公路桥梁抢修方案拟制专家系统设计

李遂汝，管 晔，张 娜

(军事交通学院 国防交通系，天津 300161)

● 国防交通 National Defense Traffic

公路桥梁抢修方案拟制专家系统设计

李遂汝，管 晔，张 娜

(军事交通学院 国防交通系，天津 300161)

为提高公路桥梁抢修方案拟制效率，提升我军公路桥梁保障效能，在梳理人工拟制公路桥梁抢修方案基本步骤、分析公路桥梁抢修方案拟制影响因素的基础上，利用基于规则的专家系统设计方法，实现对公路桥梁抢修方案人工拟制过程的模拟，可为下一步开发公路桥梁抢修方案拟制专家系统奠定基础。

公路桥梁；抢修方案；专家系统

在公路网中，桥梁是战时遭敌打击的重点目标，也是自然灾害中最易受损的地段，更是公路工程抢修中难度较大的环节，而对于战时或自然灾害中受损桥梁修复的关键是桥梁抢修方案的快速拟制。目前，我国尽管对重点公路桥梁均已制订了抢修预案，但由于公路桥梁的结构多样，破坏现场复杂，在实际抢修之前仍需要桥梁抢修专家根据多年经验和大量数据，经过反复计算才能给出符合具体破坏情况的抢修方案，这一过程通常需要几个小时甚至几天的时间。特别是对于没有抢修预案的大量普通公路桥梁，或者在桥梁抢修专家不能及时抵达现场的情况下，快速拟制合理的桥梁抢修方案就显得更为困难。专家系统立足于现代人工智能、决策评估等理论，通过模拟人工决策的过程给出决策结果。从相关领域专家系统的研究成果来看，其可将决策过程缩短至十几分钟之内完成。因此，研究设计公路桥梁抢修方案拟制专家系统，对于提高抢修方案拟制效率，具有重要的意义。

1 人工拟制的思路分析

经查阅相关文献，当前尚没有开展可借鉴的、与公路桥梁抢修方案拟制专家系统直接相关的研究工作。因此，本文将从研究公路桥梁抢修方案人工拟制的过程入手，实现所设计的专家系统对人工拟制过程的初步模拟。

通过汇总与公路桥梁保障领域专家的交流结果得出，传统桥梁抢修方案人工拟制的过程大致包括3个环节：一是桥梁评估环节。即利用现有较为成熟的桥梁检测评估方法，如目视检查法、荷载实验法等[1]，确定桥梁受损情况，判断是否需进行抢修或抢建。二是方案确定环节。即通过综合考虑可用器材、抢修现场条件、结构整体和局部强度等因素，经过反复核算比对，初步确定抢修方案。三是方案细化环节。即根据现场施工条件、人员和设备数量等，确定方案施工进度和所需器材数量等内容。可以看出，在传统桥梁抢修方案拟制过程中，特别是第2个环节，比较依赖于专家的自身经验，启发式思维的过程较多，各环节和因素之间的逻辑联系较为模糊，不便于利用计算机技术予以实现。

因此，在上述3个环节基础之上，通过对各环节和因素之间逻辑联系的进一步梳理，本文将传统公路桥梁抢修方案人工拟制的基本思路细化为5个步骤(如图1所示)：一是桥梁受损情况评估。通过荷载实验法、挠跨比法等，对受损桥梁剩余承载能力进行检测评估，确定是否需要进行抢修，并明确桥梁进行抢修的受损部位和工程量。二是确定初选抢修方案。根据所确定的受损部位和工程量，结合可用的抢修器材和器材的使用方式，初步确定抢修方案。对于使用就便器材的情况，应根据就便器材的类型，选用合适的等效模型拟制相应的初选方案。三是方案的检算和校核。对于所确定的初选方案，根据桥梁的结构形式和需通过桥梁的荷载情况，选用相应的检算模型，对抢修结构的整体和局部强度、刚度、稳定性等进行检算，遴选出可行方案。四是方案的修改和完善。根据抢修现场的环境条件，进一步遴选可以实施的方案，对于可实施但受限的方案，应标明所造成的工程耗费、施工难度和施工进度的增加量。五是方案的细化和比较。对所有可以实施的方案，确定其方案图示、工程耗费、施工难度、施工进度和所需器材设备的数量，并通过多元评价指标体系确定方案的优劣顺序。

