大跨徑纜索承重橋梁狀態(tài)評估的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

黃 僑， 任 遠(yuǎn)， 許 翔， 劉小玲

(東南大學(xué) 交通學(xué)院， 南京 210096)

大跨徑纜索承重橋梁狀態(tài)評估的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

黃 僑， 任 遠(yuǎn)， 許 翔， 劉小玲

(東南大學(xué) 交通學(xué)院， 南京 210096)

對大跨徑纜索承重橋梁進行合理的狀態(tài)評估有助于掌握橋梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況、指導(dǎo)制定養(yǎng)護對策，以保證橋梁的正常運營和結(jié)構(gòu)安全. 首先綜述了基于標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的評估方法和基于系統(tǒng)工程理論的評估方法的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用；其次對橋梁管理系統(tǒng)和長期監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展情況和評估數(shù)據(jù)信息源現(xiàn)狀進行綜述和分析；然后闡述了大跨徑纜索承重橋梁狀態(tài)評估面臨的機遇和挑戰(zhàn)，并提出了多源信息融合的功能模型和結(jié)構(gòu)模型. 綜合分析表明：大跨徑纜索承重橋梁評估規(guī)范的制定迫在眉睫；人工巡檢信息和長期監(jiān)測信息都有其各自的弊端，都難以獨立成為橋梁狀態(tài)評估的理想數(shù)據(jù)來源，引入多源信息融合技術(shù)，有望提高大跨徑纜索承重橋梁評估結(jié)論的可信度；對纜索承重橋梁群實現(xiàn)評估方法標(biāo)準(zhǔn)化是未來發(fā)展方向之一.

狀態(tài)評估； 纜索承重橋梁； 研究現(xiàn)狀； 信息融合； 檢查； 健康監(jiān)測

在眾多的橋梁結(jié)構(gòu)形式中，纜索承重橋梁以跨越能力大而著稱，在200～2 000 m內(nèi)纜索承重橋梁具有很強的競爭力，覆蓋了此跨徑范圍中90%的橋梁[1]. 世界跨徑排名前10的斜拉橋中，中國占了6座，跨徑前10的懸索橋中，中國占了4座，充分表明中國纜索承重橋梁建設(shè)水平已經(jīng)進入世界前列. 尤其在長江中下游地區(qū)及近年來方興未艾的跨海橋梁工程中，纜索承重橋梁已成為橋型方案的首選[2]. 然而，由于結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜性、材料自身的缺陷、有限元計算模型與實際結(jié)構(gòu)的偏差、施工問題、環(huán)境腐蝕、車輛超載及運營期養(yǎng)護管理不利等因素的影響，一些已建成的纜索承重橋梁出現(xiàn)了各種病害或損傷，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)承載能力降低，橋梁線形變化過大和構(gòu)件老化、破損等問題的出現(xiàn)[3-6]. 這些病害或損傷會影響橋梁的使用性能，甚至?xí)档蜆蛄褐黧w結(jié)構(gòu)的安全儲備. 對橋梁的技術(shù)狀況進行定期的評估，可以及時了解橋梁的運營狀態(tài)，為制定養(yǎng)護維修決策提供依據(jù)，減少不必要的損失[7]. 為了確保大型橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和適用性，對橋梁狀態(tài)評估理論與方法進行深入研究是十分必要和緊迫的.

近年來，國內(nèi)外在橋梁狀態(tài)評估的研究中取得了一定的進展，但是每種評估理論都有其自身的局限性，各種方法得到的評估結(jié)果差異性較大. 此外，由于傳統(tǒng)人工檢查、檢測部位的局限性和檢查結(jié)果的主觀性，僅憑人工檢查的數(shù)據(jù)很難作為大跨徑橋梁狀態(tài)評估的完整依據(jù). 而結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)(structure health monitoring system, SHMS)或長期監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息受到傳感器壽命、系統(tǒng)穩(wěn)定性等問題的制約[8-9]，很難及時準(zhǔn)確地反映出結(jié)構(gòu)的異?；驌p傷[10]，難以獨立成為橋梁狀態(tài)評估的理想數(shù)據(jù)來源.

