橋梁病害智能診斷與養(yǎng)護(hù)決策系統(tǒng)研究

劉大洋，黃文韜，斯新華，張 朋

(1.招商局重慶公路工程檢測(cè)中心有限公司，重慶 400067； 2.長(zhǎng)安大學(xué)，西安 710021)

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)的迅速發(fā)展及其在公路交通檢測(cè)領(lǐng)域的大規(guī)模融合應(yīng)用，國(guó)家與交通行業(yè)對(duì)公路交通病害智能診斷與養(yǎng)護(hù)決策的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性提出進(jìn)一步要求。2019年9月，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)了《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》[1]，要求大力推動(dòng)大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)與交通行業(yè)深度融合，推廣應(yīng)用交通裝備的智能檢測(cè)(監(jiān)測(cè))和運(yùn)維技術(shù)，提高養(yǎng)護(hù)專業(yè)化、信息化水平。同年12月，交通部印發(fā)了《推進(jìn)綜合交通運(yùn)輸大數(shù)據(jù)發(fā)展行動(dòng)綱要(2020年—2025年)》[2]，明確要求構(gòu)建綜合性大數(shù)據(jù)分析技術(shù)模型，研究建立具有較強(qiáng)應(yīng)用價(jià)值的綜合性、全局性大數(shù)據(jù)分析模型，形成一系列易理解、有結(jié)論、實(shí)用性和權(quán)威性較強(qiáng)的大數(shù)據(jù)分析成果，有效支撐綜合交通運(yùn)輸決策管理與服務(wù)。

目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)中小橋梁、城市橋梁、鋼橋等橋型相應(yīng)病害形式、成因、處治方法等方面進(jìn)行了研究與總結(jié)[3-11]，以指導(dǎo)橋梁的檢測(cè)和養(yǎng)護(hù)。如浙江省交通運(yùn)輸廳主編的《中小跨徑橋梁典型病害防治手冊(cè)》[12]，針對(duì)中小跨徑橋梁的6種典型病害進(jìn)行成因分析，并提出了防治措施與加固方法；宋波[13]主編的《圖說(shuō)城市橋梁病害與對(duì)策》，以城市橋梁為研究對(duì)象，對(duì)病害的表現(xiàn)、可能原因、檢查與維修要點(diǎn)4個(gè)方面進(jìn)行了說(shuō)明闡述；由日本山田健太郎等[14]編著的《鋼橋的維持管理》，以鋼橋的疲勞和腐蝕問(wèn)題為研究對(duì)象，從原理、案例、防治措施等方面進(jìn)行了分析說(shuō)明；金輝[15]主編的《公路橋梁典型病害診斷與處治圖解手冊(cè)》，對(duì)橋梁的典型病害成因分析、維修加固等方面進(jìn)行了說(shuō)明。

上述研究結(jié)果均以紙質(zhì)手冊(cè)的方式供行業(yè)技術(shù)人員學(xué)習(xí)與參考，但寶貴的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能與檢測(cè)及養(yǎng)護(hù)業(yè)務(wù)信息化系統(tǒng)直接對(duì)接，且不能滿足如今高速發(fā)展的“互聯(lián)網(wǎng)+”與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)時(shí)代的信息化發(fā)展要求，造成寶貴數(shù)據(jù)資源浪費(fèi)。而目前在檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)行業(yè)內(nèi)，橋梁現(xiàn)場(chǎng)常規(guī)性病害診斷的主要依據(jù)來(lái)自工程師經(jīng)驗(yàn)，否則通過(guò)專家咨詢會(huì)，給出相應(yīng)診斷結(jié)論和養(yǎng)護(hù)處治對(duì)策。這種方式非常依賴診斷人員的技術(shù)水平和工作經(jīng)驗(yàn)，如專家專業(yè)知識(shí)與工程經(jīng)驗(yàn)豐富，診斷分析的結(jié)果相對(duì)合理；如人員專業(yè)水平有限，可能診斷不準(zhǔn)確，一個(gè)問(wèn)題變多個(gè)問(wèn)題，造成業(yè)主經(jīng)濟(jì)損失或者存在安全隱患。另外，現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題出現(xiàn)后到專家咨詢有一個(gè)時(shí)間過(guò)程，診斷和決策不及時(shí)，可能貽誤良機(jī)，錯(cuò)過(guò)關(guān)鍵處治時(shí)機(jī)。

