張家莊大橋運(yùn)維成本可視化智能估算與控制方法研究

劉路海 喇海霞 王 凱 胡天明 段曉晨

（1.石家莊市交建高速公路建設(shè)管理有限公司西阜分公司 河北石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 河北石家莊 050043）

1 引言

張家莊大橋地處靈壽縣山區(qū)，全長928.5 m，寬度24.5 m，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km，采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)。大橋地理環(huán)境復(fù)雜、車流流量大，不確定運(yùn)維成本影響因素多，是西阜高速石家莊段運(yùn)維重點(diǎn)工程。為有效控制運(yùn)維成本，本文在收集以往類似工程運(yùn)維成本相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，針對(duì)其隨機(jī)、復(fù)雜、多時(shí)空、非線性等演變機(jī)理和趨勢規(guī)律，運(yùn)用PSO聚類分析模型篩選出與目標(biāo)工程近似度較高的歷史案例，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)目標(biāo)工程運(yùn)維成本進(jìn)行預(yù)測；運(yùn)用PDCA、海恩法則等相關(guān)方法優(yōu)化橋梁工程運(yùn)維成本管理，并構(gòu)建了基于BIM技術(shù)的橋梁工程運(yùn)維成本可視化管理平臺(tái)，輔助張家莊大橋運(yùn)維成本管理，實(shí)時(shí)為管理者提供有效的決策依據(jù)和建議。

近年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)橋梁工程運(yùn)營維護(hù)階段的成本控制進(jìn)行深入研究，并取得了一定成果。白佳敏、徐曉偉等運(yùn)用因子分析、粗糙集、PSO等理論對(duì)橋梁工程運(yùn)維成本的影響因素進(jìn)行建模分析[1－2]。Xing-An HU，Zhou S X 等運(yùn)用模糊聚類、灰色關(guān)聯(lián)分析等方法對(duì)公路橋梁工程建立運(yùn)維成本預(yù)測模型[3]。王孟鈞、趙娜等[4]運(yùn)用扎根理論的質(zhì)化研究法，深入研究了地鐵工程成本形成機(jī)理，并指出地鐵成本管控的重要影響因素。胡振中、張建平等[5－6]構(gòu)建了基于BIM技術(shù)的橋梁、地鐵工程運(yùn)維管理平臺(tái)，運(yùn)用到橋梁、地鐵工程全生命周期造價(jià)管理中。但將BIM、PSO、BPNN等方法集成應(yīng)用，BPNN智能識(shí)別和三維可視化展現(xiàn)運(yùn)維成本演變機(jī)理方面，查無文獻(xiàn)報(bào)道。

2 PSO、BPNN智能識(shí)別張家莊大橋運(yùn)維成本源

2．1 收集整理數(shù)據(jù)，建立原始數(shù)據(jù)庫

（1）原始數(shù)據(jù)庫架構(gòu)。張家莊大橋運(yùn)維成本構(gòu)成和范圍比較復(fù)雜，從部位分析主要有支座、伸縮縫、橋面系、橋臺(tái)跳車、梁體、墩臺(tái)基礎(chǔ)、墩臺(tái)、坍塌等損壞修復(fù)和防治費(fèi)用；從時(shí)間上劃分可分為日、周、季、年及小、中、大修周期等費(fèi)用；從開支內(nèi)容主要可分為小修保養(yǎng)、中修、大修等。為此，在通過田野調(diào)查、查閱文獻(xiàn)、網(wǎng)搜等方式，廣泛搜集國內(nèi)外類似張家莊大橋的運(yùn)維成本管理案例基礎(chǔ)上，初步按年度、地區(qū)及部位架構(gòu)類似工程運(yùn)維成本原始數(shù)據(jù)庫進(jìn)行歸納，主要包括工程名稱、通車時(shí)間、病害類型及程度、小修保養(yǎng)費(fèi)及中、大修成本與周期、節(jié)超情況、問題原因、對(duì)策等原始數(shù)據(jù)信息。

（2）數(shù)據(jù)清理。按照分箱、離群點(diǎn)等方法，消除異常、冗余、無效的噪聲數(shù)據(jù)。

（3）消除成本時(shí)間影響因素。根據(jù)相應(yīng)公式[7]統(tǒng)一調(diào)整為2018年價(jià)格水平，將每一個(gè)類似工程數(shù)據(jù)匯總整理。

（4）消除成本區(qū)域影響因素。按相應(yīng)公式[7]調(diào)整為石家莊地區(qū)價(jià)格水平。

（5）構(gòu)建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。通過以上方法按部位構(gòu)建52個(gè)案例基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，表1為橋面系小修保養(yǎng)費(fèi)示例（中大修相同）。

表1 橋面系運(yùn)維成本基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建示例

2．2 基于PSO的類似工程案例選取

通過PSO聚類分析，可以較精確地提取與目標(biāo)工程特征相似度較高的案例，以提高工作效率，克服單純BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行速度慢、易出現(xiàn)局部最優(yōu)解的缺點(diǎn)。

