基于信息集成理念的橋梁管理系統(tǒng)研究

文｜張富榮 陳德偉 白植舟

隨著我國基礎設施建設的大規(guī)模發(fā)展，橋梁工程數量和建造水平得到了大幅提升。截至2010 年底，我國公路橋梁總計62 萬座、總長2.73 萬公里，已成為僅次于美國的第二橋梁大國，并且在建和擬建橋梁工程仍逐年增加。傳統(tǒng)的橋梁管理模式重建輕養(yǎng)，管理方法相對落后，與橋梁建設速度不相匹配，致使橋梁安全事故時有發(fā)生，造成生命和財產的嚴重損失。

目前，在橋梁管理中主要面臨以下問題：超載車輛對橋梁的破壞性，設計和施工過程存在先天缺陷，建設管理和養(yǎng)護管理脫節(jié)，橋梁養(yǎng)護管理人員素質有待提高，數據采集和橋梁狀況評價技術有待提高，養(yǎng)護資金有限，橋梁養(yǎng)護管理重視程度不夠，基礎信息、損傷信息和養(yǎng)護信息的缺失等。近年來，隨著信息技術的發(fā)展，智慧城市等成為城市建設的熱點。橋梁作為交通網絡中的重要樞紐，是國家生命線工程的重要組成部分，將是智慧交通建設中的重要一環(huán)。如何提升我國橋梁運行水平，改善橋梁養(yǎng)護管理現狀，滿足橋梁管理新要求成為亟需解決的問題。

橋梁管理系統(tǒng)（Bridge Management System，簡稱BMS）作為一種科學化的信息管理手段，在我國橋梁管理中發(fā)揮了一定的作用。本文從信息集成的角度出發(fā)，改善我國橋梁管理系統(tǒng)存在的問題，以應對橋梁管理的新挑戰(zhàn)。

橋梁管理系統(tǒng)的發(fā)展

橋梁管理系統(tǒng)是以系統(tǒng)論思想為指導，綜合運用運籌學、系統(tǒng)分析、經濟學、工程技術以及計算機技術，協(xié)調各項橋梁管理活動，為橋梁管理部門提供科學決策依據的計算機系統(tǒng)。于20世紀70年代開始在美國橋梁管理領域嶄露頭角，并在世界各國相繼應用和發(fā)展。

總體來看，BMS的發(fā)展經歷了以下三個階段。

第一代BMS，只是用簡單的電子數據庫來代替繁雜的紙質橋梁資料，同時有檢索，統(tǒng)計等功能；

第二代BMS，包括橋梁數據庫、橋梁檢測和養(yǎng)護、維修信息，其中不僅包含了橋梁的一些物理信息，而且還涵蓋了各橋梁構件的檢測細節(jié)和詳細等級劃分，以及維修歷史等；

第三代BMS，主要在第二代基礎上添加了仿真分析和決策功能，通過數學和經濟知識進行維護優(yōu)化，制訂維護策略，幫助橋梁管理者做出決策。

我國目前應用較廣泛的是交通部開發(fā)的“中國公路橋梁管理系統(tǒng)”（CBMS），系統(tǒng)采用樹型結構，整個系統(tǒng)包括6個子系統(tǒng)，分別是數據管理子系統(tǒng)、統(tǒng)計查詢子系統(tǒng)、評價決策子系統(tǒng)、費用分析子系統(tǒng)、維修計劃子系統(tǒng)、地理信息子系統(tǒng)(GIS)的應用，每個子系統(tǒng)又被劃分為更細小的功能模塊。此外，上海、廣東省、北京、杭州、無錫等地也紛紛開發(fā)了用于公路橋梁管理和城市橋梁管理的BMS。

橋梁管理系統(tǒng)存在的問題

目前，橋梁管理系統(tǒng)主要是為養(yǎng)護管理服務，從實際應用情況來看，大部分處于信息存儲和檢索階段，并沒有很好地為養(yǎng)護管理部門提供輔助決策作用?？偨Y起來，主要有基礎數據庫不完善以及多方面原因造成的開發(fā)和使用橋梁管理系統(tǒng)的動力不足兩個方面的問題。

1.基礎數據庫待完善

橋梁數據庫主要儲存管理系統(tǒng)內各橋梁的基本信息，包括橋梁屬性、結構信息、檢測信息、維修歷史、交通信息、評估標準、維修對策及費用等。橋梁管理系統(tǒng)中的決策分析、退化預測、成本分析等功能模塊都需要有大量的基礎數據、檢測數據等作為支撐。數據庫系統(tǒng)是BMS中必不可少的一部分，也是管理部門單位進行橋梁管理的基礎。

