一种基于动态规划法的桥梁维修决策方法

摘要

本申请涉及一种基于动态规划法的桥梁维修决策方法，其包括如下步骤：基于桥梁的m类构件的被扣评分、巡检项权重和巡检构件权重，得到m类构件的综合被扣评分，其中，m为桥梁被划分的构件类型总数；获取桥梁的各类构件的综合维修费用；基于桥梁单位维修资金、各类构件的综合被扣评分、综合维修费用和维修折减系数，建立桥梁的维修收益矩阵；将桥梁维修资金总额分成m个阶段进行分配，建立桥梁动态规划基本方程及第一边界条件，结合桥梁的维修收益矩阵，求解并得到将桥梁维修资金总额分配给m类构件时的最优分配序列。本申请能够在资源有限的条件下更好的完成桥梁养修工作。

说明书

技术领域

本申请涉及桥梁工程管理养护维修的技术领域，特别涉及一种基于动态规划法的桥梁维修决策方法。

背景技术

近年来，随着城市桥梁的服役时间逐年增加，桥上车辆超载现象的频繁发生，一些服役较久甚至是新建的桥梁开始出现病害发展增多的问题。如果不能及时修复，会导致病害迅速劣化，最终导致桥梁安全事故的发生。

同时，随着城市交通需求的不断增大，城市桥梁数量逐年增多，需要管理和养护的桥梁也不断增加，而桥梁是由多种构件组合而成，其维修工作也需按照构件种类进行专业化施工。不断增加的工作量和复杂性也使得城市桥梁集群的养护维修决策存在较大的困难，如何在资源有限的条件下更好的完成桥梁养修工作也是城市桥梁管理者必须面临的挑战。

发明内容

本申请实施例提供一种基于动态规划法的桥梁维修决策方法，能够在资源有限的条件下更好的完成桥梁养修工作。

本申请实施例提供了一种基于动态规划法的桥梁维修决策方法，其包括如下步骤：

基于桥梁的m类构件的被扣评分、巡检项权重和巡检构件权重，得到m类构件的综合被扣评分，其中，m为桥梁被划分的构件类型总数；

获取桥梁的各类构件的综合维修费用；

基于桥梁单位维修资金、各类构件的综合被扣评分、综合维修费用和维修折减系数，建立桥梁的维修收益矩阵；

将桥梁维修资金总额分成m个阶段进行分配，建立桥梁动态规划基本方程及第一边界条件，结合桥梁的维修收益矩阵，求解并得到将桥梁维修资金总额分配给m类构件时的最优分配序列。

一些实施例中，基于桥梁的m类构件的被扣评分、巡检项权重和巡检构件权重，得到m类构件的综合被扣评分，包括：

根据桥梁的定检资料，获取桥梁被划分的第i类构件被扣评分DP

计算第i类构件的综合被扣评分DP

一些实施例中，获取桥梁的各类构件的综合维修费用，包括：

采用如下公式计算第i类构件的综合维修费用f

f

其中，f

一些实施例中，f

f

统计第i类构件在维修时所使用的固定措施的项数；

统计所述固定措施用以维修的构件类型数量，将该固定措施的费用价格进行均摊，得到在维修第i类构件时使用该固定措施所产生的固定措施费；

将第i类构件所涉及的各项固定措施对应的固定措施费进行加和，得到第i类构件在维修时所需的固定措施费用总额f

一些实施例中，桥梁的维修收益矩阵A如下：

其中，EX

一些实施例中，若

若f

一些实施例中，令第k阶段为第k类构件的资金分配阶段，且k＝1、2、...、m；

桥梁动态规划基本方程为：

P(r(k),k)＝max{A(u(k),k)+P(r(k+1),k+1)}

第一边界条件为：

P(r(m),m)＝A(r(m),m)

其中，u(k)为第k类构件所获得的桥梁单位维修资金EX

结合桥梁的维修收益矩阵，采用逆序递推，求得将桥梁维修资金总额Z分配给m类构件时桥梁的最多可提高评分P(Z,1)对应的最优分配序列。

一些实施例中，当桥梁有n个，以形成桥梁集群时，所述方法还包括如下步骤：

求取各个桥梁在将不同的桥梁维修资金总额分配给该桥梁所有类型的构件时的最优分配序列所对应的最多可提高评分，并建立桥梁集群的维修收益矩阵；

将桥梁集群维修资金总额分成n个阶段进行分配，建立桥梁集群动态规划基本方程及第二边界条件，结合桥梁集群的维修收益矩阵，求解并得到将桥梁集群维修资金总额分配给n个桥梁时的最优分配序列，其中，n≥2。

