基于多目標(biāo)的大體積混凝土溫控方案評價模型研究

王忠?guī)?謝巧麗

(1.濟南濟高融建置業(yè)有限責(zé)任公司，山東 濟南 250022；2.濟南市章丘區(qū)政務(wù)服務(wù)中心，山東 濟南 250022)

大體積混凝土在現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛，對其進行科學(xué)系統(tǒng)研究，保證其施工質(zhì)量，提高施工效率，具有重要的實際意義。大體積混凝土結(jié)構(gòu)尺寸較大，邊界條件多變，其溫度變化和應(yīng)力變化過程復(fù)雜，澆筑和養(yǎng)護過程中涉及的工藝和因素較多，現(xiàn)有的大體積混凝土溫控施工多依據(jù)經(jīng)驗進行制定，提前采用仿真計算或溫控計算進行方案演算。而對大體積混凝土施工中的多因素、復(fù)雜條件多采用簡化處理，使得溫控方案的制定與執(zhí)行存在一定的優(yōu)化空間。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)尤其是優(yōu)化技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、計算機應(yīng)用科學(xué)的不斷發(fā)展，其為人們提供了解決傳統(tǒng)問題的新思維和新方法。通過大量的科學(xué)研究和實際應(yīng)用，這些新技術(shù)在工業(yè)控制、天氣預(yù)報、人工智能等方面取得了較好的應(yīng)用效果[1-3]，也為其他行業(yè)的新技術(shù)應(yīng)用提供了應(yīng)用基礎(chǔ)。借助于計算機、大數(shù)據(jù)、人工智能分析技術(shù)，可以為大體積混凝土的溫度預(yù)測、目標(biāo)決策、動態(tài)施工等提供科學(xué)的分析手段，從而有效對大體積混凝土的智慧施工提供技術(shù)支撐。

大體積混凝土溫控方案多在施工前進行制定，其在施工過程中多依靠溫度采集裝置進行采集，而對采集的數(shù)據(jù)缺乏必要的分析和預(yù)測，其動態(tài)控制的效果有限；大體積混凝土施工涉及時間因素、經(jīng)濟因素、施工效果、施工技術(shù)難易程度等多種因素，是一個相對復(fù)雜的多因素系統(tǒng)，現(xiàn)有的溫控施工方案多依據(jù)經(jīng)驗進行制定，缺乏科學(xué)合理指導(dǎo)。因此，提出相應(yīng)的溫控方案的多目標(biāo)評價模型具有重要的工程意義和價值。

1 基于多目標(biāo)的溫控方案評價體系構(gòu)建

根據(jù)上述評價指標(biāo)，確定評價體系的準(zhǔn)則層包括經(jīng)濟合理性、工期節(jié)省性、技術(shù)科學(xué)性、效果可靠性、風(fēng)險管控性、環(huán)境影響性6個方面，指標(biāo)層包括材料成本、人工成本、機械成本、措施成本、人工時間、機械時間、技術(shù)可行性、施工難易程度、技術(shù)可靠性、溫控效果、澆筑質(zhì)量、風(fēng)險程度、可控程度、廢料污染、其他影響15個指標(biāo)。溫控措施綜合評價指標(biāo)如圖1所示。

圖1 溫控方案評價體系圖

2 多目標(biāo)評價模型

本文采用層次分析+模糊綜合評價，可以較好地實現(xiàn)對溫控方案的評價，以下對溫控方案的多目標(biāo)評價模型進行具體建模。

2.1 層次分析模型決定指標(biāo)權(quán)重

層次分析模型的具體建模過程如下[5]：

（1）建立遞階層次的結(jié)構(gòu)模型

分析溫控方案評價指標(biāo)體系中各因素之間的關(guān)系，一般來說可以分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層。建立的評價體系模型如圖1所示。

（2）構(gòu)造判斷矩陣

建立遞階層次結(jié)構(gòu)評價模型后，對因素進行逐層比較，比較因素間的相對重要性，并對重要性進行量化，量化值組成判斷矩陣A=，i,j=1,2,...,n。判斷矩陣中的各個元素的數(shù)值一般采用1～9標(biāo)度法確定，如表1所示[6]。

表1 1～9標(biāo)度法

aij表示兩兩比較因素的權(quán)重比值，矩陣A可表示為：

矩陣中的元素滿足：aij＞0，aij=1,(i=j)，aij=1/aij。

（3）計算權(quán)向量

首先，將判斷矩陣A中的每一列進行歸一化：

然后，將歸一化后的判斷矩陣A按行求和并歸一化[7]：

式中W=(W1,W2,...,Wn)T，代表所求的特征向量。

（4）層次單排序及一致性檢驗

計算AW，并得出最大特征值λmax為：

式中λmax為矩陣A的最大特征值；(AW)i代表向量AW的第i個分量。

判斷矩陣一致性檢驗的計算公式如下：

式中CR為判斷矩陣的隨機一致性比率；CI為一致性判斷指標(biāo)；n為矩陣的階數(shù)；RI為判斷矩陣的評價隨機一致性指標(biāo)RI的值可以通過查表2確定。

