一种基于显示连通贝叶斯网络的结构系统易损性评估方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于显示连通贝叶斯网络(ECBN)的结构系统易损性评估方法。该方法针对传统易损性分析主要集中在构件层次、较少考虑构件间概率依赖关系开展系统失效概率推理的局限性，本发明专利技术通过显示连通贝叶斯网络考虑多种构件损伤联合效应，提出了基于多维性能极限状态方程的根节点先验概率评估模型，力求真实反映构件损伤状态，提高评估精度；利用层次分析法考虑构件间概率依赖关系，构造贝叶斯网络中间节点条件概率信息，该方法在损伤数据缺乏情况下尤其实用，最终通过变量消元算法实现从构件易损性到结构系统易损性的推理。弥补大型工程结构系统易损性评估的研究不足，为重大工程结构系统的安全建设与有效运营提供科学支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种基于显示连通贝叶斯网络的结构系统易损性评估方法
本专利技术属于可靠性分析评估
，涉及工程结构系统失效概率分析方法，该方法考虑结构多种构件概率依赖相关性及不同性能极限状态的联合作用，开发基于显示连通贝叶斯网络(ECBN)的结构系统易损性分析新方法。
技术介绍
结构易损性定义为结构在不同等级外部作用下，结构遭受特定损伤状态的条件概率，是结构可靠性分析的一个分支。易损性最早起源于二十世纪七十年代初，应用于核电站的地震概率风险分析中。结构地震易损性分析通常采用地面峰值加速度(PGA)、谱加速度(SA)等表征地震动强度参数，将结构抗震能力以易损性曲线概率分布形式直观表示。如今，易损性分析已从最初核电站地震风险评估扩展到建筑、桥梁以及航天结构易损性分析。但传统结构易损性分析主要集中在构件层面，把结构作为一个系统进行整体易损性评估的研究相对匮乏，普遍采用结构最易损构件(例如桥梁系统通常采用桥墩柱)代替结构系统易损性曲线，缺少从构件到结构系统易损性推理的有效方法；大都考虑单一结构响应需求参数，构造其需求模型，达到简化分析的目的，未考虑多种性能极限状态的联合作用下的失效概率。鉴于此，本专利技术探究结构显示连通网络建模理论，提出基于显示连通贝叶斯网络(ExplicitConnectivityBayesianNetwork)的结构系统易损性分析方法。由Friis-hansen于2004年首次提出，利用系统构件间失效因果关系定义系统生存路径进行结构整体性能建模。本专利技术利用显示连通贝叶斯网络考虑网络构件根节点多种失效模式联合效应，提出了基于多维性能极限状态的根节点先验概率评估，力求真实反映构件损伤。并将层次分析法与传统显示连通贝叶斯网络相结合，在统计数据缺乏情况下，可快速得到网络中间节点条件概率，最终通过变量消元算法实现从构件易损性到结构系统易损性的推理。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术中关于结构系统易损性评价方面的研究欠缺，提出一种基于显示连通贝叶斯网络的结构系统失效概率的评估的新方法，该方法在损伤数据确实情况下，可快速获取网络中系统节点失效概率，同时借助多维性能极限状态方程准确刻画构件损伤极限状态方程，避免产生非保守估计，提高结构系统易损性评估精度。技术方案：本专利技术提出一种基于显示连通贝叶斯网络的结构系统易损性评估方法，该方法具体技术方案如下步骤：一种基于显示连通贝叶斯网络的结构系统易损性评估方法，包括以下步骤：S1、结构系统层次划分；结构系统显示连通贝叶斯网络建模，首先将结构层次化。厘清影响结构系统安全的关键构件，根据构件不同属性确定层次级别。实际应用中，通常根据结构损伤因果关系、传力特性或专家经验将结构分解为不同组成因素(构件)，根据不同层次因素间相互影响及隶属关系自上而下聚焦组合，形成一个多层次分析模型。