城市橋梁群養(yǎng)護系統(tǒng)整體設(shè)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(xué)，安徽合肥，230601；2.南京工業(yè)大學(xué)，江蘇南京，211866

0 引言

近年來，橋梁事故頻發(fā)，尤其是鄉(xiāng)村橋梁與傳統(tǒng)橋梁無法做到全局監(jiān)測和管養(yǎng)，造成了極其嚴(yán)重的社會影響，凸顯了橋梁管理與養(yǎng)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(tǒng)管養(yǎng)系統(tǒng)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(shè)步伐，導(dǎo)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(tǒng)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(quán)威，管養(yǎng)系統(tǒng)與現(xiàn)行結(jié)構(gòu)評估評價規(guī)范聯(lián)系不強，系統(tǒng)僅能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)警難以實現(xiàn)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(jié)合當(dāng)前橋梁管理養(yǎng)護系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，本文在總結(jié)橋梁工作者開發(fā)的各種橋梁管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出橋梁群管理概念，構(gòu)建橋梁群管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)介紹

在本系統(tǒng)中，以區(qū)域進行劃分，不同區(qū)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(tǒng)擁有不同的登入頁面，如：業(yè)主、管理員、橋梁專家。在登錄以后均可以看見某市的某區(qū)域市政橋梁群組，點開橋梁群組可看見該區(qū)域的衛(wèi)星地圖，其中包括已經(jīng)錄入系統(tǒng)內(nèi)的各種橋梁。

該流程圖可以清晰地反映出本系統(tǒng)運營時的操作流程。錄入系統(tǒng)內(nèi)的各個橋梁均可以打開上述的橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)界面。若返回衛(wèi)星地圖界面，可以選擇橋梁對比子系統(tǒng)，此子系統(tǒng)是對橋梁群組內(nèi)的數(shù)座橋梁的養(yǎng)護數(shù)據(jù)進行橫向?qū)Ρ龋奖惝?dāng)?shù)貥蛄汗芾砭窒逻_(dá)群養(yǎng)護決策，以達(dá)到快捷、高效、及時的養(yǎng)護目的。

2 橋梁群管理與養(yǎng)護子系統(tǒng)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(yǎng)護記錄四大子系統(tǒng)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(yǎng)護系統(tǒng)，下面將分別做詳細(xì)介紹。

2.1 橋梁基本概況子系統(tǒng)

橋梁基本概況子系統(tǒng)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(tǒng)。該子系統(tǒng)又分為靜態(tài)信息子系統(tǒng)以及動態(tài)信息子系統(tǒng)（如圖2）。靜態(tài)信息子系統(tǒng)主要包括橋梁的類型；橋梁基本數(shù)據(jù)（橋梁全長、橋梁跨徑、橋下凈空等）；橋梁主要構(gòu)件編號以及橋梁地理信息圖片。動態(tài)信息子系統(tǒng)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(tài)信息。

此系統(tǒng)建立的目的是讓用戶高效、詳細(xì)地掌握選中橋梁的基本概況。以靜態(tài)數(shù)據(jù)、地理圖片、3D模型、近期照片、動態(tài)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ龋層脩艨焖僬莆崭鞣N橋梁的數(shù)據(jù)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(tǒng)

橋梁歷史檔案，是指從橋梁建成到使用系統(tǒng)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(shù)據(jù)提供的從橋梁建成到使用系統(tǒng)時所有的橋梁損傷記錄、養(yǎng)護記錄、維修記錄，為今后橋梁養(yǎng)護進行參考。

現(xiàn)有的橋梁歷史檔案管理實踐存在的問題較多，可歸結(jié)為四點：工程建設(shè)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(yuǎn)的橋梁歷史檔案往往得不到政府和社會的有效保護；負(fù)責(zé)橋梁歷史檔案管理的人員業(yè)務(wù)能力和綜合素質(zhì)普遍偏低，難以勝任工作；檔案工作的經(jīng)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(shè)計的橋梁歷史檔案子系統(tǒng)在橋梁工作者對于橋梁歷史檔案的要求下，在總結(jié)前人的橋梁歷史檔案子系統(tǒng)的基礎(chǔ)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(biāo)橋梁的評估養(yǎng)護中做參考。

（2）橋梁工程師可以在此子系統(tǒng)提交以及修改橋梁日常檢測報告，業(yè)主以及當(dāng)?shù)貥蛄汗芾砭挚梢源蛴蛄含F(xiàn)有的檢測報告。

（3）查詢檢修技術(shù)的存檔。橋梁歷史檔案子系統(tǒng)中積累很多實用的橋梁檢修技術(shù)，用戶（專家與管理員）可以搜索檢修技術(shù)關(guān)鍵詞查詢，以借鑒之前的檢修技術(shù)對本地區(qū)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(yǎng)護記錄。此子系統(tǒng)中包含合肥市橋梁群組中橋梁從建造起至系統(tǒng)建立時所有的損傷記錄以及養(yǎng)護記錄。用戶可以搜索時間關(guān)鍵詞進行檢索，以對之后的養(yǎng)護以及橋梁結(jié)構(gòu)評估提供前期數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（5）查詢具有文物價值橋梁上的雕塑、題字等文物的養(yǎng)護報告。

