桥梁与隧道健康检测与智能管理系统研究
2015-12-29
1.国内外研究现状
桥梁管理信息系统研究最早出现在美国，在上世纪70年代初，美国建立了世界上第一个桥梁信息系统—— 国家桥梁档案数据库(PONTIS前身)，进行全国桥梁相关资料的收集和整理 。经过30多年的发展和充实，目前PONTIS已成为能记录、存储、更新和统计所有桥梁各项数据的桥梁数据库系统，同时还能对国家公路桥梁作出评定，并对候选项目进行优先排序，为桥梁重建和维修计划提供辅助决策。另外，美国许多较大的州，如纽约州、宾州、佛罗里达州等均自行开发了适合其自身需求与制度的桥梁管理系统。与此同时，其他一些国家也开发了各具特色的桥梁管理信息系统，如丹麦的DANBRO、芬兰的国家公路署管理系统、英国的NATS、加拿大的阿尔伯塔省桥梁管理系统、日本的MICHI等。
我国的桥梁信息管理系统研究始于80年代中期，交通部、四川省、上海、北京等公路科研机构最早开始桥梁管理系统的研究工作，并开发了各自的公路桥梁管理系统，如交通部公路科研所开发的“中国公路桥梁管理系统(CBMS)” ，同济大学研发的“上海市城市桥梁管理系统”，浙江大学交通工程研究所研发的“文晖大桥斜拉桥健康检测评估管理系统”等。
目前隧道管理信息系统的开发偏重于项目级管理系统，如我国的青海马平隧道的综合监控运营管理系统，成功岭高速公路隧道监控系统，秦岭终南山隧道监控系统等。此外，对隧道管理信息系统的开发结构比较单一，只要集中于隧道环境量及机电设备的监控系统上，对开发网络级的功能齐全的隧道养护与智能管理系统较少。
2.桥隧检测与管理信息系统
建立桥梁隧道健康监测与管理系统是为使桥梁隧道管理者全面、准确掌握桥梁隧道的工作技术状态，直观了解现有桥梁隧道的过去、当前和将来若干年内的营运状况，并对桥梁隧道的技术状况、服务水平做出正确评价，提出相应的养护、维修措施的管理工具，使管理者能合理安排有限的养护资金，及时、经济和有效地对桥梁隧道实施养护和维修，达到延长桥梁隧道使用寿命，充分发挥桥梁隧道的营运效能，确保交通运输安全通畅的目的 。因此，桥梁隧道管理系统除应提供数据库管理和资料统计分析外，还应管理路网上所有桥梁隧道进行评价分析、维修方案优选、养护维修费用计算等。对于一个路网级桥梁隧道管理系统，其主要功能模块如图1所示。
图1 桥梁隧道管理系统功能模块示意图
2.1 桥梁隧道系统数据库子系统
桥隧检测与管理系统数据库是规范化、系统化的收集桥梁隧道所有静、动态资料，其功能是对桥隧的基本参数进行描述以便为桥隧后续的状态评估及概预算提供数据基础。数据库子系统主要包括桥梁隧道的基本资料、检测资料、监测资料、养护维修资料、交通事故资料及维修方法及单价资料等。
2.2 桥隧检测评估与决策子系统
桥隧检测的目的是通过发现构件劣化和变形状况，对桥隧的安全性、耐久性和功能适应性等进行评估，以便对桥梁隧道进行相应的养护维修。由于桥梁隧道不同的劣化构件，构件不同的劣化位置、程度和范围，对桥梁隧道整体结构及交通安全均会产生不同程度的影响。因此，桥隧检测评估与决策子系统至少应包括：① 检测项目；② 劣化状况描述；③ 检测评分标准；④ 维修数量等。
在桥隧检测评估与决策子系统中，针对桥隧不同检测方式应有相应的空白记录表，记录每次检测时间、检测单位及检测内容等。在对具体评估构件的劣化程度进行描述时，应包括对劣化程度、劣化范围、劣化对该构件的重要程度或对结构及行车安全的重要性进行描述。此外，进行构件劣化程度记录和描述时，除能进行文字描述外，检测评估系统还应能让使用者使用图形组件直接描绘构件的劣化示意图，并加入对应的照片和说明资料，为桥隧养护工程师和管理者提供清楚详细的构件劣化状况。
根据桥隧检测结果，结合系统数据库中桥隧的基本信息，利用系统中的专家职能评估功能对结构的破损情况进行技术评价，并提出养护、维修方案和风险处理措施，同时根据记录的维修项目和工作量进行维修费用预算，供决策者参考。
2.3 桥隧买时监控子系统
桥隧实时监控子系统是通过设置在桥隧中的数据采集系统自动采集桥隧的各个状态参数，并对采集到的信息进行数据分析处理以分析桥隧的健康状况，监控系统周期性地将分析结果与规定的安全标准做对比，当监测结果超过某一程度时，系统自动发出警报，提醒维护工程师。
桥梁结构实时监测的主要内容包括：几何监测；荷载监测；静动力反应监测；环境监测。隧道实时监控包括隧道变形监测及隧道内环境量监测，变形监测主要内容有：隧道衬砌变形；路基下沉；衬砌单元间裂缝开展；衬砌单元的相对沉降。隧道内环境量监测主要包括：① 全隧道通风、照明、消防和通信设备的运行状况监测；② 全程气温、烟雾浓度监测；③隧洞内外亮度监测；④ 各测点的CO、VI监测；⑤隧道交通状态监测等。
对大型桥隧工程建立实时监控子系统可以随时了解桥隧的运行情况，及时发现监控对象的隐患，从而有针对性的进行维护管理，延长桥梁隧道的使用寿命，降低维修成本；此外，还可以有效地避免由于监管不及时造成的恶性结构安全事故，避免造成重大的生命财产损失。
