程勛煜 沈剛 陸海珠 縱焱 黃若昀

江蘇高速公路工程養(yǎng)護技術有限公司

摘 要：隨著科技水平的發(fā)展，在橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)的基礎上，開展信息化、智能化、標準化、規(guī)范化的橋梁科學養(yǎng)護輔助決策技術研究極為重要?；诮K高速公路橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)基礎信息完備化、病害信息充分結構化為前提，通過大量的調研和論證，確定相關指標和方法，開展橋梁病害預警、重點關注橋梁、橋梁養(yǎng)護排序、集中處治決策優(yōu)化、養(yǎng)護項目庫建設等輔助決策功能的開發(fā)，以期為橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)輔助決策的推廣建設提供良好地借鑒。

關鍵詞：高速公路;橋梁管理系統(tǒng);輔助決策;

橋梁結構在壽命期間，受到建設時的施工條件、材料性能等先天因素，以及運行車輛、環(huán)境影響等后天因素的影響，將面臨結構設計功能退化的困境，影響到結構的安全性、適用性、耐久性。隨著江蘇省高速公路通車里程的逐漸增加，交通流量的快速增長，社會公眾對路線、橋梁服務水平的要求也不斷提高，江蘇高速公路橋梁養(yǎng)護管理的任務也將越來越繁重，其橋梁養(yǎng)護決策的方式與效能也面臨著逐步提升的需求[1]。

1 輔助決策主要功能設計

江蘇高速公路橋梁養(yǎng)護輔助決策以橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)基礎信息完備化、病害信息充分結構化為前提，通過大量的調研和論證，確定相關指標和方法，開展橋梁病害預警、重點關注橋梁、橋梁養(yǎng)護排序、集中處治決策優(yōu)化、養(yǎng)護項目庫建設等功能開發(fā)，支持橋梁養(yǎng)護輔助決策[2,3],江蘇高速公路橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)輔助決策模塊的功能框架如圖1所示。

1.1橋梁病害預警

橋梁病害預警的目的是根據(jù)一定的指標設定，在病害發(fā)現(xiàn)的第一時間提醒相關路橋單位管理人員及時關注，必要時采取及時的措施，確保橋梁安全運行。

病害預警對象包括全部7類主要梁式結構以及4類主要部構件，7類主要梁式結構包括：RC板梁、PC板梁、PC組合箱梁、T梁、RC現(xiàn)澆箱梁、PC等截面現(xiàn)澆箱梁、PC變截面現(xiàn)澆箱梁；4類主要部構件包括：立柱、蓋梁、伸縮縫裝置、支座。

圖1 橋梁養(yǎng)護輔助決策框架

1.1.1預警指標管理

主要指預警指標解析等工作，具體包括：通過“上部結構類型 承重構件材料類型”、“構件類型”、“病害類型”、“病害尺度”、“病害分布”、“病害發(fā)展情況”等組合逐條定義預警指標；“病害尺度”主要涉及縫寬超限、通長裂縫、裂縫量大密集這幾種，對這幾種需事先根據(jù)尺度數(shù)據(jù)定義判斷條件；“病害分布”主要涉及相對跨中“正八字”分布腹板斜向裂縫，以及梁端腹板斜向裂縫(通過裂縫角度和位置判斷)[4]。

1.1.2預警等級

病害預警的目的是提醒相關管理人員及時關注，分為兩級預警：紅色預警和黃色預警。其對應的級別特征和建議的報送對象見表1,預警人員配置如圖2。

表1 病害預警級別特征及報送對象

圖2 預警等級人員設置示例

1.1.3預警信息管理

按預先設定的病害預警信息報送對象，在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)橋梁病害且達到預設的預警指標時，在系統(tǒng)網頁端可以及時查看到具體的預警病害信息，同時紅色預警信息還可以通過手機短信接收。

橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)可顯示近一年預警病害信息，各級用戶分不同權限查看相應結果，預警信息結果查看如圖3。

圖3 預警信息查看示例

1.2重點關注橋梁

重點關注橋梁分為單項主題關注和綜合指標關注兩類。單項主題從管理者關注角度出發(fā)，結合部省相關文件規(guī)定，落實相關指標；綜合指標是指根據(jù)指標的重要性程度不同對其賦予一定的權重，通過加權平均計算方法得到橋梁關注度分值，從而得到關注度高低排序。

指標的選取原則包括兩點：一是與橋梁當前狀況、重要程度等密切相關；二是指標信息便于準確采集。第二個原則旨在利用養(yǎng)護管理數(shù)據(jù)庫已有橋梁相關數(shù)據(jù)信息，通過信息化手段實現(xiàn)對這種篩選方法的落實，從而始終能根據(jù)更新的橋梁數(shù)據(jù)快速得到最新的橋梁關注度信息，實現(xiàn)動態(tài)的管理。