（1）張家莊大橋各部位運(yùn)維成本主要影響因素分析及量化賦值

根據(jù)張家莊大橋各部位運(yùn)維成本消耗特點(diǎn)及工程特征，運(yùn)用WBS（Work Breakdown Structure）法、專家咨詢法對(duì)各部位主要運(yùn)維成本發(fā)生源頭進(jìn)行分析，確定各部位主要影響因素，并進(jìn)行量化賦值，見表2。

表2 高速公路橋梁橋面系工程特征類目量化

（2）對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中各類似工程案例和張家莊大橋工程特征進(jìn)行量化賦值

按表2對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫類似工程特征進(jìn)行量化賦值，因篇幅所限對(duì)賦值過程不再贅述。張家莊大橋各工程特征量化賦值依次為 4、4、4、4、3、2、5、2。

（3）PSO聚類分析與樣本數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

運(yùn)用MATLAB工具進(jìn)行PSO聚類分析，界面如圖1所示，運(yùn)行結(jié)果如圖2所示。最終選取相似度最高的一組案例（共25個(gè)）作為張家莊大橋橋面系樣本案例數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行BPNN模型預(yù)測。同理可構(gòu)建伸縮縫、橋臺(tái)、基礎(chǔ)等其他部位樣本案例數(shù)據(jù)庫。

圖1 PSO聚類分析界面

圖2 PSO聚類結(jié)果

2．3 BPNN智能預(yù)測張家莊大橋運(yùn)營維護(hù)成本

2．3．1 構(gòu)建張家莊大橋運(yùn)維成本目標(biāo)體系

根據(jù)石家莊交建高速公路建設(shè)管理有限公司成本控制要求，按部位（橋面系、支座、伸縮縫、橋臺(tái)、梁體、墩臺(tái)基礎(chǔ)等）根據(jù)小修保養(yǎng)、中修及大修成本與周期、可能的超支幅度等消耗指標(biāo)構(gòu)建張家莊大橋運(yùn)維成本目標(biāo)體系。

2．3．2 張家莊大橋運(yùn)維成本目標(biāo)預(yù)測和確定

在各部位樣本案例數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，預(yù)測確定張家莊大橋各部位運(yùn)維成本目標(biāo)。本文以張家莊大橋橋面系小修保養(yǎng)費(fèi)用和小修周期為例說明預(yù)測過程。

（1）構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

本文構(gòu)建3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[8－9]：輸入指標(biāo)設(shè)置為8個(gè)；以柯爾莫哥洛夫定理為依據(jù)，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)取2 m ＋1 ＝2 ×8 ＋1 ＝17，依次用 I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7、I8表示橋梁長度、橋梁寬度、地質(zhì)水文、通車年限、日交通量、氣候條件、橋梁養(yǎng)護(hù)類型、運(yùn)維管理水平；用O1表示年小修保養(yǎng)費(fèi)用，用O2表示保養(yǎng)周期。本文將1～23組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本、24～25組數(shù)據(jù)作為測試樣本。25組數(shù)據(jù)量化見表3。

（2）訓(xùn)練與測試網(wǎng)絡(luò)

輸入代碼，運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)前23個(gè)案例數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，網(wǎng)絡(luò)最大迭代次數(shù)設(shè)為5 000次。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程如圖3所示，誤差達(dá)到預(yù)測精度要求；用最后兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，其輸出值與實(shí)際值相對(duì)誤差為3.10%（≤±5%），滿足精度要求，因而可用于張家莊大橋運(yùn)維成本預(yù)測。

圖3 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練收斂過程

（3）預(yù)測張家莊大橋小修保養(yǎng)費(fèi)及周期

通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測，張家莊大橋小修保養(yǎng)費(fèi)為0.068萬元／（100 m·月）?？紤]張家莊大橋剛開始運(yùn)行，需處理的施工遺留問題較多，確定其目標(biāo)控制成本為0.08萬元／（100 m·月）；小修周期為1.006 9個(gè)月，取1個(gè)月。

同理可預(yù)測確定小修保養(yǎng)成本可能的超支為2.85%；中修目標(biāo)成本為0.749萬元／（100 m·年），周期4年，可能超支0.81%；大修目標(biāo)成本1.235萬元／（100 m·年），周期7年，可能超支0.3%。

2．4 構(gòu)建張家莊大橋運(yùn)營維護(hù)成本問題原因?qū)Σ邘旌皖A(yù)警體系

（1）對(duì)張家莊大橋各部位樣本案例數(shù)據(jù)庫問題原因?qū)Σ哌M(jìn)行匯總整理，構(gòu)建張家莊大橋各部位運(yùn)維成本問題原因?qū)Σ邘?，因?shù)據(jù)信息量較大，在此不作展示。

