針對(duì)網(wǎng)級(jí)評(píng)估的區(qū)域橋梁信息集成與數(shù)據(jù)挖掘

夏 燁, 雷曉鳴, 王 鵬, 劉國(guó)明, 孫利民

(1. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；2. 上海臨港經(jīng)濟(jì)發(fā)展(集團(tuán))有限公司，上海 201306；3. 河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，石家莊 050011；4. 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(同濟(jì)大學(xué))，上海 200092)

橋梁定期常規(guī)檢測(cè)是橋梁技術(shù)評(píng)定有效依據(jù)，也是橋梁狀態(tài)較為直接和完整的記錄，重點(diǎn)橋梁的監(jiān)測(cè)對(duì)區(qū)域橋梁狀態(tài)信息予以補(bǔ)充. 現(xiàn)有的橋梁評(píng)價(jià)體系本質(zhì)上為“一橋一檔”單體評(píng)估方法，從單體橋梁獲取的數(shù)據(jù)，僅能有限用于該橋梁的評(píng)價(jià)和改善. 一方面，極大浪費(fèi)了數(shù)據(jù)的潛在規(guī)律和價(jià)值；另一方面，繁復(fù)的工作增加了橋梁管理的難度和成本. 從區(qū)域路網(wǎng)的角度來(lái)看，區(qū)域內(nèi)分布的眾多橋梁是一個(gè)彼此聯(lián)系的群體，若能對(duì)多年累積的區(qū)域橋梁群海量信息實(shí)現(xiàn)集成與規(guī)整，形成路網(wǎng)橋梁數(shù)據(jù)庫(kù)，將明顯提升管理工作的效率，并有助于發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中隱藏的模式[1-2].

近年來(lái)，區(qū)域橋梁的管理與信息利用吸引了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，通常既有橋梁的管理可以劃分為項(xiàng)目級(jí)和網(wǎng)絡(luò)級(jí)(本文稱“單體和網(wǎng)級(jí)”)兩個(gè)層次. 面對(duì)中小跨徑橋梁龐大的基數(shù)，若僅依靠單體管理模式，即將不同的橋梁視為單獨(dú)的個(gè)體，對(duì)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)等方式獲得的結(jié)論進(jìn)行“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的應(yīng)用，顯然會(huì)事倍功半[3]. 考慮該橋梁群體的共性特征和路網(wǎng)相關(guān)性，開展網(wǎng)級(jí)層次的評(píng)估和管理是必要的. 事實(shí)上，目前國(guó)內(nèi)外已存在針對(duì)廣泛橋梁群體的信息化管理手段，即橋梁管理系統(tǒng)(BMS). 該系統(tǒng)源于美國(guó)聯(lián)邦高速公路局(FHWA)在1968年開發(fā)的NBI數(shù)據(jù)庫(kù)(National Bridge Inventory)[4]，當(dāng)時(shí)僅具有數(shù)據(jù)管理功能. 隨著不斷增加的管養(yǎng)需求和有限的資金之間的矛盾日益凸顯，研究者在NBI的基礎(chǔ)上又添加了評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)、分析、決策等功能形成了BMS. 現(xiàn)有的典型BMS例如美國(guó)的PONTIS和BRIDGIT[5]. 前者是運(yùn)行最久、用戶最多的網(wǎng)級(jí)管理系統(tǒng)，而后者的主要功能與之接近，相當(dāng)于對(duì)應(yīng)的單體管理版本. 類似地，還有英國(guó)的NATS[6]、日本的J-BMS[7]、丹麥的DANBRO[8]等；中國(guó)在這方面起步稍晚，主要應(yīng)用有中國(guó)公路橋梁管理系統(tǒng)(CBMS)、上海市橋梁管理系統(tǒng)等.

BMS的出現(xiàn)有效地提高了橋梁管理水平，但其具體功能尚不完善，在實(shí)際運(yùn)用中仍有較多不足. 具體而言：1)現(xiàn)有BMS都是基于檢測(cè)信息的，未實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息的集成和利用，導(dǎo)致數(shù)據(jù)樣本不夠全面和可靠；2)采用的橋梁退化模型存在較明顯的局限性，其評(píng)估和預(yù)測(cè)效果并不理想；3)決策輔助功能較為簡(jiǎn)單，有待進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn).

