公路橋梁搶修方案擬制專家系統設計

李遂汝，管 曄，張 娜

(軍事交通學院 國防交通系，天津 300161)

● 國防交通 National Defense Traffic

公路橋梁搶修方案擬制專家系統設計

李遂汝，管 曄，張 娜

(軍事交通學院 國防交通系，天津 300161)

為提高公路橋梁搶修方案擬制效率，提升我軍公路橋梁保障效能，在梳理人工擬制公路橋梁搶修方案基本步驟、分析公路橋梁搶修方案擬制影響因素的基礎上，利用基于規則的專家系統設計方法，實現對公路橋梁搶修方案人工擬制過程的模擬，可為下一步開發公路橋梁搶修方案擬制專家系統奠定基礎。

公路橋梁；搶修方案；專家系統

在公路網中，橋梁是戰時遭敵打擊的重點目標，也是自然災害中最易受損的地段，更是公路工程搶修中難度較大的環節，而對于戰時或自然災害中受損橋梁修復的關鍵是橋梁搶修方案的快速擬制。目前，我國盡管對重點公路橋梁均已制訂了搶修預案，但由于公路橋梁的結構多樣，破壞現場復雜，在實際搶修之前仍需要橋梁搶修專家根據多年經驗和大量數據，經過反復計算才能給出符合具體破壞情況的搶修方案，這一過程通常需要幾個小時甚至幾天的時間。特別是對于沒有搶修預案的大量普通公路橋梁，或者在橋梁搶修專家不能及時抵達現場的情況下，快速擬制合理的橋梁搶修方案就顯得更為困難。專家系統立足于現代人工智能、決策評估等理論，通過模擬人工決策的過程給出決策結果。從相關領域專家系統的研究成果來看，其可將決策過程縮短至十幾分鐘之內完成。因此，研究設計公路橋梁搶修方案擬制專家系統，對于提高搶修方案擬制效率，具有重要的意義。

1 人工擬制的思路分析

經查閱相關文獻，當前尚沒有開展可借鑒的、與公路橋梁搶修方案擬制專家系統直接相關的研究工作。因此，本文將從研究公路橋梁搶修方案人工擬制的過程入手，實現所設計的專家系統對人工擬制過程的初步模擬。

通過匯總與公路橋梁保障領域專家的交流結果得出，傳統橋梁搶修方案人工擬制的過程大致包括3個環節：一是橋梁評估環節。即利用現有較為成熟的橋梁檢測評估方法，如目視檢查法、荷載實驗法等[1]，確定橋梁受損情況，判斷是否需進行搶修或搶建。二是方案確定環節。即通過綜合考慮可用器材、搶修現場條件、結構整體和局部強度等因素，經過反復核算比對，初步確定搶修方案。三是方案細化環節。即根據現場施工條件、人員和設備數量等，確定方案施工進度和所需器材數量等內容?？梢钥闯觯趥鹘y橋梁搶修方案擬制過程中，特別是第2個環節，比較依賴于專家的自身經驗，啟發式思維的過程較多，各環節和因素之間的邏輯聯系較為模糊，不便于利用計算機技術予以實現。

因此，在上述3個環節基礎之上，通過對各環節和因素之間邏輯聯系的進一步梳理，本文將傳統公路橋梁搶修方案人工擬制的基本思路細化為5個步驟(如圖1所示)：一是橋梁受損情況評估。通過荷載實驗法、撓跨比法等，對受損橋梁剩余承載能力進行檢測評估，確定是否需要進行搶修，并明確橋梁進行搶修的受損部位和工程量。二是確定初選搶修方案。根據所確定的受損部位和工程量，結合可用的搶修器材和器材的使用方式，初步確定搶修方案。對于使用就便器材的情況，應根據就便器材的類型，選用合適的等效模型擬制相應的初選方案。三是方案的檢算和校核。對于所確定的初選方案，根據橋梁的結構形式和需通過橋梁的荷載情況，選用相應的檢算模型，對搶修結構的整體和局部強度、剛度、穩定性等進行檢算，遴選出可行方案。四是方案的修改和完善。根據搶修現場的環境條件，進一步遴選可以實施的方案，對于可實施但受限的方案，應標明所造成的工程耗費、施工難度和施工進度的增加量。五是方案的細化和比較。對所有可以實施的方案，確定其方案圖示、工程耗費、施工難度、施工進度和所需器材設備的數量，并通過多元評價指標體系確定方案的優劣順序。

