鐵路橋梁病害庫和管養(yǎng)知識庫的構(gòu)建及應(yīng)用研究

潘永杰，魏乾坤，趙欣欣，劉曉光

(中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所,北京 100081)

我國鐵路橋梁運營管理執(zhí)行“檢養(yǎng)修分開”模式，以檢查(周期性檢查、臨時檢查、專項檢查等)、周期性保養(yǎng)、綜合維修和大修為主，通過界定車間班組職責(zé)，按照檢查、分析、計劃、作業(yè)、驗收幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行流程管理。檢養(yǎng)修3種作業(yè)層次確保了資源共享化、作業(yè)集中化和檢修專業(yè)化[1]，對于橋梁結(jié)構(gòu)保持良好的服役狀態(tài)起到了至關(guān)重要的作用。橋梁檢查以人工巡檢為主，針對發(fā)現(xiàn)的病害現(xiàn)場填寫檢查記錄簿，養(yǎng)護維修人員處理后在記錄簿對應(yīng)位置記錄，多以紙質(zhì)檔案保存[2-3]，容易出現(xiàn)不規(guī)范、不準(zhǔn)確的表述，病害的綜合分析較難。同時，橋梁管養(yǎng)知識歸納總結(jié)不夠、共享性差的現(xiàn)象普遍存在，運營人員需要大量的實踐經(jīng)驗積累才能制定針對性的實施方案，不僅增加了學(xué)習(xí)成本，也不利于經(jīng)驗的推廣應(yīng)用。

隨著高速鐵路的大規(guī)模發(fā)展，以橋代路的建設(shè)理念以及復(fù)雜多樣的空間分布促使了許多新型橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用[4]，如系桿拱橋、公鐵合建的斜拉橋、懸索橋等，設(shè)計采用了新結(jié)構(gòu)、新工藝、新材料，原有面向中小跨度橋梁的劣化評定標(biāo)準(zhǔn)已不完全適用，致使現(xiàn)場人員缺乏對檢養(yǎng)修工作重心的把控和及時、準(zhǔn)確的技術(shù)指導(dǎo)。

針對鐵路橋梁結(jié)構(gòu)形式多樣化、檢養(yǎng)修作業(yè)紙質(zhì)化和技術(shù)日趨復(fù)雜化的特點，本文在基于PHM(Prognostic and Health Management)管養(yǎng)系統(tǒng)框架下[5-6]，將信息化技術(shù)與現(xiàn)有檢養(yǎng)修流程深度融合，構(gòu)建鐵路橋梁病害庫和管養(yǎng)知識庫，基于橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)輔助日常檢修作業(yè)[7]，利用BIM技術(shù)實現(xiàn)病害的精確定位和全過程有效信息的關(guān)聯(lián)，從而提高橋梁病害檢查、養(yǎng)護和維修的規(guī)范化和準(zhǔn)確性。

1 橋梁病害庫及管養(yǎng)知識庫

橋梁病害庫及管養(yǎng)知識庫是以運維單元(一般指構(gòu)件)為本體，基于BIM技術(shù)集成檢查重點、劣化標(biāo)準(zhǔn)、養(yǎng)護對策等內(nèi)容，服務(wù)檢養(yǎng)修應(yīng)用的綜合知識體系，包括標(biāo)準(zhǔn)知識庫體系和基于BIM的運營養(yǎng)護系統(tǒng)2大模塊，如圖1所示。

圖1 鐵路橋梁病害庫及管養(yǎng)知識庫組成架構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)知識庫體系的構(gòu)建是以高速鐵路和普速鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則為基礎(chǔ)，通過國內(nèi)外橋梁工程病害的調(diào)研和長期跟蹤，逐步形成面向各種橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的病害種類、劣化標(biāo)準(zhǔn)、維修策略等知識系統(tǒng)?；贐IM的運營養(yǎng)護是在標(biāo)準(zhǔn)知識庫體系的基礎(chǔ)上，旨在形成橋梁運營作業(yè)的自動化輔助系統(tǒng)?；贐IM模型的可視化、關(guān)聯(lián)性等特點，規(guī)范具體結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的病害檢查、維修方式等的作業(yè)流程，為橋梁養(yǎng)護人員提供快速準(zhǔn)確的病害分類和養(yǎng)修指導(dǎo)，協(xié)助檢養(yǎng)修工作的決策和實施。

