[发明专利]基于不确定性云理论的多年冻土区公路病害预测方法

说明书

技术领域

本发明属于道路病害、风险预测技术领域，涉及一种基于不确定性云理论的多年冻土区公路病害预测方法。

背景技术

云模型具有宏观精确、微观模糊、宏观可控、微观不可控的特点，其本质单位是云滴组成的概念云，思想是兼顾了随机性和模糊性。云模型是用语言值表示的某个定性概念与其定量表示之间的双向认知模型，用以反映自然语言中概念的不确定性，不但可以通过经典的概率论和模糊数学给出解释，而且反映了随机性和模糊性之间的关联，尤其是用概率的方法去研究模糊性，构成定性与定量之间的相互映射。

在公路病害预测中，由于专家经验和知识的不同，导致评价指标数值等级划分的随机性，且评价指标在实际测量过程中也会受到外界环境与人为因素等的影响，导致在概念划分的临界区域可能会被归为两个不同的等级，因此也造成了分类过程中的模糊性。因此公路病害预测是随机性与模糊性的综合，是一个不确定性问题。

多年冻土区地质条件复杂、生态环境脆弱，公路在穿越多年冻土区时，产生了极其严重的病害，造成了巨大的经济损失。因此，开展多年冻土区公路病害预测对于发现潜在病害路段、提高道路安全水平和有效改善公路工程质量具有十分重要的意义。

对于多年冻土区公路病害预测方面的研究，霍明等运用模糊函数理论和模糊推理库进行了青藏公路多年冻土区预警系统研究。李晓燕提出路基高度和冻土年最大融深之间的回归公式，为路基病害预测提供依据。朱东鹏运用模糊数学理论进行推理运算，最终输出路基状况指数。汪双杰等以模糊专家系统为基础提出了多年冻土区公路病害预测方法。骈龙江采用系统分析和模糊综合评判的方法，建立了冻融病害系统的模糊数学预报模型。但是，多年冻土区公路病害预测受到环境、工程和人为等众多不确定因素影响，而且表达这些因素的信息本身存在着不确定性和模糊性，目前，大多数预测方法基于确定性方法，预测结果不能很好的指导工程实践，需要探索一种能处理不确定性和模糊性的方法，以便达到简单实用结果稳定性高的预测成果。

发明内容

为解决上述问题，本发明目的在于提出一种基于不确定性云理论的多年冻土区公路病害预测方法，结合不确定性人工智能——云模型，为在多年冻土区开展公路建设提供支撑，以期达到发现潜在病害路段、提高道路安全水平、改善公路工程质量的目的。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

基于不确定性云理论的多年冻土区公路病害预测方法，包括以下步骤：

(1)选取某公路一路段作为数据采集目标区域，统计该路段多年年平均地温、含冰量、冻胀率和病害数据，并对该数据进行统计分析和筛选剔除，建立原始数据库；

(2)根据步骤(1)原始数据库中的数据，利用逆向云发生器获取多年年平均地温、含冰量、冻胀率的云模型特征值，得到各自初始概念数；

(3)对步骤(2)得到的多年年平均地温、含冰量、冻胀率初始概念数进行概念跃升，并提取各自的云特征值；利用公路病害度描述多年冻土区公路病害严重程度，公路病害度分为七个等级，并计算病害度云模型描述的数字特征和特征参数，得到病害度等级划分的云模型描述；

(4)对已有数据进行聚类分析，将多年年平均地温、含冰量、冻胀率作为推理条件，将病害度等级作为推理结果，构建规则库；并结合步骤(3)中的云特征值，将三维语言值表示的定性概念转换为定量表达的数值；

(5)根据多个3维前件云发生器和多个一维后件云发生器建立三维多规则多年冻土区公路病害预测云发生器，实现定向推理；

(6)将给定的年平均地温、含冰量和冻胀率(T，W，X)作为输入，分别激活年平均地温、含冰量和冻胀率概念等级，选取每个特定值激活度最大的两个概念等级，进行两两组合共得到八种组合，对应八条规则，依次访问八条规则生成器前件，计算联合隶属度，得到对应的8条规则生成器的前件的激活程度；

(7)选取步骤(6)中最大的激活程度所对应的推理规则，将该最大的激活度作为输入，访问该条规则生成器的后件，输出病害度结果，完成多年冻土区公路病害的评价。

进一步，步骤(3)中通过对多年年平均地温、含冰量和冻胀率进行概念跃升，分别提取出三朵云，对应着各自的三个语言描述等级，即“低、中、高”；将公路病害度划分为七个等级，即“极小、小、较小、中、较大、大、极大”，并计算病害度云模型描述的数字特征和特征参数，得到病害度等级划分的云模型描述。