年费用法来得出桥梁的经济使用寿命年限。这样既克服了灰色模型对波动性不好的时间序列预测效果不好的缺点，又利用了指数平滑适用于短期预测的特点，提高预测的精度。对桥梁改建方案进行评价。采用灰关联度一层次分析法对桥梁改建方案进行评价。利用灰关联度作为测度进行灰色综合评判，可以充分利用已有的白化信息，减少误差，为工程建设方案的评估提供一种简便而适用的方法。考虑灰色理论权重平均分配在实际中存在的不足，采用灰关联度一层次分析法对桥梁改建方案进行评价。由于桥梁在经济社会中的显赫作用，使得人们对桥梁的安全性、耐久性越来越重视。由于环境影响、日益增长的交通量、以及公路运输业逐渐提高汽车荷载标准，许多桥梁不能满足为设计新桥而规定的结构要求；劣化和荷载的增加导致了桥梁可靠性的降低，桥梁懂得可靠度最终可能降低到规定的水平之下，因此需要经常对桥梁状况进行评估，包括研究桥梁的剩余使用寿命、损伤状况、以及加固改建方法，从而提高桥梁的承载等级，延长使用寿命将具有巨大的经济效益和社会效益。第二章灰色系统理论第二章灰色系统理论概述灰色系统理论产生及其发展现状年北荷兰出版公司（）出版的期刊系统与控制通讯（）上发表了我国学者邓聚龙教授的第一篇灰色系统论文“灰色系统的控制问题（）年第期的华中工学院学报上发表了邓聚龙教授的第一篇中文灰色系统论文“灰色控制系统。这两篇开创性论文的公开发表，标志着灰色系统理论这一新兴横断学科开始问世。年，国防工业出版社出版了邓聚龙教授的第一部灰色系统专著灰色系统（社会经济）。年至年，华中理工大学出版社先后出版发行了邓聚龙教授有关灰色系统的六部著作：灰色控制系统、灰色预测与决策、灰色系统基本方法、多维灰色规划、灰色系统理论教程和灰数学引论一灰色朦胧集。其中灰色控制系统和灰色系统理论教程等被多次重印、再版，成为畅销科技图书。国内其它出版单位以及美国学术出版社也都编辑出版了灰色系统的著作。年，英国科技信息服务中心和万国学术出版社联合创办了国际性刊物“灰色系统学报），该刊被英国科学文摘（）等权威性检索机构列为核心期刊。国际、国内有多种学术期刊接受、刊登灰色系统论文，美国计算机学会会刊、台湾模糊数学通讯、系统与控制国际杂志（源期刊）出版了灰色系统专辑，许多国际会议还把灰色系统列为讨论专题。据不完全统计，近年来，（科学引文索引）、江程索引）、（科技会议索引）以及（英国科学文摘）、（美国数学评论）、（德国数学文摘）等国际权威性检索杂志跟踪、检索我国学者的灰色系统论著多次。据年月日中国科学报在“中国建立了自己的科学引文数据库（）”一文中报道，华中理工大学邓聚龙先生的灰色系统理论被引用次，居全国第一；年月日科学时报第四版，中国科学引文数据库在“全国论文与专著被引用频次在次以上的著者”中报道，邓聚龙教授的论文被引用次，居全国之首；在国内，灰色系统论文主要发表在系统工程理论与实践、系统工程学报、预测、系统工程与电子技术、管理工程学报、系统工程理论方法应用等学术刊物上。年，全国性的灰色系统研究会宣告成立，会员遍布包括西藏在内的各省、市、区以及港澳台地区。目前，湖北、河南、浙江、山西、山东、河北、宁夏、台湾等地成立了灰色系统研究分会或专业性研究组织。，批热心灰色系统研究的第二章灰色系统理论学者先后在太原、武汉、杭州、郑州、台湾召开了次全国灰色系统学术会议，宣读、交流灰色系统论文，多篇。世界上有多所大学如华中科技大学，中国人民大学，清华大学，浙江大学，山东大学，南京航天大学，美国马里兰大学，日本丰桥大学，神奈力大学，维也纳经济大学，法国宇航中心，台湾中央大学和成功大学，大同工学院，大溪大学等开设了灰色系统理论课程。年月日在美国匹兹堡召开的系统与控制世界组织（）第届年会和国际一般系统研究会（工）第届年会联合大会上，由于在灰色系统理论研究中取得的创造性成果，中国的刘思峰教授同波兰科学院院士巴布尼茨基（）教授和国际一般系统研究会主席福里斯特（）教授共同获得系统与控制世界组织突出贡献奖。年月在爱尔兰利默瑞克召开的第届计算机与工业工程国际会议，为灰色系统理论安排了场专题会议。