本文對國內(nèi)外大跨纜索承重橋梁的狀態(tài)評估研究現(xiàn)狀和進展進行綜述，介紹了橋梁狀態(tài)評估方法、橋梁管理系統(tǒng)(bridge management system, BMS)和SHMS的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀、評估數(shù)據(jù)信息來源以及橋梁評估面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，提出了大跨纜索承重橋梁狀態(tài)評估研究的發(fā)展方向，可供同行交流和參考.

1 橋梁狀態(tài)評估方法研究現(xiàn)狀

橋梁狀態(tài)評估是通過現(xiàn)有成熟可靠的檢查和檢測方法，得到反映橋梁技術(shù)狀態(tài)的各項檢測指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上通過相關(guān)理論對獲得的信息進行綜合分析，最終對橋梁的安全性、耐久性和適用性做出合理的評估[11-12]. 既有的評估方法可分為兩大類：基于標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的評估方法，基于系統(tǒng)工程理論的評估方法.

1.1 基于標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的評估方法

國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)采用的橋梁評估方法可以劃分為3類，即綜合技術(shù)狀況評估方法[13-18]、基于設(shè)計規(guī)范的評估方法[19-20]和荷載試驗評估方法[19,21].

1)綜合技術(shù)狀況評估方法.橋梁綜合技術(shù)狀況評估常采用的是分層加權(quán)綜合的方法. 這類評估方法條理清晰，計算方便，應(yīng)用范圍廣，是一種典型的評估方法. 目前國內(nèi)外采用該評估方法的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)主要有：a)《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》(JTG H11—2004)[13]，簡稱“04養(yǎng)護規(guī)范”.該規(guī)范提供了兩種方法對橋梁技術(shù)狀況進行評估，分別是考慮橋梁各部件權(quán)重的加權(quán)綜合評定方法以及最差重要部件控制的評定方法. 加權(quán)綜合評定法將橋梁分為17個部件，分別對各部件進行評分，然后進行加權(quán)綜合，其評分結(jié)果采用百分制表示. b)《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T H21—2011)[14]，簡稱“11評定標(biāo)準(zhǔn)”.該標(biāo)準(zhǔn)是對04養(yǎng)護規(guī)范中的橋梁評定內(nèi)容的補充. 11評定標(biāo)準(zhǔn)采用的是分層加權(quán)的評定方法，全橋共分為5層，分別為“全橋?qū)印Y(jié)構(gòu)層→部件層→構(gòu)件層→病害層”. 與04養(yǎng)護規(guī)范相比，11評定標(biāo)準(zhǔn)對橋梁結(jié)構(gòu)形式、部件類型、評定指標(biāo)和評定標(biāo)準(zhǔn)等進行了更為詳細(xì)的規(guī)定，評估方法更合理，層次更清晰，降低了人為主觀因素對評定結(jié)果的影響. c)《城市橋梁養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》(CJJ 99—2003)[15]，簡稱“03城市養(yǎng)護規(guī)范”.該規(guī)范主要適用于城市橋梁，采用橋梁狀況指數(shù)(BCI)作為綜合技術(shù)狀況的評估指標(biāo). 根據(jù)被檢查部位的權(quán)重和評分值進行分項評估，然后再進行加權(quán)綜合. d)Recording and Coding Guide for the Structure Inventory and Appraisal of the Nation’s Bridges (FHWA)[17].美國聯(lián)邦公路局規(guī)定的橋梁狀態(tài)評估方法中要求首先對每個構(gòu)件的狀態(tài)進行評定，分為“好、中、差”3個狀態(tài)等級，然后由工程師根據(jù)構(gòu)件的整體狀況對組合部件(橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)等)進行定性的評估，分為0～9共10個等級，0表示結(jié)構(gòu)失效，9表示結(jié)構(gòu)處于非常完好狀態(tài). 此外，該指南還規(guī)定了橋梁健全性評定(sufficiency rating)，用來評估在役橋梁結(jié)構(gòu)健全性的指標(biāo)，其評分范圍在0～100之間，0分表示該橋梁缺損非常嚴(yán)重，100分則表示該橋梁完全健全. 健全性評估由結(jié)構(gòu)充分性和安全性、服務(wù)和功能性、公共使用性和特殊扣分項等4個部分組成.

