人工智能在橋梁管理與養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用探析

黃達(dá)

摘 要：進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國科技水平發(fā)展迅速，人工智能被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中。橋梁工程領(lǐng)域中，橋梁管理與養(yǎng)護(hù)是一項(xiàng)任務(wù)繁雜、系統(tǒng)性強(qiáng)、專業(yè)要求高、歷時(shí)長、數(shù)據(jù)多、分析困難的工作，傳統(tǒng)的橋梁管養(yǎng)手段存在管養(yǎng)效率低、數(shù)據(jù)采集不全面、主觀經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)等諸多痛點(diǎn)。將人工智能應(yīng)用于橋梁管養(yǎng)，是以后橋梁管養(yǎng)信息化發(fā)展的趨勢和焦點(diǎn)。本文針對橋梁管理和養(yǎng)護(hù)過程中存在的難點(diǎn)和痛點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)合人工智能技術(shù)提出了探索性的解決方案，為將來人工智能在橋梁管養(yǎng)中的實(shí)際應(yīng)用提供啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：人工智能;橋梁管理;養(yǎng)護(hù);應(yīng)用

移動互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的傳播媒介正在飛速發(fā)展和快速傳播，一個(gè)個(gè)虛擬世界的美妙奇跡正在被創(chuàng)造，并逐步改善和提高人們的生活質(zhì)量和水平。自二十世紀(jì)八九十年代以來，中國在橋梁建設(shè)方面取得了巨大的成就，但不可否認(rèn)的是，目前我國的橋梁工程技術(shù)無論是在設(shè)計(jì)思路、施工過程，抑或是在對橋梁的運(yùn)營管理方面尚存在很大的進(jìn)步空間。

1人工智能技術(shù)

人工智能（ArtificialIntelligence），英文縮寫為AI。它是研究、開發(fā)、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)，主要包括深度學(xué)習(xí)/機(jī)器學(xué)習(xí)、自然語言處理、計(jì)算機(jī)視覺/圖像識別、手勢控制、虛擬私人助手、智能機(jī)器人、推薦引擎和協(xié)助過濾算法、情境感知計(jì)算、語音翻譯、視頻內(nèi)容自動識別等。

目前人工智能技術(shù)在工業(yè)上主要有以下3個(gè)方面：

（1）數(shù)據(jù)的可視化分析。通過收集工業(yè)設(shè)備運(yùn)行過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)（溫度、濕度、能耗、效率等），然后通過人工智能技術(shù)整理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化生產(chǎn)線降低能耗和檢測設(shè)備是否產(chǎn)生異常;

（2）設(shè)備的自我診斷。如果某條生產(chǎn)線出問題，通過人工智能的智能分析，可以迅速定位產(chǎn)生異常的設(shè)備和診斷異常出現(xiàn)的原因，同時(shí)根據(jù)歷史運(yùn)維的記錄或者標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)維修人員如何修復(fù)出現(xiàn)的問題，甚至讓設(shè)備自我診斷與修正;

（3）預(yù)測性維護(hù)。通過跟蹤與分析設(shè)備的運(yùn)行情況，提前發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)異常的設(shè)備，從而提前通知維護(hù)人員修復(fù)該設(shè)備。工業(yè)領(lǐng)域在許多方面走在土木工程領(lǐng)域的前面，人工智能在工業(yè)上的應(yīng)用會啟發(fā)我們?nèi)绾卧跇蛄汗こ讨袘?yīng)用該技術(shù)提高生產(chǎn)力。

2人工智能在橋梁管理與養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用

2.1人工智能在橋梁巡檢中的應(yīng)用

橋梁結(jié)構(gòu)在長期服役過程中，不可避免地會出現(xiàn)諸多外觀病害，如鋼結(jié)構(gòu)腐蝕、混凝土裂縫等等。外觀質(zhì)量的好壞及是否存在缺陷，一定程度上反映了鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)等橋梁部構(gòu)件的內(nèi)在品質(zhì)，如混凝土結(jié)構(gòu)中常見的結(jié)構(gòu)裂縫、蜂窩麻面。這些外觀病害如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在復(fù)雜因素的耦合作用下繼續(xù)發(fā)展，會對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的破壞，大大降低橋梁服役性能。因此，橋梁外觀巡檢是橋梁管養(yǎng)中非常重要的一個(gè)手段。

然而，傳統(tǒng)的橋梁巡檢主要采用人工測量，如在橋梁裂縫的檢查中，或者借助橋檢車或搭設(shè)腳手架到達(dá)結(jié)構(gòu)表面，采用標(biāo)尺等測量儀器來測量表面的一些裂縫等病害，或者采用望遠(yuǎn)鏡、巡檢無人機(jī)等對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部觀測，采集到病害圖片后進(jìn)行人工識別。這些測量方式直接、可控制性強(qiáng)，得到了廣泛的應(yīng)用，但也有很多不足，工作量大，效率低，依靠人工判斷主觀經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)，準(zhǔn)確率低。

隨著人工智能領(lǐng)域取得爆炸式發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺識別技術(shù)越來越多地被應(yīng)用到橋梁外觀病害的檢查中來。通過數(shù)字圖像處理算法和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，使計(jì)算機(jī)能夠預(yù)先學(xué)習(xí)到大量已有病害照片的潛在特征，用來對新輸入的樣本進(jìn)行分類和預(yù)測，從而智能識別橋梁結(jié)構(gòu)部構(gòu)件、結(jié)構(gòu)病害圖像及病害的定量分析，滿足了高效、高質(zhì)量的檢測需求。如2006年，SubiratsP等人提出一種連續(xù)小波變換的裂縫檢測算法，建立多尺度的二維小波變換來提取圖像中的裂縫;還有近年來運(yùn)用非常火熱的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）算法被應(yīng)用于橋梁路面的裂縫檢測。