S2、建立层次显示连通贝叶斯网络；将步骤S1中产生的结构系统多层次分析模型转化为显示连通贝叶斯网络拓扑结构；所述层次显示连通贝叶斯网络拓扑结构的最高层次为系统节点，最低层次为根节点，代表结构系统构件状态，中间层次为中间节点；S3、建立构件显示连通贝叶斯网络；传统构件易损性评估仅考虑单一失效模式，而实际工程中，构件损伤可能由多种失效机理联合作用引起。如受弯构件，既可能因受弯承载能力不足而损伤，也可能因受剪承载力或锚固达到极限而破坏。对于结构系统构件，确定其主要失效模式，考虑多种失效模式联合效应进行构件显示连通贝叶斯网络建模。根节点层的下层为构件的各个主要失效模式，失效模式的下层因素为构件荷载效应、构件抗力，构件荷载效应的下层因素为贡献构件荷载效应的各种外载，构件抗力的下层为影响构件抗力的各种构件参数及抗力响应不确定性因素，外载下层因素为其不确定性(如地震荷载频谱、持时等不确定性)。S4、基于多维性能极限状态进行根节点先验概率评估，所述先验概率为构件失效概率；该方法同时考虑构件根节点多种失效模式联合效应，将性能极限状态视为相关而非独立、具有随机性而非某一确定值。S5、基于层次分析法进行中间节点条件概率评估；两两比较中间节点的父节点对中间节点的影响，构造判断矩阵，构造判断矩阵，计算权重向量，据此确定中间节点的条件概率；S6、根据根节点先验概率、中间节点条件概率，联合贝叶斯网络拓扑结构，开展基于变量消元算法的贝叶斯网络推理，实现从构件易损性到结构系统易损的计算。进一步的，步骤S4的具体步骤包括：S4.1、构造多维性能极限状态方程；其中，Ri为构件的响应需求参数；rilim为构件响应需求参数阈值，根据规范或研究文献确定；Ni是利用实验测试或灾后实际损伤数据获取样本数据集(R1,R2,...,Rn)(1)，(R1,R2,...,Rn)(2)，…，(R1,R2,...,Rn)(k)，通过非线性回归分析确定其取值，或通过工程经验确定其取值；n、i、k为正整数；S4.2、获取构件在特定等级外载作用下的最大响应需求参数数据，建立概率需求模型；S4.3、利用概率需求模型获取大样本随机数，联合多维性能极限状态方程，统计落入失效域随机向量数目，由此计算构件对应于不同破坏状态的失效概率；S4.4、对于不同等级外载，重复S4.2和S4.3计算对应的构件失效概率，进而拟合得到易损性曲线。进一步的，步骤S5的具体步骤包括：S5.1、以U＝(U1，U2，…，Un)表示中间节点I的下层，U1，U2，…，Un表示中间节点I的父节点，用Cij表示Ui与Uj对中间节点I的影响之比，采用9级分制对Cij赋值，形成判断矩阵n、i、j为正整数，1＜i＜n，1＜j＜n；S5.2、对判断矩阵C中每一列元素进行归一化处理，归一化矩阵如C'，对每一行元素相加求平均值得权重向量w；S5.3、计算随机一致性比率CR，CR小于0.1，则继续步骤S5.4，否则，重新比较各节点获取新的判断矩阵，重复步骤S5.1-S5.3；S5.4、记录所有处于失效状态的Ui节点，并将对应的权重向量wi相加，则得到该父节点状态组合下中间节点I的条件失效概率Pf，该状态组合下条件安全概率则为1-Pf，枚举出父节点所有状态组合，以此方式则可得到中间节点I的完整的条件概率。进一步的，步骤S6具体步骤包括：S6.1、根据贝叶斯网络条件依赖关系，确定网络所有节点X＝{X1,X2,...,Xn}联合概率分布Ψ＝{f1,f2,...,fm}为分解因子，每个fi所涉及的变量是﹛X1,X2,…,Xn﹜的一子集；i、n、m为正整数；S6.2、确定变量最优消元次序；S6.3、消除网络中根节点、中间节点，直至剩下系统节点，计算系统失效概率。有益效果：本专利技术提出一种基于显示连通贝叶斯网络的结构易损性评估方法，考虑网络构件根节点多种失效模式联合效应，提出了基于多维性能极限状态的根节点先验概率评估，并将层次分析法与传统显示连通贝叶斯网络相结合，在统计数据缺乏情况下，可快速得到网络中间节点条件概率，最终通过变量消元算法正向预测推理可实现从构件易损性到结构系统易损性推理，弥补了大型工程结构系统易损性评估的研究不足，为重大工程结构系统的安全建设与有效运营提供科学支撑。