城市桥梁群养护系统整体设计与管理功能研究

陈栎阳，汪清华，李宏龙，王相洋，李繁

1.安徽建筑大学，安徽合肥，230601；2.南京工业大学，江苏南京，211866

0 引言

近年来，桥梁事故频发，尤其是乡村桥梁与传统桥梁无法做到全局监测和管养，造成了极其严重的社会影响，凸显了桥梁管理与养护工作在桥梁健康运维过程中的重要性；另外，我国桥梁传统管养系统主要存在三方面的问题：模式落后，难以跟进市政桥梁的建设步伐，导致大量桥梁信息不能及时入档、桥梁集群概念不清；不够健全，各级管理部门各自为政，缺乏一个统一的沟通平台，不能有效地针对城市所有桥梁信息进行资源整合[1]；不够权威，管养系统与现行结构评估评价规范联系不强，系统仅能够实现预警难以实现决策与评估。为了保证桥梁得到及时的维护和合理的管理，结合当前桥梁管理养护系统的发展现状，本文在总结桥梁工作者开发的各种桥梁管理系统的基础上，提出桥梁群管理概念，构建桥梁群管理系统。

1 系统介绍

在本系统中，以区域进行划分，不同区域桥梁被分为市政桥梁群组、跨河大桥桥梁群组两大类群组并且不同等级的客户在本系统拥有不同的登入页面，如：业主、管理员、桥梁专家。在登录以后均可以看见某市的某区域市政桥梁群组，点开桥梁群组可看见该区域的卫星地图，其中包括已经录入系统内的各种桥梁。

该流程图可以清晰地反映出本系统运营时的操作流程。录入系统内的各个桥梁均可以打开上述的桥梁养护管理系统界面。若返回卫星地图界面，可以选择桥梁对比子系统，此子系统是对桥梁群组内的数座桥梁的养护数据进行横向对比，方便当地桥梁管理局下达群养护决策，以达到快捷、高效、及时的养护目的。

2 桥梁群管理与养护子系统介绍

我们建立了拥有桥梁基本概况、桥梁历史档案信息、桥梁评估信息、桥梁养护记录四大子系统和桥梁群可视化界面、多级管理信息界面等两大界面的城市桥梁群管理与养护系统，下面将分别做详细介绍。

2.1 桥梁基本概况子系统

桥梁基本概况子系统是在用户选择所需查看的桥梁以后介绍该桥梁基本信息的子系统。该子系统又分为静态信息子系统以及动态信息子系统（如图2）。静态信息子系统主要包括桥梁的类型；桥梁基本数据（桥梁全长、桥梁跨径、桥下净空等）；桥梁主要构件编号以及桥梁地理信息图片。动态信息子系统主要包括与城市桥梁交通部连接的桥梁上实时交通量的变化，以及桥上车辆荷载动态信息。

此系统建立的目的是让用户高效、详细地掌握选中桥梁的基本概况。以静态数据、地理图片、3D模型、近期照片、动态数据等样式，全方位地向用户介绍桥梁的基本信息。同时也可以将此群组所包含的桥梁进行数据横向对比，让用户快速掌握各种桥梁的数据变化情况。也可以在本界面下载桥梁基本概况电子报告，用户可以打印参考留根。

2.2 桥梁历史档案信息子系统

桥梁历史档案，是指从桥梁建成到使用系统时具有保存价值的文字、图像、声像等多种载体的原始记录，以及桥梁改造过程中需保存的具有历史价值的实物，如桥上的雕塑、题字、栏杆等。还有基于大数据提供的从桥梁建成到使用系统时所有的桥梁损伤记录、养护记录、维修记录，为今后桥梁养护进行参考。

现有的桥梁历史档案管理实践存在的问题较多，可归结为四点：工程建设方的档案意识薄弱，忽视对桥梁改造前的历史文化信息材料的挖掘与收集保护；知名度不高、地理位置偏远的桥梁历史档案往往得不到政府和社会的有效保护；负责桥梁历史档案管理的人员业务能力和综合素质普遍偏低，难以胜任工作；档案工作的经费投入保障不足，桥梁历史档案管理无法保证正常运行[2]。所以，如图3，本文设计的桥梁历史档案子系统在桥梁工作者对于桥梁历史档案的要求下，在总结前人的桥梁历史档案子系统的基础上提供了以下功能：

（1）打印桥梁历史检测评估报告，方便用户在目标桥梁的评估养护中做参考。

（2）桥梁工程师可以在此子系统提交以及修改桥梁日常检测报告，业主以及当地桥梁管理局可以打印桥梁现有的检测报告。

（3）查询检修技术的存档。桥梁历史档案子系统中积累很多实用的桥梁检修技术，用户（专家与管理员）可以搜索检修技术关键词查询，以借鉴之前的检修技术对本地区的桥梁进行检修。该功能就是帮助用户整理和保存这些信息。

（4）查询桥梁历史损伤记录，存档养护记录。此子系统中包含合肥市桥梁群组中桥梁从建造起至系统建立时所有的损伤记录以及养护记录。用户可以搜索时间关键词进行检索，以对之后的养护以及桥梁结构评估提供前期数据基础。

（5）查询具有文物价值桥梁上的雕塑、题字等文物的养护报告。

2.3 桥梁评估信息子系统

本子系统包含两个部分桥梁技术状况评定子系统和桥梁承载力评估子系统。

（1）桥梁技术状况评定子系统：首先，通过对养护规范JTG/T J21-2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》[9]、JTG/T H21-2011《公路桥梁技术状况评定标准》[10]对桥梁具体状况进行评估分级，共分为三部分，分别为上部结构、下部结构以及桥面系，包括上部承重与一般构件、支座、桥墩、墩台基础、河床、排水系统、伸缩缝装置、桥面铺装等等评价指标。

