TRIZ理論在橋梁健康狀態(tài)快速診斷中的應(yīng)用

向陽(yáng)　舒昕　李曉行

摘 要：針對(duì)橋梁表觀檢測(cè)過(guò)程中人工成本大、耗時(shí)長(zhǎng)、效率低等問(wèn)題，研究一種新的檢測(cè)診斷方法，以突破傳統(tǒng)檢測(cè)效率問(wèn)題。為了解決該技術(shù)難題，項(xiàng)目組成員在TRIZ理論的指導(dǎo)下，利用TRIZ發(fā)明原理和創(chuàng)新工具，針對(duì)橋梁健康狀態(tài)快速診斷問(wèn)題，提出了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)自動(dòng)化解決方案，為項(xiàng)目成員提供了新的突破方向。

關(guān)鍵詞：TRIZ理論；橋梁健康診斷；橋梁健康狀態(tài)

中圖分類號(hào)：U446 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A Doi：10.3969/j.issn.1672-2272.202306085

Application of TRIZ Theory in Rapid Diagnosis of Bridge Health Status

Xiang Yang， Shu Xin， Li Xiaoxing

（Wuhan Bridge Special Technology Co.，Ltd. of China Railway Major Bridge Engineering Group，

Wuhan 430205， China）

Abstract：The main focus of this paper is on the high labor cost， long time consumption， and low efficiency of bridge surface inspection. A new detection and diagnosis method is studied to break through the traditional detection efficiency problem. In order to solve this technical problem， project team members use TRIZ's invention principle， under the guidance of TRIZ theory， follow the steps of TRIZ theory， and use TRIZ's innovative tools， Aiming at the problem of rapid diagnosis of bridge health status， an automated solution for Structural health monitoring of bridges has been generated， which has brought a new breakthrough direction for project members.

Key Words：TRIZ Theory；Bridge Health Diagnostics；Bridge Health Status

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加速，橋梁作為基礎(chǔ)交通設(shè)施的重要組成部分，其健康狀況對(duì)于保障公共安全具有舉足輕重的地位。橋梁結(jié)構(gòu)在正常營(yíng)運(yùn)期間會(huì)受到設(shè)計(jì)、施工、氣候、環(huán)境、交通等因素的影響，如果相關(guān)人員沒(méi)有及時(shí)對(duì)這些帶有結(jié)構(gòu)性損傷的橋梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估，那么就無(wú)法保障橋梁的有效使用。這不僅危害車(chē)輛的運(yùn)行安全，而且還會(huì)減少橋梁的使用壽命，甚至引發(fā)橋梁損壞或者倒塌等問(wèn)題。

橋梁健康診斷是指橋梁結(jié)構(gòu)在受到自然的、人為的破壞，或者經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期使用后，通過(guò)測(cè)定其關(guān)鍵性能指標(biāo)判斷橋梁本身是否受到損傷，如果確定了出現(xiàn)損傷，還要具體確定其損傷的位置、程度，由此判斷橋梁的剩余使用價(jià)值和使用壽命。

目前國(guó)內(nèi)外診斷橋梁健康的方式是通過(guò)觀察橋梁表觀病害，通過(guò)人工儀器檢測(cè)來(lái)確認(rèn)橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，從而決定進(jìn)行小型的病害修補(bǔ)或者拆除重建。這種方法不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且有嚴(yán)重的滯后性，那么如何快速、簡(jiǎn)單地判斷橋梁健康狀態(tài)成為亟待解決的難題。

為突破技術(shù)難題，本文采取試錯(cuò)法、頭腦風(fēng)暴法等多種方法進(jìn)行試驗(yàn)，但是結(jié)果都不理想。為此利用TRIZ理論建立技術(shù)系統(tǒng)，得出影響設(shè)備運(yùn)行的功能因素，找到解決問(wèn)題的切入點(diǎn)，并利用TRIZ理論中的創(chuàng)新原理、標(biāo)準(zhǔn)解系統(tǒng)及功能化模型得到最優(yōu)解決方案[1]。

1 傳統(tǒng)的橋梁健康狀態(tài)診斷方法

傳統(tǒng)的橋梁健康檢測(cè)方法是技術(shù)人員到橋梁現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行定期檢查，在當(dāng)前的橋梁養(yǎng)護(hù)工作中存在許多不足：①工作效率低。查看一座橋梁需花費(fèi)一人半天或一天的時(shí)間，不適合現(xiàn)代大量橋梁養(yǎng)護(hù)護(hù)理的要求。②準(zhǔn)確性差。橋況數(shù)據(jù)基本上以人工采集為主，需通過(guò)檢查人員到橋梁現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行目視檢查獲得外部現(xiàn)狀，通過(guò)各種外部特征來(lái)綜合判斷橋梁狀況，如圖1所示。由于技術(shù)人員用肉眼檢查橋梁的現(xiàn)狀，在橋梁病害尺度的把握上存在著人為誤差，而對(duì)于肉眼無(wú)法看出的危險(xiǎn)情況則又無(wú)法準(zhǔn)確把握，使得通過(guò)該系統(tǒng)的評(píng)價(jià)結(jié)論的準(zhǔn)確性較差。③安全性低。由于橋梁的數(shù)量巨大，而技術(shù)人員和設(shè)備有限，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)運(yùn)營(yíng)中的所有（或大部分）橋梁進(jìn)行有效的橋況評(píng)估，時(shí)常遺漏一些危橋的重要信息而發(fā)生車(chē)毀人亡的事故。

