湖北省高速公路大件运输决策辅助系统研究

朱江华 韩 征 万正华

(中南安全环境技术研究院股份有限公司 武汉 430071)

2021年湖北省大件运输超限许可共计17.4万辆，其中车货总高度从地面算起超过 4.5 m，或者总宽度超过3.75 m，或者总长度超过28 m，或者总质量超过100 t的III类大件运输约有4.2万件。

高速公路是大件运输的主要通道，为支持经济发展，湖北省交通运输厅公路管理局对全省主要高速公路进行了大件运输通行能力评估。大件运输通行高速公路主要从两方面进行评价[1]：①公路的可通行尺寸(收费站进出口、互通匝道半径、沿线净空等)；②沿线桥梁的承载能力。通过对上述两方面的相关数据进行分析整理建立数据库，结合GIS技术开发决策辅助系统。

以往的大件运输审批根据车辆的申请路线，对沿线桥梁进行验算，而在决策辅助系统内输入车辆技术指标、路线起终点等信息后，系统根据数据库内参数比对结果给出通行路线。无法通过参数比对给出结果的，由第三方单位进行评估，同时将检算结果录入数据库。本研究拟通过决策辅助系统的运用，大幅提高大件运输审批的及时性。

1 决策辅助系统需求

在以往的大件运输审批过程中，审批人员多根据经验进行审批，技术风险高，特殊大件则临时委托第三方进行评估，过程复杂、时效慢。

为了实现安全、快速地审批，大件运输通行能力评估是关键环节[2]。因此，开发大件运输车辆过桥决策辅助系统主要目标是：①为大件运输提供技术支撑，精准掌握高速公路桥梁通行能力，建设更加方便快捷的过桥安全评价系统支撑；②大件运输路线推荐及审核，结合用户输入的起终点、车辆信息等数据进行大件运输车辆路线规划，或者审核用户选择路线的可通行情况。

国内超重车辆评估时多采用“两阶段评估方法”[3]。对于常规梁式桥，采用桥梁影响线加载及活载效应对比为主的核心算法；当不能满足要求或对于计算精度要求更高的大件运输，则采用承载能力验算的方式进行评估。

本系统对上述第一阶段评估进行改进，结合GIS技术建立路段、桥梁、可通行车辆等数据库，通过车辆参数的比对给出通行建议。通过方法的改进，可以为普通用户服务，增强决策辅助系统的实用性和适时性。

2 系统主要框架

大件运输决策辅助系统以公路可通行能力数据库为基础，包括公路的可通行尺寸数据库和沿线桥梁的承载能力数据库，通过数据库的比对快速给出通行建议。

大件运输车辆过桥决策辅助系统架构见图1，系统可分为4层：基础设施层、数据系统层、服务系统层、应用层。

图1 大件运输车辆过桥决策辅助系统架构图

2.1 基础设施层

提供系统运行所需要的基础设施，主要包括是服务器资源、计算资源、存储资源。目前基础设施层使用云服务器，这样做省去了自建机房的繁琐过程，也免去了机房维护的麻烦。

2.2 数据系统层

提供对系统数据的存储，数据包括车辆、车型基础信息、桥梁信息、高速公路分段信息、模型验算信息、用户信息、基础底图信息等。

2.3 服务系统层

对外部或对系统内部提供系统运行所需要的服务，这些服务包括：Web服务、地理信息服务、数据库服务。

1) Web服务。对外提供Web服务，用户可以通过网页的方式访问应用系统，同时提供接口服务，方便后续其他系统有对接需求。

2) 地理信息服务。对外提供地理信息展示的服务，包括全省高速公路路网展示、桥梁展示、路线分段展示等等。

3) 数据库服务。对系统内部提供数据库服务，通过数据库服务系统可完成数据库的增删改查等操作功能。

2.4 应用层

对外提供系统应用，这些系统应用包括：

1) 基础地图功能。基本的地图功能包括：地图放大、缩小、平移、全图(湖北省)等，具有根据用户输入进行查询定位功能，具备点击进行单点查询功能，同时还可以根据查询进行要素选择、清除选择，具有距离量算、面积量算等功能。

2) 辅助决策功能。辅助决策主要用于超限车辆通行及路线规划辅助决策，主要包括两大功能点，即路线规划、路线审核。

3) 统计分析功能。审批人员能够通过日报、月报等数据报表的形式查看已审批车辆的统计信息，包括车辆信息，行驶路线等，方便管理人员对现有高速大件运输超重车辆的分析。

4) 系统管理功能。系统管理(或称为后台管理)是系统有效运行的基础，它实现对系统的用户管理、权限管理、申报项目和信息管理、访问量管理等应用。

3 系统核心算法

辅助决策功能主要对超限车辆能否通行及路线规划进行辅助决策，算法流程见图2。

图2 系统核心算法流程图

3.1 尺寸通过性评估

系统根据大件运输车辆申报的起终点收费站调用收费站尺寸限制数据库进行比对。比对通过的进行桥梁通过性评估，由系统分析最短通行路径或者审核用户填报的路线。否则，给出比对不通过的原因。