2)基于設(shè)計規(guī)范的評估方法.這一類方法主要根據(jù)現(xiàn)場檢測的材料性能數(shù)據(jù)、實際結(jié)構(gòu)尺寸、實際支承狀況、外觀缺損等級及通行荷載等，按照結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論對橋梁承載能力進行評定. 美、英等國較早開始基于結(jié)構(gòu)可靠性的橋梁評估研究，并形成了一系列規(guī)范和文獻(xiàn). 近年來，中國也在積極開展這方面的研究工作.

中國《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21—2011)[19]中配筋混凝土橋梁以基于概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計方法為基礎(chǔ)，引入分項檢算系數(shù)修正極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式，對既有配筋混凝土橋梁承載能力進行評定. 美國主要采用《橋梁評定手冊》[20]作為橋梁檢測與評估的主要依據(jù). 美國橋梁的承載能力評估分為3個級別，即設(shè)計荷載評估、法定荷載評估和允許荷載評估[22]. 用評級系數(shù)(rating factor)表示橋梁承受荷載的能力. 美國橋梁的設(shè)計方法主要有3種，分別為允許應(yīng)力法、荷載系數(shù)法、荷載與抗力系數(shù)法. 荷載系數(shù)法的理論基礎(chǔ)是基于經(jīng)驗的極限狀態(tài)法，而荷載抗力系數(shù)法的理論則是基于可靠度理論的極限狀態(tài)法. 英國標(biāo)準(zhǔn)BD 21/01采用排序法對橋梁進行評估，按照英國運輸部BS 5400、BD 15、BA 16、BA 55標(biāo)準(zhǔn)所提供的計算方法，考慮缺損狀況，對橋梁結(jié)構(gòu)進行承載能力評估[23]. 日本采用耐負(fù)荷性能評估方法，即以橋梁的實際應(yīng)力與設(shè)計應(yīng)力比來判斷橋梁的耐負(fù)荷性能[24-25]. 通過連續(xù)72 h的測定，將得到的最大應(yīng)力度與設(shè)計應(yīng)力度相比，評估現(xiàn)有交通量下橋梁的耐負(fù)荷性能.

3)基于荷載試驗的評估方法.通過靜動力荷載試驗測得的數(shù)據(jù)對橋梁進行診斷識別和模型修正，根據(jù)修正后的有限元模型分析評定橋梁的實際承載能力. 利用現(xiàn)場測試獲得的數(shù)據(jù)，可以得到橋梁結(jié)構(gòu)的部分確定信息，將該信息應(yīng)用于橋梁評估中，降低評估結(jié)果的不確定性. 中國公路橋梁承載能力評估的荷載試驗主要依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)[19]和《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》(JTG/T J21-01-2015)[21]，它們基于試驗數(shù)據(jù)對橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)進行分析，進而評定橋梁的承載能力. 美國荷載試驗包括診斷性荷載試驗和驗證性荷載試驗[20]. 診斷性試驗是對檢算法中相關(guān)參數(shù)的修正；驗證性試驗則是直接評估法. 中美兩國規(guī)程在加載車輛的軸重上存在一定差別，美國的診斷性試驗中試驗效率可以取較低值.

