本文在深入研究橋梁隧道檢測、監(jiān)測及現(xiàn)有管理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了橋梁隧道健康檢測與智能管理系統(tǒng)的主要功能模塊，并對橋梁隧道健康檢測與智能管理系統(tǒng)的發(fā)展前景做了較全面的分析。
1.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
橋梁管理信息系統(tǒng)研究最早出現(xiàn)在美國，在上世紀(jì)70年代初，美國建立了世界上第一個橋梁信息系統(tǒng)—— 國家橋梁檔案數(shù)據(jù)庫（PONTIS前身），進(jìn)行全國橋梁相關(guān)資料的收集和整理 。經(jīng)過30多年的發(fā)展和充實，目前PONTIS已成為能記錄、存儲、更新和統(tǒng)計所有橋梁各項數(shù)據(jù)的橋梁數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，同時還能對國家公路橋梁作出評定，并對候選項目進(jìn)行優(yōu)先排序，為橋梁重建和維修計劃提供輔助決策。另外，美國許多較大的州，如紐約州、賓州、佛羅里達(dá)州等均自行開發(fā)了適合其自身需求與制度的橋梁管理系統(tǒng)。與此同時，其他一些國家也開發(fā)了各具特色的橋梁管理信息系統(tǒng)，如丹麥的DANBRO、芬蘭的國家公路署管理系統(tǒng)、英國的NATS、加拿大的阿爾伯塔省橋梁管理系統(tǒng)、日本的MICHI等。
我國的橋梁信息管理系統(tǒng)研究始于80年代中期，交通部、四川省、上海、北京等公路科研機(jī)構(gòu)最早開始橋梁管理系統(tǒng)的研究工作，并開發(fā)了各自的公路橋梁管理系統(tǒng)，如交通部公路科研所開發(fā)的“中國公路橋梁管理系統(tǒng)（CBMS）” ，同濟(jì)大學(xué)研發(fā)的“上海市城市橋梁管理系統(tǒng)”，浙江大學(xué)交通工程研究所研發(fā)的“文暉大橋斜拉橋健康檢測評估管理系統(tǒng)”等。
目前隧道管理信息系統(tǒng)的開發(fā)偏重于項目級管理系統(tǒng)，如我國的青海馬平隧道的綜合監(jiān)控運營管理系統(tǒng)，成功嶺高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)，秦嶺終南山隧道監(jiān)控系統(tǒng)等。此外，對隧道管理信息系統(tǒng)的開發(fā)結(jié)構(gòu)比較單一，只要集中于隧道環(huán)境量及機(jī)電設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)上，對開發(fā)網(wǎng)絡(luò)級的功能齊全的隧道養(yǎng)護(hù)與智能管理系統(tǒng)較少。
2.橋隧檢測與管理信息系統(tǒng)
建立橋梁隧道健康監(jiān)測與管理系統(tǒng)是為使橋梁隧道管理者全面、準(zhǔn)確掌握橋梁隧道的工作技術(shù)狀態(tài)，直觀了解現(xiàn)有橋梁隧道的過去、當(dāng)前和將來若干年內(nèi)的營運狀況，并對橋梁隧道的技術(shù)狀況、服務(wù)水平做出正確評價，提出相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)、維修措施的管理工具，使管理者能合理安排有限的養(yǎng)護(hù)資金，及時、經(jīng)濟(jì)和有效地對橋梁隧道實施養(yǎng)護(hù)和維修，達(dá)到延長橋梁隧道使用壽命，充分發(fā)揮橋梁隧道的營運效能，確保交通運輸安全通暢的目的 。因此，橋梁隧道管理系統(tǒng)除應(yīng)提供數(shù)據(jù)庫管理和資料統(tǒng)計分析外，還應(yīng)管理路網(wǎng)上所有橋梁隧道進(jìn)行評價分析、維修方案優(yōu)選、養(yǎng)護(hù)維修費用計算等。對于一個路網(wǎng)級橋梁隧道管理系統(tǒng)，其主要功能模塊如圖1所示。
圖1 橋梁隧道管理系統(tǒng)功能模塊示意圖
2.1 橋梁隧道系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)