然而我國經過去三十多年噴涌式的橋梁建設期，橋梁管理系統(tǒng)的應用時間相對較短，數據庫建設存在以下問題：

（1）數據庫信息不豐富，尚沒有一套完整的數據類型和數據標準供參考；

（2）造成支撐系統(tǒng)的實際工程數據較缺乏，橋梁設計和施工的基礎數據并沒有得到很好的保存和收集，數據完整性和實用性低；

（3）橋梁運營階段的數據采集方法及質量有待提高；

（4）數據信息的傳遞方式落實，目前橋梁管理系統(tǒng)的大部分數據都是手動輸入；

（5）數據形式單一且落后，信息以二維為主，表達不直觀、可視化差，具體構件的詳細信息繁瑣，不利于信息管理；

（6）尚沒有一個全國性的共享數據庫，因此橋梁管理系統(tǒng)相對個體化，造成很多資源浪費和信息低效能。

2.開發(fā)和使用橋梁管理系統(tǒng)的動力有限

除CBMS在公路橋梁管理領域應用較普遍外，城市橋梁管理系統(tǒng)的應用率較低。主要有以下兩個原因：

（1）我國橋梁管理系統(tǒng)尚沒有很好的統(tǒng)一模板

我國各地區(qū)的橋梁管理方法、經濟條件、管理水平都不相同，對系統(tǒng)的要求也不盡相同，加之我國橋梁養(yǎng)護管理認識程度有所差異，因此，尚沒有統(tǒng)一的模板，這對應用推廣產生了一定的限制。相對比美國Pontis系統(tǒng)的應用廣度，我國橋梁管理系統(tǒng)的發(fā)展仍有很大的提升空間。

（2）橋梁管理系統(tǒng)受眾面有限

我國橋梁管理管理系統(tǒng)目前主要為養(yǎng)護管理部門，且功能模塊使用有限，造成投入與效益嚴重不符，致使很多部門對管理系統(tǒng)的需求不強烈。

綜上可以看出，目前的橋梁管理系統(tǒng)存在很多局限，尚不能滿足我國橋梁管理面臨的挑戰(zhàn)，其中主要問題是信息集成化水平低、共享性差，使得系統(tǒng)數據庫容量有限，功能拓展性和系統(tǒng)受眾面小，其應用價值受到限制?？梢?，橋梁管理的關鍵是信息管理。信息管理問題產生的原因主要有項目縱向溝通方式、項目過程割裂、缺乏先進信息集成技術、缺少協(xié)同工作平臺等四個方面。為解決其應用瓶頸，本文將探究基于信息集成的橋梁管理系統(tǒng)，對其功能和框架做以下闡釋。

基于信息集成理念的橋梁管理系統(tǒng)

1.建立信息集成化的數據庫

通過橋梁全生命周期信息的有效傳遞和集成，建立基于網絡的共享數據庫，使得橋梁管理系統(tǒng)在功能模塊上和用戶受眾面上實現可拓展性，以此提高我國橋梁管理系統(tǒng)的應用價值和橋梁養(yǎng)護管理水平。

1.1 橋梁全壽命周期信息集成

橋梁作為復雜的建筑結構，在后期運營過程中，不僅需要持續(xù)有效的橋梁檢測數據和養(yǎng)護信息，較完整的設計和施工信息對橋梁維護、保養(yǎng)和改造等工作同樣十分重要。因此，完善的數據庫應當具備集成橋梁全壽命周期信息的功能，形成信息的有機整體，避免出現信息孤島，能夠有效的創(chuàng)建信息、有效地管理信息和有效的共享信息。從橋梁建設項目的設計到施工，再到運營和維護階段，數據不斷完善和補充，形成全壽命周期信息集成的橋梁數據庫（如圖1所示），為橋梁全生命周期服務。

圖1 全壽命周期信息集成的橋梁數據庫

近年來，建筑信息模型BIM技術得到了嘗試性應用，使得建設項目從設計階段開始的三維幾何模型，以及材料、功能、造價、進度、供應商、承包商等工程信息具備了良好的可擴展能力，使得建設項目可以持續(xù)地完善和共享信息，由設計階段、施工階段不斷的拓展，能夠為遠期的建造及運營等環(huán)節(jié)輸出必要的工程數據信息。即：可提供和已建空間及系統(tǒng)相關的準確資料，信息可以細化并連接到建筑模型的構件，并提供橋梁管理和運營的起點。這也為橋梁建設過程的信息傳遞和橋梁管理系統(tǒng)的信息集成提供了基礎，最大化為最終使用用戶服務，利于自動化、智能化的工作流程，提高橋梁運營管理效率，降低養(yǎng)護管理成本。

1.2 網級共享的數據庫

目前，我國橋梁管理系統(tǒng)的實際應用中，主要是各自建立數據庫，相互之間沒有互通。通過建立城市級、省級、全國范圍內的共享數據庫，并實現與GIS地理信息系統(tǒng)、地圖、同級的橋梁管理系統(tǒng)、上級橋梁管理系統(tǒng)、交通管網系統(tǒng)、智慧城市服務器等進行有效交互，可使得橋梁養(yǎng)護管理數據得到有效利用。

可見，網級共享數據庫具備了共享性、動態(tài)性、協(xié)同性和透明化的特點，再在此基礎上，構建基于web的B/S結構的系統(tǒng)，將橋梁管理系統(tǒng)往網絡協(xié)作平臺方向轉變，提高信息重復利用率高，花更少的時間、人力和費用來重復輸入和搜集信息，實現數據庫管理、網絡協(xié)同工作、多參與方信息共享、人機互動等功能。

