基于大數據的公路隧道養護決策

胡　珉　張明正　施永泉　喻　鋼

(上海大學悉尼工商學院，上海　201400；2.上海大學上海大學-上海城建建筑產業化研究中心上海， 上海　200072；3.上海大學土木工程系,上海　200072； 4.上海隧道工程股份有限公司,上海　200232)

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基于大數據的公路隧道養護決策

胡珉1， 2張明正2， 3施永泉4喻鋼1， 2

(上海大學悉尼工商學院，上海201400；2.上海大學上海大學-上海城建建筑產業化研究中心上海， 上海200072；3.上海大學土木工程系,上海200072； 4.上海隧道工程股份有限公司,上海200232)

為了解決公路隧道設施眾多及信息異構分散等特點對公路隧道養護決策帶來的困難，本文在對公路隧道養護特點分析的基礎上，進行了從隧道全生命周期信息出發，利用大數據分析對隧道養護評估和優化進行了研究。文章圍繞全生命周期養護評估方法和優化決策，描述了全生命周期信息評估決策的基本原理和實現路徑，并根據評估結果進行了有約束條件下的養護策略選擇。最后，文章對該方法的創新點和應用效果進行了總結，并指出了未來隧道養護評估的發展趨勢。

公路運輸； 運維； 決策支持系統； 公路隧道； 全生命周期； 建筑信息模型

1　引言

近年來，我國隧道發展迅速，隧道的長度和數量極限一次次被刷新。隧道作為重要的城市基礎設施，尤其是城市公路隧道和地鐵隧道，擔負著重要的城市交通功能。據交通部門統計，截至2013年年底，全國共有公路隧道11 359條，總長達9 605.6 km[1]。相比我國隧道建設的發展速度，相關的隧道運營養護技術并沒有得到很大的提升，并且隨著城市的發展，我國隧道由大規模建設期進入了運維期的階段，這對隧道的運營養護管理技術提出了更高的要求。然而目前公路隧道養護管理總體很難把握，養護經費的決策，隧道健康狀況的評估都很難進行準確的判斷。為開展公路隧道的經常性、及時性和預防性養護，實現公路隧道養護管理規范化、標準化、智能化，本文提出了基于BIM、物聯網、大數據、云計算等技術的從全生命周期信息的角度進行隧道養護方案評估決策系統的方法。

2　系統功能與需求分析

公路隧道養護管理主要應用于公路隧道各類養護數據采集、存儲、檢索、分析處理，提高數據使用效率，挖掘數據有用信息； 提高公路隧道養護管理效率和降低管理成本[2]。通過對公路隧道病害形成機理、隧道病害評價與處置策略等進行研究，以及對公路隧道管理部門的管理模式、業務需求、用戶需求和業務流程進行分析，提出如下總體需求：

(1)公路隧道建設與養護資料的規范化、標準化管理與存儲

建立詳細的隧道土建設施全生命周期的技術狀態、地理與屬性數據庫，有效管理各種公路隧道養護數據； 提供高效的養護數據采集手段和靈活的數據更新維護方法；

(2)公路隧道病害評價決策

隧道病害評價決策應針對隧道結構存在的病害，通過結構病害分析模型結合規范標準，對隧道內結構病害發展趨勢進行預測，對結構病害等級以及整條隧道整體服役等級作出評價；

(3)公路隧道病害處置策略

隧道病害處置策略需存儲針對各種類型、各種等級結構病害的專家養護策略；

(4)公路隧道養護計劃制定

基于病害評價所確定的病害安全評價等級和病害發展趨勢預測，通過數據分析在不同的約束條件下來制定養護計劃、核算養護費用，從而形成養護計劃報告。

2.1系統流程設計

隧道養護決策的評價流程如圖1所示。

圖1　隧道設施養護決策流程圖

2.1.1中間數據庫

中間數據庫是存儲系統評估決策所需數據的數據庫，通過中間表的形式將大連路隧道使用的其他運維養護系統中的數據提取過來，如隧道養護管理系統中的隧道結構基本信息，隧道結構日常檢查、隧道結構定期檢查、隧道結構專項檢查結果； 結構健康監測系統則是通過傳感器采集到實時的隧道結構健康數據，如：縱向沉降、接縫張開、斷面收斂等數據。

2.1.2結構評估

針對隧道存在的病害，通過隧道評價決策數學模型算法并結合規范標準，對隧道內結構病害等級進行評價。

在建立盾構隧道結構安全評估指標體系時，鑒于難以一次性地考慮問題的全部細節，故采用系統科學中的層次性原理，即大系統理論中的分解協調原理，將問題分解為多個層次，每個層次又有多個構成要素，由粗到細，由表及里，從全局到局部地逐步深入分析，將影響盾構隧道結構安全狀態的諸多因素條理化、層次化，從而建立遞階層次分析模型，即采用層次分析法(the Analytic Hierarchy Process，簡稱為AHP)的思想建立盾構隧道結構安全評估指標體系[3]，如圖2、圖3。

圖2　指標體系遞階層次結構圖

圖3　圓隧道段評價指標

由于R語言在大數據處理和分析上有得天獨厚的優勢，所以數學模型的搭建是通過R語言將評價體系寫成R腳本并放在系統的后臺服務端。

后臺服務端包含諸諸多獨立的算法子程序，由統一的模型中心操作控制。圖4給出了數據模型的控制框架，共包含模型配置和模型執行兩個子模塊。模型配置用于算法的參數設置、模型訓練及存儲、模型運行狀態的監控等； 模型執行用于模型的調用、輸出判斷結果等。

