基于博弈论和模糊数学的桥梁风险评价模型.pdf

第 卷 第 期 年 月 公路工程 收稿日期 基金项目 山西省回国留学人员科研资助项目 山西省科技攻关资助项目 作者简介 任丽超 女 河北邢台人 硕士研究生 主要研究方向 道路桥涵隧道及轨道工程方向 基于博弈论和模糊数学的桥梁风险评价模型 任丽超 栗振锋 太原科技大学 交通与物流学院 山西 太原 摘 要 为克服单一风险评价方法过于主观或客观的缺点 文章首先基于博弈组合赋权法建立了桥梁工程 风险评价模型 从自然风险 人为风险 技术和结构退化等风险来源方面建立了风险指标评价体系 对各层风险因 素分别基于 熵理论进行主 客观权重求解 兼顾专家的主观意项和工程固有的客观信息 基于博弈原理对风 险指标的权重进行组合赋权 最后基于模糊数学法和最大隶属度原理进行了工程风险等级评估 以某桥为例 验 证了模型的科学性 关键词 桥梁工程 博弈组合赋权 熵权 模糊数学 风险评价 中图分类号 文献标识码 文章编号 引言 当前 我国已进入桥梁大规模建设时期 而桥梁 建设耗资巨大 一旦发生风险事故 会带来重大的社 会和经济损失 准确合理的风险评估对预防或减少 桥梁风险事故发生 避免或降低不必要的损失有着 重要的作用 常见的风险评价方法有 种 客观 赋权法 基于工程项目的客观信息和历史数据利用 信息熵原理 主成分分析法或离差最大化等进行风 险权重的计算和排序 主观赋权算法 在专家对 工程风险确定或不确定性信息的主观判断基础上 引入 模糊数学法 专家打分等进行风险权重 的赋值 具有很强的个人偏好 进行桥梁工程的风 险评价 既要考虑专家的主观决策 又要兼顾桥梁工 程的客观实际 显然单一的评价方法无法满足 为 协调主观 客观权重既冲突又一致的关系达到 公路工程 卷 均衡 文章在桥梁工程风险评价层次递阶结构基础 上 立足博弈论原理对风险指标的主 客观权重进行 组合赋权 最终确定风险指标的综合权重和排序 在此基础上 将风险等级划分为五级 通过构建隶属 度矩阵 并结合专家打分和模糊数学法确定了桥梁 工程的风险等级 由此进行相应的风险决策和项目 可行性分析 桥梁工程风险识别及分析 见图 桥 梁 工 程 风 险 总 评 估 自然风险 洪水 暴雨 地震 风振 雨水冲刷 虽为小概率事件 然一旦发生 造成的损失一般将会非常严重 人为风险 碰撞 车辆 车与桥体之间碰撞 拟建桥梁的车道数和设计交通量是否满足预测交通量增长率的需求 船舶 船舶与桥体碰撞 与桥拱的跨度有关 荷载 车辆超载 重交通为主时必须考虑 桥体结构性疲劳 在所难免 人为蓄意破坏 纵火 恐怖袭击 爆炸等 退化风险 混凝土退化 混凝土遇到酸性介质 致使在钢筋表面起 钝化保作用 的薄破坏 最终导致钢筋暴露 氯离子侵蚀 该反应一般发生在海水 的主要来源 或者在北方寒冷地区 为化雪除冰而撒除冰盐的桥面上 碱骨料反应 水泥中的碱遇到骨料中的活性硅反应生成碱 硅酸盐凝胶 吸水造成混凝土开裂 是砼桥的 癌症 冻融循环是 位于混凝土内部的水在低温下结冰膨胀 导致凝土内部微观结构破坏 硫酸盐侵蚀 多发生在含 的土壤之中或者海水中 进而造成混凝土桥梁结构中的钢筋锈蚀 钢筋锈蚀 碳化 脱钝是钢筋发生锈蚀的首要条件 腐蚀恶化的最终结果是混凝土桥梁的完全破坏 技术风险 施工技术 施工技术主要指由于桥梁材料或施工设备供应不及时 现有的施工技术的限制等引起的风险 工期进度安排 在工程施工的某一环节或整个修建过程中 