城市橋梁群養護系統整體設計與管理功能研究

陳櫟陽，汪清華，李宏龍，王相洋，李繁

1.安徽建筑大學，安徽合肥，230601；2.南京工業大學，江蘇南京，211866

0 引言

近年來，橋梁事故頻發，尤其是鄉村橋梁與傳統橋梁無法做到全局監測和管養，造成了極其嚴重的社會影響，凸顯了橋梁管理與養護工作在橋梁健康運維過程中的重要性；另外，我國橋梁傳統管養系統主要存在三方面的問題：模式落后，難以跟進市政橋梁的建設步伐，導致大量橋梁信息不能及時入檔、橋梁集群概念不清；不夠健全，各級管理部門各自為政，缺乏一個統一的溝通平臺，不能有效地針對城市所有橋梁信息進行資源整合[1]；不夠權威，管養系統與現行結構評估評價規范聯系不強，系統僅能夠實現預警難以實現決策與評估。為了保證橋梁得到及時的維護和合理的管理，結合當前橋梁管理養護系統的發展現狀，本文在總結橋梁工作者開發的各種橋梁管理系統的基礎上，提出橋梁群管理概念，構建橋梁群管理系統。

1 系統介紹

在本系統中，以區域進行劃分，不同區域橋梁被分為市政橋梁群組、跨河大橋橋梁群組兩大類群組并且不同等級的客戶在本系統擁有不同的登入頁面，如：業主、管理員、橋梁專家。在登錄以后均可以看見某市的某區域市政橋梁群組，點開橋梁群組可看見該區域的衛星地圖，其中包括已經錄入系統內的各種橋梁。

該流程圖可以清晰地反映出本系統運營時的操作流程。錄入系統內的各個橋梁均可以打開上述的橋梁養護管理系統界面。若返回衛星地圖界面，可以選擇橋梁對比子系統，此子系統是對橋梁群組內的數座橋梁的養護數據進行橫向對比，方便當地橋梁管理局下達群養護決策，以達到快捷、高效、及時的養護目的。

2 橋梁群管理與養護子系統介紹

我們建立了擁有橋梁基本概況、橋梁歷史檔案信息、橋梁評估信息、橋梁養護記錄四大子系統和橋梁群可視化界面、多級管理信息界面等兩大界面的城市橋梁群管理與養護系統，下面將分別做詳細介紹。

2.1 橋梁基本概況子系統

橋梁基本概況子系統是在用戶選擇所需查看的橋梁以后介紹該橋梁基本信息的子系統。該子系統又分為靜態信息子系統以及動態信息子系統（如圖2）。靜態信息子系統主要包括橋梁的類型；橋梁基本數據（橋梁全長、橋梁跨徑、橋下凈空等）；橋梁主要構件編號以及橋梁地理信息圖片。動態信息子系統主要包括與城市橋梁交通部連接的橋梁上實時交通量的變化，以及橋上車輛荷載動態信息。

此系統建立的目的是讓用戶高效、詳細地掌握選中橋梁的基本概況。以靜態數據、地理圖片、3D模型、近期照片、動態數據等樣式，全方位地向用戶介紹橋梁的基本信息。同時也可以將此群組所包含的橋梁進行數據橫向對比，讓用戶快速掌握各種橋梁的數據變化情況。也可以在本界面下載橋梁基本概況電子報告，用戶可以打印參考留根。

2.2 橋梁歷史檔案信息子系統

橋梁歷史檔案，是指從橋梁建成到使用系統時具有保存價值的文字、圖像、聲像等多種載體的原始記錄，以及橋梁改造過程中需保存的具有歷史價值的實物，如橋上的雕塑、題字、欄桿等。還有基于大數據提供的從橋梁建成到使用系統時所有的橋梁損傷記錄、養護記錄、維修記錄，為今后橋梁養護進行參考。