表2 隨機一致性指標(biāo)RI值

當(dāng)計算所得的CR≤0.1時，則說明判斷矩陣的一致性符合要求，矩陣的一致性可以接受，否則需要對判斷矩陣進行調(diào)整，直到滿足條件為止。

（5）層次總排序及一致性檢驗

層次的總排序應(yīng)當(dāng)從目標(biāo)層到指標(biāo)層，逐層進行計算。同樣的，層次總排序結(jié)果也應(yīng)該進行一致性檢驗，方法與需要滿足的條件與層次單排序時的一致性檢驗一樣?？偱判虻臋?quán)值計算具有以下性質(zhì)：

式中ai為準(zhǔn)則層權(quán)值為目標(biāo)層的權(quán)值。

最后對總排序的一致性進行檢驗，如果小于等于0.1，則總排序一致，分析的結(jié)果便可用于決策。一致性檢驗的公式如下：

式中ai代表上一層的特征向量；CIi為本層次不同元素的一致性判斷指標(biāo)；RIi為本層次不同元素的判斷矩陣的評價隨機一致性指標(biāo)。

2.2 模糊綜合評判優(yōu)選

對于一個涉及多個目標(biāo)且目標(biāo)具有模糊性的事物進行評價時，模糊綜合評判法是最為有效的方法。具體方法如下：

（1）建立評價因素集U={u1,u2,u3,...,un}來表示方案有影響的因素。

（2）建立評語集V={v1,v2,v3,...,vm}將方案對措施評價因素的影響分為m類，并對應(yīng)類別設(shè)置量化值。

（3）建立單因素評判矩陣R，即設(shè)計調(diào)查問卷，請有關(guān)專家（N位）對方案在具體因素中的表現(xiàn)進行評價，統(tǒng)計評價表，得出R。具體步驟為：請有關(guān)專家對方案的每個指標(biāo)進行評判，評判表格構(gòu)成如表3 所示，即在每個因素的對應(yīng)評語下打√；綜合所有參與調(diào)查的專家問卷，統(tǒng)計各個因素對應(yīng)的每個評語的√數(shù)目Mij，再將其除以參與調(diào)查的總?cè)藬?shù)N，轉(zhuǎn)化成模糊矩陣R。

表3 方案的各指標(biāo)評判表

式中Mij表示ui因素在vj評語下的√個數(shù)，i=1,2,...,n，j=1,2,...,m；N表示參與調(diào)查的總?cè)藬?shù)；rij表示ui因素對vj評語的等級模糊子集的隸屬度。

（4）建立評語模糊集b，b=a°R。其中，a為因素集權(quán)重，可利用層次分析法中的公式進行計算；b=(b1,b2,...,bm)表示了考察方案隸屬于評語中各等級的程度；“°”代表矩陣模糊算子。

如果評判因素集元素過多，則權(quán)重向量中每個分量很小，即設(shè)U={u1,u2,...,un}為主因素，將ui再分設(shè)x個子因素，ui={ui1,ui2,...,uil}，i=1,2,...,n，l=1,2,...,x。評語集不變，按上述方法對各子因素進行綜合評判。

根據(jù)因素ui在因素集中所占比重，確定其子因素的權(quán)重，即將ai二級模糊變換。

（5）綜合模糊評判

計算評語集，并結(jié)合評語集對應(yīng)量化值集c=(c1,c2,...,cm)，得出方案綜合評價值D。

對于多個溫控方案的比選，可以通過上述建模和評價方法對其進行比較，并根據(jù)綜合評價值的大小選出最優(yōu)方案。

3 實例分析

某泵站工程的大體積混凝土施工中，泵房底板澆筑體量最大，其泵房段底板長度為92.25m，寬度為30.00m，泵房段澆筑厚度為4.94m，齒槽處厚度為6.4m。通過初步方案的比較，最終確定方案比選結(jié)果如表4所示。

表4 泵房段溫控施工方案表

以方案1為例，對經(jīng)濟合理性進行修正后的各個指標(biāo)層對于目標(biāo)層的總排序權(quán)重如表5所示。

表5 修正經(jīng)濟合理性后指標(biāo)層對于目標(biāo)層的總排序權(quán)重

根據(jù)式子（14）和式（15）計算可得方案1 的分值為D=aR=0.2045。其他方案的計算過程與方案1計算過程一致，則得出各個方案的評價得分如表6所示。

表6 各方案分值表

通過對各個方案進行評價計算可得，按照最優(yōu)排序，其方案依次為：方案2＜方案3＜方案1＜方案6＜方案5＜方案4。根據(jù)方案比選，最終確定方案2為最優(yōu)方案，即對于泵房底板的施工，確定為分2 層三塊澆筑，其中每塊的下層澆筑3m，布設(shè)兩層水管，每塊的上層澆筑1.94m，布設(shè)一層水管，其澆筑順序為：左聯(lián)底板下層→右聯(lián)底板下層→左聯(lián)底板上層→右聯(lián)底板上層→中聯(lián)底板下層→中聯(lián)底板上層。

4 結(jié)語

本章從溫控方案評價的特點出發(fā)，全面考慮溫控方案評價的內(nèi)容，從經(jīng)濟合理性、工期節(jié)省性、技術(shù)科學(xué)性、效果可靠性、風(fēng)險管控性、環(huán)境影響性六個方面構(gòu)建溫控方案評價指標(biāo)，針對不同的溫控方案，采取層次分析法和模糊綜合評價法構(gòu)建多目標(biāo)評價模型，該評價模型可以用于對溫控方案的客觀評