2 標(biāo)準(zhǔn)知識庫

標(biāo)準(zhǔn)知識庫體系涵蓋運維構(gòu)件庫、劣化標(biāo)準(zhǔn)庫、檢查庫、維修庫和其他輔助知識庫，其中以運維構(gòu)件庫為基礎(chǔ)，通過編碼與其他4大庫關(guān)聯(lián)。其實質(zhì)是專家系統(tǒng)與現(xiàn)場實踐應(yīng)用的有機整合，核心是開展鐵路橋梁運維構(gòu)件分類和全生命周期信息的關(guān)聯(lián)應(yīng)用。

2.1 運維構(gòu)件庫

2.1.1 運維構(gòu)件分類

構(gòu)件是橋梁運維管理的基本單元。構(gòu)件分類即橋梁結(jié)構(gòu)(模型組織結(jié)構(gòu))的合理拆分，不僅應(yīng)遵循橋梁本身的結(jié)構(gòu)體系，還需考慮面向運營對象的特殊需求，以便保持與現(xiàn)有運維模式的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，從而有效銜接現(xiàn)行修理規(guī)則。

高速鐵路橋梁多數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)跨度簡支梁，占比很少的特殊結(jié)構(gòu)橋型形式多樣，但每種橋型基本都包括上部結(jié)構(gòu)、支座(阻尼器及伸縮裝置)和附屬設(shè)施、下部結(jié)構(gòu)4部分?；诖耍瑢蛄航Y(jié)構(gòu)運維單元的分類和枚舉結(jié)果如下：

1)上部結(jié)構(gòu)分為鋼筋混凝土梁體、預(yù)應(yīng)力混凝土梁體、鋼板梁主梁、結(jié)合梁鋼主梁、結(jié)合梁混凝土橋面板、桿件、節(jié)點、聯(lián)結(jié)構(gòu)造、拱肋、拱腳、拱上立柱、橋面系、鋼箱梁體、主塔、斜拉索、吊桿(索)、索夾、主纜、主索鞍、散索鞍、錨固構(gòu)造等；

2)支座(阻尼器及伸縮裝置)分為支座、阻尼器、特殊橋梁結(jié)構(gòu)伸縮裝置、常用跨度橋面伸縮裝置等；

3)附屬設(shè)施分為防護墻(擋砟墻)、吊籃、圍欄、道砟槽、排水設(shè)施、防水設(shè)施、電纜槽、作業(yè)通道(包括人行道、檢查梯、檢查通道、避車臺)、聲屏障、風(fēng)屏障、防落梁設(shè)施、檢查車、防護欄桿、遮板、通航輔助設(shè)施、防撞設(shè)施、破冰棱、橋梁限高架、錐體、河調(diào)設(shè)施等;

4)下部結(jié)構(gòu)分為明挖基礎(chǔ)、樁基、承臺或地系梁、沉井基礎(chǔ)、挖井基礎(chǔ)、管柱基礎(chǔ)、橋墩、橋臺、墊石、錨錠等。

上述分類方法僅將橋梁構(gòu)件進行了第3級分解，對部分特殊橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件而言還未達到應(yīng)用的細分程度。因此，需要結(jié)合具體橋型進行第4級、甚至第5級的分解，以滿足運維設(shè)備臺賬分類和精細化管理的要求。

