湖北省高速公路大件運輸決策輔助系統研究

朱江華 韓 征 萬正華

(中南安全環境技術研究院股份有限公司 武漢 430071)

2021年湖北省大件運輸超限許可共計17.4萬輛，其中車貨總高度從地面算起超過 4.5 m，或者總寬度超過3.75 m，或者總長度超過28 m，或者總質量超過100 t的III類大件運輸約有4.2萬件。

高速公路是大件運輸的主要通道，為支持經濟發展，湖北省交通運輸廳公路管理局對全省主要高速公路進行了大件運輸通行能力評估。大件運輸通行高速公路主要從兩方面進行評價[1]：①公路的可通行尺寸(收費站進出口、互通匝道半徑、沿線凈空等)；②沿線橋梁的承載能力。通過對上述兩方面的相關數據進行分析整理建立數據庫，結合GIS技術開發決策輔助系統。

以往的大件運輸審批根據車輛的申請路線，對沿線橋梁進行驗算，而在決策輔助系統內輸入車輛技術指標、路線起終點等信息后，系統根據數據庫內參數比對結果給出通行路線。無法通過參數比對給出結果的，由第三方單位進行評估，同時將檢算結果錄入數據庫。本研究擬通過決策輔助系統的運用，大幅提高大件運輸審批的及時性。

1 決策輔助系統需求

在以往的大件運輸審批過程中，審批人員多根據經驗進行審批，技術風險高，特殊大件則臨時委托第三方進行評估，過程復雜、時效慢。

為了實現安全、快速地審批，大件運輸通行能力評估是關鍵環節[2]。因此，開發大件運輸車輛過橋決策輔助系統主要目標是：①為大件運輸提供技術支撐，精準掌握高速公路橋梁通行能力，建設更加方便快捷的過橋安全評價系統支撐；②大件運輸路線推薦及審核，結合用戶輸入的起終點、車輛信息等數據進行大件運輸車輛路線規劃，或者審核用戶選擇路線的可通行情況。

國內超重車輛評估時多采用“兩階段評估方法”[3]。對于常規梁式橋，采用橋梁影響線加載及活載效應對比為主的核心算法；當不能滿足要求或對于計算精度要求更高的大件運輸，則采用承載能力驗算的方式進行評估。

本系統對上述第一階段評估進行改進，結合GIS技術建立路段、橋梁、可通行車輛等數據庫，通過車輛參數的比對給出通行建議。通過方法的改進，可以為普通用戶服務，增強決策輔助系統的實用性和適時性。

2 系統主要框架

大件運輸決策輔助系統以公路可通行能力數據庫為基礎，包括公路的可通行尺寸數據庫和沿線橋梁的承載能力數據庫，通過數據庫的比對快速給出通行建議。

大件運輸車輛過橋決策輔助系統架構見圖1，系統可分為4層：基礎設施層、數據系統層、服務系統層、應用層。

圖1 大件運輸車輛過橋決策輔助系統架構圖

2.1 基礎設施層

提供系統運行所需要的基礎設施，主要包括是服務器資源、計算資源、存儲資源。目前基礎設施層使用云服務器，這樣做省去了自建機房的繁瑣過程，也免去了機房維護的麻煩。

2.2 數據系統層

提供對系統數據的存儲，數據包括車輛、車型基礎信息、橋梁信息、高速公路分段信息、模型驗算信息、用戶信息、基礎底圖信息等。

2.3 服務系統層

對外部或對系統內部提供系統運行所需要的服務，這些服務包括：Web服務、地理信息服務、數據庫服務。

1) Web服務。對外提供Web服務，用戶可以通過網頁的方式訪問應用系統，同時提供接口服務，方便后續其他系統有對接需求。

2) 地理信息服務。對外提供地理信息展示的服務，包括全省高速公路路網展示、橋梁展示、路線分段展示等等。

3) 數據庫服務。對系統內部提供數據庫服務，通過數據庫服務系統可完成數據庫的增刪改查等操作功能。

2.4 應用層

對外提供系統應用，這些系統應用包括：

1) 基礎地圖功能?；镜牡貓D功能包括：地圖放大、縮小、平移、全圖(湖北省)等，具有根據用戶輸入進行查詢定位功能，具備點擊進行單點查詢功能，同時還可以根據查詢進行要素選擇、清除選擇，具有距離量算、面積量算等功能。

2) 輔助決策功能。輔助決策主要用于超限車輛通行及路線規劃輔助決策，主要包括兩大功能點，即路線規劃、路線審核。

3) 統計分析功能。審批人員能夠通過日報、月報等數據報表的形式查看已審批車輛的統計信息，包括車輛信息，行駛路線等，方便管理人員對現有高速大件運輸超重車輛的分析。

4) 系統管理功能。系統管理(或稱為后臺管理)是系統有效運行的基礎，它實現對系統的用戶管理、權限管理、申報項目和信息管理、訪問量管理等應用。

3 系統核心算法

輔助決策功能主要對超限車輛能否通行及路線規劃進行輔助決策，算法流程見圖2。

圖2 系統核心算法流程圖

3.1 尺寸通過性評估

系統根據大件運輸車輛申報的起終點收費站調用收費站尺寸限制數據庫進行比對。比對通過的進行橋梁通過性評估，由系統分析最短通行路徑或者審核用戶填報的路線。否則，給出比對不通過的原因。

