桥梁健康监测系统设计与实现（基于桥梁养护管理系统的辅助决策技术研究）

程勋煜 沈刚 陆海珠 纵焱 黄若昀江苏高速公路工程养护技术有限公司

摘 要：随着科技水平的发展，在桥梁养护管理系统的基础上，开展信息化、智能化、标准化、规范化的桥梁科学养护辅助决策技术研究极为重要。基于江苏高速公路桥梁养护管理系统基础信息完备化、病害信息充分结构化为前提，通过大量的调研和论证，确定相关指标和方法，开展桥梁病害预警、重点关注桥梁、桥梁养护排序、集中处治决策优化、养护项目库建设等辅助决策功能的开发，以期为桥梁养护管理系统辅助决策的推广建设提供良好地借鉴。

关键词：高速公路;桥梁管理系统;辅助决策;

桥梁结构在寿命期间，受到建设时的施工条件、材料性能等先天因素，以及运行车辆、环境影响等后天因素的影响，将面临结构设计功能退化的困境，影响到结构的安全性、适用性、耐久性。随着江苏省高速公路通车里程的逐渐增加，交通流量的快速增长，社会公众对路线、桥梁服务水平的要求也不断提高，江苏高速公路桥梁养护管理的任务也将越来越繁重，其桥梁养护决策的方式与效能也面临着逐步提升的需求[1]。

1 辅助决策主要功能设计

江苏高速公路桥梁养护辅助决策以桥梁养护管理系统基础信息完备化、病害信息充分结构化为前提，通过大量的调研和论证，确定相关指标和方法，开展桥梁病害预警、重点关注桥梁、桥梁养护排序、集中处治决策优化、养护项目库建设等功能开发，支持桥梁养护辅助决策[2,3],江苏高速公路桥梁养护管理系统辅助决策模块的功能框架如图1所示。

1.1桥梁病害预警

桥梁病害预警的目的是根据一定的指标设定，在病害发现的第一时间提醒相关路桥单位管理人员及时关注，必要时采取及时的措施，确保桥梁安全运行。

病害预警对象包括全部7类主要梁式结构以及4类主要部构件，7类主要梁式结构包括：RC板梁、PC板梁、PC组合箱梁、T梁、RC现浇箱梁、PC等截面现浇箱梁、PC变截面现浇箱梁；4类主要部构件包括：立柱、盖梁、伸缩缝装置、支座。

图1 桥梁养护辅助决策框架

1.1.1预警指标管理

主要指预警指标解析等工作，具体包括：通过“上部结构类型 承重构件材料类型”、“构件类型”、“病害类型”、“病害尺度”、“病害分布”、“病害发展情况”等组合逐条定义预警指标；“病害尺度”主要涉及缝宽超限、通长裂缝、裂缝量大密集这几种，对这几种需事先根据尺度数据定义判断条件；“病害分布”主要涉及相对跨中“正八字”分布腹板斜向裂缝，以及梁端腹板斜向裂缝(通过裂缝角度和位置判断)[4]。

1.1.2预警等级

病害预警的目的是提醒相关管理人员及时关注，分为两级预警：红色预警和黄色预警。其对应的级别特征和建议的报送对象见表1,预警人员配置如图2。

表1 病害预警级别特征及报送对象

预警级别	级别特征	建议报送对象
红色	病害影响结构安全，需立即关注	逐级管理人员至公司工程部桥梁工程师
黄色	病害存在安全隐患，需适时关注	各管理处、大队桥梁管理员

图2 预警等级人员设置示例

1.1.3预警信息管理

按预先设定的病害预警信息报送对象，在现场发现桥梁病害且达到预设的预警指标时，在系统网页端可以及时查看到具体的预警病害信息，同时红色预警信息还可以通过手机短信接收。

桥梁养护管理系统可显示近一年预警病害信息，各级用户分不同权限查看相应结果，预警信息结果查看如图3。

图3 预警信息查看示例

1.2重点关注桥梁

重点关注桥梁分为单项主题关注和综合指标关注两类。单项主题从管理者关注角度出发，结合部省相关文件规定，落实相关指标；综合指标是指根据指标的重要性程度不同对其赋予一定的权重，通过加权平均计算方法得到桥梁关注度分值，从而得到关注度高低排序。

指标的选取原则包括两点：一是与桥梁当前状况、重要程度等密切相关；二是指标信息便于准确采集。第二个原则旨在利用养护管理数据库已有桥梁相关数据信息，通过信息化手段实现对这种筛选方法的落实，从而始终能根据更新的桥梁数据快速得到最新的桥梁关注度信息，实现动态的管理。

1.2.1单项主题关注

单项主题分为4种：长大桥梁、特殊结构、跨越重要构造物、技术状况，各主题指标取值列于表2。

表2 桥梁关注度指标

主题关注类型	指标分解
长大桥梁	按桥梁全长L>1 000 m按桥梁单孔“最大跨径”Lk>60 m
特殊结构	按上部结构类型：刚架拱、系杆拱、组合拱、板拱、肋拱、箱形拱、斜拉桥、悬索桥
跨越重要构造物	按跨越地物类型：铁路、等级道路按通航等级：取等外级以上
技术状况	将二类桥按技术状况得分划分区间(04评分):88>Dr≥80;80>Dr≥70;70>Dr≥60对二类桥分值区间有降低的，以及三类桥，列入技术状况关注