圖4　數據模型的控制框架

數據分析后臺服務端的基本架構主要包含兩個部分(如圖5)：

1)應用程序

通過微軟公司提供的.NET Framework技術搭建控制臺程序，提供數據庫讀取和存儲、文件訪問、數據預處理、周期性調度等支持；

2)R服務器

通過Revolution公司提供的DeployR Framework技術搭建R語言分析引擎，提供API接口供應用程序訪問及模型加載功能，調度控制R Session多腳本程序，執行復雜算法的運算。

圖5　服務端基本架構

2.1.3養護策略選擇

根據不同的方案要求選擇不同的養護策略，以大連路隧道為例，系統提供了性能優先和經濟優先兩種不同的養護策略。如在經濟優先下，根據評估結果對于處于風險不可接受區的設施優先進行養護維修； 對于處于風險可忽略區的設施結構暫時不考慮對其進行養護維修[4]。再通過對該養護策略后的性能進行性能預估和年度預算進行對比，如果滿足要求則輸出養護方案。

優先養護的方法則通過引用多屬性決策的群排序方法的“加權偏差平方和最小的思想”排序方法來處理在資金受限制的情況下維修優先級問題[5]。優先級排序是目前國內外普遍采用的方法，即在有限資金的條件下，優先安排影響大，技術狀況較差，維護等級高的項目，以達到合理地分配和使用有限資金，保證項目處在規定的服務水平上，使養護維修資金發揮最佳的經濟效益和社會效益。

3　工程應用

公路隧道全生命周期養護決策對于提升公路隧道養護管理水平和效率，保障公路隧道結構安全和降低運維成本有著十分重要的意義。目前本系統已經在上海市大連路隧道養護管理中得到應用，使大連路隧道養護實現了數據采集標準化、分析處理智能化、養護決策科學化、業務管理信息化，為管理部門及時地發現病害并加以科學防治，減少事故發生，保證隧道的安全暢通提供了技術手段。

圖6、圖7、圖8為系統實時監測到的隧道斷面收斂、接縫張開、縱向沉降。圖9為系統根據病害評估結果，將處于危險等級的結構評估段展示出來，并提出維養建議。圖10為根據結構健康的評估結果結合養護規范，在有約束條件下計算年度養護費用。

4　結論

針對目前隧道運維有很多管理系統的現狀，本文通過采用中間數據庫的形式，提取整合隧道評估所需要的信息，并結合R語言的大數據分析優勢，實現了隧道服役狀況的評估和有約束狀態下的隧道年度養護方案生成，為城市公路隧道運維提供了一個新的思路與方法。但本系統的評估指標參數獲取方法采用的是取最新時間的數據，如何考慮評估指標數據的突發變化對結構評估段的影響，這方面值得研究。

圖6　斷面收斂

圖7　接縫張開

圖8　縱向沉降

圖9　結構評估

圖10　養護方案

[1]王波. 廈門翔安海底隧道土建結構維修養護計算機管理系統[D].西南交通大學， 2009.

[2]周健， 楊洋，付立家.公路隧道預防性養護管理系統研究[J].公路交通技術， 2011， 06：131-134.

[3]許慧， 張禮敬，余健平，張二強.標度擴展的AHP在長江隧道安全設施評估中的應用[J].工業安全與環保， 2013， 10：49-52.

[4]劉延芳， 周泳濤，鮑衛剛.橋梁結構養護方案優先排序方法研究[J].公路， 2013， 04：201-204.

[5]夏海兵， 姚安林，尹繼明.在路網中橋梁維修優先級的輔助決策方法[J].公路交通技術， 2007， 02：121-122+132.

Research on Tunnel Operation and Maintenance Decision Support System based on Big Data

Hu Min1， 2， Zhang Mingzheng2， 3， Shi Yongquan4， Yu Gang1， 2

(1.SILCBusinessSchool，ShanghaiUniversity，Shanghai201400，China；2.SHU-SUCGResearchCenterofBuildingIndustrialization，ShanghaiUniversity，Shanghai200072，China；3.CivilEngineeringDepartment，ShanghaiUniversity，Shanghai200072，China；4.ShanghaiTunnelEngineeringCo.，Ltd.,Shanghai200232，China)

In order to solve the the problems caused by diversifed information in the highway tunnel, this article analyzes the characteristics of highway tunnel and uses big data analysis and assessment of BIM technology to study the tunnel maintenance and optimization.Based on the evaluation of the whole life cycle maintenance and optimization decision method，the article describes the basic principle of whole life cycle information evaluation decision and implementation path，and makes strategic choices according to the evaluation results. Finally，innovation points and application effects of this method are summarized，and the future development trend of the tunnel maintenance evaluation is pointed out.

Highway Transportation； Operation and Maintenance； Decision Support System； Road Tunnel； Life Cycle； Building Information Modeling

上海市科委重點項目“大數據專項-面向橋隧時空數據的信息融合和挖掘關鍵技術研究”(編號： 13511504803)； 上海市國資委重大科研項目“智慧城市交通基礎設施全壽命周期管理支持體系研究”(編號： 2014008)

胡珉(1970-)，女，副教授，博士。主要研究方向：建筑信息化。

TU17;U459.2;U540.5

A

1674-7461(2016)01-0048-05

10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.01.08