一些实施例中，桥梁集群的维修收益矩阵A

其中，EX

一些实施例中，令第k

桥梁集群动态规划基本方程为：

P

第二边界条件为：

P

其中，u

结合桥梁集群的维修收益矩阵，采用逆序递推，求得将桥梁集群维修资金总额Z

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请实施例提供的一种基于动态规划法的桥梁维修决策方法，通过构建合理的桥梁动态规划基本方程及第一边界条件，结合桥梁的维修收益矩阵，能够得到单座桥梁维修资金总额分配的最优结果和方案，有利于资源的有效利用和桥梁的科学决策，从而能够在资源有限的条件下更好的完成桥梁养修工作。

本申请实施例综合考虑了维修费用中的固定措施费和专项维修费、桥梁不同构件的评分权重和维修折减等影响因素，使整个决策过程接近实际应用场景，更加合理。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的基于动态规划法的桥梁维修决策方法(针对于单个桥梁)；

图2为本申请实施例提供的基于动态规划法的桥梁维修决策方法(针对于桥梁集群)。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种基于动态规划法的桥梁维修决策方法，其能够在资源有限的条件下更好的完成桥梁养修工作。

参见图1所示，本申请实施例提供了一种基于动态规划法的桥梁维修决策方法，该方法针对于单个桥梁，该方法包括如下步骤：

101：基于桥梁的m类构件的被扣评分、巡检项权重和巡检构件权重，得到m类构件的综合被扣评分，其中，m为桥梁被划分的构件类型总数。

桥梁的构件可按照《城市桥梁养护技术标准》评定规则划分，如：

桥面系可划分为：桥面铺装、桥头平顺、排水系统、栏杆或护栏、人行道、伸缩装置。

上部结构及附属物按照桥梁类型进行划分，如梁桥可划分为：主梁、横向联系。

下部结构及附属物通常区分为桥墩和桥台，同样按照桥梁类型进行划分，如梁式桥桥墩可划分为：盖梁、墩身、基础、支座；桥台可划分为台帽、台身、基础、耳墙、支座。

桥梁的构件也可根据经验采用其它划分方法。

步骤101中，各类构件的综合被扣评分可按照如下方式获取：

根据桥梁的定检资料，获取桥梁被划分的第i类构件被扣评分DP

计算第i类构件的综合被扣评分DP

i＝1、2、...、m，对i进行赋值，可得到桥梁的m类构件的综合被扣评分。

巡检项权重ω

对于梁式桥，桥面系巡检项权重ω

桥面系中桥面铺装、桥头平顺、排水系统、栏杆或护栏、人行道、伸缩装置的巡检构件权重ω

上部结构及附属物中主梁、横向联系的巡检构件权重ω

下部结构及附属物的桥墩中盖梁、墩身、基础、支座的巡检构件权重ω

下部结构及附属物的桥台中台帽、台身、基础、耳墙、支座的巡检构件权重ω

当然了，也可以根据经验来取值。

根据各类构件综合被扣评分，可以得到桥梁的综合被扣评分序列DP

102：获取桥梁的各类构件的综合维修费用。

步骤102可按照如下方式进行：

采用如下公式计算第i类构件的综合维修费用f

f

其中，f

令i为1、2、...、m时，可得到f

即可得到桥梁的综合维修费用序列F＝[f

专项维修费的计算方式为：构件的市场维修单价与该类构件在桥梁中的病害维修量的乘积。

比如：f

具体例子：某桥梁上的伸缩装置有3个，其中有2个需要维修，说明伸缩装置这类构件在桥梁中的病害维修量为2，一个伸缩装置的市场维修单价为2000元，则伸缩装置的专项维修费为2*2000＝4000元。

f

统计第i类构件在维修时所使用的固定措施的项数；

统计固定措施用以维修的构件类型数量，将该固定措施的费用价格进行均摊，得到在维修第i类构件时使用该固定措施所产生的固定措施费；

将第i类构件所涉及的各项固定措施对应的固定措施费进行加和，得到第i类构件在维修时所需的固定措施费用总额f

具体例子：构件M在维修时，需要用到固定措施G

经统计，需要使用固定措施G

构件M这类型构件在维修时所需的固定措施费用总额为H

103：基于桥梁单位维修资金、各类构件的综合被扣评分、综合维修费用和维修折减系数，建立桥梁的维修收益矩阵。

桥梁的维修收益矩阵A如下：

其中，EX

t取正整数，在建立桥梁的维修收益矩阵A时，最好确保EX

DP

对于维修折减系数η，η≤1，根据不同类型构件维修可达到效果设置，构件维修效果越好，η越接近于1，通常，对于更换类，维修折减系数η＝1，对于修复类，维修折减系数η＜1。

若

若f

104：将桥梁维修资金总额分成m个阶段进行分配，建立桥梁动态规划基本方程及第一边界条件，结合桥梁的维修收益矩阵，求解并得到将桥梁维修资金总额分配给m类构件时的最优分配序列。