橋梁退化的模式識(shí)別是BMS將橋梁路網(wǎng)原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為領(lǐng)域知識(shí)的必要工具，亦是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)級(jí)評(píng)估的關(guān)鍵[9]. 文獻(xiàn)[10]將其定義為“結(jié)構(gòu)狀態(tài)與一系列自變量之間的聯(lián)系”. 主要存在兩種實(shí)現(xiàn)方式：一種是基于結(jié)構(gòu)退化的歷史數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)將來(lái)的行為及狀態(tài)；另一種則試圖通過(guò)研究影響結(jié)構(gòu)退化的各種時(shí)變因素(鋼筋銹蝕、氯離子侵入等)，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的退化規(guī)律. 本文主要利用前者思想，挖掘區(qū)域橋梁信息，尋找結(jié)構(gòu)退化模式. 應(yīng)用數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析，可以有效地得到橋梁退化的影響因子和結(jié)構(gòu)狀態(tài)關(guān)系模型. 該模型在對(duì)大規(guī)模路網(wǎng)的預(yù)測(cè)與評(píng)估上具有出色的效率.

目前，對(duì)于區(qū)域內(nèi)橋梁群的多源信息，尚無(wú)研究闡明信息的存在形式和獲取方式、集成規(guī)則及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu). 現(xiàn)有的BMS僅對(duì)檢測(cè)信息進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，未實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)信息的良好協(xié)同. 若考慮到網(wǎng)級(jí)評(píng)估的需要，則還有較多細(xì)節(jié)需要改進(jìn).

本文首先對(duì)單體橋梁的多源信息及綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了討論. 其次，考慮區(qū)域內(nèi)橋梁原始資料的存在形式及后續(xù)研究分析的需求，提出了路網(wǎng)橋梁數(shù)據(jù)庫(kù)的集成規(guī)則和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu). 最后，以河北省部分交通路網(wǎng)為例，建立數(shù)據(jù)庫(kù)并進(jìn)行了特征參數(shù)的研究和挖掘，為區(qū)域內(nèi)的橋梁網(wǎng)級(jí)評(píng)估和結(jié)論演繹奠定基礎(chǔ).

1 單體橋梁狀態(tài)評(píng)估

1.1 橋梁狀態(tài)信息源

盡管近年來(lái)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布置數(shù)量有所增加，但通常布置于重點(diǎn)橋梁之上. 對(duì)于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在路網(wǎng)上的大量普及，其建設(shè)成本和周期仍制約著區(qū)域性應(yīng)用.

檢測(cè)作為管養(yǎng)部門的主要手段，能夠廣泛地、定期地獲取區(qū)域內(nèi)各橋梁在運(yùn)營(yíng)中的結(jié)構(gòu)變化信息. 在中國(guó)現(xiàn)行的橋梁管理制度中，根據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[11]，檢測(cè)信息主要有以下兩類：1)由檢查直接獲取的關(guān)于各構(gòu)件的病害描述和標(biāo)度；2)由分層加權(quán)間接導(dǎo)出的構(gòu)件(如一片梁，一個(gè)橋墩等)、部件(如梁、橋墩、支座、伸縮縫等)、部位(上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系)及總體(整體結(jié)構(gòu))的技術(shù)狀況評(píng)分. 按其總體評(píng)分橋梁可劃分為一至五類. 管理者將根據(jù)橋梁整體及其構(gòu)件的評(píng)定情況制定區(qū)域橋梁維修管養(yǎng)計(jì)劃.

綜上，對(duì)于區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)中的大量橋梁，應(yīng)利用其長(zhǎng)年運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)期累計(jì)的豐富檢測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)有的評(píng)估方式，考慮區(qū)域環(huán)境氣候變化和交通荷載變化，結(jié)合區(qū)域各單體橋梁的基本屬性等信息，挖掘區(qū)域橋梁技術(shù)狀態(tài)與各屬性之間的相關(guān)性聯(lián)系. 借助區(qū)域內(nèi)布設(shè)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重點(diǎn)橋梁，還可獲取此類橋梁的精細(xì)化時(shí)空狀態(tài)信息，以輔助判斷此類橋梁的技術(shù)狀態(tài). 由此建立的基于多源信息的區(qū)域橋梁技術(shù)狀態(tài)退化模型和評(píng)估體系可以對(duì)區(qū)域橋梁的管養(yǎng)決策形成有效反饋.

1.2 橋梁狀態(tài)綜合評(píng)估

目前，橋梁的綜合評(píng)估主要分為兩種模式[12]. 第1種采用層次分析、模糊數(shù)學(xué)等方法對(duì)橋梁狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，并建立考慮結(jié)構(gòu)安全性、使用性和耐久性的評(píng)估模型. 文獻(xiàn)[13]以系桿拱橋?yàn)楸尘埃趯哟畏治龇ㄖ幸胱儥?quán)理論，提出了由指標(biāo)層、準(zhǔn)則層、目標(biāo)層組成的多級(jí)指標(biāo)體系，完善了系桿拱橋的綜合評(píng)估方法. 文獻(xiàn)[14-15]根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范和實(shí)際需求，分別使用層次分析和模糊理論建立了斜拉橋的綜合評(píng)估模型. 此種模型還可以一定程度上融合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，較適用于大跨度或復(fù)雜橋梁. 然而，不同橋型適用的綜合評(píng)估體系不一，彼此間難以確立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，限制了歷史數(shù)據(jù)和共性數(shù)據(jù)的繼承和轉(zhuǎn)化，不利于在區(qū)域級(jí)路網(wǎng)的普及.