圖1 公路橋梁搶修方案人工擬制流程

2 公路橋梁搶修方案擬制影響因素分析

從上文梳理的人工擬制公路橋梁搶修方案的步驟可以看出，人工擬制的過程需要考慮5個方面的因素，即受損部位和工程量、可用搶修器材、橋梁的結構形式、荷載情況以及搶修環境條件。因此，為實現對人工擬制過程的模擬，應首先明確專家系統對這5個方面主要因素的實現方式。

2.1 受損部位和工程量

橋梁主要由上部結構(橋跨)和下部結構(墩臺)組成，不同的部位受損應采取不同的搶修方式。此外，不同的受損情況也決定了搶修工程量的差別。當橋梁受損但仍具有一定承載力時，可通過加固修復的方法進行，上部結構可采用加大截面法、外貼加勁材料法、體外預應力法或搭設“橋上橋”減載結構等方式，下部結構可采用鋼套管加固技術、繞絲加固技術、包裹FRP片加固技術等；當橋梁損毀嚴重不具有承載能力時，可根據損毀跨度(高度)，利用制式或就便器材搭建臨時搶修結構。因此，在系統實現中，應根據對橋梁檢測評估的結果，標明橋梁受損的部位、起訖點、長度、受損程度(完好、受損或破壞)等情況，并在搶修器材的適用條件中包含上述幾個方面的屬性。

2.2 可用搶修器材

公路橋梁搶修施工中可用的搶修器材主要包括制式器材和就便器材兩大類。制式器材主要包括“321”裝配式公路鋼橋、ZB200和ZB450等幾種梁部器材，六五式軍用橋墩和八三式軍用橋墩等幾種墩部器材，特殊情況下也可將梁部器材和墩部器材互換使用；就便器材主要包括型鋼、條木、鋼板等。對于制式器材，在其設計時已經確定了其使用方式，搶修中應按照設計要求確定搶修方案；對于就便器材，其種類復雜多樣，使用靈活多變，需根據具體情況確定。因此，在系統實現中，對于制式器材，可直接根據器材的使用要求，構建器材和器材使用方案的知識庫；對于就便器材，可通過構建等效模型的方式，將常用的就便器材組合方案納入器材知識庫。使用時，通過將搶修要求與知識庫中各方案進行比對，來確定可選用的器材和器材使用方式。

2.3 橋梁的結構形式

橋梁結構形式的分類有很多種，按照受力特點可分為梁橋、拱橋、剛構橋、懸索橋、斜拉橋和組合體系橋，其中懸索橋、斜拉橋和組合體系橋主要適用于高墩大跨度情形。對于高墩大跨度橋梁來說，由于其結構復雜、墩高橋長，一旦受到破壞，短時間內沒有修復的可能性，因此在搶修方案擬制中可不予考慮。對于梁橋、拱橋和剛構橋來說，梁橋受力方向與承重結構的軸線接近垂直，搶修中主要關注其抗彎要求；拱橋通過拱圈和拱肋進行承重，搶修中主要關注其抗壓要求；剛構橋在受到破壞時通常視為梁橋進行搶修。因此，在系統實現中，可僅針對梁橋和拱橋進行系統設計。對于破壞長度(高度)超過器材保障極限的高墩大跨度橋梁(單孔跨度大于40 m，墩高超過15 m)，可直接確定無搶修方案；其他情況下應根據梁橋和拱橋受力的不同，對器材使用方式和檢算模型進行分類，使用時比對橋梁的結構形式進行選用。

2.4 荷載情況

公路橋梁所承受的荷載主要包括恒載和活載兩個部分。恒載取決于橋梁自身和搶修結構的形式，活載主要為通過橋梁的車輛荷載。根據車輛走行部受力的不同，車輛走行部主要可分為履帶式結構和輪式結構。履帶式結構在計算中通常等效為均布荷載的形式，應明確荷載的長度和分布密度；輪式結構在計算中通常等效為集中荷載的形式，應明確集中荷載的大小(軸重)和集中荷載的間距(軸距)。此外，考慮到部分超寬車輛的存在，還應明確荷載的橫向寬度，以確定車輛的橫向通過性。因此，在系統實現時，應在橋梁的結構形式中同時確定橋梁自重的分布情況，在不同器材的使用方案中確定器材的自重分布，根據通過車輛走行部的結構形式標明車輛荷載的長度、分布密度或軸重、軸距參數，在方案檢算時應根據荷載情況對檢算模型進行區分。