图1 公路桥梁抢修方案人工拟制流程

2 公路桥梁抢修方案拟制影响因素分析

从上文梳理的人工拟制公路桥梁抢修方案的步骤可以看出，人工拟制的过程需要考虑5个方面的因素，即受损部位和工程量、可用抢修器材、桥梁的结构形式、荷载情况以及抢修环境条件。因此，为实现对人工拟制过程的模拟，应首先明确专家系统对这5个方面主要因素的实现方式。

2.1 受损部位和工程量

桥梁主要由上部结构(桥跨)和下部结构(墩台)组成，不同的部位受损应采取不同的抢修方式。此外，不同的受损情况也决定了抢修工程量的差别。当桥梁受损但仍具有一定承载力时，可通过加固修复的方法进行，上部结构可采用加大截面法、外贴加劲材料法、体外预应力法或搭设“桥上桥”减载结构等方式，下部结构可采用钢套管加固技术、绕丝加固技术、包裹FRP片加固技术等；当桥梁损毁严重不具有承载能力时，可根据损毁跨度(高度)，利用制式或就便器材搭建临时抢修结构。因此，在系统实现中，应根据对桥梁检测评估的结果，标明桥梁受损的部位、起讫点、长度、受损程度(完好、受损或破坏)等情况，并在抢修器材的适用条件中包含上述几个方面的属性。

2.2 可用抢修器材

公路桥梁抢修施工中可用的抢修器材主要包括制式器材和就便器材两大类。制式器材主要包括“321”装配式公路钢桥、ZB200和ZB450等几种梁部器材，六五式军用桥墩和八三式军用桥墩等几种墩部器材，特殊情况下也可将梁部器材和墩部器材互换使用；就便器材主要包括型钢、条木、钢板等。对于制式器材，在其设计时已经确定了其使用方式，抢修中应按照设计要求确定抢修方案；对于就便器材，其种类复杂多样，使用灵活多变，需根据具体情况确定。因此，在系统实现中，对于制式器材，可直接根据器材的使用要求，构建器材和器材使用方案的知识库；对于就便器材，可通过构建等效模型的方式，将常用的就便器材组合方案纳入器材知识库。使用时，通过将抢修要求与知识库中各方案进行比对，来确定可选用的器材和器材使用方式。

2.3 桥梁的结构形式

桥梁结构形式的分类有很多种，按照受力特点可分为梁桥、拱桥、刚构桥、悬索桥、斜拉桥和组合体系桥，其中悬索桥、斜拉桥和组合体系桥主要适用于高墩大跨度情形。对于高墩大跨度桥梁来说，由于其结构复杂、墩高桥长，一旦受到破坏，短时间内没有修复的可能性，因此在抢修方案拟制中可不予考虑。对于梁桥、拱桥和刚构桥来说，梁桥受力方向与承重结构的轴线接近垂直，抢修中主要关注其抗弯要求；拱桥通过拱圈和拱肋进行承重，抢修中主要关注其抗压要求；刚构桥在受到破坏时通常视为梁桥进行抢修。因此，在系统实现中，可仅针对梁桥和拱桥进行系统设计。对于破坏长度(高度)超过器材保障极限的高墩大跨度桥梁(单孔跨度大于40 m，墩高超过15 m)，可直接确定无抢修方案；其他情况下应根据梁桥和拱桥受力的不同，对器材使用方式和检算模型进行分类，使用时比对桥梁的结构形式进行选用。