2 基于TRIZ原理構(gòu)建橋梁健康狀態(tài)診斷體系

2.1 項(xiàng)目問(wèn)題分析

為了可以更好地理解橋梁健康檢測(cè)的工作原理，分別對(duì)項(xiàng)目的功能進(jìn)行描述：①橋梁外部監(jiān)測(cè)，即對(duì)橋梁外部環(huán)境溫濕度及橋梁表觀等進(jìn)行監(jiān)測(cè)；②橋梁內(nèi)部監(jiān)測(cè)，即對(duì)橋梁內(nèi)部應(yīng)力、振動(dòng)等結(jié)構(gòu)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；③健康狀態(tài)評(píng)定，即根據(jù)橋梁內(nèi)外部監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)定橋梁的健康狀態(tài)等級(jí)。

現(xiàn)存的問(wèn)題為，在橋梁外部監(jiān)測(cè)時(shí)，人工巡檢橋梁表觀狀態(tài)效率低、時(shí)間長(zhǎng)。在橋梁內(nèi)部監(jiān)測(cè)時(shí)，通過(guò)搬運(yùn)儀器儀表進(jìn)入橋梁內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

2.2 改進(jìn)目標(biāo)

經(jīng)過(guò)TRIZ原理分析，改進(jìn)目標(biāo)包括以下四部分：①減少人力資源成本；②縮短橋梁健康檢測(cè)時(shí)間；③進(jìn)一步提高檢測(cè)效率；④提高檢測(cè)方法的經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)改進(jìn)目標(biāo)，常規(guī)的解決方案為：通過(guò)機(jī)械設(shè)備等方法對(duì)橋梁部構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)，提高工作效率，減少監(jiān)測(cè)周期。然而，理想檢測(cè)方法需要檢測(cè)效率高且具有一定經(jīng)濟(jì)性。

2.3 系統(tǒng)分析

2.3.1 組件模型

在建立組件模型之前，首先需要確定技術(shù)系統(tǒng)，并根據(jù)技術(shù)系統(tǒng)的定義，確定該技術(shù)系統(tǒng)的作用對(duì)象、技術(shù)系統(tǒng)組件、超系統(tǒng)組件[2]。而該技術(shù)系統(tǒng)的功能是監(jiān)測(cè)橋梁健康狀態(tài)，因此，本技術(shù)系統(tǒng)的作用對(duì)象是橋梁，技術(shù)系統(tǒng)的組件為檢測(cè)人員、儀器儀表、支撐件，技術(shù)系統(tǒng)的超系統(tǒng)為環(huán)境?；谝陨辖⒔M件，進(jìn)行組件之間的作用分析，采用規(guī)范化的功能描述方式建立的組件模型圖，如圖2所示。

2.3.2 組件價(jià)值分析

組件價(jià)值分析運(yùn)用價(jià)值工程的方法，以阿奇舒勒定義的理想度為衡量標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)評(píng)估有用作用、有害作用及成本，來(lái)確定組件的理想度[3]。從組件模型圖可以看到，技術(shù)系統(tǒng)的有害及不足作用主要集中在自動(dòng)化和成本效率方面。通過(guò)對(duì)于技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的組件價(jià)值分析建立技術(shù)系統(tǒng)。通過(guò)定量分析求解出理想度指標(biāo)，其中成本分配規(guī)則為：1-10，1是最便宜，10是最昂貴，可以發(fā)現(xiàn)其中的成本和效率理想度最低，因此，技術(shù)系統(tǒng)中的人員是價(jià)值最低組件，可以作為裁剪對(duì)象，該技術(shù)系統(tǒng)的裁剪分析如圖3所示。

如果將檢測(cè)人員裁減掉，則該功能無(wú)法在技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)，需用新的方案來(lái)代替它，于是形成剪裁方案：裁剪檢測(cè)人員，不用人員進(jìn)行傳統(tǒng)的橋梁健康監(jiān)測(cè)，而是引入自動(dòng)化監(jiān)測(cè)傳感器，滿足：（1）降低人工成本；（2）實(shí)現(xiàn)高效率自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。如表1所示。

2.3.3 問(wèn)題分解

對(duì)于造成橋梁健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)成本高、效率低的問(wèn)題，我們進(jìn)行了因果分析。通過(guò)因果鏈分析，得到監(jiān)測(cè)成本高、效率低問(wèn)題的兩個(gè)原因：人工成本以及監(jiān)測(cè)儀表的自動(dòng)化程度。將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為：①如何避免或降低人工成本；②如何增強(qiáng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的自動(dòng)化程度，提高監(jiān)測(cè)的效率。