第2種可稱為并行評(píng)估模式，即并行保留基于檢測(cè)和基于監(jiān)測(cè)的評(píng)估體系，使其成為橋梁的兩個(gè)評(píng)判維度. 文獻(xiàn)[16]提出了結(jié)構(gòu)的檢測(cè)性能指標(biāo)(condition index)和監(jiān)測(cè)性能指標(biāo)(safety index)，結(jié)合二者對(duì)橋梁的退化進(jìn)行了評(píng)估. 此模式在延續(xù)現(xiàn)有檢測(cè)評(píng)估制度的同時(shí)利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行了適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充和完善，兼顧了區(qū)域橋梁群和重點(diǎn)橋梁的評(píng)估需求，突出了檢測(cè)信息和監(jiān)測(cè)信息各自的特點(diǎn)，有益于實(shí)現(xiàn)從單體向網(wǎng)級(jí)評(píng)估的拓展.

因此，本文按并行評(píng)估模式開展后續(xù)的橋梁信息集成工作. 當(dāng)區(qū)域內(nèi)重點(diǎn)橋梁安裝有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，同時(shí)保留基于檢測(cè)和基于監(jiān)測(cè)的評(píng)估體系，將單體橋梁的監(jiān)測(cè)評(píng)估作為區(qū)域檢測(cè)評(píng)估的一種補(bǔ)充和完善. 當(dāng)沒有監(jiān)測(cè)信息時(shí)，由于從單橋獲得信息量很少，難以挖掘出特定的退化模式，利用區(qū)域橋梁群的數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)和單體之間必然存在的相關(guān)性，可以從區(qū)域總體層面獲得較穩(wěn)定的退化模式.

2 區(qū)域橋梁群信息集成

區(qū)域內(nèi)海量橋梁狀態(tài)數(shù)據(jù)的集成和處理，是數(shù)據(jù)挖掘和模式識(shí)別的首要步驟. 橋梁群檢測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理的好壞也直接影響橋梁退化模式識(shí)別的精度，本章將從信息集成技術(shù)角度對(duì)海量檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成、分類和清洗，從而建立路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，為后續(xù)模式識(shí)別提供有效的數(shù)據(jù)支撐.

2.1 橋梁群信息集成特征

用于網(wǎng)級(jí)評(píng)估的橋梁群信息來(lái)源與集成有其固有特征：1)多層次分解. 橋梁乃至路網(wǎng)均由多種子結(jié)構(gòu)組成的復(fù)雜體系. 數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)路網(wǎng)按路線—橋梁—構(gòu)件的多層次分解和追溯，保證不同層次間的檢索可行性，為網(wǎng)級(jí)評(píng)估提供數(shù)據(jù)邏輯基礎(chǔ). 2)相互作用. 橋梁各構(gòu)件的退化相互影響，例如，橋面開裂會(huì)加速主梁退化；受損支座亦會(huì)引發(fā)橋面損傷. 因此，數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)提供各構(gòu)件的相互作用，以揭示結(jié)構(gòu)性能與狀態(tài)的變化的內(nèi)在聯(lián)系. 3)通用性與拓展性. 數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)在滿足當(dāng)前分析的條件下，保證其后續(xù)拓展和更新的能力，可適應(yīng)對(duì)新數(shù)據(jù)的補(bǔ)充或新分析方法的融合. 4)時(shí)變數(shù)據(jù)的表達(dá). 常見的橋梁數(shù)據(jù)可分為靜態(tài)數(shù)據(jù)(如跨徑、材料等)，和時(shí)變動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)(如橋齡、交通量等). 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)通常和結(jié)構(gòu)特性變化相關(guān). 因此，數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)支持動(dòng)態(tài)表達(dá)，以揭示數(shù)據(jù)時(shí)空關(guān)系.

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

檢測(cè)信息是承載區(qū)域內(nèi)橋梁數(shù)據(jù)的絕對(duì)主體. 而檢測(cè)報(bào)告是該信息最直接、相對(duì)最完整的歷史資料，通常以技術(shù)狀況評(píng)定表的形式存檔. 典型的評(píng)定表由3部分組成：1)橋梁基本參數(shù)，主要字段有所屬路段、橋位樁號(hào)、橋長(zhǎng)、主跨結(jié)構(gòu)、跨徑組合、建成年月、檢查日期等；2)各組成部位，即上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系及對(duì)應(yīng)的評(píng)級(jí)；3)橋梁總體評(píng)級(jí)和管養(yǎng)情況. 以上數(shù)據(jù)表征了橋梁的結(jié)構(gòu)特征、服役年限、區(qū)位分布、環(huán)境作用、狀態(tài)評(píng)價(jià)等關(guān)鍵信息，對(duì)于把握被測(cè)結(jié)構(gòu)的退化過(guò)程具有重要意義. 監(jiān)測(cè)信息可作為補(bǔ)充，獲取區(qū)域重點(diǎn)橋梁的精細(xì)化時(shí)空狀態(tài)信息.