2.5 搶修環境條件

從橋梁搶修的角度來看，影響公路橋梁搶修方案擬制的環境條件主要包括水的因素和施工場地兩個方面。水的因素主要影響所架設臨時墩的施工難度和穩定性。架設臨時墩可縮短橋梁跨度，增加橋梁搶修方案的數量，但是需進行圍堰抽水作業，施工難度增大；從穩定性角度來看，不同搶修器材對不同基礎條件下橋墩的水深和流速都有不同的要求，如對于八三式軍用橋墩，水深不得超過8 m或墩高的3/4，流速不得大于3 m/s。施工場地方面主要影響單次搶修作業規模，如場地受限可能會導致大型施工機械無法展開而只能依賴人工，或導致制式搶修器材單次拼組數量受限等情況。因此，在系統實現中，可首先在不考慮搶修環境條件的情況下來確定初選搶修方案，然后根據施工場地確定初選方案是否可以實施或標明實施中對初選方案預期工程成本和進度的增加量。當確定的初選搶修方案不足時，再通過考慮水的因素來架設臨時墩，以增加搶修方案的數量。

3 系統的具體設計

根據上文的分析，公路橋梁搶修方案擬制專家系統設計包括“數據輸入、方案分析、方案輸出、已輸入數據、檢算工具、導入/導出”6個模塊和1個知識庫(如圖2所示)。

圖2 公路橋梁搶修方案擬制專家系統結構

其中，前3個模塊構成“輸入—分析—輸出”的基本邏輯結構。“已輸入數據”模塊用于掌控方案生成各階段系統的數據情況；“檢算工具”模塊用于為專業人員進行人工擬制時提供檢算輔助；“導入/導出”模塊提供分析數據和分析結果的可移植途徑。知識庫內嵌于系統之中，包含推理規則、檢算模型和器材使用方案3個方面。與經典的基于規則的專家系統比較，“數據輸入”模塊和“導入/導出”模塊是系統的數據輸入/輸出接口，“方案分析”模塊是系統的推理機，“方案輸出”模塊是系統的解釋機，“檢算工具”模塊是系統的知識獲取機制，“已輸入數據”模塊是系統的黑板[2]。

3.1 “數據輸入”模塊設計

該模塊的目的是通過友好的圖形指示界面，引導用戶將用于方案生成所需的全部數據錄入系統，需要保證數據輸入的直觀性、準確性和全面性。本文將橋梁搶修方案生成所需輸入的數據進行梳理匯總(見表1)。其中，考慮到橋梁結構信息和荷載信息的復雜性，為保證數據輸入的直觀準確，設計采用GUI圖形繪制的方式進行輸入。

表1 “數據輸入”模塊所需輸入的數據內容匯總

3.2 “方案分析”模塊設計

該模塊是在所輸入的初始數據基礎之上，通過調用知識庫中的推理規則來生成可行的搶修方案，其設計的關鍵在于推理規則的確定。通常，搶修器材的使用是根據搶修的跨度(高度)確定的。但是，由于公路橋梁可能并不是全跨受損，仍具有可以利用的橋梁結構，搶修過程中可將整座橋梁拆分成多個搶修位置。因此，在搶修方案的推理中，應首先根據搶修位置劃分橋梁搶修子方案，進而再確定子方案中各搶修位置器材的使用方式，并調用知識庫中的檢算模型對各子方案進行檢算。如對于梁橋來說，首先可通過完好橋墩將整座橋梁的搶修位置進行分割，然后根據修復橋墩的位置確定梁部搶修的跨度組合，最后根據搶修器材的使用方式確定各子方案中墩部、梁部的搶修內容(如圖3所示)。