橋隧檢測與管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是規(guī)范化、系統(tǒng)化的收集橋梁隧道所有靜、動態(tài)資料，其功能是對橋隧的基本參數(shù)進(jìn)行描述以便為橋隧后續(xù)的狀態(tài)評估及概預(yù)算提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)主要包括橋梁隧道的基本資料、檢測資料、監(jiān)測資料、養(yǎng)護(hù)維修資料、交通事故資料及維修方法及單價資料等。
2.2 橋隧檢測評估與決策子系統(tǒng)
橋隧檢測的目的是通過發(fā)現(xiàn)構(gòu)件劣化和變形狀況，對橋隧的安全性、耐久性和功能適應(yīng)性等進(jìn)行評估，以便對橋梁隧道進(jìn)行相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)維修。由于橋梁隧道不同的劣化構(gòu)件，構(gòu)件不同的劣化位置、程度和范圍，對橋梁隧道整體結(jié)構(gòu)及交通安全均會產(chǎn)生不同程度的影響。因此，橋隧檢測評估與決策子系統(tǒng)至少應(yīng)包括：① 檢測項目；② 劣化狀況描述；③ 檢測評分標(biāo)準(zhǔn)；④ 維修數(shù)量等。
在橋隧檢測評估與決策子系統(tǒng)中，針對橋隧不同檢測方式應(yīng)有相應(yīng)的空白記錄表，記錄每次檢測時間、檢測單位及檢測內(nèi)容等。在對具體評估構(gòu)件的劣化程度進(jìn)行描述時，應(yīng)包括對劣化程度、劣化范圍、劣化對該構(gòu)件的重要程度或?qū)Y(jié)構(gòu)及行車安全的重要性進(jìn)行描述。此外，進(jìn)行構(gòu)件劣化程度記錄和描述時，除能進(jìn)行文字描述外，檢測評估系統(tǒng)還應(yīng)能讓使用者使用圖形組件直接描繪構(gòu)件的劣化示意圖，并加入對應(yīng)的照片和說明資料，為橋隧養(yǎng)護(hù)工程師和管理者提供清楚詳細(xì)的構(gòu)件劣化狀況。
根據(jù)橋隧檢測結(jié)果，結(jié)合系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中橋隧的基本信息，利用系統(tǒng)中的專家職能評估功能對結(jié)構(gòu)的破損情況進(jìn)行技術(shù)評價，并提出養(yǎng)護(hù)、維修方案和風(fēng)險處理措施，同時根據(jù)記錄的維修項目和工作量進(jìn)行維修費用預(yù)算，供決策者參考。
2.3 橋隧買時監(jiān)控子系統(tǒng)
橋隧實時監(jiān)控子系統(tǒng)是通過設(shè)置在橋隧中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集橋隧的各個狀態(tài)參數(shù)，并對采集到的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理以分析橋隧的健康狀況，監(jiān)控系統(tǒng)周期性地將分析結(jié)果與規(guī)定的安全標(biāo)準(zhǔn)做對比，當(dāng)監(jiān)測結(jié)果超過某一程度時，系統(tǒng)自動發(fā)出警報，提醒維護(hù)工程師。
橋梁結(jié)構(gòu)實時監(jiān)測的主要內(nèi)容包括：幾何監(jiān)測；荷載監(jiān)測；靜動力反應(yīng)監(jiān)測；環(huán)境監(jiān)測。隧道實時監(jiān)控包括隧道變形監(jiān)測及隧道內(nèi)環(huán)境量監(jiān)測，變形監(jiān)測主要內(nèi)容有：隧道襯砌變形；路基下沉；襯砌單元間裂縫開展；襯砌單元的相對沉降。隧道內(nèi)環(huán)境量監(jiān)測主要包括：① 全隧道通風(fēng)、照明、消防和通信設(shè)備的運行狀況監(jiān)測；② 全程氣溫、煙霧濃度監(jiān)測；③隧洞內(nèi)外亮度監(jiān)測；④ 各測點的CO、VI監(jiān)測；⑤隧道交通狀態(tài)監(jiān)測等。
