橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)現(xiàn)狀與展望

(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

21世紀(jì)以來有很多橋梁在施工和運(yùn)營過程中出現(xiàn)了重大的安全事故以及高昂的維修費(fèi)用，使得對橋梁的綜合管理養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的研究開發(fā)受到了高度重視。通過建立橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)，結(jié)合人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)等算法技術(shù)，能夠及時的了解橋梁的運(yùn)營狀況，提高橋梁的整體管理水平，保證橋梁的正常安全運(yùn)營，預(yù)判橋梁的發(fā)展趨勢并給予及時的維護(hù)維修，使得能夠延長橋梁的使用壽命[1]。

截至2016年底，全國共有公路橋梁80.53萬座，其中，特大橋梁3075座、546.14萬米，大橋67677座、1704.34萬米。目前在世界上已建成的主跨跨徑最大的前10座斜拉橋、懸索橋、拱橋和梁式橋中,我國分別占有7座、6座、6座和5座[2]。

交通主管部門對現(xiàn)役橋梁檢測與管養(yǎng)的重視程度正在逐步提高，但隨著我國高速公路、特大型橋梁的大量建成和使用，傳統(tǒng)的管養(yǎng)模式已不能滿足需求。相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和大專院校針對于不同需求開發(fā)出了系列管養(yǎng)和監(jiān)測系統(tǒng)。目前我國主要有以下三類相關(guān)系統(tǒng)，行業(yè)主管管理系統(tǒng)、管理單位管養(yǎng)系統(tǒng)、大橋長期監(jiān)測系統(tǒng)。

一、行業(yè)主管管理系統(tǒng)

1.交通部公路所開發(fā)的公路橋梁管理系統(tǒng)(CBMS)是基于橋梁結(jié)構(gòu)工程、病害機(jī)理、檢測技術(shù)、評定標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，運(yùn)用計算機(jī)系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)處理功能、評價決策方法和管理學(xué)理論，對現(xiàn)有橋梁進(jìn)行狀況登記、評價分析、投資決策和狀態(tài)預(yù)測等功能的一套綜合管理系統(tǒng)[3]。公路橋梁管理系統(tǒng)主要功能介紹：

(1)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)就是完成橋梁各項數(shù)據(jù)的錄入、編輯簡單查詢等并實現(xiàn)對已建立的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行各種管理的能力，系統(tǒng)加入多媒體動態(tài)錄像、橋梁圖片以及文字和聲音資料處理技術(shù)；

(2)統(tǒng)計查詢子系統(tǒng)即提供了橋梁各種形式的分類表格統(tǒng)計，共計60多個統(tǒng)計功能；

(3)評價決策子系統(tǒng)就是關(guān)于部件評分的結(jié)果表，歷史評價輸出，整理及評價；

(4)費(fèi)用分析模型即確定加固對策、確定維修建議庫中的處治方法及工程量等輸入內(nèi)容、可生成多種方案，供用戶選擇最佳；

(5)維修計劃功能和GIS應(yīng)用子系統(tǒng)(地理信息系統(tǒng))。

該管理系統(tǒng)注重的是對橋梁數(shù)據(jù)的更新查看和信息統(tǒng)計，有部件評估功能和維修養(yǎng)護(hù)建議，且設(shè)有專門的涵洞管理模塊，系統(tǒng)采用Web技術(shù)及B/S架構(gòu)模式。但是分析評估方法只是利用了檢測數(shù)據(jù)，缺乏對監(jiān)測數(shù)據(jù)的整合，其評估的結(jié)果比較偏單方面，需要完善。

2.湖南省高速公路精細(xì)化養(yǎng)護(hù)及決策支持系統(tǒng)[4]是對全省各路線橋梁、隧道、涵洞數(shù)量和路線信息統(tǒng)計，路面情況檢測分析，以及明確各分管單位所轄橋梁、隧道、涵洞數(shù)量及基本信息。“系統(tǒng)管理”含各橋梁、隧道、涵洞的相關(guān)資料(施工、監(jiān)理、養(yǎng)護(hù)所、管理處資料)能夠快速查閱，節(jié)約時間；“計劃管理”是指各方面費(fèi)用計劃及執(zhí)行情況。

