基于极端用户成本的桥梁网络管理策略

摘要

本文提出了一种在给定的桥梁网络中进行桥梁维修优先排序的实用方法。维修优先级是一个多目标优化问题，同时满足几个相互冲突的目标，包括维修成本最小化、桥面条件最大化、交通中断和相关用户成本最小化。维修期间用户成本的发生率是原来的两倍;第一种情况是指在旱季期间，交通流量通常被转向其他路线，通常重新铺设路面以恢复交通。第二种流行是指缺乏替代途径，这在最不发达国家往往是如此;在这种情况下，用户成本指的是等待时间的结果，而交通流被搁置等待维修活动的完成。本文讨论了在没有可供选择的导流路线的情况下，交通关闭的第二种情形，其本质上导致了极端的用户成本。本文表明，多目标优化方法仍然是有效的极端情况下的用户成本在没有绕道的道路，通常是在道路基础设施非常差的国家的情况下。

1.桥梁维修管理问题

Tanzania Roads Ogence（Tanroads）开发了一个叫做Tanbridgeman的桥梁维护管理系统，其目前的2002年版本有以下功能：(我)桥梁年度库存数据;（ii）桥梁检验数据(包括桥梁关键部件的状况评级和补救措施建议);(3)维护成本计算。然而，TANBRIDGEMAN只根据状态评级和维护成本来优先考虑维护。目前的讨论是通过合并用户成本来扩展维护优先级。

在任何设施管理场景中，例如在桥梁管理系统中，问题是如何通过同时满足三个相互冲突的目标来确定桥梁维护的优先级。以下三类目标导向的优先次序:（1）基于损害状况评级的优先级:项目将按照状况评级进行排名;即条件等级最高(损坏条件状态最严重)的项目优先;（２）维护成本的优先级：项目将按维护成本排名;也就是说，维护成本最低的项目将获得首要任务;（3)基于用户成本的优先级:项目将根据用户成本进行排序;即用户成本最高的项目优先。因此，BMS中的这三个主要目标相互冲突(竞争)，因此在这个桥梁管理问题中，有必要找到一个“理想的解决方案”，被认为是三个冲突目标之间的一个令人满意的折衷。

这个理想的解决方案被定义为产生冲突目标中所有标准的最小(或最大)值的解决方案。换句话说，我们需要发展一个多目标最优索引。该指标可作为桥梁退化构件优先维修的有效优化准则［1］．

2.桥性能模型

桥梁结构状态评估是检测桥梁在原有状态下退化程度的关键。

我们需要预测桥梁网络中桥梁构件的退化(过渡)率。

根据从桥接组件的常规条件等级获得的历史数据，可以使用转换概率来计算桥接条件索引（BCI）的预测[2- - - - - -4]，从桥接检查期间收集的数据生成，并且以损坏状态矩阵/载体的形式呈现，如下所示： 在哪里定义初始状态损害,在那里处于状态的概率是多少当时．通常，损害等级是，如果一个桥组件被归类为状态1，这意味着该组件处于原始状态(未损坏状态)，而状态9指的是最损坏的状态。

是桥梁组件处于状态的概率经过时间间隔定义为 期望条件指数对于桥接组件使用以下等式从计算出的瞬态概率确定： 在哪里是多年来的时间。

3.条件评级的最大化

在许多桥梁管理系统(BMS)中，对特定桥梁单元(在这种情况下是桥面)的状态进行评估并分配一个条件编号。为此，检查员对驾驶台甲板的状况进行评级，并对甲板的状况进行评级。这种条件评级包括在目视检查和无损评估(或使用经验或统计方法预测)过程中观察到的结构损伤水平映射到离散的1至9评级量表上。然后根据历史条件数据分析条件状态随时间的变化，通常基于离散时间离散状态假设，使用马尔可夫链模型[5，6］．这种分析导致了过渡概率的建立，可以用来预测未来的桥梁条件[7］．

目标是因此，状态评定的目标是使桥梁构件的状态和性能达到最大化。

4.最小化维护成本

我们需要建立每个项目(网络内单个桥梁组件)的维护成本，这取决于进行维护操作时的劣化程度。

根据经验，可以通过预测维修费用来提高桥梁构件状态指标来．为此，根据维护成本的增加对项目进行排序，因此条件指数预测的维护成本越高。

目标是优先考虑维护成本最低的项目。

5.用户成本最小化

在发达国家中，欧几里德模型中的用户成本纳入用户成本通常基于流量由于桥接闭合而通过替代导流途径产生的额外成本，直到实现维护活动。然而，对于大多数发展中国家来说，这种转移路线的选择通常不可用，以便您所讨论的用户的成本是指在运输等待维护活动的成就时产生的社会成本。