由于施工组织安排不合理或其他原因导致工期延误从 而带来的风险 管理养护技术 指由于当下管理信息不完善或者管理人员的自身素质限制 或者有限的管养技术限制造成桥梁项 目在材料 施工 养护 安全等方面的风险 资金风险 图 桥梁工程风险因素识别和分析 基于博弈组合赋权法的桥梁工程风险评 价模型 改进的 确定风险因素的主观权重 基于上述的工程风险识别和分析 首先建立如 下的风险评价因素集 以桥梁工程风险大小作为评 价对象 考虑自然灾害 人为因素 结构退化风险 当 前技术限制的风险等 个因素作为评价系统的准则 层 建立桥梁工程风险评价因素集 个准则又分别划分为二级子系统 即指标 层 即 从而构成桥梁工程风险 评价的因素集合 具体编号指代的风险因素见图 基于 的重要标度和三区间参数 三角 模糊 数 构 造 初 始 判 断 矩 阵 根 据 的 公 式 分别计算各判断矩阵对应风险因素的主观 权重 然而在层次分析法中 构建初始判断阵基于 专家的主观意向 主观性较强 导致风险排序进行评 估时各指标的权重过于依赖专家的个人意见 准确 性不高 基于层次熵权法的客观权重计算 熵权法计算客观权重 是基于历史或现有的客 观数据的考察利用 充分挖掘了风险因素 指标 的 客观信息 具有客观性 假设对于上层目标 风险因素 而言 共含有 个子 风险 因素 调查 个工程 根据实际资源投 入情况 采用表 中的标度 建立以 为元素的 阶的初始客观判断矩阵 记为 其 中 表示第 项风险因素对于第 个工程的重要 性 表 重要标度的判断尺度定义 判断尺度定义 对于上层目标而言 次要 对于上层目标而言 不太重要 对于上层目标而言 重要 对于上层目标而言 十分重要 对于上层目标而言 非常重要 介于上述两个相邻的判断尺度之间 对初始判断矩阵 进行预处理 第 期任丽超 等 基于博弈论和模糊数学的桥梁风险评价模型 极差化处理 归一化处理 故第 项风险因素的熵值为 第 项风险因素相对上层目标而言的客观权重 熵权 式 中 规定 时 与常规熵权法不同 本模型将熵权法应用于每 个层次结构中 首先分别对准则层 指标层风险因素 进行客观赋权 将风险指标所得二级客观权重与其 对应准则的客观权重相乘所得即为该指标总 客观 权重 充分考虑不同准则对下级指标权重的影响 基于改进的博弈论原理的组合赋权法 改进的 算法 优点是专家在判断时可结合 工程实际的发展趋势 满足实时性 和风险因素的不 确定性 反应了专家的个人偏好 层次熵权法能反映 工程风险的历史或当下客观数据 未能反应风险不 确定性及专家的意见 合理全面评价要兼顾专家的 意见和项目的客观情况 为保证评价结果的前瞻性 和客观实际性 将博弈论的综合赋权法引入指标权 重计算中 协调了主 客观权重的冲突性和一致性 博弈论原理用以寻求主 客观不同权重间的纳 什均衡 在不同赋权法中寻求一致或妥协 核心思想 是 尽量减小所求指标的权重与不同赋权法所得的 权重间的偏差 提高指标权重的科学性 准确性 依 据吴晓萍等 建立权重集化模型并作适当改进 按 如下过程赋权 表示 个基于不同赋 权方法下指标权向量 它们的任意线性组合为 博弈论组合赋权的核心思想是找寻最理 想的权向量 使其与各个 的离差极小化 根 据博弈论的组合赋权算法 构建如下方程 解方程并按下式进行归一化处理 故风险指标的综合权重为 基于风险评估的项目可行性分析 隶属度是指某一风险因素 指标 发生某一风 险等级的概率 隶属度矩阵的元素由各个风险指标 