基于改进AHP和熵权法相结合的山区在役柔性悬索桥运营安全风险评估

杨忠恒 简平 李睿

摘  要： 针对传统的层次分析法（AHP）在桥梁运营安全评估中的不足之处，提出了基于改进AHP和熵权法相结合的在役悬索桥运营安全风险评估分析方法。该方法通过定量、客观的分析，克服传统评估方法中各个风险指标权重值计算的局限性，做到了主观权重和客观权重相结合，为在役悬索桥制定科学、正确、合理的管理方案提供了重要参考。同时以云南新龙桥为例进行验证，得到各个风险源的权重值，并找到超载风险是影响悬索桥安全运营的主要影响风险源。运用有限元软件对悬索桥运营阶段基于超载风险的仿真分析，明确超载对该桥安全运营的影响程度。研究表明该评估方法改进和完善了在役悬索桥运营风险综合评估方法，同时对其他桥型的风险评估也有一定的参考意义。

关键词： 风险评估;悬索桥;AHP;熵权法;超载，有限元软件

中图分类号： TB115    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.013

本文著录格式：杨忠恒，简平，李睿，等. 基于改进AHP和熵权法相结合的山区在役柔性悬索桥运营安全风险评估[J]. 软件，2019，40（6）：5763

【Abstract】： Aiming at the shortcomings of traditional analytic hierarchy process （AHP） in bridge operation safety assessment， this paper proposes an operational safety risk assessment analysis method based on the combination of improved AHP and entropy weight method. The method overcomes the limitation of the calculation of the weight value of each risk index in the traditional evaluation method through quantitative and objective analysis， and combines the subjective weight with the objective weight to provide an important， scientific and correct management plan for the suspension bridge in service. reference. At the same time， the Yunnan Xinlong Bridge is taken as an example to obtain the weight value of each risk source， and finding the overload risk is a key risk source affecting the safe operation of the suspension bridge. Using finite element software to simulate the overload risk based on the overload stage of the suspension bridge， the impact of overload on the safety operation of the bridge is clarified. The research indicates that the evaluation method improves and perfects the comprehensive assessment method of operational risk of suspension bridges in service， and also has certain reference significance for the risk assessment of other bridge types.

【Key words】： Risk assessment; Suspension bridge; AHP; Entropy weight method; Overload; Finite element software

0  引言

近幾年，随着我国经济的飞速发展，我国的桥梁建设也取得了举世瞩目的成就。悬索桥由于其跨越能力强，受力明确，材料利用率高，造型美观，施工快捷等优点，成为了跨越山川河流的最佳桥型之一[1-2]。但是悬索桥因其结构体系复杂，跨度大，在运营期间存在许多不确定因素，从而引发桥梁安全事故。因此，预防和控制悬索桥风险因素是保证桥梁安全运营的关键问题。为解决该问题，首先应明确悬索桥在运营期间的风险因素，并对风险因素进行评估，得到各个风险因素对悬索桥的影响程度，最后根据影响程度的大小制定相应的预防和控制措施[3-4]。当前桥梁风险评估研究大多是针对桥梁施工控制阶段，对于运营期间的风险评估相对较少。在桥梁运营期间，一旦桥梁出现事故，将造成巨大的损失。对于在运营期间桥梁事故大多数是有规律可循，如果运用科学合理的方法计算出风险发生的概率以及该风险对桥梁的影响程度，并对此制定合理科学的预防措施和应急方案，将加强桥梁在运营期间的风险管理，极大的保证桥梁在运营期间的安全运营。

目前，国内对于桥梁运营安全评估方法主要是AHP[5-6]，该方法把影响桥梁安全运营的因素分解成不同层次，在各层次上进行定量和定性分析。但是桥梁风险评估是个复杂而庞大的系统，传统的AHP在面对这类问题时可能会出现指标间的影响程度模糊性或者不准确性[7-8]。针对传统AHP的不足之处，本文考虑将AHP和熵权法相结合，并对传统的AHP和熵权法进行优化，从而得到各风险源的最优综合权重值。该方法不仅能使专家的知识与经验得到充分发挥，而且使客观数据间相互结合，使评价的结果更加可靠和准确。

1  AHP和熵权法改进及运用

1.1  AHP的改进和运用

层次分析法（简称AHP）是美国Satty[9]教授提出的，是一种将定性和定量相结合的方法。其主要思路是把需要决策的问题以总目标，子目标以及评价的准则进行分层，各个层次之间相互关联，上一层支配下层，呈递阶关系。这种层次分析可以转换成数字，在运用矩阵进行判断，得到在特定的准则下的优先顺序，从而赋予各个影响因素的权重值[10]。其难点就在于构造两两比较矩阵，这关系到评估权重的科学性、客观性以及正确性。学者[11]提出采用“1～9标度法”来描述各因素之间的相对重要性，但是在实际中遇到主观不确定和认知模糊的问题时，“1～9标度法”容易把问题细化，使得评价结果与实际情况出现误差。针对这种情况，研究发现运用“0～2”三标度法可以避免这种情况。三标度法具体意义如表1。