在应用上，灰色系统理论已广泛应用于农业、经济、医疗、生态、水利、气象、地质、军事、文化、教育、历史、交通、运输、管理、工业控制等几十个科学领域，主要应用于灰色关联分析（如：基于灰色系统理论多资源网络计划分配的优化方法与云南省农村区域生态经济评价初探、灰色预测（如：交通事故的灰色预测和关联分析与山东省海洋渔业结构调整研究、灰色聚类（如：灰色聚类法在课程评估中的应用）、灰色决策（如：基于灰加权关联度的公路枢纽站场布局决策方法）、灰色控制（如：黑龙江垦区奶牛产业化的灰色控制）、灰色优化（如：陕西关中地区土地资源的优化配置）、灰色评价（如：企业技术创新能力的多层次灰色评价）等等，成功地解决了生产、生活和科学研究中的大量实际问题。我国科技工作者主持的一大批灰色系统理论研究课题获得了国家和省、市科学基金资助，己有）多项灰色系统理论及应用成果获得国家和省、部级奖励。灰色理论这种系统方法论也不断地在社会、经济中获得越来越多的应用。虽然灰色系统理论取得了很多成果，但是有些方面还需进一步发展。从理论上讲，主要体现在灰关联度的规范性，合理的权重分配，（，）模型的建模机理及修正、灰色模型的检验等：从应用上讲，就是要适当选取关联度计算方法和模型、考虑各种模型的适用场合，灵活运用灰色系统理论的各种方法来解决各种复杂问题。灰色系统理论基本内容灰色系统理论经过年的发展，现已基本建立起新兴学科的结构体。其主要内容包括以灰色代数系统、灰色方程、灰色矩阵等为基础的理论体系，以灰色关联空间为依托的分析体系，以灰过程及其生成空间为基础与内涵的方法体系，以灰色模型（）为核心的模型体系，以系统分析、评估、建模、预测、决策、控第二章灰色系统理论制、优化为主体的技术体系。即有以下九个方面的内容：灰哲学灰色哲学的主要内容是：研究定性认知与定量认知、符号认知的关系：研究默承认、默否认、否认、承认、确认、公认的内涵、原理、性质、模式；研究少信息的思维规律。灰生成灰生成是数据的映射、转化、加工、升华与处理。其目的是为灰哲学提供定性资料的转化数据，为灰分析提供数据的可比领域，为灰建模提供初加工的数据基，为灰决策提供统一测度的数据矩阵。灰分析灰分析一般指灰关联分析。灰关联分析是对运行机制与物理原型不清晰或者根本缺乏物理原型的灰关系序列化、模式化，进而建立灰关联分析模型，使灰关系量化、序化、显化。灰建模灰建模是少数据（允许少数据）的建模，是基于灰因白果律、差异信息原理、平射原理的建模。其目的是在数据有限（即有限序列）的条件下，模仿微分方程建立具有部分微分方程性质的模型。灰预测灰预测是建立在（行为）时轴上现在与未来的定量关系。通过此定量关系（灰模型）预测事物的发展。灰决策灰决策是对事件与对策的灰关系，在数据的统一测度空间，按目标进行量化，或灰关联化，以找出对付事件的满意对策。灰控制灰控制目前主要是灰预测控制。灰预测控制是按新陈代谢的采样序列，建立在时轴上的滚动模型，或者称滚动建模，通过滚动模型获得系统行为发展的预测值，然后用预测值对系统进行控制。灰评估灰评估是对事物的灰色类别进行评估。灰数学灰数学是对非完全抽象的灰数，在灰认知模式的基础上，在灰朦胧集的框架下，研究其运算的法则、算式、模式；研究灰数本身的结构、内涵、性质、类别；研究灰数的表达；研究其灰度的大小与变化。灰色系统分为本征灰色系统和非本征灰色系统。没有物理原形的灰系统，比第二章灰色系统理论如社会、经济、农业、生态等系统叫本征灰色系统。本征灰色系统不可能有实在的反映运行机制的模型，只可能通过分析、推导、构思等方法获得同构模型。具有物理原形的系统，在信息不完全、不确定时，是非本征灰色系统，比如人体。灰色系统克服概率统计的弱点，从杂乱无章的、有限的、离散的数据中找出规律，建立灰色系统模型，然后用它来做相应的分析、预测、决策和规划。其基本思路是：认为客观系统无论怎样复杂，但终究是相互关联的、有序的、有整体功能的，作为系统行为特征的数据总是隐含着某种规律性。在某些领域中，如生命科学、经济学、生物学工程等领域，微分方程的系数描述了系统内部的物理、化学过程的本质。建立微分方程模型是在信息不足的情况下建立有效模型的良好方法，是充分发挥己知信息（白信息）作用的途径。灰色系统理论正是利用己知信息建立微分方程（即模型），用己知信息去计算未知数据，处理实际问题。