對于高速收費站可通過性評價主要考慮大件運輸車輛的車貨外廓尺寸是否滿足收費站出入口寬度、高度要求。通過對比，車貨外廓尺寸在收費站通過要求之內，即認為大件車輛在高速路收費站具有可通過性。收費站有效寬度為超寬車道寬度d、收費站的有效高度為收費站天棚至地面的高度h，示意圖見圖3。

圖3 高速公路收費站尺寸示意圖

對于高速互通可通過性評價主要是驗算車輛通過彎道的能力及轉彎過程中掃空面[4-5]。車輛通過彎道時，穩定轉向階段的車輛轉彎半徑最小，轉向車輪的轉角最大，車輪在彎道轉動所需的寬度最大，若彎道滿足車輛這個階段轉彎要求，那么車輛就可以正常通過，同時轉彎過程中掃空面范圍內也不能有障礙物，示意圖見圖4。通過對掛車組轉彎軌跡進行模擬確定不同半徑、凈寬匝道允許通行的大件運輸車輛的外廓尺寸，后期通過尺寸比對確定申請車輛能否通行。

圖4 掛車組轉彎示意圖

3.2 橋梁通過性評估

決策輔助系統內對橋梁承載能力的判別采用“車輛參數比較法”，在一橋一庫的基礎上，將申請車輛與橋梁的可通行車輛數據庫進行比對，包括軸重、軸數、軸距等參數，根據比對結果提出評估意見。無法通過數據庫比對的車輛再采用“實際荷載檢算法”進行橋梁承載能力驗算，即在申請車輛荷載作用下對橋梁結構的強度、剛度、穩定性進行驗算。

通過調查分析，湖北省大件運輸車輛掛車軸重多為140～180 kN，軸數多為4～10軸，軸距多為1～1.65 m；牽引車軸荷布置較為接近，且重量較小。因此，在決策輔助系統內可以通過比對申請車輛與典型車輛的掛車參數來進行通過性評估。根據不同的軸重、軸數、軸距，選取18種車輛作為典型車輛，覆蓋總質量為100～255 t的大件運輸車輛。對湖北省主要高速公路根據不同的荷載等級、結構形式、設計單位等指標選取556座典型橋梁，通過檢算分析建立“典型車輛可通行車輛數據庫”。255 t以上的大件運輸車輛數量較少，可單獨進行承載能力評估。

當申請車輛的軸重不大于可通行車輛的軸重，軸數不大于可通行車輛的軸數，軸距不小于可通行車輛的軸距時，申請車輛的荷載效應小于可通行車輛的荷載效應，則申請車輛可以通行。采用數據庫比對的方法可以大幅提高出具評估意見的效率。

大件運輸車輛進行檢算過程中相關系數取值如下。

1) 荷載組合分項系數。結合《公路橋涵設計通用規范》及鄰省大件運輸車輛通行橋梁安全評估的有關經驗，在檢算過程中承載能力極限狀態荷載組合為1.2×恒載+1.1×大件運輸荷載。

2) 荷載沖擊系數。根據JTG 5120-2021 《公路橋涵養護規范》6.4.2條，超重車輛過橋時，應符合下列規定。

①超重車輛應沿橋梁結構的中心線行駛。

②車輛以不大于5 km/h的速度勻速行駛。

③嚴禁在橋上制動、變速、停留。

④不得有其他車輛同時過橋。

實際情況中多數大件運輸車輛在車速管控上難以執行上述規定，為了保證橋梁的安全，進行評估時計算沖擊系數的影響。

3) 承載力檢算系數。計算橋梁結構承載能力極限狀態的抗力效應時，應根據橋梁試驗檢測結果，當其橋梁技術狀況等級為“3類”或更差時，如有必要應對橋梁缺損狀況、材質狀況，以及狀態參數進行檢測，以確定其承載能力惡化系數和檢算系數Z1。

湖北省高速公路橋梁技術狀況為1類、2類時，承載能力檢算系數根據經驗偏安全地取為1[6]，技術狀況為3類、4類、5類時禁止通行。

4) 偏載系數。大件運輸車輛通過彎橋時難以控制居中行駛，因此建立縱向單梁模型時，根據工程經驗，偏保守取偏載放大系數1.15。在進行獨柱墩橋梁抗傾覆能力驗算時則考慮實際荷載情況。

4 系統數據維護

大件運輸車輛過橋評估主要是以保證橋梁安全和大件運輸車輛通過性為目標進行的結構驗算，是以承載能力極限狀態為控制的荷載最不利組合與橋梁的抗力進行對比，其主要控制因素為上部結構梁體的承載能力安全性。所以有必要對橋梁的基礎信息數據庫進行維護，維護內容包括以下2個方面。

1) 建立典型橋梁清單庫，每年根據橋梁技術狀況，特別是上部結構的技術狀況進行數據更新，判斷是否存在對結構承載力有影響的因素，確定相應的檢算相關參數。

2) 對承載能力較低的橋梁以及經過加固的典型橋梁進行特殊檢查，在大件運輸車輛通過此類橋梁的時候對其進行監測，通過應力、撓度等數據進行直觀的判斷。

5 結語

能否快速地進行大件運輸安全性評價直接影響著主管部門的審批效率，通過對高速公路典型橋梁進行預評估，建立可通行車輛數據庫，開發大件運輸決策輔助系統，消除了大件運輸審批過程中“風險高、時效慢”的缺點。該系統還可以智能推薦可通行路線，避免在審批過程中多次改線導致效率低下。大件運輸決策輔助系統為大件運輸實現快速審批提供技術支撐，對提高大件運輸決策的科學性具有現實意義。