基于信息融合技術的公路橋梁檢測評價方法研究

馮志強 楊蕓 程坤

摘 要：近年來，我國公路橋梁建設取得了很大的成就，大部分的橋梁已進入運營與養護階段。通過分析公路橋梁檢測過程中存在的問題，利用多源信息融合的技術將養護管理中的經常性檢查、定期檢查、特殊檢查或巡查信息進行融合，為運營管理單位提供科學的養護決策，有助于公路橋梁管養水平的提升。

關鍵詞：信息融合;公路橋梁;檢測;評價

中圖分類號：U446 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）7-0095-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.07.022

Abstract： Great achievements have been made in the construction of highway bridges in my country， and many bridges have entered the stage of operation and maintenance. By analyzing the problems existing in the inspection process of highways and bridges， the technology of multi-source information fusion is used to integrate the information of regular inspections， regular inspections， special inspections or inspections in the maintenance management， so as to provide scientific maintenance decisions for the operation and maintenance units. Contribute to the improvement of highway bridge management level.

Keywords： information fusion; highway bridge; detection; evaluation

0 引言

公路橋梁為交通運輸業的飛速發展做出了巨大貢獻，橋梁的技術狀況或承載能力檢測是公路管養單位的重要工作。橋梁檢測的目的在于評價橋梁狀況，最終為制定橋梁養護對策提供依據和支持。在工程實踐中，常見的橋梁檢查有日常經常性檢查、定期檢查和特殊檢查，必要時安排特殊的巡查，通過這些檢查可以及時發現橋梁在使用過程中出現的病害，并能跟蹤橋梁病害的發展趨勢[1]。但檢查信息和監護建議多是孤立的存在：檢測單位提交檢測報告和養護建議，將每座橋梁的檢測信息錄入系統;管養單位想要進行科學決策還需要翻閱資料，不能有效對比管養路段全線橋梁，難以對全線采取綜合的管養措施。有些管養單位建立了綜合的數據管理平臺，但相關檢測信息也較孤立，不能有效幫助養護決策[2]。如何將多源數據進行有效融合，成為橋梁檢測專業技術人員值得研究的問題。國內學者專家也對多元化橋梁檢測信息的綜合應用進行了初步研究，并取得了部分成就，但就工程實踐的深度和廣度還不夠。本研究通過對公路橋梁檢測評價管理進行調研，詳細分析了公路橋梁經常性檢查數據、定期檢查數據及特殊檢查數據的數據類型，探討了各類型數據在橋梁養護中的作用，并對這些多源數據的融合問題進行分析研究，提出將日常的各項檢測信息進行集中共享融合，從而使管養單位技術人員能夠直觀判斷橋梁目前的技術狀況，有利于橋梁養護工作的科學決策。

1 信息融合技術概述

信息融合是指為幫助系統完成某一任務而對多個傳感器提供的信息的協同利用。信息融合是信息集成過程的某一級，在此級中將不同傳感器信息源綜合成一種表示形式。也就是說，信息融合是將來自不同信息源的信息進行處理，信息集成是將各級信息融合過程進行合成。從信息的角度出發，橋梁養護工作可描述成一個數據采集至數據應用的過程[3]。

公路橋梁在使用運營階段養護工作的基礎是檢測數據的采集，只有采集完整豐富的病害數據，才能建立橋梁檢測的數據庫，為橋梁養護決策提供科學依據。但是從橋梁全壽命周期來看，公路橋梁檢測的數據多種多樣。因此，面對繁雜的檢測數據，就需建立健全完善的橋梁檢測數據庫結構體系，綜合應用數據庫的檢測信息，綜合研判、科學決策，大大提高管養人員的工作效率。

2 橋梁多源檢測數據分類

橋梁多源信息內容涵蓋橋梁全壽命周期內產生的所有數據信息，包括橋梁基礎數據庫和橋梁檢測數據庫。

對于橋梁的檢測數據，從時間歷程上主要分為建設期橋梁檢測和運營期橋梁檢測。其中，建設期檢測涵蓋原材料檢測、橋梁成品檢測、三階段檢測、成橋檢測和交竣工檢測;運營期檢測主要包括經常性檢查數據、三年一次的定期檢查數據，以及根據需要進行的特殊檢查數據（見圖1）。本文重點從橋梁運營期管理養護的角度出發，對期間多層次檢測體系下的數據進行分析。

2.1 經常性檢查數據

根據規定，橋梁日常巡查數據的檢測頻率一般為每月一次，特殊情況下應適當增加檢測頻次，由各管養單位根據養護實際情況綜合確定經常性檢查頻次。在公路橋梁經常性檢查的過程中，主要以專業技術人員目測為主，輔助測距儀、直尺、望遠鏡等工具，觀察并記錄橋梁的病害，最終形成經常性檢查的記錄數據。