鑒于此，招商檢測(cè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一套梁式橋病害智能診斷與養(yǎng)護(hù)決策系統(tǒng)，并已用于橋梁檢測(cè)和養(yǎng)護(hù)終端系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了梁式橋常規(guī)病害的實(shí)時(shí)智能診斷、成因分析與養(yǎng)護(hù)對(duì)策的一鍵生成，可輔助現(xiàn)場(chǎng)人員第一時(shí)間決策，大幅提高梁式橋診斷和養(yǎng)護(hù)決策的智能化水平。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與技術(shù)路線

在系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)，考慮了系統(tǒng)后期知識(shí)庫(kù)與專業(yè)類別的可擴(kuò)展性，并基于第三范式對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)與數(shù)據(jù)表進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)，從業(yè)務(wù)實(shí)際需求角度，建立橋梁病害智能診斷與養(yǎng)護(hù)決策數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，解決智能診斷的運(yùn)行效率問(wèn)題。建立系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)迭代增長(zhǎng)機(jī)制，通過(guò)在用戶端自助編輯新增樣本、記錄應(yīng)用端用戶操作行為，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)樣本庫(kù)的自主成長(zhǎng)和特征權(quán)重的學(xué)習(xí)優(yōu)化。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)橋梁病害的智能診斷與養(yǎng)護(hù)決策的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)路線

2 系統(tǒng)核心知識(shí)庫(kù)構(gòu)建

核心知識(shí)庫(kù)是橋梁病害智能診斷與養(yǎng)護(hù)決策系統(tǒng)的重要組成部分，通過(guò)分析橋梁病害相關(guān)的專業(yè)術(shù)語(yǔ)并對(duì)其進(jìn)行分類整理，建立特征詞庫(kù)，形成以病害識(shí)別、模型匹配算法的基礎(chǔ)底層支撐。詞庫(kù)包括橋梁基本信息，病害的種類以及參數(shù)特征詞語(yǔ)，成因典型特征與一般特征詞語(yǔ)與權(quán)重分配，形成專業(yè)詞庫(kù)、病害成因與養(yǎng)護(hù)處治建議核心技術(shù)文件。

核心知識(shí)庫(kù)建立了涵蓋專業(yè)特征詞庫(kù)、病害類型庫(kù)、成因分析庫(kù)、養(yǎng)護(hù)對(duì)策庫(kù)4個(gè)子庫(kù)核心知識(shí)庫(kù)，如圖2所示，并依據(jù)專業(yè)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，建立特征詞庫(kù)的特征詞初始權(quán)重。目前知識(shí)庫(kù)涵蓋梁式橋病害類型108種，梁式橋病害成因庫(kù)結(jié)果210種，梁式橋養(yǎng)護(hù)對(duì)策庫(kù)189種，特征詞庫(kù)1 033個(gè)，同時(shí)建立了108種梁式橋病害的特征詞初始權(quán)重。

圖2 核心知識(shí)庫(kù)構(gòu)建

在知識(shí)庫(kù)形成過(guò)程中，對(duì)橋梁病害庫(kù)、成因庫(kù)、養(yǎng)護(hù)建議庫(kù)及特征詞等須進(jìn)行專家鑒審，確保數(shù)據(jù)的邏輯合理性、專業(yè)性。

3 系統(tǒng)核心算法

算法是實(shí)現(xiàn)病害高效精準(zhǔn)診斷的核心技術(shù)，需經(jīng)過(guò)以下標(biāo)準(zhǔn)化處理：1) 通過(guò)自然語(yǔ)言處理，將非結(jié)構(gòu)化病害描述進(jìn)行詞語(yǔ)拆分，完成樣本結(jié)構(gòu)化處理；2) 將樣本的結(jié)構(gòu)化處理結(jié)果與特征詞庫(kù)進(jìn)行識(shí)別；3) 根據(jù)樣本與各個(gè)梁式橋病害的特征詞匹配程度，經(jīng)過(guò)多步計(jì)算后，推算出病害描述樣本與梁式橋病害的匹配概率結(jié)果；4)通過(guò)記錄用戶操作行為，不斷調(diào)整優(yōu)化成因特征的權(quán)重比例，實(shí)現(xiàn)成因匹配結(jié)果的準(zhǔn)確性。