对于高速收费站可通过性评价主要考虑大件运输车辆的车货外廓尺寸是否满足收费站出入口宽度、高度要求。通过对比，车货外廓尺寸在收费站通过要求之内，即认为大件车辆在高速路收费站具有可通过性。收费站有效宽度为超宽车道宽度d、收费站的有效高度为收费站天棚至地面的高度h，示意图见图3。

图3 高速公路收费站尺寸示意图

对于高速互通可通过性评价主要是验算车辆通过弯道的能力及转弯过程中扫空面[4-5]。车辆通过弯道时，稳定转向阶段的车辆转弯半径最小，转向车轮的转角最大，车轮在弯道转动所需的宽度最大，若弯道满足车辆这个阶段转弯要求，那么车辆就可以正常通过，同时转弯过程中扫空面范围内也不能有障碍物，示意图见图4。通过对挂车组转弯轨迹进行模拟确定不同半径、净宽匝道允许通行的大件运输车辆的外廓尺寸，后期通过尺寸比对确定申请车辆能否通行。

图4 挂车组转弯示意图

3.2 桥梁通过性评估

决策辅助系统内对桥梁承载能力的判别采用“车辆参数比较法”，在一桥一库的基础上，将申请车辆与桥梁的可通行车辆数据库进行比对，包括轴重、轴数、轴距等参数，根据比对结果提出评估意见。无法通过数据库比对的车辆再采用“实际荷载检算法”进行桥梁承载能力验算，即在申请车辆荷载作用下对桥梁结构的强度、刚度、稳定性进行验算。

通过调查分析，湖北省大件运输车辆挂车轴重多为140～180 kN，轴数多为4～10轴，轴距多为1～1.65 m；牵引车轴荷布置较为接近，且重量较小。因此，在决策辅助系统内可以通过比对申请车辆与典型车辆的挂车参数来进行通过性评估。根据不同的轴重、轴数、轴距，选取18种车辆作为典型车辆，覆盖总质量为100～255 t的大件运输车辆。对湖北省主要高速公路根据不同的荷载等级、结构形式、设计单位等指标选取556座典型桥梁，通过检算分析建立“典型车辆可通行车辆数据库”。255 t以上的大件运输车辆数量较少，可单独进行承载能力评估。

当申请车辆的轴重不大于可通行车辆的轴重，轴数不大于可通行车辆的轴数，轴距不小于可通行车辆的轴距时，申请车辆的荷载效应小于可通行车辆的荷载效应，则申请车辆可以通行。采用数据库比对的方法可以大幅提高出具评估意见的效率。

大件运输车辆进行检算过程中相关系数取值如下。

1) 荷载组合分项系数。结合《公路桥涵设计通用规范》及邻省大件运输车辆通行桥梁安全评估的有关经验，在检算过程中承载能力极限状态荷载组合为1.2×恒载+1.1×大件运输荷载。

2) 荷载冲击系数。根据JTG 5120-2021 《公路桥涵养护规范》6.4.2条，超重车辆过桥时，应符合下列规定。

①超重车辆应沿桥梁结构的中心线行驶。

②车辆以不大于5 km/h的速度匀速行驶。

③严禁在桥上制动、变速、停留。

④不得有其他车辆同时过桥。

实际情况中多数大件运输车辆在车速管控上难以执行上述规定，为了保证桥梁的安全，进行评估时计算冲击系数的影响。

3) 承载力检算系数。计算桥梁结构承载能力极限状态的抗力效应时，应根据桥梁试验检测结果，当其桥梁技术状况等级为“3类”或更差时，如有必要应对桥梁缺损状况、材质状况，以及状态参数进行检测，以确定其承载能力恶化系数和检算系数Z1。

湖北省高速公路桥梁技术状况为1类、2类时，承载能力检算系数根据经验偏安全地取为1[6]，技术状况为3类、4类、5类时禁止通行。

4) 偏载系数。大件运输车辆通过弯桥时难以控制居中行驶，因此建立纵向单梁模型时，根据工程经验，偏保守取偏载放大系数1.15。在进行独柱墩桥梁抗倾覆能力验算时则考虑实际荷载情况。

4 系统数据维护

大件运输车辆过桥评估主要是以保证桥梁安全和大件运输车辆通过性为目标进行的结构验算，是以承载能力极限状态为控制的荷载最不利组合与桥梁的抗力进行对比，其主要控制因素为上部结构梁体的承载能力安全性。所以有必要对桥梁的基础信息数据库进行维护，维护内容包括以下2个方面。

1) 建立典型桥梁清单库，每年根据桥梁技术状况，特别是上部结构的技术状况进行数据更新，判断是否存在对结构承载力有影响的因素，确定相应的检算相关参数。

2) 对承载能力较低的桥梁以及经过加固的典型桥梁进行特殊检查，在大件运输车辆通过此类桥梁的时候对其进行监测，通过应力、挠度等数据进行直观的判断。

5 结语

能否快速地进行大件运输安全性评价直接影响着主管部门的审批效率，通过对高速公路典型桥梁进行预评估，建立可通行车辆数据库，开发大件运输决策辅助系统，消除了大件运输审批过程中“风险高、时效慢”的缺点。该系统还可以智能推荐可通行路线，避免在审批过程中多次改线导致效率低下。大件运输决策辅助系统为大件运输实现快速审批提供技术支撑，对提高大件运输决策的科学性具有现实意义。