對大型橋隧工程建立實時監(jiān)控子系統(tǒng)可以隨時了解橋隧的運行情況，及時發(fā)現(xiàn)監(jiān)控對象的隱患，從而有針對性的進(jìn)行維護(hù)管理，延長橋梁隧道的使用壽命，降低維修成本；此外，還可以有效地避免由于監(jiān)管不及時造成的惡性結(jié)構(gòu)安全事故，避免造成重大的生命財產(chǎn)損失。
2.4 橋隧預(yù)算編列與維修計劃子系統(tǒng)
橋梁隧道的養(yǎng)護(hù)維修經(jīng)費及養(yǎng)護(hù)人員等資源有限，每年可辦理的維修預(yù)算有其定額，為有效的利用有限的經(jīng)費并保證管理域內(nèi)橋隧暢通并安全運行，橋隧管理系統(tǒng)中的預(yù)算編列與維修計劃子系統(tǒng)即可根據(jù)橋梁隧道劣化構(gòu)件維修的緊迫性，計算預(yù)算額度內(nèi)的維修項目優(yōu)選順序，進(jìn)行整體性維修優(yōu)選排序，制定年度維修計劃，使預(yù)算分配最佳化。橋梁隧道預(yù)算編列與維修計劃子系統(tǒng)是利用數(shù)據(jù)庫中的檢測評估構(gòu)件劣化所需的維修數(shù)量、已完成的維修數(shù)量、維修方法及單價等資料，自動編制、管理和打印維修預(yù)算，并制定下年度的橋梁隧道養(yǎng)護(hù)維修計劃，其能實現(xiàn)的功能有：
?。?）能將維修資料輸入數(shù)據(jù)庫，并能計算維修總經(jīng)費。
?。?）能制定年度檢測、維修計劃，包括定期檢測、特殊檢測的時間安排、所檢橋隧數(shù)據(jù)信息。
（3）維修預(yù)算不足時，能按構(gòu)件維修的緊迫性及整體性優(yōu)選順序，排列年度維修預(yù)算。
（4）能監(jiān)控維修工作的執(zhí)行， 當(dāng)維修工作完成后，能夠重新計算維修項目優(yōu)選排序。
?。?）對需分年維修的項目，能提供預(yù)算編列模塊尚待辦理的維修數(shù)量，合并編列年度預(yù)算。
2.5 GIS子系統(tǒng)
地理信息系統(tǒng)（Geographic Information Systems，簡稱GIS）是20世紀(jì)60年代開始迅速發(fā)展起來的地理學(xué)研究新技術(shù)，是一門集計算機(jī)科學(xué)、信息學(xué)、地圖學(xué)等多門科學(xué)為一體的新興學(xué)科，是以采集、存儲、管理、分析和描述整個或部分地球表面與空間和地理分布有關(guān)的數(shù)據(jù)的空間信息系統(tǒng)。橋梁、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施具有明顯的地理信息特性，因而是最早運用GIS的領(lǐng)域之一 。
GIS在橋梁隧道管理系統(tǒng)中的作用主要有：
（1）利用G1S技術(shù)和面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法，建立橋梁隧道靜態(tài)、動態(tài)數(shù)據(jù)與空間位置的連接，實現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的雙向查詢。
?。?）建立隧道內(nèi)部各種機(jī)電設(shè)備的空間信息與屬性信息及其設(shè)備之間的信息相互關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)在電子地圖上對各種機(jī)電設(shè)備對象進(jìn)行查詢、狀況顯示、設(shè)備故障閃爍等。
（3）通過電子地圖中的鷹眼功能協(xié)助隧道內(nèi)部空問的快速定位，從整體上把握隧道的布局和設(shè)備的具體地理位置，并可放大查看隧道內(nèi)部的相關(guān)情況。
?。?）利用GIS提供的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和編輯功能，能方便的將各種圖形數(shù)據(jù)輸入，還可以從其他數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或電子表格處理系統(tǒng)中拷入。GIS技術(shù)與橋隧管理信息系統(tǒng)的結(jié)合已成為橋梁隧道管理技術(shù)發(fā)展的趨勢，橋梁隧道管理系統(tǒng)依靠GIS這一強(qiáng)大的數(shù)據(jù)平臺，可以有效地處理更為復(fù)雜的橋梁隧道管理問題，在全區(qū)域甚至全國范圍內(nèi)形成全局性網(wǎng)級管理系統(tǒng)。
