基于信息融合技術(shù)的公路橋梁檢測(cè)評(píng)價(jià)方法研究

馮志強(qiáng) 楊蕓 程坤

摘 要：近年來(lái)，我國(guó)公路橋梁建設(shè)取得了很大的成就，大部分的橋梁已進(jìn)入運(yùn)營(yíng)與養(yǎng)護(hù)階段。通過(guò)分析公路橋梁檢測(cè)過(guò)程中存在的問(wèn)題，利用多源信息融合的技術(shù)將養(yǎng)護(hù)管理中的經(jīng)常性檢查、定期檢查、特殊檢查或巡查信息進(jìn)行融合，為運(yùn)營(yíng)管理單位提供科學(xué)的養(yǎng)護(hù)決策，有助于公路橋梁管養(yǎng)水平的提升。

關(guān)鍵詞：信息融合;公路橋梁;檢測(cè);評(píng)價(jià)

中圖分類(lèi)號(hào)：U446 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）7-0095-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.07.022

Abstract： Great achievements have been made in the construction of highway bridges in my country， and many bridges have entered the stage of operation and maintenance. By analyzing the problems existing in the inspection process of highways and bridges， the technology of multi-source information fusion is used to integrate the information of regular inspections， regular inspections， special inspections or inspections in the maintenance management， so as to provide scientific maintenance decisions for the operation and maintenance units. Contribute to the improvement of highway bridge management level.

Keywords： information fusion; highway bridge; detection; evaluation

0 引言

公路橋梁為交通運(yùn)輸業(yè)的飛速發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，橋梁的技術(shù)狀況或承載能力檢測(cè)是公路管養(yǎng)單位的重要工作。橋梁檢測(cè)的目的在于評(píng)價(jià)橋梁狀況，最終為制定橋梁養(yǎng)護(hù)對(duì)策提供依據(jù)和支持。在工程實(shí)踐中，常見(jiàn)的橋梁檢查有日常經(jīng)常性檢查、定期檢查和特殊檢查，必要時(shí)安排特殊的巡查，通過(guò)這些檢查可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁在使用過(guò)程中出現(xiàn)的病害，并能跟蹤橋梁病害的發(fā)展趨勢(shì)[1]。但檢查信息和監(jiān)護(hù)建議多是孤立的存在：檢測(cè)單位提交檢測(cè)報(bào)告和養(yǎng)護(hù)建議，將每座橋梁的檢測(cè)信息錄入系統(tǒng);管養(yǎng)單位想要進(jìn)行科學(xué)決策還需要翻閱資料，不能有效對(duì)比管養(yǎng)路段全線橋梁，難以對(duì)全線采取綜合的管養(yǎng)措施。有些管養(yǎng)單位建立了綜合的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，但相關(guān)檢測(cè)信息也較孤立，不能有效幫助養(yǎng)護(hù)決策[2]。如何將多源數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合，成為橋梁檢測(cè)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員值得研究的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)學(xué)者專(zhuān)家也對(duì)多元化橋梁檢測(cè)信息的綜合應(yīng)用進(jìn)行了初步研究，并取得了部分成就，但就工程實(shí)踐的深度和廣度還不夠。本研究通過(guò)對(duì)公路橋梁檢測(cè)評(píng)價(jià)管理進(jìn)行調(diào)研，詳細(xì)分析了公路橋梁經(jīng)常性檢查數(shù)據(jù)、定期檢查數(shù)據(jù)及特殊檢查數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類(lèi)型，探討了各類(lèi)型數(shù)據(jù)在橋梁養(yǎng)護(hù)中的作用，并對(duì)這些多源數(shù)據(jù)的融合問(wèn)題進(jìn)行分析研究，提出將日常的各項(xiàng)檢測(cè)信息進(jìn)行集中共享融合，從而使管養(yǎng)單位技術(shù)人員能夠直觀判斷橋梁目前的技術(shù)狀況，有利于橋梁養(yǎng)護(hù)工作的科學(xué)決策。

1 信息融合技術(shù)概述

信息融合是指為幫助系統(tǒng)完成某一任務(wù)而對(duì)多個(gè)傳感器提供的信息的協(xié)同利用。信息融合是信息集成過(guò)程的某一級(jí)，在此級(jí)中將不同傳感器信息源綜合成一種表示形式。也就是說(shuō)，信息融合是將來(lái)自不同信息源的信息進(jìn)行處理，信息集成是將各級(jí)信息融合過(guò)程進(jìn)行合成。從信息的角度出發(fā)，橋梁養(yǎng)護(hù)工作可描述成一個(gè)數(shù)據(jù)采集至數(shù)據(jù)應(yīng)用的過(guò)程[3]。