1.2 基于系統(tǒng)工程理論的評估方法

除上述規(guī)范規(guī)定的評估方法外，國內(nèi)外學(xué)者積極引入系統(tǒng)工程理論，形成了一系列橋梁結(jié)構(gòu)的評估方法，如模糊綜合評估方法[26-29]、變權(quán)綜合評估方法[26,30]，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的評估方法[27,31]，基于云理論的評估方法[32-34]以及基于上述方法組合的評估方法等.

1)模糊綜合評估方法. Zadeh在1965年發(fā)表的論文《Fuzzy Sets》，標(biāo)志著模糊數(shù)學(xué)的誕生[35]. 模糊綜合評定方法以模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，將不確定信息定量化，構(gòu)造評判結(jié)果矩陣，得到評判對象隸屬于各個等級的隸屬度. 但是該方法中如何選擇模糊運算法則、如何合理確定隸屬函數(shù)等問題似沒有得到根本的解決[36].

2)變權(quán)綜合評估方法.汪培莊在1985年首先提出了變權(quán)的思想，強調(diào)指標(biāo)權(quán)重應(yīng)隨指標(biāo)狀態(tài)值的變化而變化，以彌補常權(quán)決策帶來的偏差[37]. 之后，1995年李洪興給出了變權(quán)原理的公理化體系[38]. 現(xiàn)在變權(quán)綜合評估方法被廣泛應(yīng)用于橋梁評估、電網(wǎng)性能評估和地質(zhì)評估等研究領(lǐng)域中[31,34,39]. 但是該方法中沒有對如何選取符合橋梁劣化規(guī)律的變權(quán)模式進行討論，目前尚無變權(quán)效果合適的變權(quán)模式.

3)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的評估方法.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過模擬神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，獲得較好的學(xué)習(xí)和識別能力. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要有以下幾個優(yōu)點：首先是在樣本足夠的前提下，能夠處理任意復(fù)雜非線性系統(tǒng)；其次是具有很強的魯棒性，少量神經(jīng)元連接的損壞不會影響整個系統(tǒng)的功能；再次是具有分布并行信息處理的功能[40-42]. 但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法需要大量樣本，若積累的橋梁資料不足，評估結(jié)果的準(zhǔn)確性是難以保證的.

4)基于云理論的評估方法.研究隨機現(xiàn)象的主要手段是概率理論，概率論有堅實的理論基礎(chǔ)，能夠很好地表示和處理隨機不確定性. 模糊集合理論是處理模糊不確定性問題的主要工具，在理論和應(yīng)用中取得了諸多成就[43]. 云理論是在以上兩種理論進行交叉滲透的基礎(chǔ)上，通過特定的算法，形成定性概念與其定量表示之間的轉(zhuǎn)換模型，并揭示隨機性和模糊性的內(nèi)在關(guān)系. 李德毅院士最早提出了云理論的概念[44]. 目前，基于云模型的評估方法已經(jīng)應(yīng)用于電力系統(tǒng)的評估研究當(dāng)中，但是在橋梁評估中的應(yīng)用尚處于初步研究階段.

此外，專家系統(tǒng)[45-48]、缺損狀況指標(biāo)法[49-50]、灰色關(guān)聯(lián)度評估法[51-54]等在橋梁評估中也進行了廣泛的研究.

1.3 基于長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的評估方法

基于長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的評估多進行單項評估，且主要考慮安全性問題. 例如，通過車輛荷載的統(tǒng)計以及主梁應(yīng)力數(shù)據(jù)分析，研究主梁最不利位置處的鋼材疲勞壽命；分析關(guān)鍵索力的疲勞壽命；分析結(jié)構(gòu)的頻率及阻尼比的變化趨勢，探索其與溫度、風(fēng)速等環(huán)境因素的相關(guān)性等等[55-58]. 目前，通過長期監(jiān)測數(shù)據(jù)實現(xiàn)損傷診斷仍是一個技術(shù)難題，且單方面的監(jiān)測評估也不能完全反映結(jié)構(gòu)的綜合性能.