其次，再利用层次分析法，将桥梁分跨评估，在每跨内分为上部结构、下部结构、桥面系进行评估[5]。如图4所示，层次分析法决策主要包括4个基本步骤：

①建立可用于层次分析法的评价体系模型，将待决策问题所包含的诸因素划分为n个层次；

②构造各层次判断矩阵，给出单排序的权重；

③计算单一层次下的指标权重并进行一致性检验；

④计算对于总目标的相对权重并进行一致性检验。

最后在桥梁上布置的传感器收集和传输的数据上传到系统中以后，先进行剔除异常数据，把桥梁各个构件的数据与相应的阈值比较，后通过规范对比审查：若数据已经不满足规范规定，则与城市桥梁群管理与养护系统连接的城市高架桥梁监测预警系统会得到指令进行及时报警[4]；若数据仍然满足规范规定，则将本次桥梁技术状况评估的数据保存，自动上传到桥梁历史档案信息子系统，作为下一次桥梁技术状况评估的依据。

（2）基于模糊综合评价法的桥梁承载力评估子系统：模糊综合评判法适用于解决各种不确定性、模糊的、难以量化的问题，将往往只能进行定性分析的问题转化为定量分析，方便工程问题的进一步评价。

模糊综合评价法主要分为五步：

①确定评价对象的因素集。因素集是影响评判对象的各种因素所构成的集合，因素集通常用U表示，如U={U1,U2,...Un}，如图5。

②确定评价对象的评语集。评判者对评判对象可能出现的各种结果所组成的集合，评语集通常用V表示，如 V={v1,v2,...vn}，如表1所示。

表1 评价对象的评语集

③单因素评价，确定模糊评价矩阵R。模糊评价矩阵R用来表示模糊关系的矩阵，如果集合X有m个元素，集合Y有n个元素，由集合X到集合Y中的模糊关系，可用矩阵表示。

④合成模糊综合评价集。评语可以看作是范围性、程度性的评价，实际上在模糊综合评价法中，需要主观确定的部分就是各个因素隶属的评语。所有评语按照程度轻重从小到大依次排列所组成的集合即是评语集。

⑤进行综合评价。最后，用户在选择桥梁后，基于桥梁历史档案管理子系统提供的桥梁历史评估报告，经过桥梁技术状况评定与桥梁承载能力评估两项评估以后得出是否需要维修加固，输出桥梁评估报告[6]。

2.4 桥梁养护记录子系统

桥梁养护有两层含义。桥梁养护一方面是指为了保证桥梁在运营过程中处于正常工作状态的健康检测、监测、评估以及养护工作；另一方面是指对日常桥梁养护工作有重大参考意义的桥梁历史评估养护记录的收集与管理，相当于静态信息参考资料。这样做的优点是当桥梁出现问题时，我们可以在桥梁历史档案信息系统以及对桥梁技术状况评估和桥梁承载力评估的基础上，再进行分析和确定养护维修方案，确保其可行性高、实用性强、适用性高[11]。

其中桥梁养护依据：本系统设计以《城市桥梁养护技术标准》[8]（CJJ99-2017）为养护标准。

本文设计的桥梁养护子系统是基于桥梁评估信息子系统输出的评估报告，根据承载能力的评定等级、桥梁总体缺损状况分类以及行车道宽度的适应性，在子系统所储存的桥梁养护决策库中筛选可行性高、适应性强的养护决策建议，输出桥梁养护决策报告。以决策树的形式呈现桥梁养护记录子系统的工作流程图如图6所示。

同时，本系统输出的桥梁养护决策建议报告是基于养护决策库中筛选出的较合适的养护决策，在实际工程中，还要根据当地工程师的专业经验，做到具体问题具体分析，因地制宜[3]。

3 信息界面介绍

信息界面包括多级管理与桥梁群可视化信息界面两大界面。

多级管理界面主要功能是为各个身份的用户提供自己专属的用户名、输入密码和确定登录类型进行登录，不同的身份级别具有不同的功能，方便桥梁评估后养护决策的下达。用户也可以提供相应的管理和养护建议，完善桥梁和各部门的各种信息的交流。

桥梁的基本概况离不开可视化信息[7]，单独的数值不能完全描述一座桥梁，为了使用户更好地熟悉桥梁基本概况，本系统设计了可视化信息界面。该页面包括桥梁地理图像与桥梁3D模型，在用户选择目标桥梁后，点击“可视化信息”按钮，便可看见桥梁的可视化信息。桥梁地理图像加上桥梁3D模型，可以帮助用户直观地、快速地掌握熟悉一座桥梁基本信息。

在可视化信息界面中，所有的子系统功能都能得到实现与完成，用户可以根据自己不同的需求来获取信息。

4 结论

我们研究的这套系统的最大特色是桥梁群养护和管理方案，它能针对某个城市的所有桥梁进行静态信息收集和动态信息监控，然后进行状态评估和养护管理，使桥梁管理与养护达到智慧、高效、集约的设计理念。同时桥梁管理与养护系统的研究与开发是一个循序渐进、复杂又长期的过程。因为在开发过程中不仅要考虑功能时效性、信息准确性和界面布局的舒适性，而且要从用户的角度来考虑开发与设计系统。所以我们将在未来对这一套系统做出优化，首先应该加强系统数据决策的能力，其次，要让数据更加准确、真实地反映桥梁基本情况，提供一种自我检测、自我提升、自我修复的能力，最后要围绕着桥梁技术状况进行动态评定，及时更近桥梁的基本信息，使随时评定变为可能。