基于粗糙集理論的路面病害成因確定方法

丁 寧

(北京建達(dá)道橋咨詢有限公司，北京 100015)

0 引言

分析路面病害的成因、找出引發(fā)病害的主要影響因素對(duì)于制定正確的養(yǎng)護(hù)對(duì)策、節(jié)約有限的養(yǎng)護(hù)資金具有重要意義。

然而，路面病害往往是多種因素綜合作用的結(jié)果［1，2］，并且一些影響因素具有不確定性。不僅如此，公路養(yǎng)護(hù)管理部門所收集的區(qū)域路面病害統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)數(shù)量十分龐大。要在眾多含有不確定性的因素中判別各因素對(duì)路面病害的影響程度僅憑專家的經(jīng)驗(yàn)存在著較大的主觀性。

為了提高養(yǎng)護(hù)措施的一致性和科學(xué)性，在病害成因分析中引入不確定性分析方法。相對(duì)于現(xiàn)有的不確定性分析和推理方法，粗糙集理論能在無先驗(yàn)知識(shí)且沒有事先對(duì)數(shù)據(jù)或知識(shí)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)的條件下，僅利用數(shù)據(jù)本身所含信息，客觀有效地分析和處理不精確、不確定與不完全數(shù)據(jù)，還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和推理，并從中發(fā)現(xiàn)隱含的知識(shí)，揭示潛在的規(guī)律。

本文在粗糙集理論的基礎(chǔ)上，建立了水泥混凝土路面病害成因分析模型，并以算例加以分析。

1 病害成因分析決策表

以路面病害成因統(tǒng)計(jì)資料為基礎(chǔ)，分別對(duì)水泥混凝土路面的11類損壞［3］建立相應(yīng)的病害成因分析決策表。病害的各影響因素對(duì)應(yīng)著決策表中的條件屬性，而對(duì)病害統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理之后各影響因素的取值對(duì)應(yīng)著相應(yīng)條件屬性的屬性值，決策屬性則為要分析的路面病害［4］。

以裂縫損壞為例，在路面損壞數(shù)據(jù)庫(kù)中路面裂縫的影響因素一共有43項(xiàng)，分別從材料、施工、運(yùn)營(yíng)這三個(gè)角度考查了可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生路面裂縫的因素。

為了說明粗糙集理論在路面損壞成因分析中的應(yīng)用，僅以裂縫損壞的部分影響因素來建立裂縫損壞成因分析模型。

經(jīng)過檢測(cè)和判斷得知，某路段共有裂縫病害9處，具有面層設(shè)計(jì)厚度偏薄、使用不同批次水泥、粗集料最大粒徑大于規(guī)范要求、拌合物溫度過高、基層壓實(shí)度不夠、排水管滲漏、車輛超載、地下水位較高、路基填料不均勻9種病害成因的統(tǒng)計(jì)資料。

令 U={e1，e2，…，e9}，條件屬性為{x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8，x9}，條件屬性被劃分為兩個(gè)級(jí)別，用{1，0}來表示，決策屬性Disease為裂縫損壞，其中，1—存在，0—不存在;x1—面層設(shè)計(jì)厚度偏薄，x2—使用不同批次水泥，x3—粗集料最大粒徑大于規(guī)范要求，x4—拌合物溫度過高，x5—基層壓實(shí)度不夠，x6—排水管滲漏，x7—車輛超載，x8—地下水位較高，x9—路基填料不均勻;D={輕度裂縫y1，中度裂縫y2，重度裂縫y3}。

根據(jù)以上信息建立裂縫成因分析決策表，見表1。

表1 裂縫成因分析決策表

2 條件屬性的支持度計(jì)算

對(duì)建立的決策表進(jìn)行約簡(jiǎn)，并對(duì)約簡(jiǎn)后的決策表(選擇約簡(jiǎn){x2，x3，x5，x6，x7}為例)計(jì)算條件屬性 xi在條件屬性集 C 中相對(duì)于Wj和D的支持度和