2 評估數(shù)據(jù)信息源現(xiàn)狀分析

大跨徑纜索承重橋梁通常配備有養(yǎng)護管理系統(tǒng)和長期監(jiān)測系統(tǒng)，這兩個系統(tǒng)為橋梁的狀態(tài)評估提供了必要的人工檢查信息和長期監(jiān)測數(shù)據(jù). 下面對這兩類系統(tǒng)的發(fā)展情況和評估數(shù)據(jù)信息源現(xiàn)狀進行綜述和分析.

2.1 BMS發(fā)展現(xiàn)狀

1968年美國聯(lián)邦公路局開發(fā)出最早的橋梁管理系統(tǒng). 經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展和完善，BMS已在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，系統(tǒng)中除了對橋梁基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和養(yǎng)管信息進行數(shù)據(jù)存儲外[59-60]，還增加了橋梁技術(shù)狀況評價、中長期需求預(yù)測及費用分析、養(yǎng)護維修計劃等功能，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜. 國外較典型的橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)有：美國聯(lián)邦公路管理局開發(fā)的PONTIS系統(tǒng)、聯(lián)邦公路研究合作組織開發(fā)的BRIDGIT系統(tǒng)、丹麥公路BMS、日本道路公用BMS、法國的SCANPRINT系統(tǒng)等[61-63]. 中國BMS的研究起步始于80年代中后期. 在吸收國外開發(fā)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合各省市的橋梁發(fā)展情況，目前已開發(fā)的BMS軟件系統(tǒng)有：交通部公路研究所開發(fā)的“公路橋梁管理系統(tǒng)(CBMS)”、四川省橋梁養(yǎng)護數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、廣東省橋梁管理系統(tǒng)，臺灣地區(qū)公路局的橋梁管理系統(tǒng)等[64-65].

2.2 SHMS發(fā)展現(xiàn)狀

SHMS是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，融合了現(xiàn)代測試分析、計算機、數(shù)學(xué)理論和通訊等領(lǐng)域的尖端技術(shù). SHMS的主體目標(biāo)是通過測量反映橋梁環(huán)境激勵和結(jié)構(gòu)響應(yīng)狀態(tài)的某些信息，實時監(jiān)測橋梁的工作性能和評估橋梁的工作狀態(tài)，以保證橋梁的安全運營. 近些年，隨著對橋梁安全性和耐久性認(rèn)識的提高以及新型的檢測手段、監(jiān)測技術(shù)及信息傳輸手段的不斷涌現(xiàn)，使得結(jié)構(gòu)長期監(jiān)測技術(shù)有了長足的發(fā)展. 自90年代以來，許多國家將SHMS安裝在一些大型纜索承重橋梁和造型獨特新穎的非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的橋梁上[66]. 中國橋梁SHMS的研究與應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代后期，與其他國家相比，中國SHMS具有數(shù)量多、投資規(guī)模大的特點，如香港的青馬大橋、舟山跨海大橋、蘇通大橋和汀九大橋等. 目前，國內(nèi)已有上百座大型橋梁安裝了SHMS[67-69].

2.3 評估數(shù)據(jù)信息源現(xiàn)狀分析

2.3.1 人工檢查信息

BMS中人工檢查信息是主要的評估指標(biāo)來源. 目前外觀檢查仍以目測為主、檢測設(shè)備為輔，通過接近結(jié)構(gòu)物表面了解部件的缺損狀況，找出顯性病害并記錄病害特征. 由于巡檢設(shè)備的限制，不可避免地存在檢查盲點，例如索塔、橋墩或基礎(chǔ)的病害檢查. 此外，由于檢查手段的限制以及檢查人員的專業(yè)知識參差不齊，一些病害的嚴(yán)重程度表述不同，影響最終的評估結(jié)論.