2.4 桥隧预算编列与维修计划子系统
桥梁隧道的养护维修经费及养护人员等资源有限，每年可办理的维修预算有其定额，为有效的利用有限的经费并保证管理域内桥隧畅通并安全运行，桥隧管理系统中的预算编列与维修计划子系统即可根据桥梁隧道劣化构件维修的紧迫性，计算预算额度内的维修项目优选顺序，进行整体性维修优选排序，制定年度维修计划，使预算分配最佳化。桥梁隧道预算编列与维修计划子系统是利用数据库中的检测评估构件劣化所需的维修数量、已完成的维修数量、维修方法及单价等资料，自动编制、管理和打印维修预算，并制定下年度的桥梁隧道养护维修计划，其能实现的功能有：
(1)能将维修资料输入数据库，并能计算维修总经费。
(2)能制定年度检测、维修计划，包括定期检测、特殊检测的时间安排、所检桥隧数据信息。
(3)维修预算不足时，能按构件维修的紧迫性及整体性优选顺序，排列年度维修预算。
(4)能监控维修工作的执行， 当维修工作完成后，能够重新计算维修项目优选排序。
(5)对需分年维修的项目，能提供预算编列模块尚待办理的维修数量，合并编列年度预算。
2.5 GIS子系统
地理信息系统(Geographic Information Systems，简称GIS)是20世纪60年代（）开始迅速发展起来的地理学研究新技术，是一门集计算机科学、信息学、地图学等多门科学为一体的新兴学科，是以采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统。桥梁、隧道等基础设施具有明显的地理信息特性，因而是最早运用GIS的领域之一 。
GIS在桥梁隧道管理系统中的作用主要有：
(1)利用G1S技术和面向对象的程序设计方法，建立桥梁隧道静态、动态数据与空间位置的连接，实现属性数据和空间数据的双向查询。
(2)建立隧道内部各种机电设备的空间信息与属性信息及其设备之间的信息相互关联，实现在电子地图上对各种机电设备对象进行查询、状况显示、设备故障闪烁等。
(3)通过电子地图中的鹰眼功能协助隧道内部空问的快速定位，从整体上把握隧道的布局和设备的具体地理位置，并可放大查看隧道内部的相关情况。
(4)利用GIS提供的强大的数据采集和编辑功能，能方便的将各种图形数据输入，还可以从其他数据库系统或电子表格处理系统中拷入。GIS技术与桥隧管理信息系统的结合已成为桥梁隧道管理技术发展的趋势，桥梁隧道管理系统依靠GIS这一强大的数据平台，可以有效地处理更为复杂的桥梁隧道管理问题，在全区域甚至全国范围内形成全局性网级管理系统。
3.桥隧健康检测与智能管理系统的发展前景
一套完善的桥隧智能管理系统可以实现巨大的经济效益和社会效益。
(1)桥梁隧道的建设费用巨大，每年的维护和管理费用也不菲，如果未能达到设计使用寿命，将为国家带来巨大的经济损失。应用桥隧健康检测与管理系统不仅能有效延长桥梁隧道的使用寿命，大幅降低建设成本、养护成本和管理成本，还可有效避免突发事故造成的巨大经济损失。
(2)应用桥隧管理系统可加强对交通的疏导和控制，从而大大提高桥梁和隧道的畅通程度，提高交通流量，减少车辆在桥梁和隧道内的滞留时问和刹车次数。这不仅可以减少政府通过建设新的道路来缓解交通压力的市政建设成本，还可以减少桥梁隧道内汽车的油耗量，保护环境。
(3)应用桥隧健康检测与管理系统可以提高市政设施的监管效率，加大监管力度和广度；同时通过建立标准和规范与已具备的信息系统、相关的系统链接和共享信息，建立起合理的政府管理服务过程与机制，从而促进政府职能部门协同工作的效率，有效的降低政府管理成本。
(4)桥隧健康检测与管理系统的使用可以避免由于监管不及时而造成的恶性结构安全事故的发生，进而避免对人民生命财产安全、城市经济活动和社会秩序造成的重大负面的社会影响和政（）治影响。
(5)一套完善的桥隧健康检测与管理系统是集桥梁隧道检测、监测和管理于一体的具有系统性和全面性的管理系统，功能齐全，信息化和自动化高，有利于各管理部门和相关单位、下属单位共享信息资源，提高市政设施监管的整体效率，还可以避免对信息系统重复投资以及防止投资失败，降低政府成本。
4.结语
桥梁隧道健康检测与智能管理信息系统的研制与应用使得桥梁隧道的养护状况得到了长足的发展，管理手段也发生了根本变化，桥梁隧道的养护与管理逐渐趋于规范化、制度化和标准。然而，目前桥梁隧道的管理信息系统仍存在不少问题，现有的管理系统结构单一，没有充分利用现在发达的网络技术实现信息快速传递、资源共享等。此外，大多数管理系统只是针对项目级上的桥梁或隧道，缺乏一个包括道路、边坡、隧道、桥梁等管理交通网络的大型综合网络级管理信息系统，建立一套完善基于WEB的大型综合交通管理信息系统必能实现巨大的经济效益和社会效益。
参考文献：
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