2.1.2 運維構(gòu)件庫創(chuàng)建

運維構(gòu)件庫的創(chuàng)建涉及2個方面：①對每種類型構(gòu)件應(yīng)當(dāng)包含的屬性信息進行歸集整理，分別從身份描述、定位信息、幾何信息、技術(shù)信息、組織角色、項目信息、生產(chǎn)信息、資產(chǎn)信息、運維信息等9個方面對全過程信息進行分組定義，形成BIM模型構(gòu)件屬性信息交換模板，實現(xiàn)全生命周期的信息集成。②以《鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》(1.0版)中53表為基礎(chǔ)[8]，建立基于IFD分類編碼的技術(shù)應(yīng)用模式，確定以IFD分類編碼為唯一關(guān)聯(lián)標(biāo)識。橋梁構(gòu)件通過編碼關(guān)聯(lián)到所屬運維構(gòu)件庫，現(xiàn)階段是并行關(guān)聯(lián)其他4大庫內(nèi)容。伴隨知識積累，未來將升級為第2階段的精細化運營，即自動識別相應(yīng)的劣化標(biāo)準(zhǔn)庫和檢查庫，通過劣化標(biāo)準(zhǔn)庫自動推送相應(yīng)的維修庫和其他輔助知識庫，其關(guān)聯(lián)模式如圖2所示。

圖2 不同階段基于運維構(gòu)件分類編碼的關(guān)聯(lián)模式

根據(jù)現(xiàn)場和決策需求，其他輔助知識庫包括工程案例庫、工具庫、劣化等級標(biāo)準(zhǔn)圖例庫、標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)庫、供方庫等內(nèi)容。由此可知，標(biāo)準(zhǔn)知識庫是面向?qū)I(yè)化、精細化、標(biāo)準(zhǔn)化管養(yǎng)的龐大數(shù)據(jù)知識體系，將伴隨行業(yè)技術(shù)發(fā)展和實際運營情況進行動態(tài)調(diào)整和持續(xù)完善，是整個運營養(yǎng)護系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)性工作。

2.2 劣化標(biāo)準(zhǔn)庫

劣化標(biāo)準(zhǔn)除了具體的病害描述外，還涉及檢查周期、建議維護時間、病害劣化等級分類，是檢查人員識別和評估病害的直接依據(jù)。鐵運〔2011〕131號《高速鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則(試行)》[3]將檢查結(jié)構(gòu)劃分為橋面、橋面防排水、鋼結(jié)構(gòu)保護涂裝、鋼結(jié)構(gòu)、支座和防落梁擋塊、混凝土梁及墩臺、橋梁救援疏散通道等，這種分類適用于現(xiàn)場運營維護需求，但不能完全對應(yīng)于橋梁設(shè)計層面中的4大結(jié)構(gòu)部位，不利于基于運維構(gòu)件為本體的信息集成和針對性的統(tǒng)計分析。因此，以修理規(guī)則為基礎(chǔ)，按照4大結(jié)構(gòu)部位對病害進行歸屬和分類細化，從表現(xiàn)形式上重構(gòu)劣化標(biāo)準(zhǔn)庫：基于“結(jié)構(gòu)部位+構(gòu)件名稱+病害大類+病害子類+劣化等級”的編碼原則對病害進行唯一性標(biāo)識，每種病害大類采用固定數(shù)字編號，細分的病害子類采用流水編號，方便進行新型病害類型的擴充。劣化等級按A(AA，A1),B,C級設(shè)置。目前已完成170余項病害信息的結(jié)構(gòu)化存儲。

通過在系統(tǒng)內(nèi)分類創(chuàng)建構(gòu)件表和屬性表，對構(gòu)件分類編碼、編碼從屬關(guān)系、屬性分組信息、屬性內(nèi)容等進行有序存儲，建立基于IFD的橋梁結(jié)構(gòu)樹狀組織關(guān)系。其與劣化標(biāo)準(zhǔn)庫的關(guān)聯(lián)展示如圖3所示。

圖3 上部結(jié)構(gòu)運維構(gòu)件庫與劣化標(biāo)準(zhǔn)庫的關(guān)聯(lián)展示

2.3 檢查庫及維修庫

檢查庫及維修庫針對具體橋型開展，仍按4大結(jié)構(gòu)部位進行知識關(guān)聯(lián)，明確橋梁關(guān)鍵部位的檢查重點及檢查方法，根據(jù)病害劣化程度，推送對應(yīng)的養(yǎng)護維修措施。考慮上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件種類多，且不同橋型差異大，因此上部結(jié)構(gòu)檢查庫中將常規(guī)鋼梁、混凝土橋和特殊結(jié)構(gòu)橋(代碼分別為01,02,03)作為劃分依據(jù)，其他3大結(jié)構(gòu)部位暫不考慮橋型影響。

