基于大數(shù)據(jù)的公路隧道養(yǎng)護(hù)決策

胡　珉　張明正　施永泉　喻　鋼

(上海大學(xué)悉尼工商學(xué)院，上海　201400；2.上海大學(xué)上海大學(xué)-上海城建建筑產(chǎn)業(yè)化研究中心上海， 上?！?00072；3.上海大學(xué)土木工程系,上?！?00072； 4.上海隧道工程股份有限公司,上海　200232)

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基于大數(shù)據(jù)的公路隧道養(yǎng)護(hù)決策

胡珉1， 2張明正2， 3施永泉4喻鋼1， 2

(上海大學(xué)悉尼工商學(xué)院，上海201400；2.上海大學(xué)上海大學(xué)-上海城建建筑產(chǎn)業(yè)化研究中心上海， 上海200072；3.上海大學(xué)土木工程系,上海200072； 4.上海隧道工程股份有限公司,上海200232)

為了解決公路隧道設(shè)施眾多及信息異構(gòu)分散等特點對公路隧道養(yǎng)護(hù)決策帶來的困難，本文在對公路隧道養(yǎng)護(hù)特點分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了從隧道全生命周期信息出發(fā)，利用大數(shù)據(jù)分析對隧道養(yǎng)護(hù)評估和優(yōu)化進(jìn)行了研究。文章圍繞全生命周期養(yǎng)護(hù)評估方法和優(yōu)化決策，描述了全生命周期信息評估決策的基本原理和實現(xiàn)路徑，并根據(jù)評估結(jié)果進(jìn)行了有約束條件下的養(yǎng)護(hù)策略選擇。最后，文章對該方法的創(chuàng)新點和應(yīng)用效果進(jìn)行了總結(jié)，并指出了未來隧道養(yǎng)護(hù)評估的發(fā)展趨勢。

公路運輸； 運維； 決策支持系統(tǒng)； 公路隧道； 全生命周期； 建筑信息模型

1　引言

近年來，我國隧道發(fā)展迅速，隧道的長度和數(shù)量極限一次次被刷新。隧道作為重要的城市基礎(chǔ)設(shè)施，尤其是城市公路隧道和地鐵隧道，擔(dān)負(fù)著重要的城市交通功能。據(jù)交通部門統(tǒng)計，截至2013年年底，全國共有公路隧道11 359條，總長達(dá)9 605.6 km[1]。相比我國隧道建設(shè)的發(fā)展速度，相關(guān)的隧道運營養(yǎng)護(hù)技術(shù)并沒有得到很大的提升，并且隨著城市的發(fā)展，我國隧道由大規(guī)模建設(shè)期進(jìn)入了運維期的階段，這對隧道的運營養(yǎng)護(hù)管理技術(shù)提出了更高的要求。然而目前公路隧道養(yǎng)護(hù)管理總體很難把握，養(yǎng)護(hù)經(jīng)費的決策，隧道健康狀況的評估都很難進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。為開展公路隧道的經(jīng)常性、及時性和預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，實現(xiàn)公路隧道養(yǎng)護(hù)管理規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化，本文提出了基于BIM、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)的從全生命周期信息的角度進(jìn)行隧道養(yǎng)護(hù)方案評估決策系統(tǒng)的方法。

2　系統(tǒng)功能與需求分析

公路隧道養(yǎng)護(hù)管理主要應(yīng)用于公路隧道各類養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)采集、存儲、檢索、分析處理，提高數(shù)據(jù)使用效率，挖掘數(shù)據(jù)有用信息； 提高公路隧道養(yǎng)護(hù)管理效率和降低管理成本[2]。通過對公路隧道病害形成機(jī)理、隧道病害評價與處置策略等進(jìn)行研究，以及對公路隧道管理部門的管理模式、業(yè)務(wù)需求、用戶需求和業(yè)務(wù)流程進(jìn)行分析，提出如下總體需求：

(1)公路隧道建設(shè)與養(yǎng)護(hù)資料的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化管理與存儲

建立詳細(xì)的隧道土建設(shè)施全生命周期的技術(shù)狀態(tài)、地理與屬性數(shù)據(jù)庫，有效管理各種公路隧道養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)； 提供高效的養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)采集手段和靈活的數(shù)據(jù)更新維護(hù)方法；

(2)公路隧道病害評價決策

隧道病害評價決策應(yīng)針對隧道結(jié)構(gòu)存在的病害，通過結(jié)構(gòu)病害分析模型結(jié)合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，對隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)病害發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測，對結(jié)構(gòu)病害等級以及整條隧道整體服役等級作出評價；

(3)公路隧道病害處置策略

隧道病害處置策略需存儲針對各種類型、各種等級結(jié)構(gòu)病害的專家養(yǎng)護(hù)策略；

(4)公路隧道養(yǎng)護(hù)計劃制定

基于病害評價所確定的病害安全評價等級和病害發(fā)展趨勢預(yù)測，通過數(shù)據(jù)分析在不同的約束條件下來制定養(yǎng)護(hù)計劃、核算養(yǎng)護(hù)費用，從而形成養(yǎng)護(hù)計劃報告。