（2）按照成本超支比例大小構(gòu)建預(yù)警體系

當(dāng)0＜成本超支率≤3%時(shí)，預(yù)警等級(jí)設(shè)為Ⅳ級(jí)；當(dāng)3%＜成本超支率≤5%，預(yù)警等級(jí)設(shè)為Ⅲ級(jí)；當(dāng)5% ＜成本超支率≤10%，預(yù)警等級(jí)設(shè)為Ⅱ級(jí)；當(dāng)成本超支率＞10%，預(yù)警等級(jí)設(shè)為Ⅰ級(jí)。各預(yù)警級(jí)別響應(yīng)機(jī)制不再贅述。

3 PDCA動(dòng)態(tài)控制張家莊大橋運(yùn)維成本

根據(jù)以上各部位確定的運(yùn)維預(yù)算成本目標(biāo)，在運(yùn)維過程中，按周期進(jìn)行實(shí)際成本統(tǒng)計(jì)，計(jì)算成本超支情況，運(yùn)用PDCA進(jìn)行成本偏差原因分析及對(duì)策制定，以消除偏差[10]。

（1）PDCA 控制周期

張家莊大橋2019年1月開始正式通車，根據(jù)張家莊大橋工程特征和成本消耗特征，確定張家莊大橋成本控制周期為一個(gè)月。

（2）運(yùn)維成本統(tǒng)計(jì)

結(jié)合控制周期，對(duì)張家莊大橋運(yùn)維成本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。因張家莊大橋剛開始運(yùn)營，前期主要涉及小修保養(yǎng)實(shí)際費(fèi)用統(tǒng)計(jì)分析。運(yùn)維過程中，對(duì)每月產(chǎn)生的小修保養(yǎng)實(shí)際費(fèi)用進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，2019年3月份小修保養(yǎng)費(fèi)用統(tǒng)計(jì)示例見表4。

表4 張家莊大橋3月份小修保養(yǎng)費(fèi)用統(tǒng)計(jì) 萬元

由表4可知：3月份超支4%，達(dá)到三級(jí)預(yù)警值，需要一線人員直接上報(bào)建管公司成本部門處理，結(jié)合已構(gòu)建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫信息，找出超支原因與相應(yīng)對(duì)策，并在4月份運(yùn)維管理過程中執(zhí)行該對(duì)策。

大橋運(yùn)行一年后，實(shí)際年小修保養(yǎng)費(fèi)5.4萬元，而2019年小修保養(yǎng)計(jì)劃費(fèi)用為5.8萬元，略有節(jié)約，張家莊大橋運(yùn)維成本控制取得了較好效果。

4 基于BIM的三維運(yùn)維成本輔助管理平臺(tái)

（1）開發(fā)張家莊大橋運(yùn)維成本三維智能控制軟件系統(tǒng)

架構(gòu)開發(fā)運(yùn)維成本三維智能控制軟件系統(tǒng)[11－12]，系統(tǒng)主要包括五大功能模塊：用戶信息管理模塊、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫管理模塊、運(yùn)維成本管理模塊、運(yùn)維可視化管理模塊、運(yùn)維成本預(yù)測模塊，其中運(yùn)維成本預(yù)測模塊還在開發(fā)建設(shè)中。軟件系統(tǒng)登錄界面如圖4所示。

（2）成本目標(biāo)、控制情況、原因?qū)Σ叩戎悄懿樵?/h3>

該系統(tǒng)開發(fā)采用 IDEA，集成環(huán)境，前臺(tái)使用Bootstrap框架，后臺(tái)基于Java語言開發(fā)。圖5為2019年3月份橋梁運(yùn)維成本三維動(dòng)態(tài)查詢界面。通過該系統(tǒng)，只要輸入張家莊大橋工程特征值和時(shí)間、部位，即可對(duì)張家莊大橋運(yùn)維成本目標(biāo)、成本控制偏差、預(yù)警、原因?qū)Σ叩冗M(jìn)行實(shí)時(shí)查詢，同時(shí)可按周期對(duì)張家莊大橋運(yùn)維成本控制情況進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并提供相關(guān)對(duì)策建議。

圖5 張家莊大橋3月份運(yùn)維成本查詢統(tǒng)計(jì)信息

5 結(jié)束語

本文結(jié)合張家莊大橋工程特點(diǎn)，進(jìn)行運(yùn)維成本智能控制研究，主要有以下研究結(jié)論：

（1）在收集已完成類似工程安全數(shù)據(jù)資料基礎(chǔ)上，運(yùn)用基于PSO的BPNN人工智能方法，建立張家莊大橋運(yùn)維成本估算模型，該模型通過輸入目標(biāo)工程的特征值可準(zhǔn)確預(yù)測出目標(biāo)工程的運(yùn)維成本。

（2）運(yùn)用PDCA動(dòng)態(tài)管理理論與方法，加強(qiáng)橋梁運(yùn)維成本的動(dòng)態(tài)管理，發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)糾偏。

（3）構(gòu)建基于BIM的張家莊大橋運(yùn)維成本輔助管理平臺(tái)，全過程可視化控制，提高了張家莊大橋運(yùn)維管理的及時(shí)性和高效性。