2.4 荷载情况

公路桥梁所承受的荷载主要包括恒载和活载两个部分。恒载取决于桥梁自身和抢修结构的形式，活载主要为通过桥梁的车辆荷载。根据车辆走行部受力的不同，车辆走行部主要可分为履带式结构和轮式结构。履带式结构在计算中通常等效为均布荷载的形式，应明确荷载的长度和分布密度；轮式结构在计算中通常等效为集中荷载的形式，应明确集中荷载的大小(轴重)和集中荷载的间距(轴距)。此外，考虑到部分超宽车辆的存在，还应明确荷载的横向宽度，以确定车辆的横向通过性。因此，在系统实现时，应在桥梁的结构形式中同时确定桥梁自重的分布情况，在不同器材的使用方案中确定器材的自重分布，根据通过车辆走行部的结构形式标明车辆荷载的长度、分布密度或轴重、轴距参数，在方案检算时应根据荷载情况对检算模型进行区分。

2.5 抢修环境条件

从桥梁抢修的角度来看，影响公路桥梁抢修方案拟制的环境条件主要包括水的因素和施工场地两个方面。水的因素主要影响所架设临时墩的施工难度和稳定性。架设临时墩可缩短桥梁跨度，增加桥梁抢修方案的数量，但是需进行围堰抽水作业，施工难度增大；从稳定性角度来看，不同抢修器材对不同基础条件下桥墩的水深和流速都有不同的要求，如对于八三式军用桥墩，水深不得超过8 m或墩高的3/4，流速不得大于3 m/s。施工场地方面主要影响单次抢修作业规模，如场地受限可能会导致大型施工机械无法展开而只能依赖人工，或导致制式抢修器材单次拼组数量受限等情况。因此，在系统实现中，可首先在不考虑抢修环境条件的情况下来确定初选抢修方案，然后根据施工场地确定初选方案是否可以实施或标明实施中对初选方案预期工程成本和进度的增加量。当确定的初选抢修方案不足时，再通过考虑水的因素来架设临时墩，以增加抢修方案的数量。

3 系统的具体设计

根据上文的分析，公路桥梁抢修方案拟制专家系统设计包括“数据输入、方案分析、方案输出、已输入数据、检算工具、导入/导出”6个模块和1个知识库(如图2所示)。

图2 公路桥梁抢修方案拟制专家系统结构

其中，前3个模块构成“输入—分析—输出”的基本逻辑结构。“已输入数据”模块用于掌控方案生成各阶段系统的数据情况；“检算工具”模块用于为专业人员进行人工拟制时提供检算辅助；“导入/导出”模块提供分析数据和分析结果的可移植途径。知识库内嵌于系统之中，包含推理规则、检算模型和器材使用方案3个方面。与经典的基于规则的专家系统比较，“数据输入”模块和“导入/导出”模块是系统的数据输入/输出接口，“方案分析”模块是系统的推理机，“方案输出”模块是系统的解释机，“检算工具”模块是系统的知识获取机制，“已输入数据”模块是系统的黑板[2]。

3.1 “数据输入”模块设计

该模块的目的是通过友好的图形指示界面，引导用户将用于方案生成所需的全部数据录入系统，需要保证数据输入的直观性、准确性和全面性。本文将桥梁抢修方案生成所需输入的数据进行梳理汇总(见表1)。其中，考虑到桥梁结构信息和荷载信息的复杂性，为保证数据输入的直观准确，设计采用GUI图形绘制的方式进行输入。

表1 “数据输入”模块所需输入的数据内容汇总

3.2 “方案分析”模块设计

该模块是在所输入的初始数据基础之上，通过调用知识库中的推理规则来生成可行的抢修方案，其设计的关键在于推理规则的确定。通常，抢修器材的使用是根据抢修的跨度(高度)确定的。但是，由于公路桥梁可能并不是全跨受损，仍具有可以利用的桥梁结构，抢修过程中可将整座桥梁拆分成多个抢修位置。因此，在抢修方案的推理中，应首先根据抢修位置划分桥梁抢修子方案，进而再确定子方案中各抢修位置器材的使用方式，并调用知识库中的检算模型对各子方案进行检算。如对于梁桥来说，首先可通过完好桥墩将整座桥梁的抢修位置进行分割，然后根据修复桥墩的位置确定梁部抢修的跨度组合，最后根据抢修器材的使用方式确定各子方案中墩部、梁部的抢修内容(如图3所示)。