3.3 “方案輸出”模塊設計

該模塊主要用于匯總展示“方案分析”模塊中所生成的方案內容，并通過對各方案進行多元比較給出優劣性評價。因此，該模塊的設計主要包括3個方面的內容：一是方案展示內容的設計。根據搶修施工的需要，應展示搶修方案圖、所需器材列表、施工進度圖等幾個方面。二是方案評價機制設計?？筛鶕鞑氖褂脭盗?、工時消耗、施工機具數量等幾個方面進行多元評價比較，考慮到不同情況下決策者對于各方面偏重程度的差異，比較時應由用戶確定各方面指標的權重值。三是數據傳遞通道的設計。該模塊除與“方案分析”模塊建立數據傳遞通道之外，還應建立與“已輸入數據”模塊和知識庫的數據聯系，用于從“已輸入數據”模塊中獲得方案的基本情況，從“方案分析”模塊中獲得方案的組合方式和子方案的名稱，從知識庫中獲得子方案的具體施工內容。

圖3 公路橋梁搶修子方案劃分

3.4 “已輸入數據”模塊設計

該模塊實時獲得并顯示由“數據輸入”模塊和“導入/導出”模塊進入系統的數據，主要用于方案生成各階段對已輸入的數據情況進行檢查，便于尋找分析結果出現的異常情況。因此，該模塊在前臺應具有以圖形、圖表和文字的形式進行展示的圖形界面，在后臺應具有與“數據輸入”模塊和“導入/導出”模塊相連的數據傳遞通道，以保證對進入系統的數據進行實時更新。同時，為保證系統運行的穩定性，該模塊應在系統中建立獨立的數據存儲空間，且不提供對所顯示數據更改的操作權限。

3.5 “檢算工具”模塊設計

該模塊是由外部獲取本系統知識庫中檢算模型的一個知識獲取機制，主要用于橋梁搶修專家人工擬制搶修方案時進行檢算輔助，是根據實際需要對本系統功能的拓展。為了實現這一功能，首先應通過對知識庫中系統所涉及的各類檢算模型進行參數化處理，預留檢算模型的可操作接口；然后根據檢算模型參數的情況，構建不同檢算模型的人機交互界面；最后應建立模塊與知識庫檢算模型之間的數據傳遞通道，實現前臺操作和后臺信息的連接。

3.6 “導入/導出”模塊設計

該模塊通過提供分析數據和分析結果的移植途徑，來減少分析過程中的重復工作，主要通過文件操作來實現。具體來說，分析數據方面，模塊應與“已輸入數據”模塊建立聯系，在“已輸入數據”模塊設置數據導入/導出接口，在“導入/導出”模塊進行數據打包和解包操作；分析結果方面，模塊應與“方案輸出”模塊建立聯系，在“方案輸出”模塊設置結果導入/導出接口，在“導入/導出”模塊進行結果打包和解包操作。

4 結 語

公路橋梁搶修是戰時和應急情況下公路交通保障的重點內容之一，研究設計公路橋梁搶修方案擬制專家系統，能夠有效提高搶修方案擬制效率，提升我軍公路橋梁保障效能。本文根據橋梁搶修專家經驗，梳理了人工擬制公路橋梁搶修方案的基本步驟，通過系統分析各步驟要點的實現方法，實現了對公路橋梁搶修方案擬制過程的初步模擬，為下一步公路橋梁搶修方案擬制專家系統的開發奠定了基礎。

[1] 劉錫鑫.中小跨徑混凝土梁式橋重裝備通過性快速檢測評估技術研究[D].天津：軍事交通學院，2011：2-5.

[2] 藍元沛，焦起祥，關志東，等.飛機設計選材專家系統的開發[J].北京航空航天大學學報，2010(11)：1358-1364.

(編輯：張碩)

Expert System Design for Formulating Repair Plan of Road Bridge

LI Suiru, GUAN Ye, ZHANG Na

(National Defense Traffic Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

To improve the efficiency of formulating repair plan and promote the support effect of road bridge, after introducing the basic procedure for formulating repair plan of road bridge and analyzing the influencing factors, the paper simulates the process with the method of rule-based expert system, which can provide foundation for further developing expert system for formulating repair plan of road bridge.

road bridge; repair plan; expert system

2016-07-08；

2016-07-23．

李遂汝(1989—)，男，碩士，助教．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.01.003

U445.7

A

1674-2192(2017)01- 0010- 05