基于模糊认知图的桥梁运营安全风险决策研究

doi:10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2025.09.0861

中国安全科学学报 ›› 2025, Vol. 35 ›› Issue (9): 202-211.doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2025.09.0861

基于模糊认知图的桥梁运营安全风险决策研究

向鹏成¹^,²^,³(), 郭佩文¹^,^**(), 张雪芹⁴

¹ 重庆大学管理科学与房地产学院,重庆 400044
² 重庆大学可持续建设国际研究中心,重庆 400045
³ 重庆大学建设经济与管理研究中心,重庆 400045
⁴ 重庆市建筑科学研究院有限公司,重庆 400042

收稿日期:2025-04-27 修回日期:2025-06-30 出版日期:2025-09-28
通信作者:
**郭佩文(1995—),女,吉林延边人,博士研究生,研究方向为安全与风险管理、一带一路与国际工程管理。E-mail: peiwen_guo@stu.cqu.edu.cn。
作者简介:
向鹏成 (1974—),男,四川万源人,博士,教授,博士生导师,主要从事工程项目管理、安全风险与应急管理等方面的研究。E-mail: pcxiang@cqu.edu.cn。
张雪芹高级工程师
基金资助:
重庆市社会科学规划重大项目(2023ZDSC12); 重庆设计集团科研项目(2023-C2)

Research on bridge operational safety risk decision-making based on fuzzy cognitive maps

XIANG Pengcheng¹^,²^,³(), GUO Peiwen¹^,^**(), ZHANG Xueqin⁴

¹ School of Management Science and Real Estate, Chongqing University, Chongqing 400044, China
² International Research Center for Sustainable Built Environment, Chongqing University, Chongqing 400045, China
³ Construction Economics and Management Research Center, Chongqing University, Chongqing 400045, China
⁴ Chongqing Construction Science Research Institute Co., Ltd., Chongqing 400042, China

Received:2025-04-27 Revised:2025-06-30 Published:2025-09-28

摘要/Abstract

摘要：

为探究桥梁运营安全风险决策机制,防范桥梁运营重大安全风险,搭建桥梁运营安全风险感知—风险认知—风险决策三阶段理论框架,利用Heronian有序加权平均(H-OWA)算子处理专家评分,建立决策因素的交互矩阵;确定模糊认知图(FCM)概念节点的含义及结构,揭示因素间的映射关系;收集某铁路桥梁2020年1月1日列车通行时的监测数据,开展工程应用与验证分析。结果表明:桥梁结构加速度、应变、位移的权重重要度排序与迭代过程重要度排序最高,是桥梁结构健康感知关键指标;桥梁下部结构加固策略的实施效果在低、中、高风险情景下均显著高于防水隔热、上部结构加固,有效提升桥梁的整体稳定性和安全性。

关键词: 模糊认知图(FCM), 桥梁运营安全, 风险决策, Heronian有序加权平均(H-OWA)算子, 维护策略

Abstract:

In order to investigate the decision-making mechanism for operational safety risks in bridges and mitigate major operational safety hazards, a three-stage theoretical framework comprising risk perception, risk cognition, and risk decision-making for bridge operational safety was established. H-OWA operator was employed to process expert evaluations, constructing an interaction matrix for decision factors. The meanings and structure of concept nodes within FCM were defined to elucidate the mapping relationships between factors. Monitoring data collected during train passages on a specific railway bridge on January 1, 2020, was utilized for conducting engineering application and validation analysis. The results show that the weight importance ranking of bridge structure acceleration, strain, and displacement is the highest among the iterative process importance ranking, indicating their critical roles in perceiving bridge structure health. Moreover, the implementation effect of reinforcement strategies for the substructure of the bridge is significantly higher than that of waterproofing and insulation and reinforcement of the superstructure under low, medium, and high-risk scenarios, effectively enhancing the overall stability and safety of the bridge.

Key words: fuzzy cognitive maps (FCM), bridge operational safety, risk decision-making, Heronian ordered weighted averaging (H-OWA) operator, maintenance strategies

中图分类号:

X913.4安全系统工程

向鹏成, 郭佩文, 张雪芹. 基于模糊认知图的桥梁运营安全风险决策研究[J]. 中国安全科学学报, 2025, 35(9): 202-211.