3.3 “方案输出”模块设计

该模块主要用于汇总展示“方案分析”模块中所生成的方案内容，并通过对各方案进行多元比较给出优劣性评价。因此，该模块的设计主要包括3个方面的内容：一是方案展示内容的设计。根据抢修施工的需要，应展示抢修方案图、所需器材列表、施工进度图等几个方面。二是方案评价机制设计。可根据器材使用数量、工时消耗、施工机具数量等几个方面进行多元评价比较，考虑到不同情况下决策者对于各方面偏重程度的差异，比较时应由用户确定各方面指标的权重值。三是数据传递通道的设计。该模块除与“方案分析”模块建立数据传递通道之外，还应建立与“已输入数据”模块和知识库的数据联系，用于从“已输入数据”模块中获得方案的基本情况，从“方案分析”模块中获得方案的组合方式和子方案的名称，从知识库中获得子方案的具体施工内容。

图3 公路桥梁抢修子方案划分

3.4 “已输入数据”模块设计

该模块实时获得并显示由“数据输入”模块和“导入/导出”模块进入系统的数据，主要用于方案生成各阶段对已输入的数据情况进行检查，便于寻找分析结果出现的异常情况。因此，该模块在前台应具有以图形、图表和文字的形式进行展示的图形界面，在后台应具有与“数据输入”模块和“导入/导出”模块相连的数据传递通道，以保证对进入系统的数据进行实时更新。同时，为保证系统运行的稳定性，该模块应在系统中建立独立的数据存储空间，且不提供对所显示数据更改的操作权限。

3.5 “检算工具”模块设计

该模块是由外部获取本系统知识库中检算模型的一个知识获取机制，主要用于桥梁抢修专家人工拟制抢修方案时进行检算辅助，是根据实际需要对本系统功能的拓展。为了实现这一功能，首先应通过对知识库中系统所涉及的各类检算模型进行参数化处理，预留检算模型的可操作接口；然后根据检算模型参数的情况，构建不同检算模型的人机交互界面；最后应建立模块与知识库检算模型之间的数据传递通道，实现前台操作和后台信息的连接。

3.6 “导入/导出”模块设计

该模块通过提供分析数据和分析结果的移植途径，来减少分析过程中的重复工作，主要通过文件操作来实现。具体来说，分析数据方面，模块应与“已输入数据”模块建立联系，在“已输入数据”模块设置数据导入/导出接口，在“导入/导出”模块进行数据打包和解包操作；分析结果方面，模块应与“方案输出”模块建立联系，在“方案输出”模块设置结果导入/导出接口，在“导入/导出”模块进行结果打包和解包操作。

4 结 语

公路桥梁抢修是战时和应急情况下公路交通保障的重点内容之一，研究设计公路桥梁抢修方案拟制专家系统，能够有效提高抢修方案拟制效率，提升我军公路桥梁保障效能。本文根据桥梁抢修专家经验，梳理了人工拟制公路桥梁抢修方案的基本步骤，通过系统分析各步骤要点的实现方法，实现了对公路桥梁抢修方案拟制过程的初步模拟，为下一步公路桥梁抢修方案拟制专家系统的开发奠定了基础。

[1] 刘锡鑫.中小跨径混凝土梁式桥重装备通过性快速检测评估技术研究[D].天津：军事交通学院，2011：2-5.

[2] 蓝元沛，焦起祥，关志东，等.飞机设计选材专家系统的开发[J].北京航空航天大学学报，2010(11)：1358-1364.

(编辑：张硕)

Expert System Design for Formulating Repair Plan of Road Bridge

LI Suiru, GUAN Ye, ZHANG Na

(National Defense Traffic Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

To improve the efficiency of formulating repair plan and promote the support effect of road bridge, after introducing the basic procedure for formulating repair plan of road bridge and analyzing the influencing factors, the paper simulates the process with the method of rule-based expert system, which can provide foundation for further developing expert system for formulating repair plan of road bridge.

road bridge; repair plan; expert system

2016-07-08；

2016-07-23．

李遂汝(1989—)，男，硕士，助教．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.01.003

U445.7

A

1674-2192(2017)01- 0010- 05