經(jīng)過(guò)以上環(huán)節(jié)后，最終建立起涵蓋自然語(yǔ)言處理、特征詞識(shí)別、模糊匹配算法、權(quán)重優(yōu)化算法的核心算法體系，實(shí)現(xiàn)病害成因分析和養(yǎng)護(hù)決策的匹配概率達(dá)到80%以上。

4 系統(tǒng)集成應(yīng)用

目前該系統(tǒng)正在上線測(cè)試階段，首先用于團(tuán)隊(duì)已研發(fā)上線的2款產(chǎn)品：1) 用于“橋梁智能檢查系統(tǒng)”的現(xiàn)場(chǎng)采集端、web分析端、檢測(cè)報(bào)告病害成因分析、養(yǎng)護(hù)建議等；2) 用于“智能養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)橋梁經(jīng)常檢查模塊”的現(xiàn)場(chǎng)采集端和web分析端，如圖3 所示。

圖3 橋梁檢測(cè)系統(tǒng)web分析端

4.1 獨(dú)立部署應(yīng)用

該系統(tǒng)研發(fā)的目的是為了更好地服務(wù)實(shí)際工程，以解決工程問(wèn)題。梁式橋病害智能診斷與養(yǎng)護(hù)決策技術(shù)成果可單獨(dú)部署應(yīng)用，作為檢測(cè)和養(yǎng)護(hù)單位橋梁病害分析與處治決策的輔助系統(tǒng)。獨(dú)立部署應(yīng)用系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)獨(dú)立部署應(yīng)用——病害智能診斷

4.2 封裝集成應(yīng)用

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在橋梁檢測(cè)終端、橋梁養(yǎng)護(hù)終端(經(jīng)常檢查、日常巡查)模塊的集成應(yīng)用。通過(guò)接口對(duì)接檢測(cè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)分析病害成因，也可通過(guò)病害原因來(lái)驗(yàn)證橋梁出現(xiàn)的病害特征，提升橋梁檢測(cè)效率與質(zhì)量，提高橋梁報(bào)告完整程度與自動(dòng)化程度。對(duì)接既有養(yǎng)護(hù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，可大幅提高養(yǎng)護(hù)決策的智能化水平，自動(dòng)匹配推薦養(yǎng)護(hù)方案與優(yōu)化養(yǎng)護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

如在橋梁定檢系統(tǒng)的APP端，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)病害采集數(shù)據(jù)與橋梁關(guān)鍵信息，可實(shí)現(xiàn)橋梁病害的實(shí)時(shí)診斷，為檢查人員提供專業(yè)咨詢，同時(shí)提醒現(xiàn)場(chǎng)人員可能忽略的重要特征，保存并上傳診斷結(jié)果、成因分析結(jié)果、養(yǎng)護(hù)對(duì)策結(jié)果，如圖5所示。

圖5 橋梁檢測(cè)APP端應(yīng)用

5 結(jié)束語(yǔ)

1) 在系統(tǒng)架構(gòu)與技術(shù)路線指導(dǎo)下，構(gòu)建核心知識(shí)庫(kù)和核心算法體系，開(kāi)發(fā)了一套梁式橋病害智能診斷與養(yǎng)護(hù)決策系統(tǒng)。

2) 研究成果可獨(dú)立部署，也可封裝為模塊接入到既有檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)品，提供了一種梁式橋病害智能診斷和養(yǎng)護(hù)決策的新模式，為后續(xù)其他橋型的病害智能診斷和養(yǎng)護(hù)決策系統(tǒng)研究提供支持。

3) 該系統(tǒng)可解決目前梁式橋病害診斷嚴(yán)重依賴現(xiàn)場(chǎng)人員技術(shù)水平、現(xiàn)場(chǎng)診斷不及時(shí)、現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法智能提醒與預(yù)警等棘手問(wèn)題，提高了橋梁檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)的智能化水平。

4) 該系統(tǒng)在橋型與專業(yè)擴(kuò)展、知識(shí)庫(kù)自助式成長(zhǎng)、算法迭代優(yōu)化、系統(tǒng)易用性等方面還需要進(jìn)一步研究。