程勛煜 沈剛 陸海珠 縱焱 黃若昀

江蘇高速公路工程養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司

摘 要：隨著科技水平的發(fā)展，在橋梁養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開展信息化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的橋梁科學(xué)養(yǎng)護(hù)輔助決策技術(shù)研究極為重要?；诮K高速公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)基礎(chǔ)信息完備化、病害信息充分結(jié)構(gòu)化為前提，通過大量的調(diào)研和論證，確定相關(guān)指標(biāo)和方法，開展橋梁病害預(yù)警、重點(diǎn)關(guān)注橋梁、橋梁養(yǎng)護(hù)排序、集中處治決策優(yōu)化、養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目庫建設(shè)等輔助決策功能的開發(fā)，以期為橋梁養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)輔助決策的推廣建設(shè)提供良好地借鑒。

關(guān)鍵詞：高速公路;橋梁管理系統(tǒng);輔助決策;

橋梁結(jié)構(gòu)在壽命期間，受到建設(shè)時的施工條件、材料性能等先天因素，以及運(yùn)行車輛、環(huán)境影響等后天因素的影響，將面臨結(jié)構(gòu)設(shè)計功能退化的困境，影響到結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、耐久性。隨著江蘇省高速公路通車?yán)锍痰闹饾u增加，交通流量的快速增長，社會公眾對路線、橋梁服務(wù)水平的要求也不斷提高，江蘇高速公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理的任務(wù)也將越來越繁重，其橋梁養(yǎng)護(hù)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(shè)計

江蘇高速公路橋梁養(yǎng)護(hù)輔助決策以橋梁養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)基礎(chǔ)信息完備化、病害信息充分結(jié)構(gòu)化為前提，通過大量的調(diào)研和論證，確定相關(guān)指標(biāo)和方法，開展橋梁病害預(yù)警、重點(diǎn)關(guān)注橋梁、橋梁養(yǎng)護(hù)排序、集中處治決策優(yōu)化、養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目庫建設(shè)等功能開發(fā)，支持橋梁養(yǎng)護(hù)輔助決策[2,3],江蘇高速公路橋梁養(yǎng)護(hù)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(yù)警

橋梁病害預(yù)警的目的是根據(jù)一定的指標(biāo)設(shè)定，在病害發(fā)現(xiàn)的第一時間提醒相關(guān)路橋單位管理人員及時關(guān)注，必要時采取及時的措施，確保橋梁安全運(yùn)行。

病害預(yù)警對象包括全部7類主要梁式結(jié)構(gòu)以及4類主要部構(gòu)件，7類主要梁式結(jié)構(gòu)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(gòu)件包括：立柱、蓋梁、伸縮縫裝置、支座。

圖1 橋梁養(yǎng)護(hù)輔助決策框架

1.1.1預(yù)警指標(biāo)管理

主要指預(yù)警指標(biāo)解析等工作，具體包括：通過“上部結(jié)構(gòu)類型 承重構(gòu)件材料類型”、“構(gòu)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(yù)警指標(biāo)；“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(yù)警等級

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

表1 病害預(yù)警級別特征及報送對象

圖2 預(yù)警等級人員設(shè)置示例

1.1.3預(yù)警信息管理

按預(yù)先設(shè)定的病害預(yù)警信息報送對象，在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)橋梁病害且達(dá)到預(yù)設(shè)的預(yù)警指標(biāo)時，在系統(tǒng)網(wǎng)頁端可以及時查看到具體的預(yù)警病害信息，同時紅色預(yù)警信息還可以通過手機(jī)短信接收。

橋梁養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)可顯示近一年預(yù)警病害信息，各級用戶分不同權(quán)限查看相應(yīng)結(jié)果，預(yù)警信息結(jié)果查看如圖3。

圖3 預(yù)警信息查看示例

1.2重點(diǎn)關(guān)注橋梁

重點(diǎn)關(guān)注橋梁分為單項(xiàng)主題關(guān)注和綜合指標(biāo)關(guān)注兩類。單項(xiàng)主題從管理者關(guān)注角度出發(fā)，結(jié)合部省相關(guān)文件規(guī)定，落實(shí)相關(guān)指標(biāo)；綜合指標(biāo)是指根據(jù)指標(biāo)的重要性程度不同對其賦予一定的權(quán)重，通過加權(quán)平均計算方法得到橋梁關(guān)注度分值，從而得到關(guān)注度高低排序。

指標(biāo)的選取原則包括兩點(diǎn)：一是與橋梁當(dāng)前狀況、重要程度等密切相關(guān)；二是指標(biāo)信息便于準(zhǔn)確采集。第二個原則旨在利用養(yǎng)護(hù)管理數(shù)據(jù)庫已有橋梁相關(guān)數(shù)據(jù)信息，通過信息化手段實(shí)現(xiàn)對這種篩選方法的落實(shí)，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(guān)注度信息，實(shí)現(xiàn)動態(tài)的管理。

1.2.1單項(xiàng)主題關(guān)注

單項(xiàng)主題分為4種：長大橋梁、特殊結(jié)構(gòu)、跨越重要構(gòu)造物、技術(shù)狀況，各主題指標(biāo)取值列于表2。

表2 橋梁關(guān)注度指標(biāo)