关注桥梁列表显示信息包括：桥名、桥梁编码、桩号、管养单位、跨径组合、结构类型、关注原因。对于关注原因，4个主题分别显示不同内容，“长大桥梁”列明桥梁全长、单孔最大跨径；“特殊结构桥梁”列明关注的结构类型对应孔跨，例“第8孔，系杆拱”;“跨越重要构造物桥梁”列明跨越地物、通航等级；“技术状况关注桥梁”列技术状况变化情况，单项主题关注桥梁列表如图4。

1.2.2综合主题关注

根据长大桥梁、特殊结构、跨越重要构造物、技术状况关注主题的重要性程度不同赋予一定的权重，通过加权平均计算方法得到桥梁关注度分值，以公式表示如下：

Si=Dr·pDr Sp·pSp St·pSt Cr·pCr

式中：Si为桥梁关注度；Dr为技术状况指标得分；Sp为长大指标得分；St为特殊结构指标得分；Cr为跨越重要构造物指标得分；p为相应指标权重。

权重可由路桥单位各层级管理人员自行设置，关注桥梁列表桥梁按综合关注度Si分值从大到小默认排列(对分值相同的按最大跨径从大到小排序),显示信息包括：桥名、桥梁编码、桩号、管养单位、跨径组合、结构类型、关注原因，同时列出四项指标分别满足的情况，综合指标关注桥梁列表如图5。

图4 单项主题关注桥梁列表示例

图5 综合指标关注桥梁列表示例

1.3桥梁养护排序

桥梁养护排序主要服务于年度养护计划制定时，对信息量巨大的全年技术跟踪和检查结果，根据指标算法首先筛选出需要进行结构性维修加固的桥梁，并估算其余集中处治桥梁的处治工程量需求，从而为桥梁工程师提供下一年度的桥梁处治计划参考[5]。

根据桥梁养护管理系统检查数据，对结构性维修加固处治需求分析，开发了PC板梁和RC板梁两种结构类型的维修加固处治方案。同时按桥梁病害程度不同提出养护对策计划，按要紧程度将维修排序级别设A、B两级，再根据具体病害参数在两级内各有桥梁中先后排序。一般而言，A级建议立即列入年度计划安排，B级在经费允许时可列入计划，经费不足时可列入重点关注桥梁跟踪其病害发展。

采用逐级分层次综合判断法建立排序模型，主要包括构件重要性、病害类型、病害特征、病害分布、病害发展等5种，如表3所示。

表3 桥梁养护排序决策指标

指标类型		指标含义	备注
结构指标	构件重要性	是否为重要部构件。〈从对桥梁受力来说是主要传力路径构件还是辅助受力构件角度提出指标。〉	参照JTG/T H21表3.2.2桥梁主要部件。
	病害类型	结构性裂缝、梁体下挠、梁体横向位移。	主要针对裂缝和位移两大类常见病害。
	病害特征	最大长度、最大宽度、位移量；“名义间距”。	裂缝和位移的量化指标，判断超限与否；名义间距：病害密集性。
	病害分布	裂缝位置、病害构件占比。	裂缝位置：判断是否处于受力区；病害构件占比：病害普遍性。
	病害发展	趋于稳定、发展。	病害发展性

(1)列入A级处治级别的可选取指标项包括：

全桥技术状况三类及以下；部件技术状况四类及以下；存在底板横向裂缝，且发展；存在腹板竖向裂缝，且发展；存在腹板受力斜向裂缝，且发展；裂缝宽度超限；单板受力可能。

对应配置项：“裂缝宽度超限”指标对应裂缝宽度设置，“单板受力可能”对应铰缝通长渗水和桥面反射裂缝是否需要同时存在。

(2)列入B级处治级别的可选取指标项包括：

存在底板横向裂缝，稳定，但存在超载运行；存在腹板竖向裂缝，稳定，但存在超载运行；存在腹板受力斜向裂缝，稳定，但存在超载运行。

在排序结果输出上，按上部结构类型、处治级别(A、B)以及病害严重程度(病害构件数占比、裂缝“名义间距”)排序。

结果列表显示信息包括：桥名、桥梁编码、桩号、管养单位、跨径组合、结构类型、处治级别、处治原因(包括“技术状况三类”、“重要构件存在受力裂缝，且发展”、“重要构件存在受力裂缝，且存在超载运行”等组合)。

1.4集中处治决策优化1.4.1处置方案管理

首先建立病害类型与处治方案的对应关系(即“病害-处治方案库”的建立),并管理综合单价，如图6。分基础方案库和用户方案库两种。基础方案库包含的处治方案有：封缝、灌缝、混凝土破损修复、钢筋除锈阻锈、板式支座更换、盆式支座更换、伸缩缝装置更换、伸缩缝混凝土破损修补、伸缩缝橡胶条更换，由用户进行综合单价管理；用户方案库由用户添加集中处治方案，形成自己的“病害-处治方案库”,方案内容及综合单价均由用户进行管理[6]。