同時(shí)，交通路網(wǎng)承擔(dān)著通行及運(yùn)載的功能. 從服役期橋梁受力角度來(lái)看，交通荷載也是其最主要的外部作用. 鑒于評(píng)定表中未記錄被測(cè)橋梁所處路段的交通流信息，需引入其他數(shù)據(jù)源. 采集公路沿線各交調(diào)站記錄的路段年平均日交通量數(shù)據(jù)，選取機(jī)動(dòng)車自然當(dāng)量，用于表征被測(cè)橋梁的交通流平均效應(yīng)；或可結(jié)合動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)或視頻監(jiān)測(cè)，獲取主干道車流信息. 特別地，車輛分類統(tǒng)計(jì)中，重型車輛的數(shù)量和比例對(duì)結(jié)構(gòu)的影響更為明顯，需額外關(guān)注.

此外，橋梁的設(shè)計(jì)施工圖紙可補(bǔ)充和校核數(shù)據(jù)庫(kù)中橋梁的基本信息，如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)、公路等級(jí)、車道數(shù)量等.

2.3 多源數(shù)據(jù)邏輯表達(dá)

對(duì)于上述集成的多源數(shù)據(jù)，應(yīng)采用“屬性”的形式進(jìn)行存儲(chǔ)和表達(dá). 屬性由屬性名和屬性值組成，前者指定某個(gè)具體特征，后者為該特征的相關(guān)數(shù)據(jù). 不同屬性可能有不同的數(shù)據(jù)格式，例如數(shù)值型、序數(shù)型、標(biāo)稱型等. 其中，數(shù)值型最為直觀，可進(jìn)行定量比較. 其他格式均是定性表達(dá)，序數(shù)型雖同樣具有比較意義，但相繼值之間的差卻難以明確量化；標(biāo)稱型，即與名稱相關(guān)的屬性，僅用于表征類別. 針對(duì)路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，典型屬性及其格式定義如下：

1)地區(qū)、路線編碼、橋梁編碼、構(gòu)件編碼、橋梁樁號(hào)，均為標(biāo)稱型屬性，表示橋梁對(duì)象的空間分布. 地區(qū)宜根據(jù)路網(wǎng)的具體情況，結(jié)合地理位置、溫濕度分布等進(jìn)行劃分.

2)建成年月、檢查日期、橋齡，均為數(shù)值型屬性，表示橋梁的時(shí)間信息. 橋齡由檢測(cè)日期和建成年月相減導(dǎo)出.

3)橋型、橋長(zhǎng)、最大跨徑、截面尺寸、配筋率，其中橋型為標(biāo)稱型屬性，其他均為數(shù)值型，表示橋梁對(duì)象的結(jié)構(gòu)特征.

4)年平均日交通量(ADT)、年平均日重車量(ADTT)，均為數(shù)值型屬性，表示橋梁承載交通流情況. 前者采用機(jī)動(dòng)車合計(jì)自然數(shù)，后者采用大型貨車、大客車的數(shù)量之和.

5)公路等級(jí)、設(shè)計(jì)荷載、路基寬度、車道數(shù)，其中公路等級(jí)和設(shè)計(jì)荷載為序數(shù)屬性，其他均為數(shù)值型屬性，表示橋梁的通行能力.

6)總體評(píng)分、總體評(píng)級(jí)、上部評(píng)級(jí)、下部評(píng)級(jí)、橋面評(píng)級(jí)等各部件技術(shù)狀況等級(jí)中，總體評(píng)分為數(shù)值型屬性，其他均為序數(shù)型，表示橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài).

其中，大部分屬性為靜態(tài)的，但檢測(cè)日期、橋齡、ADT、ADTT，結(jié)構(gòu)評(píng)級(jí)、評(píng)分等為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù). 這些動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)是與時(shí)間跨度等維的鍵值對(duì)，每個(gè)鍵代表對(duì)應(yīng)的時(shí)間坐標(biāo)，鍵值為該坐標(biāo)下的屬性取值，且需按各自格式存儲(chǔ). 如對(duì)于“建成年份=2015”的橋梁，有“橋齡={2016: 1, 2017: 2}”及“總體評(píng)分={2016:99, 2017:98}”.