XIANG Pengcheng, GUO Peiwen, ZHANG Xueqin. Research on bridge operational safety risk decision-making based on fuzzy cognitive maps[J]. China Safety Science Journal, 2025, 35(9): 202-211.

图/表 9

表1

图1

图2

图3

表2

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表4

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表5

参考文献 17

[1]	ANG A, DE L. Modeling and analysis of uncertainties for risk-informed decisions in infrastructures engineering[J]. Structure and Infrastructure Engineering, 2005, 1(1): 19-31.
[2]	王建民. 公路桥梁结构运营荷载下安全状态评价方法[J]. 中国安全科学学报, 2020, 30(7): 48-54. doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2020.07.008
	WANG Jianmin. Evaluation method for safety state of highway bridge structure under operation load[J]. China Safety Science Joumal, 2020, 30(7): 48-54.
[3]	CHENG Minyuan, KHITAM A, KUEH Y. Risk score inference for bridge maintenance projects using genetic fuzzy weighted pyramid operation tree[J]. Automation in Construction, 2024, 165: DOI: 10.1016/j.autcon.2024.105488.
[4]	张劲泉, 李鹏飞, 董振华, 等. 服役公路桥梁可靠性评估的若干问题探究[J]. 土木工程学报, 2019, 52(增1): 159-173.
	ZHANG Jinquan, LI Pengfei, DONG Zhenhua, et al. Study on some reliability evaluation problems of existing highway bridges[J]. China Civil Engineering Journal, 2019, 52(S1): 159-173.
[5]	周海怡, 鲍全贵, 叶茂, 等. 基于组合赋权法的城市桥梁可靠性模糊综合评价[J]. 中国安全科学学报, 2023, 33(增1): 156-161.
	ZHOU Haiyi, BAO Quangui, YE Mao, et al. Fuzzy comprehensive evaluation of urban bridge reliability based on combination weighting method[J]. China Safety Science Journal, 2023, 33(S1): 156-161. doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2023.S1.2494
[6]	ZHANG Minggong, XUE Xiaolong, LUO Ting, et al. The supportability evaluation of cross-regional major infrastructure projects based on the combination weighting of the game theory-cloud model[J]. Engineering Construction and Architectural Management, 2024, 31(9): 3679-3705.
[7]	WEI Sen, LI Yanping, YANG Hanqing, et al. A comprehensive operation and maintenance assessment for intelligent highways: a case study in Hong Kong-Zhuhai-Macao bridge[J]. Transport Policy, 2023, 142: 84-98.
[8]	HEYKOOP I, HOULT N, WOODS J, et al. Development and field evaluation of a low-cost bridge bearing movement monitoring system[J]. Journal of Civil Structural Health Monitoring, 2024, 14(4): 931-946.
[9]	高少强, 刘利生, 杨新伟. 数字图像相关法在桥梁伸缩缝监测预警中的应用[J]. 中国安全科学学报, 2018, 28(增2): 171-175.
	GAO Shaoqiang, LIU Lisheng, YANG Xinwei. Application of digital image correlation method on monitoring and warning of bridge expansion joint[J]. China Safety Science Journal, 2018, 28(S2): 171-175. doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2018.S2.032
[10]	袁阳光, 伊廷华, 辛公锋, 等. 基于挠度监测的混凝土桥梁实时安全评估方法研究[J]. 土木工程学报, 2025, 58(3): 68-82.
	YUAN Yangguang, YI Tinghua, XIN Gongfeng, et al. Study on real-time safety assessment methods of concrete bridges by deflection monitoring[J]. China Civil Engineering Journal, 2025, 58(3): 68-82.
[11]	WEI Yuntao, YI Tinghua, YANG Donghui, et al. Fatigue life prediction for high-speed railway bridges by reconstructing monitoring-based dynamic stress[J]. Measurement Science and Technology, 2024, 35(10): DOI: 10.1088/1361-6501/ad5dd8.
[12]	KASPAREK J, RYJACEK P, ROTTER T, et al. Long-term monitoring of the track-bridge interaction on an extremely skew steel arch bridge[J]. Journal of Civil Structural Health Monitoring, 2020, 10(3): 377-387.
[13]	POLONI D, MORGESE M, WANG Chengwei, et al. Reference-free distributed monitoring of deflections in multi-span bridges[J]. Engineering Structures, 2025, 323: DOI: 10.1016/j.engstruct.2024.119277.
[14]	JT/T 1037—2022, 公路桥梁结构监测技术规范[S].
	JT/T 1037-2022, Technical specifications for structural monitoring of highway bridges[S].
[15]	陈娜, 郭浩然, 张志鹏, 等. 基于H-OWA算子和投影寻踪的地铁站水灾安全韧性评估[J]. 中国安全科学学报, 2023, 33(4): 148-154.
	CHEN Na, GUO Haoran, ZHANG Zhipeng, et al. Evaluation of subway station flood safely resilience based on H-OWA operator and projection pursuit[J]. China Safety Science Journal, 2023, 33(4): 148-154. doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2023.04.0671
[16]	王乾坤, 朱科, 郭佩文. DEMATEL和模糊认知图在地铁深基坑施工安全风险动态评估中的应用[J]. 安全与环境学报, 2024, 24(11): 4143-4153.
	WANG Qiankun, ZHU Ke, GUO Peiwen. Application of DEMATEL and fuzzy cognitive map in dynamic assessment of safety risk in subway deep foundation pit construction[J]. Journal of Safety and Environment, 2024, 24(11): 4143-4153.
[17]	ESKESEN S, TENGBORG P, KAMPMANN J, et al. Guidelines for tunnelling risk management: International tunnelling association, working group No. 2[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2004, 19(3): 217-237.