經常性檢查作為公路橋梁日常養護的重要工作，能夠非常清晰地記錄橋梁表觀病害的發展過程，也是向上級機構進行小修保養申報的重要依據。但限于管理手段，經常性檢查常依賴于橋梁養護工程師的專業水準以及對所管養橋梁的熟悉程度，但每次完成檢查后，想要上報數據時則需要翻閱以前的檢查數據，造成工作的不便。隨著科學技術的不斷發展，移動終端設備逐漸進入橋梁檢測領域，橋梁養護工程師通過移動終端的拍攝功能進行數據采集，并利用移動終端對橋梁外觀病害進行記錄，詳細描述橋梁病害的基本特征[4]。同時，可將多次的經常性檢查結果存入數據庫，需要某項數據或某座橋梁信息時便可進行快速查詢，脫離了原來傳統的紙質記錄，大大提高了工作效率，每次檢查數據不易丟失。

2.2 定期檢查數據

橋梁定期檢查一般為3年一次，由具有特定檢測資質的單位完成。通過定期檢查，可全面掌握橋梁病害，并通過技術評分，對橋梁技術狀況等級進行劃定，從而為橋梁的養護提供依據。橋梁定期檢查是按照《公路橋涵養護規范》（JTG TH—2004）進行檢測，按照《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG TH21—2011）進行綜合評價，對各個部件、構件、結構進行等級評定，最后形成該橋梁的技術狀況評定等級，能夠為橋梁養護決策提供最直接的數據依據。

相對于經常性檢查，定期檢查的數據更為細致、全面，但由于其檢測周期較長，且通常以紙質報告的形式保存，并且并非由橋梁日常養護工程師負責完成，而是由管養單位通過招標選擇具有檢測資質的機構進行檢測，與日常檢查結果結合程度較差。因此，當前的定期檢查結果多用于專項養護計劃申報的依據，或者加固設計方案的指導依據，對其更深層次的或從時間、空間上對數據進行挖掘利用尚有待進一步開展[5]。

2.3 特殊檢查數據

特殊檢查是判斷橋梁病害及承載能力的重要手段之一。根據經常性檢查和定期檢查的數據，對病害較嚴重的構件或橋梁采取專項的檢測方法，可以判斷橋梁病害產生的原因及對橋梁承載能力的影響。公路橋梁特殊檢查常包含的內容有橋梁縱向線形、基礎沉降、混凝土強度、碳化深度、鋼筋保護層厚度、鋼筋銹蝕、荷載試驗等，通過對各檢查內容的綜合分析，基本可以判斷結構或構件病害產生的原因和發展趨勢。在工程實踐中，具體適用于以下情況：定期檢查中難以判明橋梁損壞原因及程度的橋梁;橋梁技術狀況為四、五類的橋梁;擬通過加固手段提高荷載等級的橋梁;條件許可時，特殊重要的橋梁在正常使用期間可周期性進行荷載試驗;橋梁遭受洪水、流冰、滑坡、地震、風災、漂流物或船舶撞擊，因超重車輛通過或其他異常情況影響造成損害時，應進行應急檢查。

在公路橋梁養護的過程中，特殊檢查的部分項目常會與經常性檢查、定期檢查的內容相重合。因此，在實際工作中要加強對經常性檢查和定期檢查信息數據的綜合應用，為橋梁日常養護提供決策依據，從而減少不必要的特殊檢查項目。

3 多源檢測數據的融合分析

綜合以上分析，橋梁養護過程中常遇到不同類型的檢測數據，若能夠對多源、多類型的檢測數據進行融合，使得每類數據都能起到應有的作用，則可以減少不必要的檢測工作，大大提高管養工作人員的工作效率。從不同檢測工作的角度出發，圖2給出了不同檢測層次下多源檢測數據的融合分析及集成。

對于經常性檢查數據，對病害按照常規養護病害、結構性病害和耐久性病害進行分類，常規病害對應橋梁的日常保養，如橋面的坑槽處理、護欄破損修復等;結構性病害和耐久性病害，比如結構性裂縫、蓋梁鋼筋銹蝕等，應注重在病害的量化和長期觀測，形成病害的時間序列，通過日常檢查掌握橋梁這些典型病害的發展趨勢。根據橋梁典型病害發展過程研判發展趨勢，可以對橋梁進行日常小修保養，持續保持橋梁的使用功能。