2.1系統(tǒng)流程設(shè)計

隧道養(yǎng)護(hù)決策的評價流程如圖1所示。

圖1　隧道設(shè)施養(yǎng)護(hù)決策流程圖

2.1.1中間數(shù)據(jù)庫

中間數(shù)據(jù)庫是存儲系統(tǒng)評估決策所需數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，通過中間表的形式將大連路隧道使用的其他運維養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)提取過來，如隧道養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)中的隧道結(jié)構(gòu)基本信息，隧道結(jié)構(gòu)日常檢查、隧道結(jié)構(gòu)定期檢查、隧道結(jié)構(gòu)專項檢查結(jié)果； 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)則是通過傳感器采集到實時的隧道結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)，如：縱向沉降、接縫張開、斷面收斂等數(shù)據(jù)。

2.1.2結(jié)構(gòu)評估

針對隧道存在的病害，通過隧道評價決策數(shù)學(xué)模型算法并結(jié)合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，對隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)病害等級進(jìn)行評價。

在建立盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全評估指標(biāo)體系時，鑒于難以一次性地考慮問題的全部細(xì)節(jié)，故采用系統(tǒng)科學(xué)中的層次性原理，即大系統(tǒng)理論中的分解協(xié)調(diào)原理，將問題分解為多個層次，每個層次又有多個構(gòu)成要素，由粗到細(xì)，由表及里，從全局到局部地逐步深入分析，將影響盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的諸多因素條理化、層次化，從而建立遞階層次分析模型，即采用層次分析法(the Analytic Hierarchy Process，簡稱為AHP)的思想建立盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全評估指標(biāo)體系[3]，如圖2、圖3。

圖2　指標(biāo)體系遞階層次結(jié)構(gòu)圖

圖3　圓隧道段評價指標(biāo)

由于R語言在大數(shù)據(jù)處理和分析上有得天獨厚的優(yōu)勢，所以數(shù)學(xué)模型的搭建是通過R語言將評價體系寫成R腳本并放在系統(tǒng)的后臺服務(wù)端。

后臺服務(wù)端包含諸諸多獨立的算法子程序，由統(tǒng)一的模型中心操作控制。圖4給出了數(shù)據(jù)模型的控制框架，共包含模型配置和模型執(zhí)行兩個子模塊。模型配置用于算法的參數(shù)設(shè)置、模型訓(xùn)練及存儲、模型運行狀態(tài)的監(jiān)控等； 模型執(zhí)行用于模型的調(diào)用、輸出判斷結(jié)果等。

圖4　數(shù)據(jù)模型的控制框架

數(shù)據(jù)分析后臺服務(wù)端的基本架構(gòu)主要包含兩個部分(如圖5)：

1)應(yīng)用程序

通過微軟公司提供的.NET Framework技術(shù)搭建控制臺程序，提供數(shù)據(jù)庫讀取和存儲、文件訪問、數(shù)據(jù)預(yù)處理、周期性調(diào)度等支持；

2)R服務(wù)器

通過Revolution公司提供的DeployR Framework技術(shù)搭建R語言分析引擎，提供API接口供應(yīng)用程序訪問及模型加載功能，調(diào)度控制R Session多腳本程序，執(zhí)行復(fù)雜算法的運算。

圖5　服務(wù)端基本架構(gòu)

2.1.3養(yǎng)護(hù)策略選擇

根據(jù)不同的方案要求選擇不同的養(yǎng)護(hù)策略，以大連路隧道為例，系統(tǒng)提供了性能優(yōu)先和經(jīng)濟(jì)優(yōu)先兩種不同的養(yǎng)護(hù)策略。如在經(jīng)濟(jì)優(yōu)先下，根據(jù)評估結(jié)果對于處于風(fēng)險不可接受區(qū)的設(shè)施優(yōu)先進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修； 對于處于風(fēng)險可忽略區(qū)的設(shè)施結(jié)構(gòu)暫時不考慮對其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修[4]。再通過對該養(yǎng)護(hù)策略后的性能進(jìn)行性能預(yù)估和年度預(yù)算進(jìn)行對比，如果滿足要求則輸出養(yǎng)護(hù)方案。

優(yōu)先養(yǎng)護(hù)的方法則通過引用多屬性決策的群排序方法的“加權(quán)偏差平方和最小的思想”排序方法來處理在資金受限制的情況下維修優(yōu)先級問題[5]。優(yōu)先級排序是目前國內(nèi)外普遍采用的方法，即在有限資金的條件下，優(yōu)先安排影響大，技術(shù)狀況較差，維護(hù)等級高的項目，以達(dá)到合理地分配和使用有限資金，保證項目處在規(guī)定的服務(wù)水平上，使養(yǎng)護(hù)維修資金發(fā)揮最佳的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