關(guān)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(jié)構(gòu)類型、關(guān)注原因。對于關(guān)注原因，4個主題分別顯示不同內(nèi)容，“長大橋梁”列明橋梁全長、單孔最大跨徑；“特殊結(jié)構(gòu)橋梁”列明關(guān)注的結(jié)構(gòu)類型對應(yīng)孔跨，例“第8孔，系桿拱”;“跨越重要構(gòu)造物橋梁”列明跨越地物、通航等級；“技術(shù)狀況關(guān)注橋梁”列技術(shù)狀況變化情況，單項(xiàng)主題關(guān)注橋梁列表如圖4。

1.2.2綜合主題關(guān)注

根據(jù)長大橋梁、特殊結(jié)構(gòu)、跨越重要構(gòu)造物、技術(shù)狀況關(guān)注主題的重要性程度不同賦予一定的權(quán)重，通過加權(quán)平均計算方法得到橋梁關(guān)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(guān)注度；Dr為技術(shù)狀況指標(biāo)得分；Sp為長大指標(biāo)得分；St為特殊結(jié)構(gòu)指標(biāo)得分；Cr為跨越重要構(gòu)造物指標(biāo)得分；p為相應(yīng)指標(biāo)權(quán)重。

權(quán)重可由路橋單位各層級管理人員自行設(shè)置，關(guān)注橋梁列表橋梁按綜合關(guān)注度Si分值從大到小默認(rèn)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(jié)構(gòu)類型、關(guān)注原因，同時列出四項(xiàng)指標(biāo)分別滿足的情況，綜合指標(biāo)關(guān)注橋梁列表如圖5。

圖4 單項(xiàng)主題關(guān)注橋梁列表示例

圖5 綜合指標(biāo)關(guān)注橋梁列表示例

1.3橋梁養(yǎng)護(hù)排序

橋梁養(yǎng)護(hù)排序主要服務(wù)于年度養(yǎng)護(hù)計劃制定時，對信息量巨大的全年技術(shù)跟蹤和檢查結(jié)果，根據(jù)指標(biāo)算法首先篩選出需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(hù)管理系統(tǒng)檢查數(shù)據(jù)，對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(hù)對策計劃，按要緊程度將維修排序級別設(shè)A、B兩級，再根據(jù)具體病害參數(shù)在兩級內(nèi)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(jīng)費(fèi)允許時可列入計劃，經(jīng)費(fèi)不足時可列入重點(diǎn)關(guān)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(gòu)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(hù)排序決策指標(biāo)

(1)列入A級處治級別的可選取指標(biāo)項(xiàng)包括：

全橋技術(shù)狀況三類及以下；部件技術(shù)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(yīng)配置項(xiàng)：“裂縫寬度超限”指標(biāo)對應(yīng)裂縫寬度設(shè)置，“單板受力可能”對應(yīng)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(biāo)項(xiàng)包括：

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

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

結(jié)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(jié)構(gòu)類型、處治級別、處治原因(包括“技術(shù)狀況三類”、“重要構(gòu)件存在受力裂縫，且發(fā)展”、“重要構(gòu)件存在受力裂縫，且存在超載運(yùn)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(yīng)關(guān)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(chǔ)方案庫和用戶方案庫兩種。基礎(chǔ)方案庫包含的處治方案有：封縫、灌縫、混凝土破損修復(fù)、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(bǔ)、伸縮縫橡膠條更換，由用戶進(jìn)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(nèi)容及綜合單價均由用戶進(jìn)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(nèi)橋梁病害與處治方案的對應(yīng)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，橋梁養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)可根據(jù)歷次檢查結(jié)果自動運(yùn)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(shí)際管理需求進(jìn)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(diào)整必要的人機(jī)互動。

1.4.2工程量管理

處治方案管理建立了系統(tǒng)內(nèi)橋梁病害與處治方案的對應(yīng)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)可根據(jù)歷次檢查結(jié)果自動運(yùn)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(shí)際管理需求進(jìn)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(nèi)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(dāng)前待集中處治的工程量，匯總結(jié)果如表4。用戶同時可對工程量進(jìn)行在線調(diào)整，根據(jù)實(shí)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(hù)項(xiàng)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(nèi)容，橋梁系統(tǒng)實(shí)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(shè)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(hù)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(hù)工程師決策；如對2019年度某路橋單位橋梁養(yǎng)護(hù)項(xiàng)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(jié)果如表5。

表5 各段區(qū)養(yǎng)護(hù)工程費(fèi)用估算

1.5養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目庫建設(shè)

對某一特定問題描述的目標(biāo)案例，通過該模塊可實(shí)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(hù)方案決策。具體方法是指通過提取橋梁基礎(chǔ)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(jìn)行計算，最終選擇歷史養(yǎng)護(hù)維修案例作為路橋單位養(yǎng)護(hù)工程師的處治決策參考[7]。

2 結(jié)語

江蘇高速公路橋梁養(yǎng)護(hù)輔助決策系統(tǒng)是以技術(shù)狀況水平、服務(wù)水平、投資效益評估結(jié)果等因素為依據(jù)的養(yǎng)護(hù)決策機(jī)制，構(gòu)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(hù)數(shù)據(jù)信息充分挖掘利用的基礎(chǔ)上，全面掌握橋梁技術(shù)性能，比選合理的養(yǎng)護(hù)方案，科學(xué)制定橋梁養(yǎng)護(hù)決策，合理分配養(yǎng)護(hù)資金，保障橋梁運(yùn)行安全，這對于實(shí)現(xiàn)高速公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理工作的高效性，促進(jìn)橋梁養(yǎng)護(hù)管理水平的提升具有重大的意義。

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