维度	因素	含义
结构健康感知	加速度	桥梁由于车辆行驶、风力等外部因素产生的振动加速度
	应变	桥梁结构在受到外部荷载时,内部产生的变形程度
	位移	桥梁在外部荷载作用下的整体或局部位移量
	结构温度	桥梁结构内部的温度分布情况
	结构湿度	桥梁结构内部的湿度情况
	桥梁结构	桥梁的整体结构状况
运营环境感知	空气温度	桥梁所在区域的空气温度
	空气湿度	桥梁所在区域的空气湿度
	降雨量	桥梁所在区域的降雨量
	风速	桥梁所在区域的风速和风向
	车速	列车通行时速
	运营环境	桥梁运营所处的综合环境
安全风险评估	发生概率	在特定时间内,桥梁发生安全事故的概率
	人员伤亡	桥梁事故中受伤或死亡的人员数量
	经济损失	桥梁事故直接或间接造成的经济价值损失
	环境影响	桥梁事故对周围环境造成的负面影响
	安全事故	桥梁发生的各类安全事故
运营维护策略		保障桥梁结构安全性能的措施

数值	横向加速度/ (m·s^-2)	桥面应变/ (μm·m^-1)	支座位移/ m	桥面温度/℃	桥面湿度 /%	平均空气温度/ ℃	平均相对湿度/ %	总降雨量/ mm	地表10 m 处平均风速/ (m·s^-1)	车速/ (km·h^-1)
最小值	-0.300	-0.000 005 5	-0.018 99	2.453	69.257	-0.120	67.533	0	0.43	0
最大值	0.342	0.000 000 4	-0.018 93	12.319	97.375	13.095	98.093	0.2	4.43	160
监测值	0.018	-0.000 002 1	-0.018 94	2.898	91.076	0.707	98.093	0	1.30	103.5
标准化	0.496	0.565	0.783	0.045	0.776	0.063	1	0	0.218	0.647