3　工程應(yīng)用

公路隧道全生命周期養(yǎng)護(hù)決策對于提升公路隧道養(yǎng)護(hù)管理水平和效率，保障公路隧道結(jié)構(gòu)安全和降低運維成本有著十分重要的意義。目前本系統(tǒng)已經(jīng)在上海市大連路隧道養(yǎng)護(hù)管理中得到應(yīng)用，使大連路隧道養(yǎng)護(hù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)化、分析處理智能化、養(yǎng)護(hù)決策科學(xué)化、業(yè)務(wù)管理信息化，為管理部門及時地發(fā)現(xiàn)病害并加以科學(xué)防治，減少事故發(fā)生，保證隧道的安全暢通提供了技術(shù)手段。

圖6、圖7、圖8為系統(tǒng)實時監(jiān)測到的隧道斷面收斂、接縫張開、縱向沉降。圖9為系統(tǒng)根據(jù)病害評估結(jié)果，將處于危險等級的結(jié)構(gòu)評估段展示出來，并提出維養(yǎng)建議。圖10為根據(jù)結(jié)構(gòu)健康的評估結(jié)果結(jié)合養(yǎng)護(hù)規(guī)范，在有約束條件下計算年度養(yǎng)護(hù)費用。

4　結(jié)論

針對目前隧道運維有很多管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀，本文通過采用中間數(shù)據(jù)庫的形式，提取整合隧道評估所需要的信息，并結(jié)合R語言的大數(shù)據(jù)分析優(yōu)勢，實現(xiàn)了隧道服役狀況的評估和有約束狀態(tài)下的隧道年度養(yǎng)護(hù)方案生成，為城市公路隧道運維提供了一個新的思路與方法。但本系統(tǒng)的評估指標(biāo)參數(shù)獲取方法采用的是取最新時間的數(shù)據(jù)，如何考慮評估指標(biāo)數(shù)據(jù)的突發(fā)變化對結(jié)構(gòu)評估段的影響，這方面值得研究。

圖6　斷面收斂

圖7　接縫張開

圖8　縱向沉降

圖9　結(jié)構(gòu)評估

圖10　養(yǎng)護(hù)方案

[1]王波. 廈門翔安海底隧道土建結(jié)構(gòu)維修養(yǎng)護(hù)計算機(jī)管理系統(tǒng)[D].西南交通大學(xué)， 2009.

[2]周健， 楊洋，付立家.公路隧道預(yù)防性養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)研究[J].公路交通技術(shù)， 2011， 06：131-134.

[3]許慧， 張禮敬，余健平，張二強(qiáng).標(biāo)度擴(kuò)展的AHP在長江隧道安全設(shè)施評估中的應(yīng)用[J].工業(yè)安全與環(huán)保， 2013， 10：49-52.

[4]劉延芳， 周泳濤，鮑衛(wèi)剛.橋梁結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)方案優(yōu)先排序方法研究[J].公路， 2013， 04：201-204.

[5]夏海兵， 姚安林，尹繼明.在路網(wǎng)中橋梁維修優(yōu)先級的輔助決策方法[J].公路交通技術(shù)， 2007， 02：121-122+132.

Research on Tunnel Operation and Maintenance Decision Support System based on Big Data

Hu Min1， 2， Zhang Mingzheng2， 3， Shi Yongquan4， Yu Gang1， 2

(1.SILCBusinessSchool，ShanghaiUniversity，Shanghai201400，China；2.SHU-SUCGResearchCenterofBuildingIndustrialization，ShanghaiUniversity，Shanghai200072，China；3.CivilEngineeringDepartment，ShanghaiUniversity，Shanghai200072，China；4.ShanghaiTunnelEngineeringCo.，Ltd.,Shanghai200232，China)

In order to solve the the problems caused by diversifed information in the highway tunnel, this article analyzes the characteristics of highway tunnel and uses big data analysis and assessment of BIM technology to study the tunnel maintenance and optimization.Based on the evaluation of the whole life cycle maintenance and optimization decision method，the article describes the basic principle of whole life cycle information evaluation decision and implementation path，and makes strategic choices according to the evaluation results. Finally，innovation points and application effects of this method are summarized，and the future development trend of the tunnel maintenance evaluation is pointed out.

Highway Transportation； Operation and Maintenance； Decision Support System； Road Tunnel； Life Cycle； Building Information Modeling

上海市科委重點項目“大數(shù)據(jù)專項-面向橋隧時空數(shù)據(jù)的信息融合和挖掘關(guān)鍵技術(shù)研究”(編號： 13511504803)； 上海市國資委重大科研項目“智慧城市交通基礎(chǔ)設(shè)施全壽命周期管理支持體系研究”(編號： 2014008)

胡珉(1970-)，女，副教授，博士。主要研究方向：建筑信息化。

TU17;U459.2;U540.5

A

1674-7461(2016)01-0048-05

10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.01.08