2.4 數(shù)據(jù)集成與清洗

區(qū)域內(nèi)不同層次信息的具體組織形式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)各有特點(diǎn). 參考面向?qū)ο蟮某绦蛩枷耄搿邦悺迸c“實(shí)例”的概念，類是對(duì)具體事物的抽象，表達(dá)一種特定概念. 在區(qū)域級(jí)的橋梁路網(wǎng)中，類涉及3種級(jí)別，分別為構(gòu)件類、橋梁類和路線類. 不同級(jí)別之間存在隸屬關(guān)系，如：路線類包含橋梁類，橋梁類包含眾多構(gòu)件類. 各類之間可通過(guò)類名區(qū)分，如“主梁”類和“支座”類，其存儲(chǔ)不同信息. 前文定義的屬性按其適用對(duì)象和范圍在上述類中有序集成，得到各構(gòu)件、橋梁、路線對(duì)應(yīng)的模板. 相應(yīng)地，實(shí)例是事物在數(shù)據(jù)庫(kù)中的載體，可根據(jù)類指定的模板創(chuàng)建路網(wǎng)中存在的實(shí)例，即構(gòu)件實(shí)例、橋梁實(shí)例及路線實(shí)例，并按實(shí)體的特征和性質(zhì)填充屬性數(shù)據(jù). 例如，橋A與橋B均基于“梁橋”類別創(chuàng)建，但兩者是相互獨(dú)立的橋梁實(shí)例，前者橋長(zhǎng)屬性值為15 m，后者為30 m. 圖1對(duì)上述數(shù)據(jù)集成規(guī)則進(jìn)行了總結(jié).

圖1 數(shù)據(jù)集成規(guī)則和結(jié)構(gòu)

然而，集成的結(jié)果不能直接用于后續(xù)分析和處理，主要是由各數(shù)據(jù)源的原始數(shù)據(jù)質(zhì)量差異導(dǎo)致，具體為：1)紙質(zhì)資料，保存時(shí)間有限，存在丟失、污損等現(xiàn)象，影響數(shù)據(jù)的連續(xù)性和準(zhǔn)確性；2)電子資料，受制于管理水平和執(zhí)行，導(dǎo)致格式、標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一；3)資料錄入時(shí)難免出錯(cuò)，易存在信息缺失或不一致的問(wèn)題. 因此，有必要對(duì)集成數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，以便消除噪點(diǎn)便于后期模式識(shí)別. 例如，利用不同數(shù)據(jù)源中的同一信息進(jìn)行交叉驗(yàn)證；或校正數(shù)據(jù)隨時(shí)間推移的動(dòng)、靜態(tài)數(shù)據(jù)的異常變化. 常用的清洗操作有刪除法、均值填充法、眾數(shù)填充法等，需視具體情況而定. 完整的路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)流程如圖2所示.

圖2 路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)流程圖

有些時(shí)候，用戶需導(dǎo)出指定年份下區(qū)域橋梁路網(wǎng)數(shù)據(jù)，以便進(jìn)一步考察其特征. 為此，定義數(shù)據(jù)庫(kù)的“切片”操作，即對(duì)各實(shí)例的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)按給定的時(shí)間坐標(biāo)進(jìn)行截取，而靜態(tài)數(shù)據(jù)保留，導(dǎo)出的結(jié)果即為數(shù)據(jù)庫(kù)在該年的切片. 對(duì)某路網(wǎng)按2018年切片后可生成表1的數(shù)據(jù).

表1 某橋梁路網(wǎng)導(dǎo)出數(shù)據(jù)示例

3 區(qū)域橋梁數(shù)據(jù)挖掘及應(yīng)用

本文收集了河北省內(nèi)若干主線高速公路2011—2018年的6 707座橋梁的檢測(cè)報(bào)告、設(shè)計(jì)圖紙、維修記錄等，經(jīng)清洗和集成，形成路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)案例. 選取數(shù)據(jù)庫(kù)中典型字段，采用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，以評(píng)估區(qū)域橋梁特征，并從中提煉區(qū)域橋梁群的共性和退化模式，為網(wǎng)級(jí)評(píng)估工作提供指導(dǎo).

3.1 路網(wǎng)變量特征

河北省地處華北平原，是中國(guó)唯一兼有高原、山地、丘陵、平原、湖泊和海濱的省份. 考慮到該省空間跨度大且地貌復(fù)雜，按其氣候特征進(jìn)一步劃分子區(qū)域. 參考2010年氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)[17]，如圖3所示. 全省年平均氣溫呈現(xiàn)南高北低的分布特點(diǎn)；而年降雨量分布表現(xiàn)為東南多西北少的特點(diǎn). 據(jù)此，將河北省劃分為3個(gè)地區(qū)，如圖4所示. 各區(qū)域內(nèi)的公路及橋梁數(shù)量參見表2.