图6 处治方案管理示例

处治方案管理建立了系统内桥梁病害与处治方案的对应关系，在此基础上，桥梁养护管理系统可根据历次检查结果自动运算需处治的工程量。对系统生成的处治工程量，用户可根据实际管理需求进行管理，如对部分病害存量非常小的桥梁暂时不纳入下一年度的处治计划，系统开发了工程量调整必要的人机互动。

1.4.2工程量管理

处治方案管理建立了系统内桥梁病害与处治方案的对应关系，在此基础上，系统可根据历次检查结果自动运算需处治的工程量。对系统生成的处治工程量，用户可根据实际管理需求进行管理。

此处以某路桥单位2019年桥梁检查数据为例，桥梁系统基于内置的处治方案决策条件，以及用户配置的处治方案，可汇总计算出当前待集中处治的工程量，汇总结果如表4。用户同时可对工程量进行在线调整，根据实际情况确定年度处治工程量。

表4 2019年某路桥单位桥梁集中处治工程量估算

维修内容	工程量	单位
封缝	39 790.5	m
灌缝	2 255.6	m
混凝土修补	15.64	m3
钢筋除锈阻锈	498.6	m2
板梁、T梁板式支座更换	7 771	个
组合箱梁板式支座更换	2 652	个
盆式支座更换	27	个
伸缩装置更换	22.9	m
伸缩缝橡胶条更换	754.2	m

1.4.3路段及资金配置

该功能根据需要处治的工程量，将路段、资金作为配置条件，根据处治工程量合理划分养护项目工程包的大小。

路段配置优化方法：支持路桥单位工程师在线配置路线、路段(段区)、桩号范围、处治内容，桥梁系统实时呈现工程包组成详情，以供工程师决策。选取合适后，可定义工程包名称，生成一条工程包记录。

资金配置优化方法：在设定工程包资金限额的前提下，按“段区优先”和“方案优先”两类优化原则，提供最优符合资金的工程包。

在给定一定养护资金的情况下，系统可支持自动计算多种接近该资金的工程包方案，提供养护工程师决策；如对2019年度某路桥单位桥梁养护项目，给定200万元的资金，桥梁系统自动优选出以下几类方案组合，供工程师决策，决策结果如表5。

表5 各段区养护工程费用估算

费用预算/万元	段区	包含路线	包含主要维修内容	优化原则
199.09	宁扬高速段	G40	封缝、灌缝	段区优先
195.82	京沪淮安段	G2	钢筋除锈阻锈、组合箱梁板式支座更换、封缝灌缝、混凝土修补	段区优先
148.99	京沪淮安段、京沪江都段	G2	支座更换	方案优先

1.5养护项目库建设

对某一特定问题描述的目标案例，通过该模块可实现在系统案例库中检索与其属性最相符的案例，以辅助养护方案决策。具体方法是指通过提取桥梁基础信息、病害信息、评定信息、维修信息作为特征描述，以精确匹配和最近相邻匹配作为检索策略，以相似度模型进行计算，最终选择历史养护维修案例作为路桥单位养护工程师的处治决策参考[7]。

2 结语

江苏高速公路桥梁养护辅助决策系统是以技术状况水平、服务水平、投资效益评估结果等因素为依据的养护决策机制，构建以自动评价为主、人工评价为辅的桥梁性能评价体系，在已有桥梁养护数据信息充分挖掘利用的基础上，全面掌握桥梁技术性能，比选合理的养护方案，科学制定桥梁养护决策，合理分配养护资金，保障桥梁运行安全，这对于实现高速公路桥梁养护管理工作的高效性，促进桥梁养护管理水平的提升具有重大的意义。

参考文献

[1] 刘大洋，黄文韬，斯新华，等.桥梁病害智能诊断与养护决策系统研究[J].公路交通技术，2021,37(1):101-105.

[2] 程勋煜，陆海珠，黄若昀，等.中小跨径桥梁养护管理系统研究及开发[J].公路，2021,66(6):362-366.

[3] 张鸿，张永涛，王敏，等.全过程自适应桥梁智能建造体系研究与应用[J].公路，2021,66(4):124-136.

[4] 朱明敏，尹新刚，王晓晶.基于生命过程的桥梁智能养护决策方法研究[J].公路交通科技：应用技术版，2012,8(12):17-19.

[5] 王桂萱，宫本文穗，晏班夫，中村秀明.桥梁智能决策辅助系统的开发[J].公路交通科技，2004,(9):70-73.

[6] 陈中治，杨武.桥梁智能设计专家系统研究与开发[J].公路交通科技，2012,29(10):88-95.

[7] 夏烨，王鹏，孙利民.基于多源信息的桥梁网级评估方法[J].同济大学学报：自然科学版，2019,47(11):1574-1584.

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