步骤104是利用动态规划法求解桥梁优化结果。

令桥梁所分配的桥梁维修资金总额为Z，按照该桥梁所划分的构件类型数量m，把桥梁维修资金总额Z的分配过程分成m个阶段，令第k阶段为向第k类构件分配资金，且k＝1、2、...、m。

需要说明的是，桥梁的每一类构件分配一份维修资金，所分配的维修资金有可能为0，也有可能不为0。

如此，便利用桥梁动态规划基本方程及第一边界条件，将桥梁维修资金总额的分配问题转化成求目标函数P(r(k),k)和最优分配序列

桥梁动态规划基本方程为：

P(r(k),k)＝max{A(u(k),k)+P(r(k+1),k+1)}

最优分配序列

第一边界条件为：

P(r(m),m)＝A(r(m),m)

其中，u(k)为第k类构件所获得的桥梁单位维修资金EX

r(k+1)+u(k)＝r(k)

r(1)＝Z

P(r(k),k)为将r(k)分配给第k类构件、第k+1类构件、...、第m类构件时所获得的最多可提高评分。

采用逆序递推，利用桥梁的维修收益矩阵A和目标函数P(r(k),k)，求解桥梁优化矩阵G和最优分配序列矩阵U：

结合桥梁维修资金总额Z与桥梁优化矩阵G和最优分配序列矩阵U，即可得到将桥梁维修资金总额Z分配给m类构件时桥梁的最多可提高评分P(Z,1)对应的最优分配序列u

比如：当Z＝EX

即最优分配序列矩阵U中第二行的最优分配序列。

当Z＝EX

即最优分配序列矩阵U中最后一行的最优分配序列。

其余情况，依次类推。

本申请实施例提供的一种基于动态规划法的桥梁维修决策方法，通过构建合理的桥梁动态规划基本方程及第一边界条件，结合桥梁的维修收益矩阵，能够得到单座桥梁维修资金总额分配的最优结果和方案，有利于资源的有效利用和桥梁的科学决策，从而能够在资源有限的条件下更好的完成桥梁养修工作。

本申请实施例综合考虑了维修费用中的固定措施费和专项维修费、桥梁不同构件的评分权重和维修折减等影响因素，使整个决策过程接近实际应用场景，更加合理。

随着城市交通需求的不断增大，城市桥梁数量逐年增多，需要管理和养护的桥梁也不断增加，针对桥梁有n(其中，n≥2)个，形成桥梁集群时，如何将桥梁集群维修资金总额划分成n份桥梁维修资金总额，从而最优地分配给n个桥梁，以完成养护维修，也存在较大的困难，因此，本申请在上述针对单个桥梁维修决策的基础上，还提供了针对桥梁集群的养护维修决策方法。

需要说明的是，每个桥梁分配一份桥梁维修资金总额，所分配的桥梁维修资金总额有可能为0，也有可能不为0。

具体地，采用如下步骤进行：

201：求取各个桥梁在将不同的桥梁维修资金总额分配给该桥梁所有类型的构件时的最优分配序列所对应的最多可提高评分，并建立桥梁集群的维修收益矩阵；

桥梁集群的维修收益矩阵A

其中，EX

y取正整数，在建立桥梁集群的维修收益矩阵A

P

202：将桥梁集群维修资金总额分成n个阶段进行分配，建立桥梁集群动态规划基本方程及第二边界条件，结合桥梁集群的维修收益矩阵，求解并得到将桥梁集群维修资金总额分配给n个桥梁时的最优分配序列。

步骤202是利用动态规划法求解桥梁集群优化结果。

令桥梁集群所分配的桥梁集群维修资金总额为Z

如此，便利用桥梁集群动态规划基本方程及第二边界条件，将桥梁集群维修资金总额的分配问题转化成求目标函数P

桥梁集群动态规划基本方程为：

P

最优分配序列

第二边界条件为：

P

其中，u

r

r

P

采用逆序递推，利用桥梁集群的维修收益矩阵A

结合桥梁集群维修资金总额Z

比如：当Z

即最优分配序列矩阵U

当Z

即最优分配序列矩阵U

其余情况，依次类推。

因此，针对于桥梁集群，基于动态规划法，获取桥梁集群维修资金总额的最优分配序列，从而按照该最优分配序列，分配给每一个桥梁对应的桥梁维修资金总额，针对每一个桥梁，基于动态规划法，获取该桥梁对应的桥梁维修资金总额的最优分配序列，从而按照该最优分配系列，分配给该桥梁的每一类构件对应的维修资金。故本申请实施例能够得到单座桥梁以及桥梁集群维修资金总额分配的最优结果和方案，有利于资源的有效利用和桥梁的科学决策，从而能够在资源有限的条件下更好的完成桥梁养修工作。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。