對于重點養(yǎng)護的大跨徑纜索承重橋梁，在實際運營過程中，養(yǎng)護單位一般委托具有相關(guān)資質(zhì)的單位進行一年一次的全面檢查. 由于每年檢測的單位可能不同，使得構(gòu)件分類編號不同、病害描述不一致的現(xiàn)象時有發(fā)生，這無疑增加了病害連續(xù)性觀測和定位的難度. 此外，對于一些專項檢查內(nèi)容，通常只對當(dāng)次檢查的病害位置作認(rèn)定，缺乏整體的評估方法以及歷年發(fā)展趨勢的分析，這方面的連續(xù)性規(guī)律有待進一步挖掘.

2.3.2 長期監(jiān)測數(shù)據(jù)信息

長期監(jiān)測數(shù)據(jù)信息目前主要存在以下問題：1)數(shù)據(jù)失真逐年增多.由于傳感器自身信號故障、傳輸遺漏、外界環(huán)境干擾等因素，使得采集的數(shù)據(jù)往往出現(xiàn)不完整、有噪聲或不一致的現(xiàn)象. 監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是評估結(jié)構(gòu)完整度的前提，而幾乎每類傳感器都存在數(shù)據(jù)失真的問題. 如果海量數(shù)據(jù)大量堆積，必將成為制約SHM系統(tǒng)發(fā)揮其科學(xué)指導(dǎo)意義的瓶頸. 目前，長期監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)數(shù)據(jù)失真逐年增多的趨勢. 圖1給出了某大橋運營6 a后各類傳感器異常的統(tǒng)計情況，由圖可知，各類傳感器均出現(xiàn)了不同程度的損壞. 圖2給出了該橋索力的逐年損壞率，由圖可知，索力傳感器的異常率逐年增加，使用5 a后的異常率已超過半數(shù). 2)數(shù)據(jù)失真類型多樣.長期監(jiān)測數(shù)據(jù)失真較為嚴(yán)重，可歸納為兩種具有代表性的失真類型，即單點數(shù)據(jù)失真和連續(xù)數(shù)據(jù)失真. 對于單點數(shù)據(jù)失真較常出現(xiàn)的是單點缺失，這是在信號傳輸和采集過程中產(chǎn)生的，同時也存在個別的野值，即嚴(yán)重偏離大部分?jǐn)?shù)據(jù)所呈現(xiàn)變化趨勢的個別數(shù)據(jù)；對于連續(xù)數(shù)據(jù)常出現(xiàn)的問題是數(shù)據(jù)段漂移，相較于數(shù)據(jù)段缺失和紊亂，數(shù)據(jù)段漂移的判斷更加困難，需要定期觀測數(shù)據(jù)走勢，及時重新標(biāo)定傳感器. 3)其他問題.纜索承重橋梁的SHMS通常與BMS各自獨立運行，長期監(jiān)測數(shù)據(jù)分析也缺少與人工檢查病害的關(guān)聯(lián). 因而，海量監(jiān)測數(shù)據(jù)仍有待于有效的利用并更好的輔助養(yǎng)管單位進行有針對性的檢查與維修[70].

圖1 傳感器異常和損壞情況統(tǒng)計

圖2 索力傳感器異常率

3 橋梁狀態(tài)評估發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)

以人工檢查為主的BMS和以傳感器監(jiān)測為主的SHMS都有各自的弊端，都難以獨立成為橋梁狀態(tài)評估的理想數(shù)據(jù)來源. 鑒于此，有必要通過多源信息融合的方法將大跨度纜索承重橋梁的BMS與SHMS的數(shù)據(jù)信息進行采集、傳輸、綜合、過濾、相關(guān)及合成[71]，以期獲得合理、科學(xué)的評估結(jié)果.