其中，|Wj|為分類U/D的各個(gè)子集Wj中的元素的個(gè)數(shù)，j=1，2，3;|SC(Wj)|為Wj關(guān)于條件屬性集C的支持子集中元素的個(gè)數(shù);|S(C－{xi})(Wj)|為Wj關(guān)于條件屬性集C－{xi}的支持子集中元素的個(gè)數(shù);|SC(D)|為D關(guān)于條件屬性集C的支持子集中元素的個(gè)數(shù);|S(C－{xi})(D)|為D關(guān)于條件屬性集C－{xi}的支持子集中元素的個(gè)數(shù);|U|為論域U中元素的個(gè)數(shù)。

具體分析結(jié)果見表2～表5。

表2 各屬性對(duì)輕度裂縫的重要度

表3 各屬性對(duì)中度裂縫的重要度

表4 各屬性對(duì)重度裂縫的重要度

表5 各屬性對(duì)裂縫病害的重要度

根據(jù)9個(gè)裂縫病害統(tǒng)計(jì)資料，由計(jì)算結(jié)果可以初步判定上述5個(gè)因素的影響程度:

對(duì)于輕度裂縫來說，主要成因在于排水管滲漏導(dǎo)致路基不均勻沉降產(chǎn)生裂縫，其次為使用不同批次水泥且粗集料最大粒徑大于規(guī)范要求而使混凝土路面板強(qiáng)度降低導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生，此外，車輛超載也是導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生的誘因，而基層壓實(shí)度則幾乎沒影響;

對(duì)于中度裂縫來說，主要成因在于排水管滲漏，其余4個(gè)因素幾乎沒影響;

對(duì)于重度裂縫來說，主要成因在于使用不同批次水泥。

對(duì)于所有裂縫損壞來說，各影響因素按照影響程度由大到小的順序排列依次為:排水管滲漏，使用不同批次水泥，粗集料最大粒徑大于規(guī)范要求，車輛超載，而基層壓實(shí)度則幾乎沒影響。

最后根據(jù)分析結(jié)果采取相應(yīng)措施預(yù)防和治理。

3 結(jié)語

1)建立決策表所需的數(shù)據(jù)是離散型數(shù)據(jù)，而公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)信息數(shù)據(jù)往往是非量化的、連續(xù)性的數(shù)據(jù)，無法直接用于建立決策表。為了建立更合理有效的病害成因分析模型，需要根據(jù)不同的情況對(duì)條件屬性和決策屬性的選取和賦值來進(jìn)行深入細(xì)致的研究。

2)由于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)數(shù)量和類型的有限，筆者只對(duì)簡(jiǎn)單的算例進(jìn)行試驗(yàn)，而且沒有設(shè)置置信度檢驗(yàn)。因此，上述模型和算法的合理性和實(shí)用性有待于更大規(guī)模的實(shí)際數(shù)據(jù)和置信度水平的檢驗(yàn)。

3)考慮到病害成因統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)存在著不完整性，即某些影響因素的指標(biāo)值缺失。為了保證決策的可靠性，應(yīng)利用不完整信息系統(tǒng)中的粗糙集理論對(duì)采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，從而科學(xué)、客觀地確定病害成因，為科學(xué)養(yǎng)護(hù)決策提供參考。

［1］王向進(jìn)，程旵林，高 潔，等.淺談水泥混凝土路面病害形成原因及預(yù)防措施［J］.學(xué)術(shù)探討，2009(9)：303.

［2］付 李.水泥混凝土路面破壞原因分析及養(yǎng)護(hù)措施建議［J］.交通建設(shè)與管理，2009(2)：73-76.

［3］JTG H20-2007，公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［4］張邵陽(yáng)，馬玉蘭，王選倉(cāng).基于關(guān)聯(lián)分析的路面病害成因確定方法［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2008(2)：98-103.

［5］張文修，吳偉志，梁吉業(yè)，等.粗糙集理論與方法［M］.北京：科學(xué)出版社，2001.

［6］陳世樑.道路病害分析［J］.山西建筑，2013，39(4)：157-158.