这种建模方法为本征性灰色系统的实体化、物理化找到了途径，把自然科学的实验手段和方法移植到抽象系统；同时把工程技术系统的微分、积分、性等概念用于社会经济系统，从而在社会科学与自然科学之间架起桥梁。灰色系统的基本原理在灰色系统的创立和发展过程中，邓聚龙教授发现并提炼出灰色系统的基本原理。这些基本原理中蕴含着十分深刻的哲学内涵。差异信息原理“差异是信息，凡信息必有差异。我们说“事物不同于事物”，即含有事物相对于事物之特殊性的有关信息。客观世界中万事万物之间的“差异”为我们提供了认识世界的基本信息。信息改变了我们对某一复杂事物的看法或认识，信息与人们对该事物的原认识信息有差异。科学研究中的重大突破为人们提供了认识世界、改造世界的重要信息，这类信息与原来的信息必有差异。信息工的信息含量越大，它与原信息的差异就越大。解的非唯一性原理信息不完全、不确定的解是非唯一的。“解的非唯一性原理”是灰色系统理论解决实际问题所遵循的基本法则。它在决策上的体现是灰靶思想。灰靶是目标非唯一与目标可约束的统一。“解的非唯一性原理也是目标可接近、信息可补充、方案可完善、关系可协调、思维可多向、认识可深化、途径可优化的具体体现。在面对多种可能的解时，能够通过定性分析，补充信息，确定一个或几个满意解。因此，“非唯一”的求解途径是定性分析与定量分析相结合的途径。最少信息原理，第二章灰色系统理论灰色系统理论的特点是充分开发利用己占有的“最少信息。“最少信息原理是“少和“多的辨正统一，灰色系统理论的特点是研究“小样本”、“贫信息不确定性问题，其立足点是“有限信息空间”，“最少信息是灰色系统的基本准则。所能获得的信息“量”是判别“灰与“非灰”的分水岭，充分开发利用已占有的“最少信息是灰色系统理论解决问题的基本途径。认知根据原理信息是认知的根据。认知必须以信息为依据。没有信息，无以认知。以完全、确定的信息为根据，可以获得完全确定的认知，以不完全、不确知的信息为根据，只能得到不完全、不确定的灰认知。新信息优先原理新信息对认知的作用大于老信息。“新信息优先原理是灰色系统理论的信息观，赋予新信息较大的权重可以提高灰色系统建模、灰色预测、灰色分析、灰色评估、灰色决策等的功效。“新陈代谢”模型体现了“新信息优先原理。新信息的补充为灰元白化提供了基本动力。“新信息优先原理是信息的实效性的具体体现。灰性不灭原理“信息不完全（灰）是绝对的，灰色系统是一个内涵和外延非常广泛地概念。信息不完全、不确定具有普遍性。信息完全是相对的、暂时的。从内涵上讲，因素完全确知的系统是不存在，没有一个系统，人们能把他所有的影响因素完全找出来并给予确定的量化值。因此，可以说真正的白色系统是不存在的，只有灰色系统才是绝对的。原有的不确定性消失，新的不确定性很快出现。人类对客观世界的认识，通过信息的不断补充而一次又一次地升华。信息无穷尽，认知无穷尽，灰性永不灭。当然，也绝不排斥在可假设为白色系统的情况下研究系统的理论。但当用传统的方法和理论不能解决问题或不利于解决问题时，灰色系统理论和方法就是一个非常好的解决途径。灰色理论与桥梁使用寿命预测灰色预测是一种不严格的系统方法。以灰色系统理论为基础的灰色预测技术，可在数据不多的情况下找出某个时期内起作用的规律，建立负荷预测模型。建立灰色模型首先将原始负荷数据累加生成为近似有指数规律增长的数列，构造近似的不完全确定的微分方程，（，）模型是最常用的一种灰色模型。灰色预测的基本思路是将已知的数据序列按照某种规则构成动态或非动态的白色模块，再按照某种变化、解法来求解未来的灰色模型。它的主要特点是模型使用的不是原始数据序列，而是生成的数据序列。其核心体系是灰色模型（），即第二章灰色系统理论对原始数据作累加生成（或其他方法生成）得到近似的指数规律再进行建模的模型方法。优点是不需要很多的数据，一般只需要个数据就够，能解决历史数据少、序列的完整性及可靠性低的问题；能利用微分方程来充分挖掘系统的本质，精度高；能将无规律的原始数据进行生成得到规律性较强的生成数列，运算简便，易于检验，具有不考虑分布规律，不考虑变化趋势。缺点是适合指数增长的预测，对波动性不好的时间序列预测结果较差。