2.2預(yù)修圖紙和模型

橋梁建設(shè)過程中的很多規(guī)范具有多樣化和形勢復(fù)雜的特點(diǎn)，不同模型的主體差異性較大，針對這樣的狀況，有研究人員通過研究各類建筑規(guī)范的規(guī)則，將其多樣化的工作規(guī)范轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以識別的領(lǐng)域規(guī)則，從而對建筑信息化的模型進(jìn)行有效信息的讀取。智能工作領(lǐng)域根據(jù)所讀取的語義模型和領(lǐng)域規(guī)則判斷其是否符合橋梁建筑的規(guī)范，最終通過橋梁建筑信息化模型數(shù)據(jù)的挖掘、清洗與梳理，有效提升檢查工具的效率，從而提高了人工智能的高效性。

2.3真實(shí)情況模擬

為了研究火災(zāi)、地震等自然災(zāi)害對于橋梁的影響，國內(nèi)外學(xué)者主要通過有限元軟件全面模擬橋梁受到災(zāi)害影響的全過程，把橋梁所處環(huán)境和所得到的各類數(shù)據(jù)之間進(jìn)行融合，得出了危害建筑安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的因素，增強(qiáng)了橋梁的可靠性。目前有限元模擬在國內(nèi)應(yīng)用得很廣泛，也配合大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對比，但是每個(gè)項(xiàng)目彼此獨(dú)立，許多參數(shù)的選擇和模擬都憑借設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，缺乏一定的科學(xué)性。如果能用人工智能把信息統(tǒng)籌整理起來，可以大大增加效率、降低成本，最關(guān)鍵的是大大增加項(xiàng)目的科學(xué)性。

2.4橋梁運(yùn)維數(shù)據(jù)處理

運(yùn)維階段作為橋梁整個(gè)生命周期時(shí)間跨度最長的部分，在運(yùn)維過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息，如運(yùn)維傳感器記錄的數(shù)值、行政人員拍攝的照片等數(shù)據(jù)，如此多的數(shù)據(jù)僅憑工作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，所耗費(fèi)的時(shí)間、財(cái)力都是巨大的，并且橋梁的監(jiān)測結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)也有諸多方面，不同參數(shù)測量采用的原理的差異性也會導(dǎo)致信號差異性凸顯。在這一過程中，如果將人工智能與橋梁運(yùn)維密切結(jié)合，在人工智能分析的基礎(chǔ)上，海量的數(shù)據(jù)信息就能夠得到快速分析，數(shù)據(jù)結(jié)果也能盡快得出，進(jìn)而及時(shí)有效預(yù)防橋梁運(yùn)營過程中的問題，并能夠?qū)ΠY下藥。

2.5施工規(guī)劃

橋梁的施工現(xiàn)場往往有3大特點(diǎn)：1.施工環(huán)境千差萬別;2.施工可選方案有很多;3.隨機(jī)事件概率大。這3個(gè)特點(diǎn)導(dǎo)致現(xiàn)場施工管理人員需要根據(jù)具體的施工現(xiàn)場環(huán)境及資源，布置機(jī)械及廠房的位置，規(guī)劃施工機(jī)械的路線及頻率，合理分配材料和人力的使用。根據(jù)具體的施工條件來選擇合適的施工方案，根據(jù)各類隨機(jī)事件的發(fā)生來調(diào)整施工步驟，以達(dá)到效率最高、成本最低的狀態(tài)。但是由于各種因素的疊加影響和時(shí)間緊迫，哪怕經(jīng)驗(yàn)豐富的施工管理人員也經(jīng)常會做出錯(cuò)誤的判斷。如果可以通過各類因素的整合，通過高擬真的人工智能算法根據(jù)現(xiàn)場情況提出全面而實(shí)際的建議，肯定能大大降低失誤的概率。在施工前的規(guī)劃及施工過程中的及時(shí)調(diào)整，收集匯總及分析人機(jī)料法等多種關(guān)鍵信息，并使其指導(dǎo)施工決策，使整個(gè)施工過程科學(xué)高效，這可以稱之為施工規(guī)劃的智能化。例如，根據(jù)施工單位目前所擁有的機(jī)械和附近材料庫的信息，自動規(guī)劃出合理的施工機(jī)械使用方案及材料購置方案，并且匹配運(yùn)輸機(jī)械分配和材料運(yùn)送的方案，最終達(dá)到可行且經(jīng)濟(jì)的最優(yōu)化配置，大大節(jié)約了時(shí)間及財(cái)務(wù)上的壓力。

同時(shí)，如果將來所有橋梁的施工數(shù)據(jù)儲存在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫里，每座橋梁的基本信息都可以與其他橋梁進(jìn)行分析比對。根據(jù)已有的成功案例迅速導(dǎo)出合理的實(shí)施方案，實(shí)現(xiàn)了施工管理的智能化及現(xiàn)代化。

3結(jié)語

本文深入研究和探析了人工智能在橋梁管養(yǎng)領(lǐng)域中的具體應(yīng)用。人工智能是未來發(fā)展的新性技術(shù)，在橋梁工程領(lǐng)域具有相當(dāng)大的潛力，其應(yīng)用程度和深度與橋梁行業(yè)的信息化水平息息相關(guān)。只有橋梁技術(shù)人員加強(qiáng)對信息技術(shù)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，不斷摸索，整個(gè)橋梁工程領(lǐng)域逐步實(shí)現(xiàn)信息化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、一體化，人工智能才會生根發(fā)芽，最終走向成熟，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智慧化。

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