SIP項目：日本基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)管理新時代
2017-03-13
一個國家的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性、安全和幸福指數(shù)主要依賴于基礎(chǔ)設(shè)施的可靠運(yùn)作。日本經(jīng)過50年的發(fā)展，現(xiàn)存的基礎(chǔ)設(shè)施總價值已超過7萬億美元。大多數(shù)基礎(chǔ)設(shè)施工程都修建于上世紀(jì)60～80年代，這其中大部分都存在不同程度的損壞。在過去，有時出于對基礎(chǔ)設(shè)施快速投入使用的需求，導(dǎo)致設(shè)計質(zhì)量、工程質(zhì)量或結(jié)構(gòu)技術(shù)都不盡如人意的現(xiàn)象。同時隨著交通量的日益增加、防凍鹽的使用和潮濕環(huán)境等因素，致使橋梁正逐步老化，甚至發(fā)生橋梁坍塌事件。基礎(chǔ)設(shè)施功能退化的問題逐漸引起了公眾的關(guān)注，日本政府決定加大研發(fā)力度，實現(xiàn)相關(guān)方面的有效管理。2013年，日本科學(xué)技術(shù)與創(chuàng)新委員會（CSTI）啟動了跨部門戰(zhàn)略創(chuàng)新推行計劃（SIP）中的“基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)、修繕與管理”這一新研發(fā)項目。該項目有望進(jìn)一步防止事故的發(fā)生，并通過減少維護(hù)工程及成本負(fù)擔(dān)實現(xiàn)對基礎(chǔ)設(shè)施的有效維護(hù)。
基建維護(hù)關(guān)注度上升
2012年，位于東京附近的中央高速公路子隧道發(fā)生坍塌，事件引發(fā)公眾對基礎(chǔ)設(shè)施功能退化問題的關(guān)注，并對日本當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施的質(zhì)量及安全產(chǎn)生質(zhì)疑。2013年，CSTI啟動的SIP新項目“基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)、修繕與管理”是一個為期5年的計劃，涵蓋了涉及條件評估、非破壞性試驗、監(jiān)測及機(jī)器人學(xué)等核心技術(shù)的各個課題，以及長期性能預(yù)測、優(yōu)質(zhì)耐用型維修更換材料的開發(fā)和基于先進(jìn)信息通信技術(shù)（ICT）的基礎(chǔ)設(shè)施管理。該項目包含60多個由高校、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)共同參與的研究項目，日本國土交通省（MLIT）宣布2013年為維護(hù)期的第一個年頭。
由于缺乏相關(guān)經(jīng)驗，基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)所需的整體花費難以確定，日本高速公路株式會社（NEXCO）對此作出估價：土木工程40億美元、隧道30億美元、橋梁170億美元，其中，90%橋梁費用被應(yīng)用于混凝土橋面。在如此高比例投資的背后，是全國的混凝土橋梁面板均已嚴(yán)重受損的現(xiàn)實。
橋梁面板嚴(yán)重受損的主要原因是車輛超載和實際載荷嚴(yán)重超過設(shè)計的有效載荷。過去，由于混凝土橋梁面板并未被作為結(jié)構(gòu)部件考慮，因此它們的耗損未引起研究人員的足夠重視。
一般情況下，大規(guī)模維修與修繕工程的具體位置是結(jié)合檢查結(jié)果、竣工后期和退化速率等因素進(jìn)行粗略確定。在進(jìn)一步詳細(xì)勘察之后，維修與修繕計劃可能會出現(xiàn)較大的變動。因此，土木工程公司對在減輕下一代基礎(chǔ)設(shè)施嚴(yán)重老化的基礎(chǔ)上，盡可能降低工程造價極為重視。
土木工程與先進(jìn)技術(shù)的融合
隨著基礎(chǔ)設(shè)施功能的不斷退化，尤其是上述子隧道坍塌事件的發(fā)生，MLIT已經(jīng)充分認(rèn)識到基礎(chǔ)設(shè)施存量管理的重要性。要求自2014年7月起，對道路基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行全面檢查管理，這是日本在認(rèn)識到基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)重要性之后采取的一項重大舉措。
基于這種情況，經(jīng)常涉及生物技術(shù)和納米技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的CSTI，選擇了“基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)、修繕與管理”作為SIP十大課題之一。在SIP研發(fā)中，有望通過研究成果在社會中的應(yīng)用達(dá)到創(chuàng)新的目的，而基礎(chǔ)設(shè)施正是此目的所針對的重要領(lǐng)域之一。在“下一代基礎(chǔ)設(shè)施”的眾多主題中選擇“維護(hù)”的相關(guān)內(nèi)容作為SIP課題，標(biāo)志著日本將迎來全新的科技戰(zhàn)略時代。另外，計劃推行系統(tǒng)也明顯不同于以前的推行系統(tǒng)。SIP關(guān)鍵詞之一就是“合作創(chuàng)新”，基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)研發(fā)工作均由國家一眾相關(guān)部門、國家實驗室、高校以及民營企業(yè)密切合作進(jìn)行。
普遍認(rèn)為，土木工程與前沿科技相去甚遠(yuǎn)。但無論如何，隨著時代的改變和各領(lǐng)域的相互交融，為了解現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的情況，動用最新的機(jī)器人和感測技術(shù)勢在必行。此外，通過感測器所獲得的大量基礎(chǔ)設(shè)施信息，以及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)也很重要。并且，為了研究結(jié)構(gòu)材料的耗損情況，越來越多的先進(jìn)材料技術(shù)將被應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施的維護(hù)環(huán)節(jié)中。對于土木工程而言，高新科技發(fā)揮著日益重要的作用，先進(jìn)技術(shù)與土木工程的融合也已經(jīng)碰撞出了前所未有的火花。
SIP基礎(chǔ)設(shè)施管理周期創(chuàng)新
基礎(chǔ)設(shè)施管理技術(shù)研發(fā)旨在降低設(shè)施生命周期內(nèi)系統(tǒng)管理技術(shù)的成本，開發(fā)分別適用于地方政府和全國范圍內(nèi)通用的管理技術(shù)，并且通過與擁有相關(guān)知識及經(jīng)驗的海外基礎(chǔ)設(shè)施業(yè)主和個人構(gòu)建技術(shù)交流平臺，以建立海外發(fā)展基礎(chǔ)。
除了SIP項目，日本還在積極引導(dǎo)各項研發(fā)工作由基礎(chǔ)研究向研究成果發(fā)展，同時革新基礎(chǔ)設(shè)施管理周期。基礎(chǔ)設(shè)施管理流程如圖1所示。
此外，日本還致力于建立先進(jìn)信息通信技術(shù)與信息機(jī)器人技術(shù)的彈性基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，此系統(tǒng)的實現(xiàn)將有望降低基礎(chǔ)設(shè)施管理所需的成本。如圖2所示，在既往模型中，由于剩余壽命預(yù)測方差與判斷方差相去甚遠(yuǎn)，對設(shè)施當(dāng)前剩余壽命預(yù)測并不準(zhǔn)確。但在SIP項目完成之后，上述兩方差差距縮小，剩余壽命預(yù)測將更加準(zhǔn)確，這也就意味著所需成本隨之減少。
如今，SIP項目已經(jīng)開始形成，如圖3所示，土木工程中的資產(chǎn)管理技術(shù)位居中心，而其他先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域則圍繞在其周圍，發(fā)揮支撐作用。
