程勛煜 沈剛 陸海珠 縱焱 黃若昀

江蘇高速公路工程養護技術有限公司

摘 要：隨著科技水平的發展，在橋梁養護管理系統的基礎上，開展信息化、智能化、標準化、規范化的橋梁科學養護輔助決策技術研究極為重要。基于江蘇高速公路橋梁養護管理系統基礎信息完備化、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、橋梁養護排序、集中處治決策優化、養護項目庫建設等輔助決策功能的開發，以期為橋梁養護管理系統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;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護管理的任務也將越來越繁重，其橋梁養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護輔助決策以橋梁養護管理系統基礎信息完備化、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、橋梁養護排序、集中處治決策優化、養護項目庫建設等功能開發，支持橋梁養護輔助決策[2,3],江蘇高速公路橋梁養護管理系統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一定的指標設定，在病害發現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現澆箱梁、PC等截面現澆箱梁、PC變截面現澆箱梁；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尺度數據定義判斷條件；“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，在現場發現橋梁病害且達到預設的預警指標時，在系統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。

橋梁養護管理系統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，結合部省相關文件規定，落實相關指標；綜合指標是指根據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護管理數據庫已有橋梁相關數據信息，通過信息化手段實現對這種篩選方法的落實，從而始終能根據更新的橋梁數據快速得到最新的橋梁關注度信息，實現動態的管理。

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橋梁養護排序

橋梁養護排序主要服務于年度養護計劃制定時，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]。

根據橋梁養護管理系統檢查數據，對結構性維修加固處治需求分析，開發了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，再根據具體病害參數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、病害發展等5種，如表3所示。

表3 橋梁養護排序決策指標

(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，且發展；存在腹板豎向裂縫，且發展；存在腹板受力斜向裂縫，且發展；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，穩定，但存在超載運行；存在腹板豎向裂縫，穩定，但存在超載運行；存在腹板受力斜向裂縫，穩定，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。基礎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內橋梁病害與處治方案的對應關系，在此基礎上，橋梁養護管理系統可根據歷次檢查結果自動運算需處治的工程量。對系統生成的處治工程量，用戶可根據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，系統開發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內橋梁病害與處治方案的對應關系，在此基礎上，系統可根據歷次檢查結果自動運算需處治的工程量。對系統生成的處治工程量，用戶可根據實際管理需求進行管理。

此處以某路橋單位2019年橋梁檢查數據為例，橋梁系統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

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

路段配置優化方法：支持路橋單位工程師在線配置路線、路段(段區)、樁號范圍、處治內容，橋梁系統實時呈現工程包組成詳情，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。

資金配置優化方法：在設定工程包資金限額的前提下，按“段區優先”和“方案優先”兩類優化原則，提供最優符合資金的工程包。

在給定一定養護資金的情況下，系統可支持自動計算多種接近該資金的工程包方案，提供養護工程師決策；如對2019年度某路橋單位橋梁養護項目，給定200萬元的資金，橋梁系統自動優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 各段區養護工程費用估算

1.5養護項目庫建設

對某一特定問題描述的目標案例，通過該模塊可實現在系統案例庫中檢索與其屬性最相符的案例，以輔助養護方案決策。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，最終選擇歷史養護維修案例作為路橋單位養護工程師的處治決策參考[7]。

2 結語

江蘇高速公路橋梁養護輔助決策系統是以技術狀況水平、服務水平、投資效益評估結果等因素為依據的養護決策機制，構建以自動評價為主、人工評價為輔的橋梁性能評價體系，在已有橋梁養護數據信息充分挖掘利用的基礎上，全面掌握橋梁技術性能，比選合理的養護方案，科學制定橋梁養護決策，合理分配養護資金，保障橋梁運行安全，這對于實現高速公路橋梁養護管理工作的高效性，促進橋梁養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護決策系統研究[J].公路交通技術，2021,37(1):101-105.

[2] 程勛煜，陸海珠，黃若昀，等.中小跨徑橋梁養護管理系統研究及開發[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的開發[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研究與開發[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.