2.3 橋梁評估信息子系統(tǒng)

本子系統(tǒng)包含兩個部分橋梁技術(shù)狀況評定子系統(tǒng)和橋梁承載力評估子系統(tǒng)。

（1）橋梁技術(shù)狀況評定子系統(tǒng)：首先，通過對養(yǎng)護規(guī)范JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》[9]、JTG/T H21-2011《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》[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(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)以及橋面系，包括上部承重與一般構(gòu)件、支座、橋墩、墩臺基礎(chǔ)、河床、排水系統(tǒng)、伸縮縫裝置、橋面鋪裝等等評價指標(biāo)。

其次，再利用層次分析法，將橋梁分跨評估，在每跨內(nèi)分為上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、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(gòu)造各層次判斷矩陣，給出單排序的權(quán)重；

③計算單一層次下的指標(biāo)權(quán)重并進行一致性檢驗；

④計算對于總目標(biāo)的相對權(quán)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?shù)臄?shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)中以后，先進行剔除異常數(shù)據(jù)，把橋梁各個構(gòu)件的數(shù)據(jù)與相應(yīng)的閾值比較，后通過規(guī)范對比審查：若數(shù)據(jù)已經(jīng)不滿足規(guī)范規(guī)定，則與城市橋梁群管理與養(yǎng)護系統(tǒng)連接的城市高架橋梁監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)會得到指令進行及時報警[4]；若數(shù)據(jù)仍然滿足規(guī)范規(guī)定，則將本次橋梁技術(shù)狀況評估的數(shù)據(jù)保存，自動上傳到橋梁歷史檔案信息子系統(tǒng)，作為下一次橋梁技術(shù)狀況評估的依據(jù)。

（2）基于模糊綜合評價法的橋梁承載力評估子系統(tǒng)：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(zhuǎn)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(gòu)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(xiàn)的各種結(jié)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(guān)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(guān)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(tǒng)提供的橋梁歷史評估報告，經(jīng)過橋梁技術(shù)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(yǎng)護記錄子系統(tǒng)

橋梁養(yǎng)護有兩層含義。橋梁養(yǎng)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(tài)的健康檢測、監(jiān)測、評估以及養(yǎng)護工作；另一方面是指對日常橋梁養(yǎng)護工作有重大參考意義的橋梁歷史評估養(yǎng)護記錄的收集與管理，相當(dāng)于靜態(tài)信息參考資料。這樣做的優(yōu)點是當(dāng)橋梁出現(xiàn)問題時，我們可以在橋梁歷史檔案信息系統(tǒng)以及對橋梁技術(shù)狀況評估和橋梁承載力評估的基礎(chǔ)上，再進行分析和確定養(yǎng)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(yǎng)護依據(jù)：本系統(tǒng)設(shè)計以《城市橋梁養(yǎng)護技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[8]（CJJ99-2017）為養(yǎng)護標(biāo)準(zhǔn)。

本文設(shè)計的橋梁養(yǎng)護子系統(tǒng)是基于橋梁評估信息子系統(tǒng)輸出的評估報告，根據(jù)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(yīng)性，在子系統(tǒng)所儲存的橋梁養(yǎng)護決策庫中篩選可行性高、適應(yīng)性強的養(yǎng)護決策建議，輸出橋梁養(yǎng)護決策報告。以決策樹的形式呈現(xiàn)橋梁養(yǎng)護記錄子系統(tǒng)的工作流程圖如圖6所示。

同時，本系統(tǒng)輸出的橋梁養(yǎng)護決策建議報告是基于養(yǎng)護決策庫中篩選出的較合適的養(yǎng)護決策，在實際工程中，還要根據(jù)當(dāng)?shù)毓こ處煹膶I(yè)經(jīng)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(yǎng)護決策的下達(dá)。用戶也可以提供相應(yīng)的管理和養(yǎng)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(shù)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(tǒng)設(shè)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(biāo)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(tǒng)功能都能得到實現(xiàn)與完成，用戶可以根據(jù)自己不同的需求來獲取信息。

4 結(jié)論

我們研究的這套系統(tǒng)的最大特色是橋梁群養(yǎng)護和管理方案，它能針對某個城市的所有橋梁進行靜態(tài)信息收集和動態(tài)信息監(jiān)控，然后進行狀態(tài)評估和養(yǎng)護管理，使橋梁管理與養(yǎng)護達(dá)到智慧、高效、集約的設(shè)計理念。同時橋梁管理與養(yǎng)護系統(tǒng)的研究與開發(fā)是一個循序漸進、復(fù)雜又長期的過程。因為在開發(fā)過程中不僅要考慮功能時效性、信息準(zhǔn)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(fā)與設(shè)計系統(tǒng)。所以我們將在未來對這一套系統(tǒng)做出優(yōu)化，首先應(yīng)該加強系統(tǒng)數(shù)據(jù)決策的能力，其次，要讓數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)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(fù)的能力，最后要圍繞著橋梁技術(shù)狀況進行動態(tài)評定，及時更近橋梁的基本信息，使隨時評定變?yōu)榭赡堋?/p>