3 TRIZ工具運(yùn)用

TRIZ理論解決問(wèn)題一般分為三步：首先將待解決問(wèn)題轉(zhuǎn)化為T(mén)RIZ中的通用問(wèn)題模型，然后利用TRIZ中相應(yīng)的中間工具，得到TRIZ的解決方案模型，最后將方案模型應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題，得到最終的解決方案。本文分別利用創(chuàng)新原理、資源分析及標(biāo)準(zhǔn)解法系統(tǒng)獲得解決方案，下面從問(wèn)題的因果分析出發(fā)，詳細(xì)說(shuō)明待解問(wèn)題的解決方案[3]。

3.1 解決問(wèn)題的步驟

3.1.1 避免或降低人工成本

針對(duì)如何避免或降低人工成本的問(wèn)題，需要調(diào)整人員的用工數(shù)量及用工時(shí)間，但是在調(diào)整用工數(shù)量和用工時(shí)間后擔(dān)心會(huì)影響橋梁監(jiān)測(cè)的工期，得到的解決方案為：通過(guò)自動(dòng)化采集傳輸設(shè)備代替人工監(jiān)測(cè)。

3.1.2 提高監(jiān)測(cè)儀表的自動(dòng)化程度

針對(duì)如何提高監(jiān)測(cè)儀表的自動(dòng)化程度，需要改善設(shè)備的自動(dòng)化屬性，通過(guò)人工方式操作監(jiān)測(cè)儀表既增加了人工成本，也降低了工作效率。那么改善監(jiān)測(cè)儀表的自動(dòng)化強(qiáng)度，可以得到的解決方案有：通過(guò)增加采集傳輸單元、服務(wù)器設(shè)備等實(shí)現(xiàn)橋梁監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化。

3.2 進(jìn)化定位分析

技術(shù)系統(tǒng)如同人一樣也要經(jīng)歷出生、成長(zhǎng)、成熟及衰退過(guò)程，因此對(duì)技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)化分析，有利于對(duì)技術(shù)系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行預(yù)測(cè)，有利于對(duì)新產(chǎn)品進(jìn)行戰(zhàn)略布局。對(duì)于監(jiān)測(cè)儀表的采集方式我們可以采用進(jìn)化方案，向著IOT物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化采集進(jìn)化，對(duì)于傳輸方式可向互聯(lián)網(wǎng)5G傳輸進(jìn)化，提高傳輸效率。該解決方案的原理為：通過(guò)IOT物聯(lián)網(wǎng)傳感器，解決傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)儀表需要人工操作的問(wèn)題，降低人工成本，通過(guò)無(wú)線5G互聯(lián)網(wǎng)傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提高監(jiān)測(cè)自動(dòng)采集傳輸處理效率。

3.3 方案評(píng)估

備選方案：①降低人員用工數(shù)量；②降低人員用工時(shí)間；③采用IOT物聯(lián)網(wǎng)傳感器；④采用互聯(lián)網(wǎng)5G進(jìn)行高速傳輸；⑤采用采集單元進(jìn)行自動(dòng)化采集；⑥采用高智能自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)儀表。

從備選方案評(píng)價(jià)可以看出《IOT物聯(lián)網(wǎng)傳感器》《5G高速傳輸》《采集儀自動(dòng)化采集》3個(gè)方案評(píng)價(jià)較高，在實(shí)際工程中應(yīng)用可能性比較大，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

本文應(yīng)用TRIZ方法對(duì)橋梁健康狀態(tài)診斷方法進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)，解決了傳統(tǒng)人工檢測(cè)方法效率低、準(zhǔn)確性不高、安全性差的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化快速診斷，優(yōu)化了橋梁健康診斷方法，提升了診斷效率及經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)TRIZ原理在上述橋梁健康快速診斷方法的應(yīng)用可以發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)的創(chuàng)新方法，比如試錯(cuò)法、頭腦風(fēng)暴法等，TRIZ理論具有鮮明的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。實(shí)踐證明，運(yùn)用TRIZ理論可大大加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進(jìn)程，而且能得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品。其能夠幫助系統(tǒng)地分析問(wèn)題情境，快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的本質(zhì)或者矛盾；能夠準(zhǔn)確確定問(wèn)題探索方向，突破思維障礙，打破思維定勢(shì)，以新的視覺(jué)分析問(wèn)題；能根據(jù)技術(shù)進(jìn)化規(guī)律預(yù)測(cè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，幫助開(kāi)發(fā)富有競(jìng)爭(zhēng)力的新產(chǎn)品[4-6]。

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（責(zé)任編輯：張雙鈺）

基金項(xiàng)目：湖北省創(chuàng)新方法推廣應(yīng)用基地服務(wù)能力建設(shè)項(xiàng)目（2020IM020800）

作者簡(jiǎn)介：向陽(yáng)（1988-），男，中鐵大橋局武漢橋梁特種技術(shù)有限公司高級(jí)工程師，研究方向：橋梁智慧管養(yǎng)；舒昕（1986-），男，中鐵大橋局武漢橋梁特種技術(shù)有限公司高級(jí)工程師，研究方向：橋梁智慧管養(yǎng)；李曉行（1994-），女，中鐵大橋局武漢橋梁特種技術(shù)有限公司工程師，研究方向：橋梁智慧管養(yǎng)。