1.2.1單項主題關注

單項主題分為4種：長大橋梁、特殊結構、跨越重要構造物、技術狀況，各主題指標取值列于表2。

表2 橋梁關注度指標

關注橋梁列表顯示信息包括：橋名、橋梁編碼、樁號、管養(yǎng)單位、跨徑組合、結構類型、關注原因。對于關注原因，4個主題分別顯示不同內容，“長大橋梁”列明橋梁全長、單孔最大跨徑；“特殊結構橋梁”列明關注的結構類型對應孔跨，例“第8孔，系桿拱”;“跨越重要構造物橋梁”列明跨越地物、通航等級；“技術狀況關注橋梁”列技術狀況變化情況，單項主題關注橋梁列表如圖4。

1.2.2綜合主題關注

根據(jù)長大橋梁、特殊結構、跨越重要構造物、技術狀況關注主題的重要性程度不同賦予一定的權重，通過加權平均計算方法得到橋梁關注度分值，以公式表示如下：

Si=Dr·pDr Sp·pSp St·pSt Cr·pCr

式中：Si為橋梁關注度；Dr為技術狀況指標得分；Sp為長大指標得分；St為特殊結構指標得分；Cr為跨越重要構造物指標得分；p為相應指標權重。

權重可由路橋單位各層級管理人員自行設置，關注橋梁列表橋梁按綜合關注度Si分值從大到小默認排列(對分值相同的按最大跨徑從大到小排序),顯示信息包括：橋名、橋梁編碼、樁號、管養(yǎng)單位、跨徑組合、結構類型、關注原因，同時列出四項指標分別滿足的情況，綜合指標關注橋梁列表如圖5。

圖4 單項主題關注橋梁列表示例

圖5 綜合指標關注橋梁列表示例

1.3橋梁養(yǎng)護排序

橋梁養(yǎng)護排序主要服務于年度養(yǎng)護計劃制定時，對信息量巨大的全年技術跟蹤和檢查結果，根據(jù)指標算法首先篩選出需要進行結構性維修加固的橋梁，并估算其余集中處治橋梁的處治工程量需求，從而為橋梁工程師提供下一年度的橋梁處治計劃參考[5]。

根據(jù)橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)檢查數(shù)據(jù)，對結構性維修加固處治需求分析，開發(fā)了PC板梁和RC板梁兩種結構類型的維修加固處治方案。同時按橋梁病害程度不同提出養(yǎng)護對策計劃，按要緊程度將維修排序級別設A、B兩級，再根據(jù)具體病害參數(shù)在兩級內各有橋梁中先后排序。一般而言，A級建議立即列入年度計劃安排，B級在經費允許時可列入計劃，經費不足時可列入重點關注橋梁跟蹤其病害發(fā)展。

采用逐級分層次綜合判斷法建立排序模型，主要包括構件重要性、病害類型、病害特征、病害分布、病害發(fā)展等5種，如表3所示。

表3 橋梁養(yǎng)護排序決策指標

(1)列入A級處治級別的可選取指標項包括：

全橋技術狀況三類及以下；部件技術狀況四類及以下；存在底板橫向裂縫，且發(fā)展；存在腹板豎向裂縫，且發(fā)展；存在腹板受力斜向裂縫，且發(fā)展；裂縫寬度超限；單板受力可能。

對應配置項：“裂縫寬度超限”指標對應裂縫寬度設置，“單板受力可能”對應鉸縫通長滲水和橋面反射裂縫是否需要同時存在。

(2)列入B級處治級別的可選取指標項包括：

存在底板橫向裂縫，穩(wěn)定，但存在超載運行；存在腹板豎向裂縫，穩(wěn)定，但存在超載運行；存在腹板受力斜向裂縫，穩(wěn)定，但存在超載運行。

在排序結果輸出上，按上部結構類型、處治級別(A、B)以及病害嚴重程度(病害構件數(shù)占比、裂縫“名義間距”)排序。

結果列表顯示信息包括：橋名、橋梁編碼、樁號、管養(yǎng)單位、跨徑組合、結構類型、處治級別、處治原因(包括“技術狀況三類”、“重要構件存在受力裂縫，且發(fā)展”、“重要構件存在受力裂縫，且存在超載運行”等組合)。

1.4集中處治決策優(yōu)化

1.4.1處置方案管理

首先建立病害類型與處治方案的對應關系(即“病害-處治方案庫”的建立),并管理綜合單價，如圖6。分基礎方案庫和用戶方案庫兩種?；A方案庫包含的處治方案有：封縫、灌縫、混凝土破損修復、鋼筋除銹阻銹、板式支座更換、盆式支座更換、伸縮縫裝置更換、伸縮縫混凝土破損修補、伸縮縫橡膠條更換，由用戶進行綜合單價管理；用戶方案庫由用戶添加集中處治方案，形成自己的“病害-處治方案庫”,方案內容及綜合單價均由用戶進行管理[6]。