通過現(xiàn)場和資料調(diào)研收集了20余項具有可實施性的檢查方法及維修方式，初步構(gòu)建了作業(yè)指導(dǎo)書形式的檢查庫及維修庫，并對典型作業(yè)指導(dǎo)書制作了三維技術(shù)交底動畫。相應(yīng)作業(yè)指導(dǎo)書的編號原則為“作業(yè)形式+結(jié)構(gòu)部位+橋型或構(gòu)件代碼+構(gòu)件或病害的流水號”，如表1所示。

表1 檢查及維修作業(yè)分類及編號

檢查庫及維修庫涉及的字段主要有構(gòu)件ID、作業(yè)名稱、作業(yè)類型、檢查目的、作業(yè)條件、工具材料、作業(yè)程序、作業(yè)要領(lǐng)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、安全風(fēng)險、安全紅線警示等，通過明確各環(huán)節(jié)具體內(nèi)容實現(xiàn)檢查和維修作業(yè)的流程化和標(biāo)準(zhǔn)化。

3 基于BIM的運營養(yǎng)護

基于BIM的運營養(yǎng)護是在標(biāo)準(zhǔn)知識庫體系基礎(chǔ)上進行的具體業(yè)務(wù)應(yīng)用，涉及BIM模型、病害檢查、養(yǎng)護維修和綜合展示4部分內(nèi)容，整體技術(shù)路線如圖4所示。

運維BIM模型創(chuàng)建方法已在文獻[6]中介紹。養(yǎng)護維修涉及不同的操作流程，具體內(nèi)容按照維修庫的操作流程執(zhí)行，本文僅對病害檢查和分析展示進行闡述。

圖4 基于BIM的運營養(yǎng)護技術(shù)路線

3.1 病害檢查

病害檢查可基于巡檢終端完成相應(yīng)操作。檢查人員攜帶手持終端按照分配的巡檢任務(wù)進行橋梁巡檢。通過選擇構(gòu)件模型可查看其檢查重點、檢查方式、設(shè)計信息、施工信息、歷史病害信息等內(nèi)容。當(dāng)某一構(gòu)件出現(xiàn)病害時，在橋梁BIM模型上選擇發(fā)生病害的構(gòu)件，實現(xiàn)病害的精確定位(如圖5所示)，并以自動標(biāo)簽方式標(biāo)識病害位置。巡檢系統(tǒng)自動給出該類構(gòu)件可能發(fā)生的病害類型及劣化等級信息，檢查人員對照實際情況進行選擇，必要時附加病害照片或補充音頻、視頻等相關(guān)信息，最終形成的病害記錄包括構(gòu)件ID、病害類型、劣化等級、發(fā)現(xiàn)時間、檢查人員、檢查工具、病害情況描述等完整內(nèi)容。

圖5 病害部件的精確定位

基于BIM的巡檢固化了檢查流程，一方面實現(xiàn)了病害的可視化定位、規(guī)范化描述和歷史病害信息的結(jié)構(gòu)化存儲，另一方面通過自動推薦的病害處理措施，為橋梁養(yǎng)護人員提供了有效決策，減少了學(xué)習(xí)成本，起到“虛擬助理”作用。

3.2 分析展示

基于BIM的橋梁巡檢實現(xiàn)了橋梁病害信息的可視化和結(jié)構(gòu)化，根據(jù)巡檢結(jié)果對數(shù)據(jù)模型進行統(tǒng)計分析，服務(wù)于精準(zhǔn)管養(yǎng)。

1)定性分析

根據(jù)構(gòu)件分類編碼和病害類型的編碼規(guī)則，可對巡檢結(jié)果按構(gòu)件類型或病害類型進行一定時間的統(tǒng)計分析，如圖6所示。