對于進一步的定期檢查數據，基于性能對檢測數據進行分類，包括安全性病害數據、適用性病害數據和耐久性病害數據，然后通過技術狀況評定，掌握橋梁各類性能的技術狀況。需要說明的是，定檢數據應與日常數據融合，尤其對于檢查發現的典型病害，應建立長期觀測機制。對于進行耐久性專項檢測、有可靠耐久性數據的橋梁，可以根據橋梁耐久性病害的發展狀況，適時進行橋梁耐久性壽命的預測。根據定期檢查的數據，可以按照橋梁技術狀況評定標準的具體內容，對橋梁技術狀況進行評價，對評定等級較差的結構進行中修維護，防止橋梁病害的進一步發展。

對長期經常性檢查和定期檢查尚不能確定長期橋梁安全狀況的病害，或者橋梁外部環境較為惡劣（比如重載車輛多）時，可進一步進行特殊檢查。在工程實踐中，特殊檢查要考慮兩個層次。第一層次采用基于輕荷載及廣義影響線或者基于隨機車輛的橋梁評價方法，采用便攜設備定期采集橋梁的撓度或應變數據，通過分析并結合橋梁結構性檢測病害數據，對橋梁的承載能力做出評價。此時評價結果基本能夠反映橋梁運營狀況。第二層次主要針對橋梁上部結構彈性工作狀況不良時，須進一步結合規范進行橋梁荷載試驗工作或基于檢測結果進行橋梁承載能力檢算。如初步判定橋梁彈性工作狀況不良時，須進一步結合規范進行橋梁荷載試驗工作或基于檢測結果進行橋梁承載能力檢算。對于運營階段的公路橋梁，若中斷交通進行荷載試驗，則會影響該路段的正常通行，給管養單位帶來不必要的損失。因此，要綜合利用經常性檢查、定期檢查和常規特殊檢查的數據，從時間序列分析病害的發展歷程，在盡量不中斷交通的情況下，對橋梁承載能力進行科學評價。

4 多源檢測信息融合下的橋梁養護決策

根據公路橋梁的特點，考慮基于性能的橋梁維護的要求，以橋梁的性能維護為例，管養單位可以根據自身的需要、荷載環境特點及養護維修資金等選擇不同的性能水準。這體現了其對橋梁結構性能的可接受程度。由于不同的橋梁結構重要等級及所屬的道路等級的不同，其承受的汽車荷載等級及交通量也不相同。另外，橋位的地形地貌、水文氣候、環境區劃等條件都會影響橋梁結構的性能要求[6]。

為提高橋梁養護成效，針對橋梁日常管養中的一系列數據信息，提出多源信息融合下的橋梁養護對策，即分別將橋梁不同病害信息對應不同養護層次。將日常檢查和定期檢查的常規病害、結構性病害和耐久性病害這三種病害數據相融合：常規蜂窩麻面、露筋、破損等病害對應于常規的小修保養層面;對于能夠影響結構安全或壽命的結構性病害和耐久性病害，建立病害的長期觀測機制，并根據觀測結果來指導養護，對于狀況穩定的予以及時小修保養處理，對于狀況不容樂觀的需要進一步開展專項檢查，可采用輕荷載加載或定期典型力學指標的采集分析，甚至可采用荷載試驗進行橋梁承載能力評價，再根據評定結果制定相應的專項養護方案。

5 結語

公路橋梁檢測是公路運營管理中非常重要的工作之一。只有進行科學合理的檢測，并將檢測信息綜合應用到養護決策中，才能實現橋梁檢測的目的和意義。在公路橋梁檢測評價中，按照工作實際需要進行橋梁經常性檢查、定期檢查和特殊檢查。只有將多源、多類型的檢測信息進行融合應用，提出橋梁養護的目標性能水準及對應不同公路橋梁的養護水準，形成多源信息融合下的橋梁養護策略流程，才能為公路橋梁高質量發展提供技術保證。

參考文獻：

[1] 馬繼駿，褚豪，孔令濤，等.基于IFC的橋梁病害信息可視化表達[J].土木工程與管理學報，2020（4）：66-72.

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[3] 崔卜心.多源檢測數據提升養護效能研究[D].西安：長安大學，2014.

[4] 斯新華，劉曉東，高博聞.大數據分析在橋梁智能檢測終端的應用探討[J].公路交通技術，2019，35（6）：61-64.

[5] 陳崢.新型無人機檢測技術在橋梁檢測工程中的應用[J].智能城市.2021，7（6）：38-39.

[6] 張翔.中小跨徑混凝土橋梁的性能與維護策略研究[D].杭州：浙江大學，2015.