現有的橋梁歷史檔案管理實踐存在的問題較多，可歸結為四點：工程建設方的檔案意識薄弱，忽視對橋梁改造前的歷史文化信息材料的挖掘與收集保護；知名度不高、地理位置偏遠的橋梁歷史檔案往往得不到政府和社會的有效保護；負責橋梁歷史檔案管理的人員業務能力和綜合素質普遍偏低，難以勝任工作；檔案工作的經費投入保障不足，橋梁歷史檔案管理無法保證正常運行[2]。所以，如圖3，本文設計的橋梁歷史檔案子系統在橋梁工作者對于橋梁歷史檔案的要求下，在總結前人的橋梁歷史檔案子系統的基礎上提供了以下功能：

（1）打印橋梁歷史檢測評估報告，方便用戶在目標橋梁的評估養護中做參考。

（2）橋梁工程師可以在此子系統提交以及修改橋梁日常檢測報告，業主以及當地橋梁管理局可以打印橋梁現有的檢測報告。

（3）查詢檢修技術的存檔。橋梁歷史檔案子系統中積累很多實用的橋梁檢修技術，用戶（專家與管理員）可以搜索檢修技術關鍵詞查詢，以借鑒之前的檢修技術對本地區的橋梁進行檢修。該功能就是幫助用戶整理和保存這些信息。

（4）查詢橋梁歷史損傷記錄，存檔養護記錄。此子系統中包含合肥市橋梁群組中橋梁從建造起至系統建立時所有的損傷記錄以及養護記錄。用戶可以搜索時間關鍵詞進行檢索，以對之后的養護以及橋梁結構評估提供前期數據基礎。

（5）查詢具有文物價值橋梁上的雕塑、題字等文物的養護報告。

2.3 橋梁評估信息子系統

本子系統包含兩個部分橋梁技術狀況評定子系統和橋梁承載力評估子系統。

（1）橋梁技術狀況評定子系統：首先，通過對養護規范JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測評定規程》[9]、JTG/T H21-2011《公路橋梁技術狀況評定標準》[10]對橋梁具體狀況進行評估分級，共分為三部分，分別為上部結構、下部結構以及橋面系，包括上部承重與一般構件、支座、橋墩、墩臺基礎、河床、排水系統、伸縮縫裝置、橋面鋪裝等等評價指標。

其次，再利用層次分析法，將橋梁分跨評估，在每跨內分為上部結構、下部結構、橋面系進行評估[5]。如圖4所示，層次分析法決策主要包括4個基本步驟：

①建立可用于層次分析法的評價體系模型，將待決策問題所包含的諸因素劃分為n個層次；

②構造各層次判斷矩陣，給出單排序的權重；

③計算單一層次下的指標權重并進行一致性檢驗；

④計算對于總目標的相對權重并進行一致性檢驗。

最后在橋梁上布置的傳感器收集和傳輸的數據上傳到系統中以后，先進行剔除異常數據，把橋梁各個構件的數據與相應的閾值比較，后通過規范對比審查：若數據已經不滿足規范規定，則與城市橋梁群管理與養護系統連接的城市高架橋梁監測預警系統會得到指令進行及時報警[4]；若數據仍然滿足規范規定，則將本次橋梁技術狀況評估的數據保存，自動上傳到橋梁歷史檔案信息子系統，作為下一次橋梁技術狀況評估的依據。

（2）基于模糊綜合評價法的橋梁承載力評估子系統：模糊綜合評判法適用于解決各種不確定性、模糊的、難以量化的問題，將往往只能進行定性分析的問題轉化為定量分析，方便工程問題的進一步評價。

模糊綜合評價法主要分為五步：

①確定評價對象的因素集。因素集是影響評判對象的各種因素所構成的集合，因素集通常用U表示，如U={U1,U2,...Un}，如圖5。

②確定評價對象的評語集。評判者對評判對象可能出現的各種結果所組成的集合，評語集通常用V表示，如 V={v1,v2,...vn}，如表1所示。

表1 評價對象的評語集

③單因素評價，確定模糊評價矩陣R。模糊評價矩陣R用來表示模糊關系的矩陣，如果集合X有m個元素，集合Y有n個元素，由集合X到集合Y中的模糊關系，可用矩陣表示。

④合成模糊綜合評價集。評語可以看作是范圍性、程度性的評價，實際上在模糊綜合評價法中，需要主觀確定的部分就是各個因素隸屬的評語。所有評語按照程度輕重從小到大依次排列所組成的集合即是評語集。