3.橋隧健康檢測與智能管理系統(tǒng)的發(fā)展前景
一套完善的橋隧智能管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
?。?）橋梁隧道的建設(shè)費用巨大，每年的維護(hù)和管理費用也不菲，如果未能達(dá)到設(shè)計使用壽命，將為國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失。應(yīng)用橋隧健康檢測與管理系統(tǒng)不僅能有效延長橋梁隧道的使用壽命，大幅降低建設(shè)成本、養(yǎng)護(hù)成本和管理成本，還可有效避免突發(fā)事故造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失。
?。?）應(yīng)用橋隧管理系統(tǒng)可加強(qiáng)對交通的疏導(dǎo)和控制，從而大大提高橋梁和隧道的暢通程度，提高交通流量，減少車輛在橋梁和隧道內(nèi)的滯留時問和剎車次數(shù)。這不僅可以減少政府通過建設(shè)新的道路來緩解交通壓力的市政建設(shè)成本，還可以減少橋梁隧道內(nèi)汽車的油耗量，保護(hù)環(huán)境。
?。?）應(yīng)用橋隧健康檢測與管理系統(tǒng)可以提高市政設(shè)施的監(jiān)管效率，加大監(jiān)管力度和廣度；同時通過建立標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范與已具備的信息系統(tǒng)、相關(guān)的系統(tǒng)鏈接和共享信息，建立起合理的政府管理服務(wù)過程與機(jī)制，從而促進(jìn)政府職能部門協(xié)同工作的效率，有效的降低政府管理成本。
?。?）橋隧健康檢測與管理系統(tǒng)的使用可以避免由于監(jiān)管不及時而造成的惡性結(jié)構(gòu)安全事故的發(fā)生，進(jìn)而避免對人民生命財產(chǎn)安全、城市經(jīng)濟(jì)活動和社會秩序造成的重大負(fù)面的社會影響和政治影響。
?。?）一套完善的橋隧健康檢測與管理系統(tǒng)是集橋梁隧道檢測、監(jiān)測和管理于一體的具有系統(tǒng)性和全面性的管理系統(tǒng)，功能齊全，信息化和自動化高，有利于各管理部門和相關(guān)單位、下屬單位共享信息資源，提高市政設(shè)施監(jiān)管的整體效率，還可以避免對信息系統(tǒng)重復(fù)投資以及防止投資失敗，降低政府成本。
4.結(jié)語
橋梁隧道健康檢測與智能管理信息系統(tǒng)的研制與應(yīng)用使得橋梁隧道的養(yǎng)護(hù)狀況得到了長足的發(fā)展，管理手段也發(fā)生了根本變化，橋梁隧道的養(yǎng)護(hù)與管理逐漸趨于規(guī)范化、制度化和標(biāo)準(zhǔn)。然而，目前橋梁隧道的管理信息系統(tǒng)仍存在不少問題，現(xiàn)有的管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單一，沒有充分利用現(xiàn)在發(fā)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)信息快速傳遞、資源共享等。此外，大多數(shù)管理系統(tǒng)只是針對項目級上的橋梁或隧道，缺乏一個包括道路、邊坡、隧道、橋梁等管理交通網(wǎng)絡(luò)的大型綜合網(wǎng)絡(luò)級管理信息系統(tǒng)，建立一套完善基于WEB的大型綜合交通管理信息系統(tǒng)必能實現(xiàn)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
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