发生相应等级风险的概率值组成的矩阵是隶属度矩 阵 当风险指标的综合权向量 和隶属度矩阵 确定后 即可得到一个项目或工程发生各种等级风 险的概率 进而确定项目所处的风险等级 隶属度函数 建立风险评价集合 具体的取值及含义见表 表 风险等级评价的判断尺度定义 风险等 级代号 等级赋值范围说明 一级 低风险 基本可以忽略 二级 较低风险 在可接受范围内 三级 中等风险 须引起重视 四级 较高风险 采取一些控制措施 方可接受 五级 高风险 不可接受 隶属度矩阵的构造 表示隶属度矩阵 其中 为第 种 风险因素 指标 发生 种等级的概率 当 时 当 时 其他 当 时 公路工程 卷 式 式 中 表示第 个 专家对第 项风险的等级评估给出的分值 共 个 风险评估专家 表示初始化的评价值 见表 综合隶属度和最大隶属度原则 一个工程项目发生各种等级风险的概率集合即 为综合隶属度 而最大隶属度原则是将综 合隶属度中的最大值所在区间对应的风险等级作为 被评价工程项目的风险等级 根据项目评价所处的 风险等级 结合表 判断项目的可行性 计算流程图 首先结合工程实际 进行风险识别和指标的筛 选 建立风险评价的层次递阶模型 再按图 所示的 个步骤进行风险评估和项目可行性分析 图 基于博弈组合赋权的工程风险评价的项目可行性分 析流程图 案例分析 为缓解太原迎泽大桥高峰时段的交通压力 加 强汾河东西两岸经济的发展和交流 拟在太原汾河 之上构建一座混凝土桥 试用上述模型对该工程进 行风险评估和项目可行性分析 依据实际情况结合指标筛选的准则 建立如 图 所示的桥梁工程风险综合评判模型 图 桥梁工程风险综合评判模型 权重计算 改进的层次分析法确定主观权重 改进的 算法求解指标主观权重的过程不 再赘述 直接给出风险指标的主观权向量 准则层各风险因素的客观权重 选取当地 座典型的混凝土现役或在建桥梁 根 据实际资金投入情况 对 大风险来源的重要性进行 标度给出初始判断矩阵 根据式 式 计算得 出各因素的熵值 熵权 初始阵和计算结果见表 由表 中熵值 熵权的排序结果 知 熵值越 大 对应风险因素的熵权越小 同上表算法 可得不同准则下的各指标的客观 权重 客观判断矩阵和计算结果见表 基于博弈综合赋权法的综合权重计算及模 型的科学性论证 由上述计算过程可知 风险指标的主观权向量 客观权向量 根据博弈组合权重集化式 第 期任丽超 等 基于博弈论和模糊数学的桥梁风险评价模型 表 准则层的初始客观判断阵以及熵值 熵权结果汇总 风险因素 桥梁编号 熵值排序熵权排序 自然风险 人为风险 退化风险 技术风险 表 不同准则下的风险指标初始客观判断矩阵及权重结果汇总 风险 因素 熵权系数 指代 对象 桥梁编号 熵值熵权总 客观 权重 注 熵权系数意是指准则层的风险因素对应在表 中的熵权 客观权重 总 客观 权重是指风险指标对目标层的客观权重 表中最后一 列元素即为风险指标的客观权向量 中的元素 式 知 指标层风险指标的综合权向量 为 表 汇总了不同赋权法所得的指标权重和排序 结果 对比依据 进行风险排序结果 可发现 种方法排序结果相差不大 说明基于博弈论综合权 重具有一定的参考价值 可用于指导工程风险评价 从而将有限的资源用在最适合的风险应对措施上 表 不同赋权算法的权重计算结果汇总表 风险代号指代对象 主观观重 客观权重 综合权重 排序 排序 注 是将 中对应元素相乘 归一化所得的综合权向量 这是一种最常见的组合赋权法 由图 