該系統(tǒng)側(cè)重于數(shù)據(jù)統(tǒng)計及信息查看，不涉及檢測、維修、養(yǎng)護(hù)和安全性評估，無法針對特大橋、大橋做一個完整的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、健康監(jiān)測和安全性評估。

二、管理單位管養(yǎng)系統(tǒng)

1.武漢大橋局開發(fā)的橋梁數(shù)字化綜合管養(yǎng)系統(tǒng)(以下簡稱綜合系統(tǒng))主要有以下幾個模塊：

(1)健康監(jiān)測系統(tǒng)模塊采用數(shù)字化手段24小時不間斷采集橋梁關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括應(yīng)變、溫度、線性、索力、塔偏、動態(tài)特性、視頻車載等。健康監(jiān)測系統(tǒng)可接入動靜態(tài)類傳感器；

(2)電子化巡檢系統(tǒng)模塊，使日常巡檢實現(xiàn)了數(shù)字化，通過平板等智能終端實現(xiàn)巡檢記錄一鍵上傳，為橋梁人工信息采集提供數(shù)字化、模塊化技術(shù)，同時能提供橋梁巡檢的后臺支撐，為橋梁日常養(yǎng)護(hù)管理及維修加固決策提供支持；

(3)橋梁維護(hù)實時技術(shù)交互系統(tǒng)模塊實現(xiàn)對正在維修養(yǎng)護(hù)橋梁的技術(shù)交互、視頻會議和現(xiàn)場監(jiān)控；

(4)橋梁數(shù)字化維護(hù)記錄數(shù)據(jù)庫模塊可將實時維修養(yǎng)護(hù)過的橋梁進(jìn)行集中管理并能延續(xù)橋梁的后續(xù)維修服務(wù)，數(shù)據(jù)庫提供最全面的橋梁項目技術(shù)檔案管理；

(5)三維平臺展示即建立橋梁三維模型，點(diǎn)擊查看橋梁類型、橋梁部件，查看部件病害情況。

該系統(tǒng)將健康監(jiān)測納入到管養(yǎng)系統(tǒng)中，可以實時監(jiān)控橋梁重要結(jié)構(gòu)的健康狀況，并及時做出預(yù)警；但是由于技術(shù)力量以及檢測設(shè)備有限，不能很好把握橋梁結(jié)構(gòu)狀況，而且與高校、科研單位、技術(shù)公司等建立的合作也是臨時的、松散的、不具有系統(tǒng)性、成果以及經(jīng)驗的可繼承性。

2.貴州省高速公路養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)[5]其主要目的是對省內(nèi)高速公路橋梁數(shù)量、橋梁基本信息、橋梁病害數(shù)量、病害類型等方面做一個全面統(tǒng)計，以便能夠提前分析，在進(jìn)行維修時，拿出及時有效的辦法。在此同時，開發(fā)了定期檢查，特殊檢查(進(jìn)行專項檢查和試驗)，橋梁定位(橋梁所在具體位置)和基礎(chǔ)庫(查看往年橋梁病害類型、數(shù)量和部件維護(hù)方法等)。

該系統(tǒng)的研發(fā)是為了高速公路養(yǎng)護(hù)管理單位，其功能主要是用于管理和養(yǎng)護(hù)，人為導(dǎo)入檢測病害，然后就檢測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，給出相應(yīng)維修建議和制定養(yǎng)護(hù)方案，但無法進(jìn)行安全性評估，需要人為評定，增加了工作量。

三、大橋長期監(jiān)測系統(tǒng)