圖6 處治方案管理示例

處治方案管理建立了系統(tǒng)內橋梁病害與處治方案的對應關系，在此基礎上，橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)可根據(jù)歷次檢查結果自動運算需處治的工程量。對系統(tǒng)生成的處治工程量，用戶可根據(jù)實際管理需求進行管理，如對部分病害存量非常小的橋梁暫時不納入下一年度的處治計劃，系統(tǒng)開發(fā)了工程量調整必要的人機互動。

1.4.2工程量管理

處治方案管理建立了系統(tǒng)內橋梁病害與處治方案的對應關系，在此基礎上，系統(tǒng)可根據(jù)歷次檢查結果自動運算需處治的工程量。對系統(tǒng)生成的處治工程量，用戶可根據(jù)實際管理需求進行管理。

此處以某路橋單位2019年橋梁檢查數(shù)據(jù)為例，橋梁系統(tǒng)基于內置的處治方案決策條件，以及用戶配置的處治方案，可匯總計算出當前待集中處治的工程量，匯總結果如表4。用戶同時可對工程量進行在線調整，根據(jù)實際情況確定年度處治工程量。

表4 2019年某路橋單位橋梁集中處治工程量估算

1.4.3路段及資金配置

該功能根據(jù)需要處治的工程量，將路段、資金作為配置條件，根據(jù)處治工程量合理劃分養(yǎng)護項目工程包的大小。

路段配置優(yōu)化方法：支持路橋單位工程師在線配置路線、路段(段區(qū))、樁號范圍、處治內容，橋梁系統(tǒng)實時呈現(xiàn)工程包組成詳情，以供工程師決策。選取合適后，可定義工程包名稱，生成一條工程包記錄。

資金配置優(yōu)化方法：在設定工程包資金限額的前提下，按“段區(qū)優(yōu)先”和“方案優(yōu)先”兩類優(yōu)化原則，提供最優(yōu)符合資金的工程包。

在給定一定養(yǎng)護資金的情況下，系統(tǒng)可支持自動計算多種接近該資金的工程包方案，提供養(yǎng)護工程師決策；如對2019年度某路橋單位橋梁養(yǎng)護項目，給定200萬元的資金，橋梁系統(tǒng)自動優(yōu)選出以下幾類方案組合，供工程師決策，決策結果如表5。

表5 各段區(qū)養(yǎng)護工程費用估算

1.5養(yǎng)護項目庫建設

對某一特定問題描述的目標案例，通過該模塊可實現(xiàn)在系統(tǒng)案例庫中檢索與其屬性最相符的案例，以輔助養(yǎng)護方案決策。具體方法是指通過提取橋梁基礎信息、病害信息、評定信息、維修信息作為特征描述，以精確匹配和最近相鄰匹配作為檢索策略，以相似度模型進行計算，最終選擇歷史養(yǎng)護維修案例作為路橋單位養(yǎng)護工程師的處治決策參考[7]。

2 結語

江蘇高速公路橋梁養(yǎng)護輔助決策系統(tǒng)是以技術狀況水平、服務水平、投資效益評估結果等因素為依據(jù)的養(yǎng)護決策機制，構建以自動評價為主、人工評價為輔的橋梁性能評價體系，在已有橋梁養(yǎng)護數(shù)據(jù)信息充分挖掘利用的基礎上，全面掌握橋梁技術性能，比選合理的養(yǎng)護方案，科學制定橋梁養(yǎng)護決策，合理分配養(yǎng)護資金，保障橋梁運行安全，這對于實現(xiàn)高速公路橋梁養(yǎng)護管理工作的高效性，促進橋梁養(yǎng)護管理水平的提升具有重大的意義。

參考文獻

[1] 劉大洋，黃文韜，斯新華，等.橋梁病害智能診斷與養(yǎng)護決策系統(tǒng)研究[J].公路交通技術，2021,37(1):101-105.

[2] 程勛煜，陸海珠，黃若昀，等.中小跨徑橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)研究及開發(fā)[J].公路，2021,66(6):362-366.

[3] 張鴻，張永濤，王敏，等.全過程自適應橋梁智能建造體系研究與應用[J].公路，2021,66(4):124-136.

[4] 朱明敏，尹新剛，王曉晶.基于生命過程的橋梁智能養(yǎng)護決策方法研究[J].公路交通科技：應用技術版，2012,8(12):17-19.

[5] 王桂萱，宮本文穗，晏班夫，中村秀明.橋梁智能決策輔助系統(tǒng)的開發(fā)[J].公路交通科技，2004,(9):70-73.

[6] 陳中治，楊武.橋梁智能設計專家系統(tǒng)研究與開發(fā)[J].公路交通科技，2012,29(10):88-95.

[7] 夏燁，王鵬，孫利民.基于多源信息的橋梁網級評估方法[J].同濟大學學報：自然科學版，2019,47(11):1574-1584.