信息融合技術(shù)作為一種智能化信息處理技術(shù)，已在工業(yè)過程、環(huán)境系統(tǒng)、金融系統(tǒng)等復(fù)雜系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與診斷維護等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，這使得BMS與SHMS的數(shù)據(jù)信息的融合成為可能. 近年來，實時監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)的巡檢養(yǎng)護相結(jié)合的趨勢已引起學(xué)術(shù)界和工程界的關(guān)注[72-73]. 實施信息融合的基礎(chǔ)是建立一套完善的融合功能模型和體系結(jié)構(gòu)，以描述系統(tǒng)中各組件的功能、相互關(guān)系以及數(shù)據(jù)流向. 近年來人們提出的功能模型有很多，例如情報環(huán)，美國三軍組織——實驗室理事聯(lián)合會提出的JDL(joint directors of laboratories)模型，John Boyd 提出的Boyd控制環(huán)，Dasarathy提出的融合模型，Bedworth等提出的瀑布模型、混合模型等.

情報環(huán)模型稍顯粗糙，Boyd控制環(huán)模型不能較好地反映評估結(jié)果對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的影響，Dasarathy模型有效地描述了各級融合行為，但是欠缺對系統(tǒng)融合目的的描述，而JDL模型按目標(biāo)分級，且應(yīng)用最為廣泛，因此，在此基礎(chǔ)上引入反饋機制，建立修正的JDL模型并應(yīng)用到橋梁評估中，如圖3所示.

圖3 纜索承重橋梁狀態(tài)評估的系統(tǒng)功能模型

Fig.3 Functional model of cable supported bridge condition evaluation

建立的修正JDL模型共包含4級[74]：1)自校融合、互校融合、特征提取. 這一級別主要針對多種信息源進行融合處理，糾正不一致、虛假的數(shù)據(jù)，并進行特征抽取，建立具有一致性、全面性的橋梁評估指標(biāo)體系. 信息源包含：長期監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器監(jiān)測到的環(huán)境特性數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)；巡檢養(yǎng)護系統(tǒng)中人工檢查到的幾何外觀缺損、材料退化、裂縫等信息；基于設(shè)計、施工、竣工資料建立起來的基準(zhǔn)有限元模型計算值. 2)綜合狀態(tài)評估. 在層次化指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，對各個指標(biāo)的權(quán)重和評估標(biāo)準(zhǔn)予以確認(rèn)，最終采用適合的算法對纜索承重橋梁的綜合技術(shù)狀況進行評估. 3)養(yǎng)護輔助決策. 根據(jù)評估結(jié)果，對纜索承重橋梁的運營狀況做更加詳細(xì)的說明，總結(jié)橋梁目前存在的性能缺陷和病害，為后期養(yǎng)護提供相關(guān)建議. 4)過程優(yōu)化. 將橋梁狀態(tài)評估和養(yǎng)護輔助決策信息保存到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫中管理，通過動態(tài)數(shù)據(jù)庫的鏈接實現(xiàn)優(yōu)化和數(shù)據(jù)反饋，可調(diào)整第1級中的信息源參數(shù)、優(yōu)化傳感器管理和優(yōu)化數(shù)據(jù)處理等，通過反饋自適應(yīng)提高系統(tǒng)的融合效果.

綜上所述，采用修正的JDL模型有望能夠很好地描述纜索承重橋梁狀態(tài)評估系統(tǒng)的各個組成部分的功能，而且通過數(shù)據(jù)庫更新實現(xiàn)了信息反饋，進而為信息融合及傳感器管理的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)平臺[75]. 信息融合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以抽象分為集中式和分布式兩種. 以層次化指標(biāo)體系的架構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合3個層次的融合結(jié)構(gòu)剖析，將信息融合系統(tǒng)設(shè)計為一個集散式的信息融合體系結(jié)構(gòu)，即分布式結(jié)構(gòu)和集中式結(jié)構(gòu)相結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)，如圖4所示.

圖4中的體系結(jié)構(gòu)以集中式的層次化指標(biāo)體系為支撐，在各個節(jié)點的融合上采用分布式，并將融合結(jié)果反饋給數(shù)據(jù)級，達(dá)到了反饋控制的目的. 這種結(jié)構(gòu)結(jié)合了集中式和分布式的優(yōu)點，系統(tǒng)既保留了盡量多的底層信息，又具有較好的可擴展性.