2  工程实例

2.1  工程背景

新龙桥位于云南大理，是横跨澜沧江连接两岸交通的主要通道。该桥主跨为180米的悬索桥，两侧引道分别为2×11米和1×10米的钢筋混凝土空心板，桥面净宽3.5米，设计速度为10 Km/h。下部结构0号桥台采用重力式桥台，4号桥台采用桩基础。

2.2  建立风险评价指标体系

在役悬索桥在运营期间的风险评估是一个复杂且庞大的系统，考虑新龙桥内外因素对其进行风险识别划分，得到该桥运营期间风险评估指标。分别划分3个准则层，以及每个准则层下又分多个指标，基本包含该桥在运营期的各个风险因素。具体如图2所示。

2.3  基于改进AHP法的主观权重计算

由表8可知，随着荷载不断的增加，主梁竖向位移也在不断增加，以设计荷载为标准，当超载系数 =2时，主梁的竖向位移达到了1806 mm，其竖向位移增幅达到了45.7%，主梁的挠度已经不满足规范要求。同时，竖向挠度过大，增加竖向反复变形的疲劳程度，减少桥梁的服役年限。

4  结论

本文通过建立悬索桥风险评估体系，并以新龙桥为工程实例进行验证，得到以下结论：

（1）基于改进的AHP和改进熵权法相结合对悬索桥进行风险评估，改进和完善了悬索桥运营风险综合评估方法，使评价过程变得清晰简便，充分将专家的知识和经验与客观数据间相结合，避免了单独运用传统AHP造成的主观性较强的缺陷，使结果更为可靠准确。

（2）文中基于悬索桥的内外影响因数将悬索桥的运营风险评估体系划分成包含人为灾害、自然灾害、偶然灾害三个综合评估指标，在三个指标下又分成16个具体指标对桥梁进行风险评估，该体系基本包含了影响悬索桥安全运营的各个风险因素，评估指标体系是合理的。

（3）通过新龙桥风险评估结果表明，影响新龙桥安全运营的主要风险是超载风险。同时对于超载风险建立空间有限元 模型分析，其结果表明，超载运营对该桥影响较明显，当超载系数达到2时，纵梁应力基本接近钢材的允许应力值，易造成主梁的破坏;竖向挠度超过了规范限值，严重影响行车舒适感。控制超载运营是十分有必要的。

（4）通过对运营期的悬索桥风险评估，将得到悬索桥运营期间主要影响安全运营的风险源，对此做好预防措施以及应急方案，将极大提高悬索桥的运营安全，同时该评估方法对其他桥型在运营安全评估一样有参考价值。

参考文献

[1] 周世忠. 中国悬索桥的发展[J]. 桥梁建设， 2003（5）： 30-34.

[2] 刘箐霖， 梁仁鸿. 悬索桥发展概述及展望[J]. 交通世界： 运输车辆， 2015（5）： 98-100.

[3] 阮欣. 桥梁工程风险评估体系及关键问题研究[D]. 同济大学， 2006.

[4] 巩春领. 大跨度斜拉桥施工风险分析与对策研究[D]. 同济大学， 2006.

[5] 范剑锋， 袁海庆， 钟珞. 不确定层次分析下的桥梁评估最优指标权重确定[J]. 公路交通科技， 2007（09）： 65-68.

[6] 黄海洋. 在役悬索桥运营风險综合评估及实践应用研究[D]. 昆明理工大学， 2018.

[7] 倪宁， 张少泉， 陈晓云， 张筱雨. 基于熵权法和模糊层次分析法的审计风险评估[J]. 软件， 2018， 39（10）： 254-259.

[8] 张浩， 薛子啸， 李昳晴. 基于层次分析法的共享单车供求匹配分析[J]. 软件， 2018， 39（2）：170-172

[9] 蔡永勇， 桑笑楠， 张周磊， 等. 资源多约束进度网络的风险评估[J]. 软件， 2015， 36（7）：36-41

[10] 何洪亮， 赵珂， 王子群， 娄贵红. 基于层次分析与多元曲线拟合法的众包任务定价模型研究[J]. 软件， 2018， 39（10）： 139-144.

[11] Wei C C， Chien C F， Wang M J J. An AHP-based approach to ERP system Selection[J]. International Journal of Production Economics， 2005， 96（1）： 47-62.

[12] 刘琳. 计算机软件工程管理与应用分析[J]. 软件， 2014， 35（2）： 141-143.

[13] 潘燕华， 刘晨熙. 基于改进AHP和熵权法的预制节段梁生产运输方案研究[J]. 电子设计工程， 2013， 21（14）： 45-48.

[14] 张近乐， 任杰. 熵理论中熵及熵权计算式的不足与修正[J]. 统计与信息论坛， 2011， 26（1）： 3-5.

[15] 谢季坚， 刘承平. 模糊数学方法及其应用[M]. 武汉： 华中科技大学出版社， 2014.