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投稿须知 2019WTC专题
基于模糊集和对偶网络理论的路面网络可靠性研究

作者:王兴举 等 来源:中国公路网 时间:2019-03-14

导言:

由于路面网络规模巨大且复杂,所以不能通过传统的串、并联系统或混联系统确定整个路面网络的可靠性。本研究提出了基于模糊集和对偶网络理论的路面网络可靠性模型。本研究使用美国得克萨斯州奥斯汀市特拉维斯县的路面网络进行实证研究,结果表明本模型可以进行巨型路面网络可靠性计算,并根据每条道路的相对重要性信息,为有限预算下科学的路面网络养护维护决策提供支持。

引言综述:

美国得克萨斯交通部(The Texas Department of Transportation)采用路面管理信息系统(PMIS)对约195,000英里的路段进行管理。目前大部分研究者都是以管理路段的可靠性作为研究重点,但是对于大型路网的拓扑结构可靠性和服务水平可靠性的定量研究很少。本研究利用道路之间的空间拓扑结构关系,应用对偶网络和模糊集理论进行路面网络可靠性研究,为决策者提供可靠的理论依据。

研究方法:

本研究采用模糊集理论和对偶网络方法计算路面网络中每条道路的相对重要性来获得路面网络的可靠性。每条道路的空间权重是由道路的属性权重和道路在路网中拓扑结构的重要度确定,本研究将实际路面网络转化为对偶网络进而反映每条道路在路面网络中的重要程度。对偶网络中的点为实际路网中的道路,对偶网络中的连线表示实际路网的相交关系。结合对偶网络和模糊集理论,可对路网中每条道路的可靠性进行模型构建,进而量化整个路面网络可靠性。

结果与分析:

本研究使用美国得克萨斯州奥斯汀市特拉维斯县的路面网络进行模型验证,路网由8,346个有效的0.5英里管理路段组成,数据由得克萨斯州路面管理信息系统提供。为了实现功能,开发了Network Reliability Geography Information System(NR-GIS)系统。系统可以对路面网络进行对偶化转换并计算可靠性,同时对相关GIS数据及计算过程进行存储、展示、管理。

图1显示了得克萨斯州奥斯汀市特拉维斯县的路面网络,可以看出,约96.4%的路段处于良好和非常好的状态。

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图1.得克萨斯州奥斯汀市特拉维斯县路面网络

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图2. 度数权重和归一化权重

在图2中,x轴是道路路线的名称;左侧y轴是对偶网络节点的度和权重,即道路的重要程度;右侧y轴是对偶网络节点的归一化权重。绿色,紫色和蓝色为道路的度、权重和标准化权重。平均度为2.87,用红线标示,平均标准化权重为2.87%,用粉红线表示。图中有23条道路路线的度低于平均度,三条道路路线的度(2.94)接近平均度。此外,应特别注意US0183,US0290,IH0035,SL0001,SL0130,FM0973和SH 0071。虽然这些道路的总度数约占所有路面路线的19.45%,但其权重总和相当于网络的46.33%。由于其在网络中的空间连通功能的重要性,这些具有较高权重的路面路线应优先进行维护养护。

结论:

路网可靠性在路面管理过程中是非常重要的组成部分,大型路网的可靠性评估不能轻易的由传统的串、并联系统或混联系统确定,其可靠性问题的根源在于路网的重要性。本研究结合对偶网络和模糊集理论,可对路网中每条道路的可靠性进行模型构建,进而量化整个路面网络可靠性。本研究使用美国得克萨斯州奥斯汀市特拉维斯县的路面网络进行实证研究,结果表明本模型可以进行巨型路面网络可靠性计算,并根据每条道路的相对重要性信息,为有限预算下科学的路面网络养护维护决策提供支持。

参考文献:

[1] Zhang, Z., Damnjanovic, I.: 'Quantification of Risk Cost Associated with Short-Term Warranty-Based Specifications for Pavements', Transportation Research Record:  Journal of the Transportation Research Board, 2006, 1946, (1), pp.3-11.

[2] Dilip, D. M., Ravi, P., Babu, G. L. S.: 'System Reliability Analysis of Flexible Pavements', Journal of Transportation Engineering, 2013, 139, (10), pp.1001-1009.

[3] Zadeh, L. A.: 'A Fuzzy-Set-Theoretic Interpretation of Linguistic Hedges', Cybernetics and Systems, 1972, 2, (3), pp. 4-34.

[4] Che, Y., Zhao, Y., Xu, J., et al.: 'A Hierarchical Approach for Fast Calculating Minimal Cut Sets of a Microgrid', Mathematical Problems in Engineering, 2017, 2017, (1), pp. 1-8.

[5] Añez, J., De La Barra, T., Pérez, B.: 'Dual graph representation of transport networks', Transportation Research Part B Methodological, 1996, 30, (3), pp. 209-216.

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