(a)年平均溫度

(b)年降水量

根據(jù)圖4及表2可知，不同區(qū)域的橋梁分布在時(shí)空上并不均勻. 主要原因?yàn)楹颖笔〉匦蔚孛驳膹?fù)雜性，以及有限的數(shù)據(jù)源. 其中，區(qū)域3內(nèi)交通路網(wǎng)最為密集，有效記錄最完備，時(shí)間區(qū)間也最完整，單一年份數(shù)據(jù)最多可達(dá)2 086條. 對(duì)于區(qū)域1和區(qū)域2，則在時(shí)間連續(xù)性上稍有欠缺. 同時(shí)，這兩區(qū)域的記錄數(shù)量也比區(qū)域3少. 但是，上述數(shù)據(jù)分布特征并不會(huì)對(duì)本節(jié)的分析和研究造成顯著影響.

圖4 基于氣候特征的河北省子區(qū)域劃分

表2 路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)案例概覽

圖5為區(qū)域橋梁群建成年份統(tǒng)計(jì)，可看出2014年為集中建設(shè)的分水嶺，2014年以前為省內(nèi)高速公路集中建設(shè)期，之后新增橋梁速度開始減緩，表明主干路網(wǎng)逐漸進(jìn)入運(yùn)營(yíng)和維護(hù)階段. 各地區(qū)橋型構(gòu)成見表3. 板梁橋在路網(wǎng)中占絕對(duì)主體地位，各區(qū)域占比均明顯超過(guò)60%；箱梁橋其次，占比在20%左右；T梁橋再次；僅區(qū)域1的T梁橋數(shù)目明顯增加，且超過(guò)同區(qū)的箱梁橋數(shù). 而其他形式橋型(多為拱式橋、剛構(gòu)橋)，在各地區(qū)所占比例極小.

圖5 區(qū)域橋梁群建成年份統(tǒng)計(jì)

表3 區(qū)域橋梁群橋型比例

區(qū)域內(nèi)橋長(zhǎng)分布參見表4. 鑒于近97%的橋長(zhǎng)(L)都處于[0 m,500 m]，在此僅對(duì)該區(qū)間中的橋梁進(jìn)行展示. 各區(qū)域內(nèi)超過(guò)半數(shù)的橋梁橋長(zhǎng)均位于[0 m,30 m]；而隨橋長(zhǎng)的增加，對(duì)應(yīng)區(qū)間的橋梁數(shù)量銳減. 結(jié)合表5所示的橋梁最大跨徑分布，可見98%以上的橋梁結(jié)構(gòu)的最大跨徑(l)都在50 m以下，并顯著集中在[5 m,15 m]，這更有力地說(shuō)明了中小跨徑橋梁在河北省干線路網(wǎng)內(nèi)的廣泛分布，考慮到各橋型的適用跨徑，此結(jié)論亦與表4的分析結(jié)果相符.

表4 區(qū)域橋梁群橋長(zhǎng)分布比例

表5 區(qū)域橋梁群最大跨徑分布比例

3.2 時(shí)空分布特征及演變規(guī)律

以2015年的數(shù)據(jù)記錄切片為例，研究橋梁總體評(píng)分在區(qū)域內(nèi)的分布規(guī)律，如圖6所示. 根據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[11]，評(píng)分高于95為一類橋，未達(dá)到95但高于80的為二類橋，再次之的分別為三、四、五類橋. 在案例主線路網(wǎng)橋梁的2 947條記錄中，未出現(xiàn)評(píng)分低于80的橋梁，即結(jié)構(gòu)保持完好或輕微缺損，屬一、二類橋，不存在損傷較大的三至五類橋. 這一現(xiàn)象歸因于道路管理的要求和長(zhǎng)年維修養(yǎng)護(hù)的成果. 結(jié)合4條密度曲線，雖然區(qū)域1內(nèi)樣本數(shù)量相對(duì)較少，其密度曲線波動(dòng)略大，但整體趨勢(shì)仍與其他地區(qū)及總體吻合；各區(qū)域統(tǒng)計(jì)結(jié)果均表現(xiàn)為右偏分布，即向高評(píng)分區(qū)集中，可見目前全省干線路網(wǎng)橋梁尚處于較健康狀態(tài)；但對(duì)評(píng)分低的少數(shù)樣本，考慮到其正在或即將退化為三類橋梁，仍具有不可忽視的重要性.

進(jìn)一步考察橋梁各部件評(píng)級(jí)，如圖7所示，則可得到相似結(jié)論，即大多數(shù)上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和橋面系保持在一類、二類狀態(tài)，僅有少數(shù)劣化為三類，而四類、五類部件沒有出現(xiàn). 特別地，橋面系相比上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)，其退化程度較為顯著，主要原因?yàn)闃蛎嫦抵苯映惺苘囕喿饔茫冶┞对诓焕h(huán)境影響下的可能性更大，故破損速度更快，評(píng)級(jí)略低.