公路橋梁在使用運(yùn)營(yíng)階段養(yǎng)護(hù)工作的基礎(chǔ)是檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集，只有采集完整豐富的病害數(shù)據(jù)，才能建立橋梁檢測(cè)的數(shù)據(jù)庫(kù)，為橋梁養(yǎng)護(hù)決策提供科學(xué)依據(jù)。但是從橋梁全壽命周期來(lái)看，公路橋梁檢測(cè)的數(shù)據(jù)多種多樣。因此，面對(duì)繁雜的檢測(cè)數(shù)據(jù)，就需建立健全完善的橋梁檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)體系，綜合應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)的檢測(cè)信息，綜合研判、科學(xué)決策，大大提高管養(yǎng)人員的工作效率。

2 橋梁多源檢測(cè)數(shù)據(jù)分類(lèi)

橋梁多源信息內(nèi)容涵蓋橋梁全壽命周期內(nèi)產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)信息，包括橋梁基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)和橋梁檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)。

對(duì)于橋梁的檢測(cè)數(shù)據(jù)，從時(shí)間歷程上主要分為建設(shè)期橋梁檢測(cè)和運(yùn)營(yíng)期橋梁檢測(cè)。其中，建設(shè)期檢測(cè)涵蓋原材料檢測(cè)、橋梁成品檢測(cè)、三階段檢測(cè)、成橋檢測(cè)和交竣工檢測(cè);運(yùn)營(yíng)期檢測(cè)主要包括經(jīng)常性檢查數(shù)據(jù)、三年一次的定期檢查數(shù)據(jù)，以及根據(jù)需要進(jìn)行的特殊檢查數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖1）。本文重點(diǎn)從橋梁運(yùn)營(yíng)期管理養(yǎng)護(hù)的角度出發(fā)，對(duì)期間多層次檢測(cè)體系下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 經(jīng)常性檢查數(shù)據(jù)

根據(jù)規(guī)定，橋梁日常巡查數(shù)據(jù)的檢測(cè)頻率一般為每月一次，特殊情況下應(yīng)適當(dāng)增加檢測(cè)頻次，由各管養(yǎng)單位根據(jù)養(yǎng)護(hù)實(shí)際情況綜合確定經(jīng)常性檢查頻次。在公路橋梁經(jīng)常性檢查的過(guò)程中，主要以專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員目測(cè)為主，輔助測(cè)距儀、直尺、望遠(yuǎn)鏡等工具，觀察并記錄橋梁的病害，最終形成經(jīng)常性檢查的記錄數(shù)據(jù)。

經(jīng)常性檢查作為公路橋梁日常養(yǎng)護(hù)的重要工作，能夠非常清晰地記錄橋梁表觀病害的發(fā)展過(guò)程，也是向上級(jí)機(jī)構(gòu)進(jìn)行小修保養(yǎng)申報(bào)的重要依據(jù)。但限于管理手段，經(jīng)常性檢查常依賴(lài)于橋梁養(yǎng)護(hù)工程師的專(zhuān)業(yè)水準(zhǔn)以及對(duì)所管養(yǎng)橋梁的熟悉程度，但每次完成檢查后，想要上報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)則需要翻閱以前的檢查數(shù)據(jù)，造成工作的不便。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，移動(dòng)終端設(shè)備逐漸進(jìn)入橋梁檢測(cè)領(lǐng)域，橋梁養(yǎng)護(hù)工程師通過(guò)移動(dòng)終端的拍攝功能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并利用移動(dòng)終端對(duì)橋梁外觀病害進(jìn)行記錄，詳細(xì)描述橋梁病害的基本特征[4]。同時(shí)，可將多次的經(jīng)常性檢查結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)，需要某項(xiàng)數(shù)據(jù)或某座橋梁信息時(shí)便可進(jìn)行快速查詢(xún)，脫離了原來(lái)傳統(tǒng)的紙質(zhì)記錄，大大提高了工作效率，每次檢查數(shù)據(jù)不易丟失。

2.2 定期檢查數(shù)據(jù)

