基于信息熵的大跨钢结构施工方案多指标决策管理方法.pdf

'第38卷第8期建筑技术开发Vo1．38．No．82011年8月BuildingTechniqueDevelopmentAug．2011基于信息熵的大跨钢结构施工方案多指标决策管理方法冯岩李慧民贺程(西安建筑科技大学土木工程学院，西安710055)[摘要]根据大跨钢结构施工的特点，采用定性与定量相结合的方法建立施工方案的综合评价指标体系，引入集值统计方法、信息熵的多指标决策管理方法，建立方案的综合评价模型。并结合工程实例给出了计算方法和步骤，对各个方案评价结果进行排序，从而确定最佳方案。[关键词]大跨钢结构；施工方案；集值统计；信息熵[中图分类号]TU71[文献标志码]A[文章编号]1001—523X(2011)08—0060—04ENTRoPY．BASEDMULTI．SPANSTEELSTRUCTURECoNSTRUCTIoNDECISIONMAⅪNGMANAGEMENTMETHoDFengYanLiHui—minHeCheng[Abstract]Accordingtothecharacteristicsoflargespansteelstructureconstruction，thecombinationofqualitativeandquanti—tativemethodstoestablishtheconstructionprogramofcomprehensiveevaluationindexsystem，thepresentationofset—valuedstatistics，informationentropyofthemulti—attributedecisionmanagement，theestablishmentofthepro·gramevaluationmode1．Anengineeringexampleisgivenofthecalculationmethodsandprocedures，evaluationofvariousoptionstosorttheresultstodeterminethebestoption．[Keywords]1argespansteelstructure；constructionplan；gatheringstatistics；informationentropy中国经济的迅猛发展对建造大跨度建筑提出了阵计算被比较元素的相对权重，最后计算各层因素更高的要求，除要解决大跨度结构的研究与开发方的组合权重，但进行时主要依赖于专家的主管判断面的理论问题，还要着重解决施工组织及设计问题。或直觉，具有决策专家的主观随意性，对各指标所包特别是随着科学技术与生产力的发展，出现了越来含的客观信息有可能忽略。信息熵的多指标决策管越多的新技术、新工艺，不同施工方案的选择，将直理方法，利用指标体系中个指标所提供的信息量大接影响工程的进度、质量和成本等。如何科学合理小确定指标的权重，是一种客观赋权方法，提高了评地选择合适的实施方案，以最小的劳动消耗获取最价结果的科学性。大的经济效益，已成为建筑业十分关注的问题。1信息熵的概念及其多指标综合优选原理大跨钢结构施工吊装工程是一个复杂的系统工程，1．1熵的概念及其特点属于多指标体系的决策问题，涉及的影响因素很多，“熵”(entropy)一词源自希腊语，表示变化的容施工方案的选用必须经过慎重分析比较，对钢结构量，1865年被作为表征热力学过程进行方向的物理施工吊装方案的优选和评价就显得非常重要。量正式命名为熵。ShannonCE于1948和1949年目前对方案决策的评选，对权重的确定是一个发表了《通信的数学理论》和《在噪声中的通信》，提重要的问题，层次分析法确定指标因素的权重值一出了信息熵的概念，以其作为不确定性的量度。而个常用方法，通过构造两两比较判断矩阵，由判断矩后，信息熵被应用于几乎所有学科。熵能够说明物质或场所构成系统的状态量，是用以判别自发过程收稿日期：2010—05—15的一个状态函数。熵是状态函数，表示物体所处状作者简介：冯岩(1985．)，男，吉林长春人，西安建筑科技大学土木态是否稳定及其变化方向，熵的改变只与始末状态工程学院，硕士研究生，研究方向为土木工程建造与管理。 第38卷冯岩，等：基于信息熵的大跨钢结构施工方案多指标决策管理方法第8期有关，而与过程无关。熵代表着系统中分子热运动生次生灾害的可能性(“，)、其中u、为定量指标，的混乱程度，它的增加表明混乱程度大的状态出现其余为定性指标。其大跨钢结构施工方案的影响因的可能性大，其特点是：素指标图1。1)熵是时间之矢具有方向性。