基于信息熵与可拓理论的埋地管线安全性能评价.docxVIP

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基于信息熵与可拓理论的埋地管线安全性能评价

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摘要：结合近年来埋地管线屡遭破坏的情况，特别是地下工程建设对其影响尤为凸显，通过研究埋地管线设计的原理和目的，整合了地下工程建设影响范围内的埋地管线设计因素，并建立针对地下工程影响下的埋地管线布置方案的评价指标体系；利用可拓理论中的物元分析理论和信息论中的熵理论建立了地下工程影响范围内的埋地管线安全性评价模型。

关键词：埋地管线；信息熵；可拓理论；评价模型

如今，现代化的城市发展伴随着城市人口急剧膨胀、交通拥挤现象日趋严重、土地资源日趋紧张，城市经济的快速发展正着步在城市的地下空间的充分利用中显现，然而，随之突现的还有对埋地管线造成的不同程度的破坏。城市地下工程的规划和建设对既有建（构）筑物特别是在城市道路下盘综复杂的埋地管线的影响尤为凸显。

地下工程建设对邻近管线的影响，国内研究较少，主要集中在地下工程建设期间对管线变形预测和基于梁结构模拟的数值定性分析等方面；而国外研究则比较偏重于地下工程设计阶段的管线变形估算。这些都是针对地下工程施工阶段对埋地管线进行的研究，鲜有在埋地管线设计阶段就充分考虑拟建或规划地下工程对其可能产生的不良影响的，本文从埋地管线安全设计和布置的角度出发，利用信息熵和物元分析理论建立了安全性能评价模型来对埋地管线方案进行量化并评价，为埋地管线安全设计提供了技术支撑。

1构造评价指标体系

构造管线安全性能评价体系是一个涉及经济、社会、自然等多种复杂因素的多目标评价问题。对于城市管网的安全设计与规划，要受到很多方面因素的影响，针对现如今大规模地下工程的建设，影响城市管网安全设计与的具体因素【1】【2】【3】【4】有地下工程建设、管线设计布置、社会环境等方面。综合考虑各因素建立评价指标体系，如表一。

表1指标体系表

Tab.1Indicesofgradeevaluation

指标名

指标描述

管线设计指标

（）

，，，，各项表示管线设计的评价指标：管材选择因素，设计管线受影响长度，设计管线与地下工程交叉次数，埋地管线与地下工程的垂直间距，埋地管线与地下工程之间的夹角

地下工程建设影响指标

（）

，，，各项表示地下工程建设影响指标：地下工程施工方法，施工周期，地下工程埋深，地下工程开挖断面面积

社会环境影响指标

（）

，各项表示社会影响指标：管输介质危害性，城市区域安全等级

（其中，称为第分组指标。）

2基于物元分析建立地下工程影响范围内的埋地管线安全性能评价模型

2.1物元与可行性物元

在可拓理论中【5】【6】物元被定义为描述事物的基本元，它是由事物M、事物的特征C、以及特征的量值V所组成的三元组。物元ME可表示为：

若事物M有n(n1)个特征，则称ME为n维物元。

针对埋地管线设计方案安全性评价问题，m个备选方案可分别被视为事物M(i=1,2,L,m)，而评价方案的n项指标可被视为特征C(j=1,2,L,n)，那么指标值就是特征的量值Vj。于是管线设计的可行方案物元MEFS可表示为：

,i=1,2,L,m。

2.2可行性物元一致化和无量纲化

由于指标之中可能分别含有极大型指标、极小型指标、居中型指标，指标之间量纲、量级不同，首先应对指标进行一致化和无量纲化处理。可采用下式进行：

（1）对于指标量值越大越有利的：

（2）对于指标量值越小越有利的：

其中，为各指标经一致化和无量纲化处理后的标准化量纲值。

经过标准化处理后的m个备选方案的n维物元为：

2.3埋地管线安全性能评价指标关联函数及权重系数的确定

首先计算各指标的关联度，计算公式如下：

（其中，j=1,2,L,m）

据信息论中最大离散熵定理，当各个符号出现概率相等时熵最大，值为（为平均分配后的出现概率）。则指标（a=1,2,3）对应的信息熵如下：

其中(i=1,2,L,n;j=1,2,L,m)，偏差度为，

指标在第i分组指标中权重为

则可构造地下工程影响范围内埋地管线安全性能指标权重物元：

2.4确定地下工程影响范围内埋地管线安全性能评价的复合关联熵物元【7】【8】

结合以上公式，可构建m个方案复合关联熵物元

其中，i=1,2,L,m；j=1,2,L,n。

经过计算可得出的大小排序，值大者为优。

3实例分析

以西安某规划地铁沿线市政管线布置为例，具体取值如下表2。

表2指标取值表

Tab.2Indicesofgradeevaluation

评价指标

取值

管线设计指标

管材选择因素（管土相对刚度）

2.2

1.2

2.4

设计管线受影响长度（m）

50

72

35

设计管线与地下工程交叉次数