圖4 纜索承重橋梁狀態(tài)評估的信息融合體系結(jié)構(gòu)

Fig.4 Information fusion system structure of cable supported bridge condition evaluation

對于信息融合技術(shù)，從信息處理層次的角度可劃分為3個層次：數(shù)據(jù)級融合、特征級融合和決策級融合. 數(shù)據(jù)級融合信息融合技術(shù)與評估的對應(yīng)關(guān)系如圖5所示.

4 結(jié)論與展望

1)纜索承重橋梁評估復(fù)雜，不同評估方法得到的評估結(jié)果差異性大，且各種評估理論在實際應(yīng)用中均存在一定的局限性. 傳統(tǒng)的人工檢查對于橋梁隱蔽部位和結(jié)構(gòu)內(nèi)部的檢測效果不理想，且檢查結(jié)果的主觀性強. SHMS中傳感器的壽命、系統(tǒng)穩(wěn)定性以及監(jiān)測數(shù)據(jù)后處理技術(shù)一直是制約其發(fā)展的障礙. 引入多源信息融合技術(shù)，可以讓人工檢查數(shù)據(jù)和SHMS數(shù)據(jù)相互補充、相互支撐、相互校核，有望提高大跨徑索支承橋梁的評估結(jié)論的可信度.

2)纜索承重橋梁的狀態(tài)評估方面未來研究方向應(yīng)包括：針對纜索承重橋梁的評估規(guī)范或指南的制定；針對纜索承重橋梁群的評估標(biāo)準(zhǔn)化研究；新的無損檢測技術(shù)的開發(fā)；監(jiān)測數(shù)據(jù)的進一步深入挖掘以及傳感器技術(shù)的升級；信息融合技術(shù)在評估各層面的理論研究；預(yù)防性養(yǎng)護理念在大跨徑橋梁養(yǎng)護中的應(yīng)用.

圖5 信息融合模型與評估的關(guān)系

3)中國的橋梁已開始進入建養(yǎng)并重的歷史階段. 未來5～10 a，中國修建的大型橋梁基礎(chǔ)設(shè)施將會面臨病害或損傷頻發(fā)期，如何預(yù)知這些病害，如何評價這些橋梁，如何利用預(yù)防性養(yǎng)護的理念維修和加固這些橋梁必將成為橋梁工程界面臨的重大挑戰(zhàn)，同時也為橋梁工程師提供進一步施展才華的歷史機遇.

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Researchprogressofconditionevaluationforlargespancablesupportedbridges

HUANG Qiao, REN Yuan, XU Xiang, LIU Xiaoling

(School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Reasonable condition evaluation for large span cable supported bridges could reveal the actual condition of the bridges, make rational maintenance and repair strategy, and ensure the operational and structural safety. Firstly, the evaluation methods were reviewed based on the standards, specifications and system engineering, respectively. Secondly, the development of bridge management system and long monitoring system, and the status of evaluation information sources were analyzed and discussed. Finally, the chances and challenges were proposed faced by large span cable supported bridge condition evaluation, and the multi-source information fusion functional and structural models were presented. Reviews analysis shows that the evaluation standard for large span cable supported bridges is imminent. Visual inspection and long term monitoring, due to their disadvantages, cannot support bridge condition evaluation respectively. Information fusion induced to bridge condition evaluation is expected to increase the credibility of bridge condition evaluation results. Standardized evaluation method for cable supported bridge group is one of future development directions.

condition evaluation; cable supported bridge; research status; information fusion; inspection; health monitoring

10.11918/j.issn.0367-6234.201611103

U446.3

A

0367-6234(2017)09-0001-09

2016-11-22

國家自然科學(xué)基金(51208096)；江蘇省交通運輸科技項目重大科技專項(2014Y02)；江蘇省交通運輸科技項目(2012Y25)

黃 僑(1958—)，男，教授，博士生導(dǎo)師

黃 僑，qhuanghit@126.com

(編輯魏希柱)