封闭系统将向熵最大方向发展，即系统的最终平衡态保持最大熵。2)熵是状态刻度具有对应性。熵值大小标志着系统发展的阶段和层次，熵值是相对的、动态的，但不是唯一的，系统有多种熵。熵不仅是表示系统状态的复杂程度、系统的无序程度的度量还是系统不确定性的度量。3)事物在发展过程中具有努力争取自由的倾向。按照极大熵准则，事物总是在无奈的约束条件图1大跨钢结构施工方案的影响因素下争取(呈现)最大的自由(这里的自由可理解为元素与外界或元素之间尽量独立无关或关系最少最简2．2用集值统计方法确定各定性指标的评价值单)，自发达到最无序的状态，即极大熵状态。对深基坑支护方案评价体系中的定量指标取其4)熵比能量更重要。由熵定律可知，熵是能量实际值作为评价值；对定性指标，可聘请多位专家按衰竭程度的度量。熵定律还说明了，一切不可逆过百分制评分，为避免单一分值给专家评分造成困难，程(封闭过程)的熵是不会减少的，其终极是最大熵专家评分时可给出一个区间，再按集值统计法确定状态。其最终评价值。1．2信息熵多指标综合优选原理若专家对第i个方案的第．个评价指标给出的在方案的评价指标体系中，包含有定性和定量评价区间[0，0D]，(i=1，2，⋯，L；L为专家人的指标，对定性指标可采用专家遵循评分标准来确数)，则第个评价指标的集值统计评价值o为定，当评分时很难给出确定分值时，可采用集值统计方法确定各指标评价值，那么专家评分就可以给出÷耋[(n(n：一个分值的区间。对定性指标可以采用其实际的数∑[(n)一(。：)]据。因为信息熵表示系统的不确定性和紊乱程度，2．3用信息熵多目标多指标决策管理方法优选施所以当指标的信息熵越大，该指标提供的信息量越工方案小，权重越小；当指标的信息熵越小，该指标提供的第一步，设拟对n个大跨钢结构施工方案进行信息量越大，权重越大。需要注意的是，熵权是根据评价，每个方案的评价指标体系中由m个指标，根各指标提供的信息量大小确定的指标权重，并不是据大跨钢结构施工方案评价指标的评价值，构造出各个指标实际意义上的重要性系数。决策者在决策决策矩阵A=(o，)，o中有些是效益型指标，即中获得信息量的多少是决策精度和可靠性大小的决指标越大越优，如施工效果等等；有些是成本型指定因素之一，而熵在应用于不同决策过程的评价或标，即越小越优，如工程总费用等。为了消除不同物方案效果的评价时，是一个很重要的衡量标准。理量纲对决策结果的影响，需对决策矩阵A进行规那么基本方法就是用集值统计方法确定各指标范化处理。评价值，信息熵理论确定各指标的权重，综合考虑各指标评价值和相应权重确定最终的评价结果。对效益型指标r=___～(2)。IIlaXⅡij2大跨钢结构施工方案综合评价优选的模型和mina方法对成本型指标r=(3)2．1大跨钢结构施工方案评价指标体系口大跨钢结构工程的特点，影响大跨钢结构施工规范化后的矩阵R=(r)方案的因素主要有总费用()、施工效果即稳定安第二步，计算矩阵R=()，得到列归一化全系数(u：)、施工难易程度(“，)、施工相互干扰程矩阵P=(P)，其中度(“)、施工工期(u)、施工文明程度(u)、施工产61 第8期冯岩，等：基于信息熵的大跨钢结构施工方案多指标决策管理方法第38卷由公式(4)得到列归一化矩阵PP=(4)r0．2680．2360．2440．2400．2460．2280．240-1∑rl0．2440．2580．2730．2590．2240．2360．269I第三步，计算属性输出的信息熵Ei。J0．2550．2540．2330．2350．2510．240．218J=一而12Pijl印(5)当Pj=0时，规定Pilnp=0第四步，计算属性权重向量W=("tO，，W，⋯，W)，其中：二(6)∑厶(、1一E)第五步，计算各方案综合指标值Z(W)Zi()=∑rWj(7)Z(W)越大，方案越优。3计算实例某大跨钢结构工程，场地工程条件复杂。根据工程相关资料和特点，提出了大跨钢结构施工的三种可行性方案(，，，，X)：方案：大型履带吊地面行驶、桁架分跨整体抬吊；方案X：：桁架楼面整榀侧向组装，屋盖分片定位拼装、点转动牵拉、旋转就位；方案X，：履带吊楼面行驶，桁架整体抬吊；方案X：分段拼装、高空组对、胎架曲线滑移。现在聘请5位相关专业领域的工程技术专家对三种方案要求平分，再进行综合评价。根据大跨钢结构施工方案评价指标体系及集值统计评价值公式(1)，得到决策矩阵A，见表1。表1决策矩阵A评价指标U1／1"2／"3U41"5／1"6U7方案X．210l_8082．3283．6l422811．23方案X223O1．9673．8777．28462910．02方案正2201．9386．3685．