假设用户成本表示用户在维修活动期间所发生的所有成本的总和，主要取决于维修活动的持续时间[1］．

目标是就是优先考虑用户成本最高的项目。

6.多目标优化问题

维修优化问题的概念是桥梁业主或桥梁管理者寻求同时满足几个目标，如提高桥梁安全、维修成本最小化和用户成本最小化。利用多准则或多目标优化技术可以求解该维修管理问题。然而，最优的概念并不明显，因为存在多个、不可比较的、相互冲突的目标，因此不存在单一的最优解，同时为所有目标函数产生所需的最小(或最大)值。为此，引入了帕累托最优概念来解决多目标优化问题[8，9，其目标是获得维护策略为帕累托最优。在数学上，多目标维修优化可以表述为:

找 这样 在哪里为最优解的向量，是整个桥的组成部分，是最佳目标的矢量，项目的维护费用是多少当时，是可用的预算，CR是条件评级，和是缺陷桥组件的子集。

7.在多重和相互冲突的目标下进行决策

由于获得真最优的过程非常复杂，因此在文献中已经提出了折衷的解决方案(例如，[10- - - - - -12等等)，使用“令人满意的”解决方案，在所有竞争目标之间达成最佳妥协。这是一个理想的解决方案，可以为所有标准产生最小(或最大)值。

通过最小化帕累托最优集到所谓“理想解”的距离来确定“令人满意的”解。

已提出多目标指数(MOI) [8］．MOI被定义为与理想溶液的加权和归一化偏差的值由家庭衡量指标： 在哪里价值取决于决策者在处理目标时的风险容忍度。的选择表示对偏离理想溶液的不同偏差所给予的重要性。

8.极端用户成本的情况

对于最不发达国家来说，道路网络是非常初级的。以坦桑尼亚为例，我们发现，由于没有有效的铁路线路，道路网络非常缺乏。坦桑尼亚的公路网络服务于坦桑尼亚及其周边国家，包括刚果民主共和国东部、赞比亚、马拉维、布隆迪、卢旺达和乌干达。坦桑尼亚公路网的情况是，如果在雨季坦桑尼亚-赞比亚高速公路的基巴哈和姆兰蒂齐之间的一条干线发生堵塞，这种堵塞的弯路通常很长，因此无法通行，造成极大的使用费用。

与铺设表面（孔孔等）上的贴片的劣化相反，劣化的桥梁将需要一个网络动脉的直接闭合，结果是开发为桥接资源的合理方法是重要的在网络级维护，即考虑到通过索引处理优先考虑特定桥接的道路网络中的桥梁条件以及动脉的临界性。如图所示1是用于交通走出达累斯萨拉姆的道路网络的示意图。因为它可以在这个草图中观察到，替代路线是未铺砌的砾石道路（虚线），桥梁没有额定公共汽车和重型卡车到邻国的货物。

在本文报道的研究中，基于上述模型对达累斯萨拉姆和姆兰蒂齐之间的桥面条件进行了评级。维修费用是根据坦桑尼亚公路局(TANROADS)提供的历史数据确定的。

对于本研究，极端用户成本的估计如图所示2考虑到在维修过程中没有改道路线，考虑到(i)道路使用者在等待维修活动完成时交通流暂停的等待时间，以及(ii)由于道路封闭而导致的经济活动瘫痪。

基于BCI的维修时间已经从TANBRIDGEMAN中确定。

表中给出1是本研究中考虑的桥梁的数据，示出了桥接条件索引的值，例如图中显示的BR-53.在实施维护活动期间，由于桥梁关闭而产生的用户成本、维护成本和用户成本。

呈现在图4是标准化的值(相对于最大值进行标准化)。

目标函数的冲突性质在表中很明显1和图4因为在条件指标上最紧急的项目(项目3)在维护成本(项目9)和用户成本(项目8)上都是不一样的。

9.在跨越目标下的决策

考虑到过度使用过度的用户成本，仅针对桥梁1,2,5和7所寻求在场景1下维护的决定，而剩余的优先级被认为是场景2。

使用(6)，“令人满意的”解决方案是7号项目，如图所示，它被赋予最高优先级5．

10.结论

本文针对道路基础设施极差地区普遍存在的用户成本极高的情况，提供了一种可行的桥面维修优化方法。基于同时满足多个冲突目标的维护优先级，不仅限于合理的用户成本，还可能包括弯道不可行的极端情况。多目标优化方法对于因交通流暂停等待维修活动完成而导致用户成本极端的情况仍然有效。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

参考

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3. P. D. Thompson, J. O. Sobanjo，和R. Kerr，“佛罗里达运输部项目级桥梁管理模型”，桥梁工程学报，第8卷，第2期6，页345-352,2003。视图:出版商的网站|谷歌学者
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7. J.O. Sobanjo，“基于Weibull Sojourn时代的桥梁恶化的状态过渡概率”结构及基础设施工程，第7卷，第5期10, pp. 747-764, 2011。视图:出版商的网站|谷歌学者
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