影响桥梁结构技术使用寿命与经济使用寿命的因素是多种多样的，因素内部以及因素之间的关系也错综复杂，某些因素对于桥梁使用寿命影响的有关信息，由于种种条件限制，目前尚不知道，因此对桥梁结构寿命的分析系统常具有灰色性特征。因此本文主要采用灰色理论对桥梁剩余使用寿命进行预测。但是灰色预测也存在不足之处，因此本文结合桥梁剩余使用寿命预测的特点，对模型进行相应的改进。本章先介绍灰色预测基本理论。灰色预测基本理论灰色建模机理灰色系统的模型（，）是以灰色模块概念为基础，以微分拟合法为核心的建模方法。其中表示微分方程阶数，表示参与建模的序列个数。灰色模型属于少数据模型，其中常用的（，）模型允许数据少到个：灰色模型既不是一般的函数模型，也不是完全的差分方程模型，或者完全的微分方程模型，而是具有部分差分、部分微分性质的模型。模型在关系上、性质上、内涵上具有不确定性。灰色系统理论的模型的机理和特性可归纳为以为：一般系统理论只能建立差分模型，不能建立微分模型，而灰色理论建立的是微分方程模型。差分模型是一种递推模型，只能按阶段分析系统的发展，用于短期分折，了解系统显露的变化。学术界一向认为，用连续微分方程建模不可能解决问题，然而灰色系统理论，可以基于关联度收敛原理、生成数、灰导数、灰微分方程等诸观点和方法建立微分方程模型。系统行为数列往往是没有规律的，是随机变化的。对随机变量、随机过程，人们往往用概率统计的方法进行研究。而概率统计的方法要求数据多，必须从大数据中寻找统计规律，并且只便士处理统计规律中有较典型分布、且为平稳过程的这一类。总之，概率统计的研究方法，计算工作量大，且可以解决和处理的问题较少。而灰色系统理论，则将一切随机变量看作是在一定范围内变化的灰色量，将随机过程看作在一定范围内变化的、与时间有关的灰色过程。对灰色量不是从寻找统计规律的角度，通过大量样本进行研究，而是采用数据处理的方法（灰色理论称为数据生成），将杂乱无章的原始数据整理成规律性较强的生成数列再作研第二章灰色系统理论究。灰色理论认为，系统的行为现象尽管是杂乱的，数据是离散的，但它毕竟是有序的，是有整体功能的，因杂乱无章的数据背后必然潜藏着某种规律，而灰数的生成，就是从离乱的原始数列中去开拓、发现、寻找这种内在的规律，这是一种现实规律，不是先验规律。建立模型是系统分析的核心内容，一般统计模型建模大都需要拥有大量的观测数据，但在实际中，由于种种原因，许多经济数据难以满足统计建模要求。灰色系统理论在建模过程中一方面提倡尊重原始数据又不拘泥于原始数据，并允许以科学的定性分析为基础对研究对象的实验、观测、统计数据进行必要的调整和修正。另一方面，需要数据较少，灰色系统理论的核心模型（，）仅需个数据就可以估计出模型参数，且可达到一定的模拟精度。灰色模型适用场合作为预测模型，常用（，）模型，即只有一个序列变量的模型。这是因为对灰色理论在研究社会、经济、农业等系统效益（效果、产量、产值等）的发展变化进行分析和预测时，只需研究一个变量，即“效果”的数据序列。至于阶数，一般不超过阶，因为越大，计算超复杂，且精度也未必就高；当时，即灰色二阶预测模型，既能反映系统的趋势性变化特征，又能反映系统的周期性变化特征。但计算量大，且模型精度低。为简便计算，通常取，因此，从预测角度来建模，一般选定（，）模型。（，）模型适合于指数规律增长的领域，而一般经济、社会等领域大都是此种规律，所以这些领域建模以（，）模型为主胁。作为状态模型，常用（，）模型。因为它可以反映个变量对某一变量一阶导数的影响。当然，这需要个时间序列，并且事先必须作尽可能客观的分析，以确定哪些因素的时间序列应计入这个变量中。但（，）模型只能反映其它个变量对某一变量的一阶导数的影响，不能反映多因素系统内各变量之间的相互作用。作为静态模型，一般是（，）模型，即，表示不考虑变量的导数，所以是静态。它与线性回归模型形式相似，但有本质区别，即它建立在生成数列的基础上，而线性回归模型建立在原始数据基础上。模型是对序列数据呈饱和型曲线的情况进行预测。将上述二次，”（）幂非线形微分模型；觚（）（），称为模型。常用于人口预测、讲生物生长、产品预测等。如果本身呈型，而其一次累加呈增长型，对仍建立（，）模型最合