364l3012．32方案也2401．928O．6375．1137369．89表中／／,和“为效益型指标，“、“，、u、M和M，为成本型指标，利用公式(2)和(3)将矩阵A规范化，得到矩阵R，见表2。表2决策矩阵置评价指标“1U213,3／1"4U5U6U7方案X1．0000．9l80．8970．899O．8810．778O．881方案X20．9l31．0001．0000．9720．8040．8060．987方案X30．9550．9850．8560．8800．9020．8330．803方案也0．8750．9800．9161．0001．0001．0001．00062 第38卷冯岩，等：基于信息熵的大跨钢结构施工方案多指标决策管理方法第8期P(4，6)：Iclog(P(4，6))))／log(4)4结语E=一1((P(1，7)log(P(1，7))+P(2，大跨钢结构施工方案众多，对于各个方案的评7)}log(P(2，7))+P(3，7)log(P(3，7))+价和优选，受诸多因素的影响，为多指标决策的问目、皑俺阻p(4，7)log(P(4，7))))／log(4)题。传统的项目方案的决策方法，一般是分别考虑，=(1一E1)／((1一E。)+(1一E2)+(1一各个评价指标，或简单地采用专家赋予的权重，忽视E，)+(1一E)+(1一E5)+(1一E6)+(1一E))了这些指标内的信息量。信息熵是对系统无序程度2=(1一E2)／((1一E1)+(1一E2)+(1一的度量，它可以度量评价指标所提供的有效信息量，E3)+(1一E4)+(1一E5)+(1一E6)+(1一E7))体现了评价指标的评分差异性所反映出来的指标隐，=(1一E)／((1一E。)+(1一E2)十(1一含信息。这里依据信息熵理论，结合集值统计方法，E3)+(1一E)+(1一E)+(1一E6)+(1一E))建立了一种新的大跨钢结构施工方案综合评价和优4=(1一E4)／((1一E1)+(1一E2)+(1一选模型。经过实例计算得到了满意的结果，克服了E3)+(1一E4)+(1一E5)+(1一E6)+(1一E7))传统的项目方案决策方法的局限性，为选择最优方=(1一E)／((1一E)+(1一E2)+(1一案提供了决策依据。这种方法的思路清晰，计算简E3)+(1一E)+(1一E5)+(1一E6)+(1一E7))便，可操作性强，为提高施工质量和经济效益提供了：(1一E)／((1一E)+(1一E2)+(1一有效途径，实践证明具有一定实用价值E3)+(1一E4)+(1一E5)+(1一E6)+(1一E7))参考文献，：(1一E，)／((1一E1)+(1一E2)+(1一[1]张爱莉．大跨度钢桁架结构施工方案的优选研究[J]．2006：E3)+(1一E4)+(1一E5)+(1一E6)+(1一E7))5—10t￡J=[t；2；3；4；5；6；7]；[2]徐泽水，著，不确定多属性决策方法及应用[M]．北京：清华大学：l=R(1，：)Wz2=R(2，：)W出版社，2004[3]邱菀华．管理决策与应用熵学[M]．北京：机械工业出版社，20023=R(3，：)；IcWz4=R(4，：)(上接第59页)论值大，桥的刚度符合设计要求并有一定的变形储备。北江特大桥全桥于2010年l2月5日合龙，见图4。合龙段两侧高差均在20mm以内，成桥线形，高程图4北江特大桥中跨合拢等均符合设计要求。全桥的线形监测结果见图5。34834．634．434．23433．833．633_4050100150200250图5北江特大桥全桥顶面高程对比从图5可看出，北江特大桥结构顶面的整体标参考文献高多高于桥梁设计标高，平均高于设计线形3．7em，[1]刘耀东，白应华．广珠铁路工程北江特大桥施工监控总结报告可以满足合拢后期的桥面铺装荷载、长期收缩徐[R]湖北工业大学，2010[2]范立础，主编．预应力混凝土连续梁桥[M]．北京：人民交通出版变的下挠量，可保证三年后的线形与设计接近社，1988一致。[3]向中富，主编．桥梁施工控制技术[M]．北京：人民交通出版7结论社，20011)施工监控是保证连续梁施工线形及建造质[4]褚奇．预应力混凝土连续梁桥施工仿真分析与标高控制研究量的重要手段；2)通过施工线形监控，施工工艺参[D]．武汉理工大学，2008数更加合理，各节段立模标高的确定保证了桥梁结[5]刘召辉，马伟志．悬臂浇筑施工立模标高的确定与控制[J]，黑龙江科技信息，2008构线形符合设计要求；3)现场测量为施工监控提供[6]张健．预应力混凝土连续箱梁桥高程控制研究[D]．东北林业大了依据，也是桥梁的运营和养护的基础资料。学。200963'