圖6 病害統(tǒng)計示例

以構(gòu)件類型為維度，可獲取一定時期內(nèi)某種構(gòu)件類型發(fā)生病害的分布情況，實現(xiàn)對該類構(gòu)件狀態(tài)的4D變化展示和持續(xù)跟蹤，為預(yù)防性維修提供條件。若某種病害發(fā)生的頻率多，結(jié)合多源信息可分析歸納該類構(gòu)件發(fā)生此種病害的共性原因，進而反饋類似結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計或施工。

以病害類型為維度，通過統(tǒng)計特定病害最常發(fā)生的構(gòu)件類型，有利于檢查人員對工作重心的把控；管理單位通過對單個橋梁或所轄線路橋梁病害類型的統(tǒng)計分析，按照劣化程度進行分類匯總，有利于養(yǎng)護維修工作優(yōu)先次序的制定，實現(xiàn)有限資源的合理分配和成本效益的最佳平衡。

與此同時，橋梁運維BIM模型集成關(guān)聯(lián)了模型單元信息模板內(nèi)的其他信息，如橋梁結(jié)構(gòu)形式、建成年代、所處地理位置、環(huán)境作用等級、軌道類型、曲線半徑、線路坡度等。隨著病害、檢測及維護數(shù)據(jù)的大量積累，后期可以通過機器學(xué)習(xí)確定各種影響因素與發(fā)生病害類型的相關(guān)性，進而有針對性地反饋設(shè)計、施工或提前制定預(yù)防性維護策略，實現(xiàn)全生命周期信息的共享與反饋。

2)定量分析

采用橋梁狀態(tài)分層分級評估方法[5]進行定量分析，其本質(zhì)是基于病害檢查結(jié)果對橋梁狀態(tài)進行綜合評判：首先對結(jié)構(gòu)單元進行評分，再逐級向上依次對橋梁4大結(jié)構(gòu)部位、各孔跨、主橋進行4個層次的狀態(tài)評分，給出相應(yīng)的狀態(tài)區(qū)間及健康代碼，不同健康代碼反映不同的橋梁狀態(tài)，進而為橋梁養(yǎng)護維修決策提供參考。

定量分析的本質(zhì)屬于專家系統(tǒng)，評分的關(guān)鍵在于專家確定的權(quán)重表，必要時權(quán)重表應(yīng)根據(jù)橋梁類型、結(jié)構(gòu)形式等因素進行調(diào)整。

4 結(jié)論

1)病害庫及管養(yǎng)知識庫包括標(biāo)準(zhǔn)知識庫體系和基于BIM的運營養(yǎng)護系統(tǒng)2大模塊，前者包括運維構(gòu)件庫、劣化標(biāo)準(zhǔn)庫、檢查庫和維修庫，后者包括BIM模型、病害檢查記錄、養(yǎng)護維修流程、狀態(tài)分析展示，是針對具體橋型的業(yè)務(wù)應(yīng)用。

2)提出了以運維單元或構(gòu)件為本體，基于BIM技術(shù)集成劣化標(biāo)準(zhǔn)庫、檢查庫、維修庫等的綜合知識系統(tǒng)框架。運維構(gòu)件庫的劃分是基礎(chǔ)，劣化標(biāo)準(zhǔn)庫、檢查庫、維修庫的持續(xù)積累和及時更新是核心，IFD分類編碼是關(guān)聯(lián)手段。

3)鐵路橋梁運維模型分解為上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、支座(阻尼器及伸縮裝置)和附屬設(shè)施4大部位，并完成對各部位運維構(gòu)件的枚舉。

4)制定劣化標(biāo)準(zhǔn)庫、檢查庫和維修庫的編號規(guī)則，完成170余項病害信息的結(jié)構(gòu)化存儲，固化了20余項具有可實施性的檢查方法及維修方式，初步構(gòu)建了作業(yè)指導(dǎo)書形式的檢查庫及維修庫。

5)研發(fā)了基于BIM的運營養(yǎng)護系統(tǒng)，固化了檢養(yǎng)修信息化處理流程，實現(xiàn)了病害智能巡檢、橋梁病害的定性分析和橋梁狀態(tài)的定量分析，為全生命周期信息互反饋和預(yù)防性維護提供了條件。