⑤進行綜合評價。最后，用戶在選擇橋梁后，基于橋梁歷史檔案管理子系統提供的橋梁歷史評估報告，經過橋梁技術狀況評定與橋梁承載能力評估兩項評估以后得出是否需要維修加固，輸出橋梁評估報告[6]。

2.4 橋梁養護記錄子系統

橋梁養護有兩層含義。橋梁養護一方面是指為了保證橋梁在運營過程中處于正常工作狀態的健康檢測、監測、評估以及養護工作；另一方面是指對日常橋梁養護工作有重大參考意義的橋梁歷史評估養護記錄的收集與管理，相當于靜態信息參考資料。這樣做的優點是當橋梁出現問題時，我們可以在橋梁歷史檔案信息系統以及對橋梁技術狀況評估和橋梁承載力評估的基礎上，再進行分析和確定養護維修方案，確保其可行性高、實用性強、適用性高[11]。

其中橋梁養護依據：本系統設計以《城市橋梁養護技術標準》[8]（CJJ99-2017）為養護標準。

本文設計的橋梁養護子系統是基于橋梁評估信息子系統輸出的評估報告，根據承載能力的評定等級、橋梁總體缺損狀況分類以及行車道寬度的適應性，在子系統所儲存的橋梁養護決策庫中篩選可行性高、適應性強的養護決策建議，輸出橋梁養護決策報告。以決策樹的形式呈現橋梁養護記錄子系統的工作流程圖如圖6所示。

同時，本系統輸出的橋梁養護決策建議報告是基于養護決策庫中篩選出的較合適的養護決策，在實際工程中，還要根據當地工程師的專業經驗，做到具體問題具體分析，因地制宜[3]。

3 信息界面介紹

信息界面包括多級管理與橋梁群可視化信息界面兩大界面。

多級管理界面主要功能是為各個身份的用戶提供自己專屬的用戶名、輸入密碼和確定登錄類型進行登錄，不同的身份級別具有不同的功能，方便橋梁評估后養護決策的下達。用戶也可以提供相應的管理和養護建議，完善橋梁和各部門的各種信息的交流。

橋梁的基本概況離不開可視化信息[7]，單獨的數值不能完全描述一座橋梁，為了使用戶更好地熟悉橋梁基本概況，本系統設計了可視化信息界面。該頁面包括橋梁地理圖像與橋梁3D模型，在用戶選擇目標橋梁后，點擊“可視化信息”按鈕，便可看見橋梁的可視化信息。橋梁地理圖像加上橋梁3D模型，可以幫助用戶直觀地、快速地掌握熟悉一座橋梁基本信息。

在可視化信息界面中，所有的子系統功能都能得到實現與完成，用戶可以根據自己不同的需求來獲取信息。

4 結論

我們研究的這套系統的最大特色是橋梁群養護和管理方案，它能針對某個城市的所有橋梁進行靜態信息收集和動態信息監控，然后進行狀態評估和養護管理，使橋梁管理與養護達到智慧、高效、集約的設計理念。同時橋梁管理與養護系統的研究與開發是一個循序漸進、復雜又長期的過程。因為在開發過程中不僅要考慮功能時效性、信息準確性和界面布局的舒適性，而且要從用戶的角度來考慮開發與設計系統。所以我們將在未來對這一套系統做出優化，首先應該加強系統數據決策的能力，其次，要讓數據更加準確、真實地反映橋梁基本情況，提供一種自我檢測、自我提升、自我修復的能力，最后要圍繞著橋梁技術狀況進行動態評定，及時更近橋梁的基本信息，使隨時評定變為可能。