指标阈值			低风险			中风险	高风险
指标阈值			等级1	等级2	等级3	等级4	等级5
风险发生概率	范围/%		[0, 0.000 3)	[0.000 3, 0.003)	[0.003, 0.03)	[0.03, 0.3)	[0.3, 1]
风险发生概率	取值/%		0.003			0.03	0.3
人员伤亡	范围/ 人	死亡 (含失踪)	—	(0, 3)	[3, 10)	[10, 30)	[30, +∞)
	范围/ 人	重伤	(0, 5)	[5, 10)	[10, 50)	[50, 100)	[100, +∞)
	取值/%		0.05			0.1	0.5
经济损失	范围/万元		[0, 500)	[500, 1 000)	[1 000, 5 000)	[5 000, 10 000)	[10 000, +∞)
经济损失	取值/%		0.05			0.1	0.5
环境影响	范围/人		[0, 50)	[50, 100)	[100, 500)	[500, 1 000)	[1 000, +∞)
环境影响	取值/%		0.05			0.1	0.5

指标	权重重要度统计					迭代过程统计				综合排序
指标	ϕ	ψ	ϕ+ψ	ϕ-ψ	求和 (排序)	初始值	稳态值 (排序)	损失值	收敛速度 (排序)	综合排序
加速度	1.141	1.141	2.281	0.000	2.281(1)	0.495 8	0.887 1(1)	-0.391 3	0.065 2(2)	1
应变	0.851	0.851	1.702	0.000	1.702(3)	0.565 2	0.858 0(3)	-0.292 8	0.048 8(3)	3
位移	0.869	0.869	1.738	0.000	1.738(2)	0.783 0	0.860 1(2)	-0.077 2	0.012 9(4)	2
结构温度	0.303	0.263	0.566	0.040	0.606(4)	0.045 1	0.760 7(5)	-0.715 6	0.119 3(1)	4
结构湿度	0.263	0.303	0.566	-0.040	0.606(4)	0.776 0	0.767 0(4)	0.009 0	0.001 5(5)	5

指标		基准稳定值	防水隔热		上部结构加固		下部结构加固
指标		基准稳定值	稳定值	差异/%	稳定值	差异/%	稳定值	差异/%
加速度		0.887 1	0.887 1	0.008 9	0.933 6	5.249 5	0.894 0	0.788 9
应变		0.858 0	0.858 1	0.009 8	0.915 7	6.716 8	0.915 0	6.641 5
位移		0.860 1	0.860 2	0.009 7	0.866 0	0.684 1	0.916 3	6.532 0
结构温度		0.760 7	0.855 2	12.414 0	0.760 9	0.018 4	0.760 9	0.0184
结构湿度		0.767 0	0.859 7	12.087 6	0.767 2	0.018 0	0.767 2	0.018 0
桥梁结构		0.967 9	0.970 1	0.230 7	0.970 3	0.245 9	0.970 7	0.290 5
运营维护策略	低风险	0.760 4	0.760 7	0.038 6	0.760 7	0.041 4	0.760 7	0.050 0
	中风险	0.753 2	0.753 5	0.044 0	0.753 5	0.046 8	0.753 6	0.055 7
	高风险	0.713 9	0.714 4	0.080 1	0.714 5	0.083 4	0.714 5	0.093 8

基于模糊认知图的桥梁运营安全风险决策研究

Research on bridge operational safety risk decision-making based on fuzzy cognitive maps

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[1]	田方圆, 赵子怡, 邱伟帅, 李红霞. 基于调节焦点理论的矿工风险决策试验研究[J]. 中国安全科学学报, 2025, 35(7): 133-140.
[2]	秦庭荣, 周歆捷, 何荥杰, 陈伟炯. 基于STPA-FCM模型的自主航行船舶功能系统分析[J]. 中国安全科学学报, 2023, 33(8): 8-14.
[3]	王燕青, 蒋干, 周士琦. 成就动机对飞行员风险决策倾向的影响机制[J]. 中国安全科学学报, 2023, 33(4): 44-51.
[4]	赵露薇, 王青娥. FCM下暴雨干扰地铁系统脆弱性演化分析[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(10): 186-192.
[5]	王洁，方卫宁. 地铁行车调度系统人误情景评价模型研究[J]. 中国安全科学学报, 2013, 23(10): 38-.
[6]	刘旭峰，李静，刘茂. 基于成本收益分析的油气管道风险控制决策过程[J]. 中国安全科学学报, 2012, 22(4): 144-.
[7]	周荣义，彭伟. 城市重大危险源管理中的GIS应用研究[J]. 中国安全科学学报, 2008, 18(8): 150-.