1.蘇通大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由四個子系統(tǒng)組成：(1)傳感器系統(tǒng)(SS)；(2)數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)(DATS)；(3)數(shù)據(jù)管理與控制系統(tǒng)(DMCS)；(4)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)(SHES)。其中結(jié)構(gòu)健康評估系統(tǒng)是該系統(tǒng)的核心內(nèi)容，主要有5個模塊組成：(1)橋梁評級系統(tǒng)；(2)適用性評估；(3)損傷診斷與預(yù)測；(4)耐久性評估；(5)安全性評估[6]。

該監(jiān)測系統(tǒng)對于安全評估做的較為全面，設(shè)立多個模塊對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析評估，以便于給出合理性的決策建議。但是由于結(jié)構(gòu)損傷具有局部性、監(jiān)測參數(shù)對局部損傷不敏感，結(jié)構(gòu)損傷很難識別；嘈雜、噪音已占整個存儲空間的95%甚至更多，使得有用數(shù)據(jù)難以提取，即使提取出少量數(shù)據(jù)，其研究價值也不高。其次是橋梁運(yùn)營預(yù)警時，其預(yù)警的極限值，無參考標(biāo)準(zhǔn)。

2.為隨時掌握橋梁在運(yùn)營期內(nèi)的內(nèi)力狀態(tài)及損傷情況在橋梁結(jié)構(gòu)危險萌芽階段發(fā)出預(yù)警對結(jié)構(gòu)調(diào)整、養(yǎng)護(hù)維修和維護(hù)等行為進(jìn)行輔助決策，鄂東長江公路大橋有主梁撓度傳感器60個，索力傳感器140個，南北索塔傳感器各70個等，該監(jiān)測系統(tǒng)核心部分主要分為數(shù)據(jù)采集及巡檢管理、結(jié)構(gòu)識別評估、結(jié)構(gòu)安全信息數(shù)據(jù)庫、結(jié)構(gòu)安全控制輔助決策5大子系統(tǒng)[7]。

該系統(tǒng)設(shè)立安全信息數(shù)據(jù)庫模塊，使得安全評估的結(jié)果能有一個對照，使得可以更好的對結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評價以及進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修。由于傳感器多數(shù)暴露在外部，長期受到風(fēng)雨侵蝕等原因，很容易老化失效，如果不能及時發(fā)現(xiàn)并更換，將導(dǎo)致無法監(jiān)測到數(shù)據(jù)或監(jiān)測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，這樣將無法為橋梁評估提高合理的、正確的依據(jù)。其次在建立合理的健康狀態(tài)安全指標(biāo)，應(yīng)用監(jiān)測數(shù)據(jù)對橋梁健康狀況進(jìn)行系統(tǒng)評估等方面還有欠缺。

四、展望

隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的發(fā)展[8]，具備了開發(fā)出更為全面、實用、智能的管養(yǎng)系統(tǒng)的條件。如能將各系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)積于一處，那所呈現(xiàn)的管養(yǎng)系統(tǒng)將是更理想的、信息化的，當(dāng)然，僅于此還不夠，為了達(dá)到更高要求，還有以下幾個方面要做：

(1)采用更規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)采集方式，來解決傳統(tǒng)方式的諸多不便；運(yùn)用多數(shù)據(jù)源全面采集，包括日常巡查、定期檢查、健康監(jiān)測、經(jīng)常檢查；

(2)結(jié)合人工智能，機(jī)器學(xué)習(xí)以及智能決策[9]來提高效率和更規(guī)范化；

(3)建立一套系統(tǒng)的、完整的、能自動分析的評估體系和評估方法，該評估體系的特點(diǎn)是全數(shù)據(jù)源、多指標(biāo)、細(xì)構(gòu)件、多層次、實時多端等；

(4)編譯相關(guān)的去冗、去噪的智能分析軟件，同時利用云計算、云分析、云管理等方法解決；針對不同橋型，不同跨徑，不同受載，不同環(huán)境等條件下其預(yù)警值做一個規(guī)范界限值；對傳感器做更好的保護(hù)及更換；

(5)采用三維模型直觀性展示BIM信息集成領(lǐng)域。