附图说明图1为本专利技术的流程图；图2为本专利技术实施例桥梁系统层次划分；图3为结构层次显示连通贝叶斯网络的建立；图4为本专利技术实施例桥梁层次显示连通贝叶斯网络本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于显示连通贝叶斯网络的结构系统易损性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、对结构系统进行层次划分；将结构系统分解为不同组成构件，根据不同层次构件间相互影响及隶属关系自上而下聚焦组合，形成结构系统多层次分析模型；S2、建立层次显示连通贝叶斯网络；将步骤S1中产生的结构系统多层次分析模型转化为显示连通贝叶斯网络拓扑结构；所述层次显示连通贝叶斯网络拓扑结构的最高层次为系统节点，最低层次为根节点，代表结构系统构件状态，中间层次为中间节点；S3、建立构件显示连通贝叶斯网络；根节点层的下层为构件的各个主要失效模式，失效模式的下层因素为构件荷载效应、构件抗力，构件荷载效应的下层因素为贡献构件荷载效应的各种外载，构件抗力的下层为影响构件抗力的各种构件参数及抗力响应不确定性因素，外载下层因素为其不确定性；S4、基于多维性能极限状态进行根节点先验概率评估，所述先验概率为构件失效概率；S5、基于层次分析法进行中间节点条件概率评估；两两比较中间节点的父节点对中间节点的影响，构造判断矩阵，计算权重向量，据此确定中间节点的条件概率；S6、根据根节点先验概率、中间节点条件概率，联合贝叶斯网络拓扑结构，开展基于变量消元算法的贝叶斯网络推理，实现从构件易损性到结构系统易损的计算。...

【技术特征摘要】
1.一种基于显示连通贝叶斯网络的结构系统易损性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、对结构系统进行层次划分；将结构系统分解为不同组成构件，根据不同层次构件间相互影响及隶属关系自上而下聚焦组合，形成结构系统多层次分析模型；S2、建立层次显示连通贝叶斯网络；将步骤S1中产生的结构系统多层次分析模型转化为显示连通贝叶斯网络拓扑结构；所述层次显示连通贝叶斯网络拓扑结构的最高层次为系统节点，最低层次为根节点，代表结构系统构件状态，中间层次为中间节点；S3、建立构件显示连通贝叶斯网络；根节点层的下层为构件的各个主要失效模式，失效模式的下层因素为构件荷载效应、构件抗力，构件荷载效应的下层因素为贡献构件荷载效应的各种外载，构件抗力的下层为影响构件抗力的各种构件参数及抗力响应不确定性因素，外载下层因素为其不确定性；S4、基于多维性能极限状态进行根节点先验概率评估，所述先验概率为构件失效概率；S5、基于层次分析法进行中间节点条件概率评估；两两比较中间节点的父节点对中间节点的影响，构造判断矩阵，计算权重向量，据此确定中间节点的条件概率；S6、根据根节点先验概率、中间节点条件概率，联合贝叶斯网络拓扑结构，开展基于变量消元算法的贝叶斯网络推理，实现从构件易损性到结构系统易损的计算。2.根据权利要求1所述的一种基于显示连通贝叶斯网络的结构系统易损性评估方法，其特征在于，步骤S4的具体步骤包括：S4.1、构造多维性能极限状态方程；其中Ri为构件的响应需求参数；rilim为构件响应需求参数阈值，根据规范或研究文献确定；Ni是利用实验测试或灾后实际损伤数据获取样本数据集(R1,R2,...,Rn)(1)，(R1,R2,...,Rn)(2)，…，(R1,R2,...,Rn)(k)，通过非线性回归分析确定其取值，或通过工程经验...

【专利技术属性】
技术研发人员：王其昂，刘书奎，东兆星，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32