看出 显然主 客观权重相差较大 不同 组合赋权法下的综合权向量 偏离 幅度较小 偏离主 客观权重幅度较大 故基于 博弈论的综合赋权算法更优 公路工程 卷 风险指标排序及风险应对分析 U1 U2 U3 U4 0 00 0 05 0 10 0 15 0 20 0 25 0 30 0M2M4M6M8M10M12M14 图 基于不同赋权方法的权重对比图 按风险指标综合权重 排序 结果为 冲刷 地震 施工技术 碰撞 进度安排 超载 碱骨料 反应 养护管理 纵火等蓄意破坏 氯离子侵蚀 混凝土退化 暴雨洪水 冻融循环 风振 故在桥 梁方案设计前 设计方要加强水文地质勘探 提高桥 梁结构抗震等级 施工方应采取先进的施工技术 循 序渐进的进度安排 保证工程如期完成 运营期内 风险管理企业要采取有效养护管理技术 针对地震 水流冲刷采取相应措施以降低该工程风险 此外 加 强交通管制 提高驾驶员自觉遵守交通规则的意识 从而减少或避免因车辆碰撞 超载带来的风险损失 基于风险评估的可行性分析 聘请 位优秀的专家 对桥梁工程的风险指 标进行风险等级打分 依据专家打分表 结合式 式 得到桥梁各个风险指标处于 个风险等 级的概率 即隶属度矩阵 专家打分表 风险代号 专家 专家 专家 专家 专家 公式 隶属度矩阵 工程项目风险定级 综合隶属度 根据最大隶属度 的原则可知 故该工程风险评 估的综合评判结果为 中等风险 基于风险评价对项目进行可行性分析 故该项目可行 此外风险管理者可依照风险指 标的权重排序结果 进行有效的风险应对规划 在规 避 转移 缓解 接受和利用风险等众多应对策略中 选择有效的应对策略 并寻求实际且效果显著的风 险应对的具体措施 以期让风险转移化为机会或将 其带来的的损失降低到最低 结语 基于桥梁工程的风险识别 首先建立了风险指 标评价体系和层次递阶结构 立足改进的博弈论对 风险指标的主 客观权重进行组合集化得各指标的 综合权重 并将风险等级进行定量化分 基于隶属度 第 期任丽超 等 基于博弈论和模糊数学的桥梁风险评价模型 函数和综合权重进行风险评估和分析 从而实现了 工程风险定性 定量分析的有机结合 为不确定性实 现量化分析决策提供了有效依据 案例表明 本模 型在实际工程风险评价中是科学有效的 笔者仅结合某一钢筋混凝土桥的实例进行风险 评估分析 在实际的工程风险评价中 要结合桥梁所 处位置 在交通网络中的地位 自身的材料和结构等 实际情况进行风险指标的筛选和评价分析 以期为 企业进行风险评估和可行性研究提供依据 参考文献 爧 徐森泉 胡志根 刘全 等 基于熵权的导流标准多目标决策 分析 中国农村水利水电 吴叶科 宋如顺 陈波 基于博弈论的综合赋权法的信息安全 风险评估 计算机工程与科学 吴小萍 储诚诚 李月光 等 博弈论在高速公路施工期环境 影响评价中的应用 郑州大学学报 工学版 苏观南 付修庆 刘天祥 改进的博弈论综合权重在大坝安全 综合评价中的应用 中国农村水利水电 佘娜 基于熵权 法在工程风险评价中的应用 重庆 交通大学学报 自然科学版 王玲 刘建林 朱记伟 基于 模型的国际水电 项目风险评价研究 工程管理学报 姜忻良 王丙兴 窦远明 等 综合评价指标体系在桥梁选型 中的应用研究 土木工程学报 王卓甫 工程项目风险管理 理沦 方法与应用 中国水 利水电出版社 櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