[发明专利]一种基于有向网络的城市桥梁网络连通概率评估方法

说明书

本发明公开了一种基于有向网络的城市桥梁网络连通概率评估方法，所述方法包括如下步骤：步骤1：根据实际道路及桥梁位置信息，构建有向桥梁网络模型；步骤2：将网络中的所有边分为7类不同的边集E_m；步骤3：基于步骤2中的概率分布，对6种E_m,m＝1,2,...,6的所有边或边对分别抽样；步骤4：通过矩阵变化改进传统Dijkstra算法，将其用来判断网络中所有节点之间的连通性；步骤5：经过N独立重复抽样测试后，当抽样次数足够大时，网络连通的出现频率是对网络连通概率的无偏估计；步骤6：基于N次抽样的模拟结果，计算各边的相对重要性指标。本发明实现了在较高的准确率与算法效率下评估大规模桥梁网络的连通概率评估。

技术领域

本发明涉及一种土木工程城市桥梁网络评估的方法，具体涉及一种基于有向网络的城市桥梁网络连通概率评估方法。

背景技术

随着城市的建设与发展，各种类型、跨径的高架桥以及大型跨河桥越来越多，桥梁网络特别是城市桥梁网络的规模也越来越大，越来越复杂。服役中的桥梁受到多种因素的影响，其性能将不可避免地持续退化。近年来，国内外相继出现的多起桥梁坍塌事故都造成了重大的经济损失和人员伤亡。因此，桥梁网络的稳定高效运行对保障区域交通基础设施网络的功能性与安全性及经济的快速发展至关重要。同时，随着桥梁数量的不断增加，针对区域内所有桥梁的维护维修成本越来越高。限定资金条件下，决策者更期望能从宏观角度通过对网络内单座桥梁的准确检测，评估各桥梁的相对重要性。

近年来，连通概率(connectivity reliability)分析一直是桥梁网络评估的重点和难点。但是，几乎所有桥梁网络的连通概率研究都是针对2端连通性(2-terminalconnectivity)问题，少有贴合桥梁网络实际的全端连通概率(all-terminalconnectivity probability)研究，也即，只有网络中所有节点之间都互相连通才认为网络整体是连通的。显然，包括桥梁网络在内的所有基础设施网络都是在所有城市(或地点)之间相互流动。然而，网络的全端连通概率问题已被证明是NP-hard问题，其求解是极其困难的。

网络建模是评估桥梁网络的基础。目前，国内外研究者对桥梁网络的拓扑描述鲜少考虑网络中各边的双向连接问题，均采用的是不考虑网络内边的方向性的无向网络模型。此类模型在构建与评估速率方面表现优异，特别是对节点及边稀疏的桥梁网络。但是，在实际的基础设施交通网络中，两节点城市(或地点)间的交通流是必然存在不同运行方向的。当两节点间为双车道时，节点间应显示为双向的道路(或边)连接；而当节点间为单车道时，显然，节点间应显示为有明确方向的单边连接；特别的，当多个节点间由城市高架桥直接连接时，这些节点之间的连接边随着城市高架桥的规模增大将越来越复杂。这些复杂的节点连接情况在以往的无向桥梁网络模型中并没有被解释与涵盖，而这必然会损失桥梁网络的一部分重要的内在属性，使所建立的桥梁网络模型难以贴合实际情况，进而难以准确评估该实际桥梁网络状态，真实地反映出该桥梁网络的性能。

然而，在考虑了边的方向性之后，其连通概率评估变得更加困难。目前，已有的研究主要集中在只考虑节点之间的单向连接情况的小规模有向桥梁网络研究(小于20个节点)。同时，在传统网络连通概率分析中，通常直接将边上所有桥梁(包括单幅桥和双幅桥)独立地串联在对应的边上，也即，假设网络中的所有边都独立工作和失效。然而，这种假设在大多数情况下是不现实的。因为，首先桥梁网络中随处可见单幅桥和双幅桥两种不同类型的桥梁。双幅桥是由上下行两座不直接相连的桥并列排列，并非是传统假设中的串联(如图2b)。而单幅桥直接坐落在上下行两条边上(如图2a)，其失效将导致两条边同时失效，边与边之间将不再是传统假设中的独立失效。此外，网络中还存在如图2c所示的单幅桥和双幅桥交错排列的复杂情况。但是，在进行网络可靠度计算时，当综合考虑这些问题时，几乎所有传统的评估网络连通概率的方法都难以实现，包括容斥原理、事件树、故障树等。

发明内容