圖7 2015年區(qū)域橋梁群部件技術(shù)狀況評(píng)級(jí)

本文采用均值擬合方法得到了區(qū)域橋梁總體技術(shù)狀態(tài)的時(shí)變函數(shù). 圖8(a)為各地區(qū)內(nèi)的橋梁總體評(píng)分均值與橋齡的線性擬合結(jié)果，橫軸(x)為橋齡，縱軸(y)為總體或部件技術(shù)狀況評(píng)分. 其中，區(qū)域2的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)與理論直線吻合得很好；區(qū)域3中存在部分點(diǎn)離群現(xiàn)象，主要集中于橋齡在12 a以上的橋梁. 這類橋梁的評(píng)分均值呈上偏趨勢(shì)，原因?yàn)檫\(yùn)營(yíng)期中接受了橋梁維護(hù)與修繕. 若從原始數(shù)據(jù)中刪去此類離群點(diǎn)，則亦可獲取區(qū)域擬合直線. 對(duì)比不同區(qū)域的擬合結(jié)果，區(qū)域2和區(qū)域3高度接近，幾乎平行；而區(qū)域1的總體趨勢(shì)相對(duì)前兩者有較大偏離，表現(xiàn)為初始評(píng)分稍低，退化速率較慢. 若在全區(qū)域范圍內(nèi)統(tǒng)一進(jìn)行研究，則全區(qū)域退化直線位于圖8(a)的3條直線之間，如圖8(b)所示，但離群點(diǎn)仍然存在.

(a)各區(qū)域

(b)全區(qū)域

類似地，可以獲取上部評(píng)級(jí)、下部評(píng)級(jí)、橋面評(píng)級(jí)時(shí)的變信息量化挖掘，如圖9所示. 雖然部件評(píng)級(jí)為離散分布形式，但轉(zhuǎn)化為連續(xù)變量擬合仍可顯示出各類部件的趨勢(shì)變化. 對(duì)于上部結(jié)構(gòu)，各地區(qū)內(nèi)的退化模式較為接近；下部結(jié)構(gòu)則有所地區(qū)差異，區(qū)域3的退化速率最快，區(qū)域1的最慢；橋面系的地區(qū)差異介于前兩者之間. 從全省范圍來(lái)看，橋面系最容易發(fā)生損傷和劣化，而上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律相對(duì)接近. 表6對(duì)橋梁總體及其各部位的擬合結(jié)果進(jìn)行了總結(jié).

(a)橋齡-上部結(jié)構(gòu)評(píng)分線性擬合(分區(qū)域) (b)橋齡-下部結(jié)構(gòu)評(píng)分線性擬合(分區(qū)域) (c)橋齡-橋面評(píng)分線性擬合(分區(qū)域)

(d)橋齡-上部結(jié)構(gòu)評(píng)分線性擬合(總區(qū)域) (e)橋齡-下部結(jié)構(gòu)評(píng)分線性擬合(總區(qū)域) (f)橋齡-橋面評(píng)分線性擬合(總區(qū)域)

表6 擬合結(jié)果匯總

3.3 變量組合相關(guān)性分析

上一小節(jié)中，本文對(duì)區(qū)域橋梁群整體結(jié)構(gòu)及其部件技術(shù)狀況的時(shí)空分布特性和規(guī)律進(jìn)行了初步的探索，得到了相應(yīng)評(píng)分或評(píng)級(jí)在平均意義上關(guān)于橋齡的回歸方程. 然而，表6僅適用于對(duì)指定橋梁路網(wǎng)的總體狀態(tài)及退化趨勢(shì)進(jìn)行宏觀評(píng)價(jià)；且隨著橋齡的增加，總體評(píng)分和部位評(píng)級(jí)的實(shí)測(cè)值開始出現(xiàn)明顯的偏離. 此外，按區(qū)域和按全省的分析結(jié)果亦略有出入，后者更為廣泛和粗略，而前者在表征路網(wǎng)狀況和特征時(shí)更具有針對(duì)性. 有理由認(rèn)為，若設(shè)定多個(gè)分類或約束條件，將原始數(shù)據(jù)劃分為不同的獨(dú)立子集，例如[地區(qū)：區(qū)域1；橋長(zhǎng)：0～20 m；主跨結(jié)構(gòu)：空心板]、[地區(qū)：區(qū)域2；橋長(zhǎng)：20～40 m；主跨結(jié)構(gòu)：箱梁]等，則可對(duì)該子集中的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)更精確的建模. 事實(shí)上，上述過(guò)程存在一個(gè)隱式的假定，即路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的不同屬性對(duì)評(píng)分(評(píng)級(jí))的變化具有獨(dú)特的貢獻(xiàn). 更一般地，考慮地區(qū)、ADT、ADTT、橋齡、橋長(zhǎng)、主跨結(jié)構(gòu)、最大跨徑、上部評(píng)級(jí)、下部評(píng)級(jí)、橋面評(píng)級(jí)、總體評(píng)分組成的變量集合，依次對(duì)集合內(nèi)變量進(jìn)行兩兩組合并計(jì)算其相關(guān)性，生成Pearson相關(guān)系數(shù)矩陣，見表7.