為實現橋梁管理系統(tǒng)的信息集成，需要從信息技術的基礎層面上完成以下工作：

（1）對橋梁信息數據進行合理、科學的定義、分類、編號、表達；

（2）建立統(tǒng)一的橋梁編碼體系、數據接口；

（3）建立統(tǒng)一的信息交換標準、交付標準，使得由橋梁建設過程到運營維護階段的信息進行科學有效的傳遞和利用；

（4）實現與CAD軟件、設計分析軟件、造價管理軟件、項目管理軟件、三維數字化技術、BIM技術等外部環(huán)境的交互。

2.實現功能可拓展性

2.1 系統(tǒng)功能模塊的拓展

目前，橋梁管理系統(tǒng)是關于橋梁基本數據、橋梁檢測、狀態(tài)評估、結構退化預測、維護對策和計劃以及經濟分析的計算機信息系統(tǒng)。通過建立橋梁全壽命周期信息集成和網級共享的數據庫，使得數據信息更加豐富、可靠和實用，可在功能模塊上實現拓展，主要體現在以下方面：

（1）維護成本和工期優(yōu)化

系統(tǒng)與設計施工類軟件，使得運營維護期間的信息能夠與橋梁基本信息良好呼應，甚至包括橋梁三維模型和建造期的成本信息、進度信息，使運營方更有效地借鑒原始經驗，統(tǒng)籌管理橋梁項目，并能夠快速置入設施管理信息庫，4D（5D）資產財務管理等信息，快速評估改建或維修項目造成的影響，對橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)的成本分析、評估預測、輔助決策等功能有很大的提升作用。

（2）反饋于設計施工

通過橋梁全壽命周期的信息傳遞，改善行業(yè)割裂結構和各參與方之間的信息互通水平。通過檢測評估后的信息共享，為養(yǎng)護、設計與施工等部門提供反饋信息，可以推動養(yǎng)護工作的規(guī)范化與科學化，減少橋梁生命周期費用，并檢測橋梁結構的質量，推動和發(fā)展舊橋評定以及新結構的設計計算理論。

（3）服務于智慧城市

交通行業(yè)正向智能化、精細化方向發(fā)展，利用信息化技術，實現全國范圍內的橋梁信息共享，并且系統(tǒng)數據庫通過與GIS平臺、交通部門、城市信息服務器的信息進行互通，信息公開透明，為交通運行管理和智慧城市的管理服務也是BMS發(fā)展趨勢之一。

2.2 系統(tǒng)用戶層的拓展

系統(tǒng)目前的服務對象主要是市政設施養(yǎng)護管理部門，這與我國基礎設施管理體制和機制有關?；谛畔⒓衫砟畹牡臉蛄汗芾硐到y(tǒng)，期望在未來能夠往設施管理平臺方向發(fā)展，實現平臺和數據庫由橋梁建設項目的前期開始投入使用，在設計和施工階段用于建設項目管理和參與方溝通，在交付后再進行橋梁運營維護等功能。即：使受眾面由運營維護階段往橋梁建設項目的設計、施工階段前移，用戶層由養(yǎng)護管理部門向建設方、橋梁項目建設參與方、市民甚至是城市管理者拓展。

3.實施路徑和保障措施

基于信息集成理念的橋梁管理系統(tǒng)是一個平臺化的方向，隨著全壽命周期管理理念、建筑業(yè)信息化的推進，以及人工智能、地理信息系統(tǒng)、計算機輔助設計、建筑信息模型BIM等技術的發(fā)展來看，這是符合行業(yè)要求和趨勢的。在下一步的研究和開發(fā)應用中，需要制度、技術、資金和人員等方面的支持和保障。

（1）制度。即對目前橋梁建設和養(yǎng)護管理體制進行改革，構建信息集成的有效管理組織和機制，明確橋梁養(yǎng)護管理各參與方的職責，包括信息提供者的責任，制定合理的養(yǎng)護管理組織與市場運作流程。目的是保障橋梁的規(guī)劃、設計、施工、檢查、維護、整修和預算工作的數據能夠存儲在數據庫中。

（2）技術。即具備實現信息集成管理的技術，以及維護既有橋梁的各類技術，如檢查檢測、評估、信息管理、快速維修等，并制訂使用的技術操作規(guī)程，包括信息傳遞流程、構件編碼體系等，使得信息標準化。

（3）人員。即培訓設施管理人員，提高橋梁生命周期管理意識，能夠對橋梁進行全面、及時和專業(yè)的管理、檢查和維護。

（4）資金。即能夠提供足夠和及時的檢查和維護的資金支持。

本文通過分析橋梁管理現狀和橋梁管理系統(tǒng)面臨的發(fā)展瓶頸，得出信息管理是改善橋梁管理系統(tǒng)的關鍵因素，因此，提出了基于信息集成理念的橋梁管理系統(tǒng)，通過建立信息集成化的網級數據庫，實現功能的可拓展性，以此提高信息的利用效率和傳遞效率，提升了設施管理的價值，符合目前橋梁管理的要求和趨勢。