相關(guān)性系數(shù)絕對(duì)值越大，表明對(duì)應(yīng)的變量對(duì)相關(guān)性越強(qiáng)[18]. 表7中顯示，大部分系數(shù)絕對(duì)值均處于0.3以下. 對(duì)于總體評(píng)分，與之相關(guān)程度最高的依次為下部評(píng)級(jí)、上部評(píng)級(jí)及橋面評(píng)級(jí)，顯然，這與橋梁檢測(cè)評(píng)定中采用的加權(quán)評(píng)估方法是相符的；其次為ADT，系數(shù)值為-0.237，即隨著ADT的增加會(huì)引起總體評(píng)分的降低. 并且，橋面評(píng)級(jí)受ADT的作用更為顯著，系數(shù)值接近-0.3，這與橋面直接受到車輛荷載作用是相符的. 此外，跨徑、橋型、橋長(zhǎng)亦對(duì)橋面評(píng)級(jí)存在一定的影響，上部評(píng)級(jí)、下部評(píng)級(jí)與之類似. 特別地，對(duì)于下部評(píng)級(jí)，橋長(zhǎng)這一因素可以忽略不計(jì). 若比對(duì)各組成部位間的相關(guān)性，則以[上部評(píng)級(jí)，橋面評(píng)級(jí)]較為明顯. 對(duì)于其他變量，亦存在若干相關(guān)性較強(qiáng)的變量對(duì)，例如[ADT，ADTT]、[橋長(zhǎng)，跨徑]等，也均符合變量間的固有聯(lián)系.

表7 Pearson相關(guān)系數(shù)匯總

綜上，相關(guān)性分析揭示了各變量與部件及總體技術(shù)狀況間的依存關(guān)系，也反應(yīng)了路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)在模式和規(guī)律. 但大部分系數(shù)的絕對(duì)值均處于低水平，即弱相關(guān)關(guān)系，原因有二：1)相關(guān)性的表達(dá)受到了噪聲的明顯抑制；2)Pearson系數(shù)的本質(zhì)在于線性關(guān)系的識(shí)別和量化，變量間的非線性相關(guān)會(huì)導(dǎo)致較低的Pearson值.

4 結(jié) 論

1)針對(duì)橋梁網(wǎng)級(jí)評(píng)估，研究了多源信息集成的系統(tǒng)方法，對(duì)多關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)性分析和挖掘，探求路網(wǎng)內(nèi)橋梁群的共性特征和退化規(guī)律，建立了適用的網(wǎng)級(jí)評(píng)估理論.

2)提出了針對(duì)網(wǎng)級(jí)評(píng)估的多源信息集成的系統(tǒng)方法，將描述路網(wǎng)特征的檢測(cè)信息、監(jiān)測(cè)信息、交通量觀測(cè)、設(shè)計(jì)施工圖紙等多源數(shù)據(jù)以“路線—橋梁—構(gòu)件”的邏輯形式整合構(gòu)建路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，突破了眾多單體橋梁之間的管理壁壘，發(fā)揮了海量數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值. .

3)通過(guò)對(duì)河北省主干路網(wǎng)部分橋齡的統(tǒng)計(jì)分析，揭示了橋梁總體和部件技術(shù)狀況在區(qū)域?qū)用娴膬?nèi)在規(guī)律. 由于得到的總區(qū)域和分區(qū)域的退化模型，依環(huán)境和交通狀況等地區(qū)特征差別呈現(xiàn)合理的相關(guān)性和退化趨勢(shì)，分析中創(chuàng)新性地考慮了橋梁維護(hù)與修繕對(duì)評(píng)分的影響.

4)相關(guān)性分析量化了路網(wǎng)特征變量對(duì)總體和部件技術(shù)狀況的影響. 交通量、橋齡與橋梁總體評(píng)分以及橋面系評(píng)分的相關(guān)性較大，橋長(zhǎng)對(duì)上部結(jié)構(gòu)，及橋型/跨徑對(duì)下部結(jié)構(gòu)/橋面系影響較大，該方法有助于橋梁管養(yǎng)者制定針對(duì)不同部件的目標(biāo)橋梁維修策略，未來(lái)可借助更強(qiáng)的非線性數(shù)據(jù)分析方法，進(jìn)一步加深對(duì)橋梁路網(wǎng)的認(rèn)知.