橋梁定期檢查一般為3年一次，由具有特定檢測(cè)資質(zhì)的單位完成。通過(guò)定期檢查，可全面掌握橋梁病害，并通過(guò)技術(shù)評(píng)分，對(duì)橋梁技術(shù)狀況等級(jí)進(jìn)行劃定，從而為橋梁的養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)。橋梁定期檢查是按照《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（JTG TH—2004）進(jìn)行檢測(cè)，按照《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG TH21—2011）進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，對(duì)各個(gè)部件、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)進(jìn)行等級(jí)評(píng)定，最后形成該橋梁的技術(shù)狀況評(píng)定等級(jí)，能夠?yàn)闃蛄吼B(yǎng)護(hù)決策提供最直接的數(shù)據(jù)依據(jù)。

相對(duì)于經(jīng)常性檢查，定期檢查的數(shù)據(jù)更為細(xì)致、全面，但由于其檢測(cè)周期較長(zhǎng)，且通常以紙質(zhì)報(bào)告的形式保存，并且并非由橋梁日常養(yǎng)護(hù)工程師負(fù)責(zé)完成，而是由管養(yǎng)單位通過(guò)招標(biāo)選擇具有檢測(cè)資質(zhì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，與日常檢查結(jié)果結(jié)合程度較差。因此，當(dāng)前的定期檢查結(jié)果多用于專(zhuān)項(xiàng)養(yǎng)護(hù)計(jì)劃申報(bào)的依據(jù)，或者加固設(shè)計(jì)方案的指導(dǎo)依據(jù)，對(duì)其更深層次的或從時(shí)間、空間上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘利用尚有待進(jìn)一步開(kāi)展[5]。

2.3 特殊檢查數(shù)據(jù)

特殊檢查是判斷橋梁病害及承載能力的重要手段之一。根據(jù)經(jīng)常性檢查和定期檢查的數(shù)據(jù)，對(duì)病害較嚴(yán)重的構(gòu)件或橋梁采取專(zhuān)項(xiàng)的檢測(cè)方法，可以判斷橋梁病害產(chǎn)生的原因及對(duì)橋梁承載能力的影響。公路橋梁特殊檢查常包含的內(nèi)容有橋梁縱向線形、基礎(chǔ)沉降、混凝土強(qiáng)度、碳化深度、鋼筋保護(hù)層厚度、鋼筋銹蝕、荷載試驗(yàn)等，通過(guò)對(duì)各檢查內(nèi)容的綜合分析，基本可以判斷結(jié)構(gòu)或構(gòu)件病害產(chǎn)生的原因和發(fā)展趨勢(shì)。在工程實(shí)踐中，具體適用于以下情況：定期檢查中難以判明橋梁損壞原因及程度的橋梁;橋梁技術(shù)狀況為四、五類(lèi)的橋梁;擬通過(guò)加固手段提高荷載等級(jí)的橋梁;條件許可時(shí)，特殊重要的橋梁在正常使用期間可周期性進(jìn)行荷載試驗(yàn);橋梁遭受洪水、流冰、滑坡、地震、風(fēng)災(zāi)、漂流物或船舶撞擊，因超重車(chē)輛通過(guò)或其他異常情況影響造成損害時(shí)，應(yīng)進(jìn)行應(yīng)急檢查。

在公路橋梁養(yǎng)護(hù)的過(guò)程中，特殊檢查的部分項(xiàng)目常會(huì)與經(jīng)常性檢查、定期檢查的內(nèi)容相重合。因此，在實(shí)際工作中要加強(qiáng)對(duì)經(jīng)常性檢查和定期檢查信息數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用，為橋梁日常養(yǎng)護(hù)提供決策依據(jù)，從而減少不必要的特殊檢查項(xiàng)目。

3 多源檢測(cè)數(shù)據(jù)的融合分析

綜合以上分析，橋梁養(yǎng)護(hù)過(guò)程中常遇到不同類(lèi)型的檢測(cè)數(shù)據(jù)，若能夠?qū)Χ嘣?、多?lèi)型的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，使得每類(lèi)數(shù)據(jù)都能起到應(yīng)有的作用，則可以減少不必要的檢測(cè)工作，大大提高管養(yǎng)工作人員的工作效率。從不同檢測(cè)工作的角度出發(fā)，圖2給出了不同檢測(cè)層次下多源檢測(cè)數(shù)據(jù)的融合分析及集成。

對(duì)于經(jīng)常性檢查數(shù)據(jù)，對(duì)病害按照常規(guī)養(yǎng)護(hù)病害、結(jié)構(gòu)性病害和耐久性病害進(jìn)行分類(lèi)，常規(guī)病害對(duì)應(yīng)橋梁的日常保養(yǎng)，如橋面的坑槽處理、護(hù)欄破損修復(fù)等;結(jié)構(gòu)性病害和耐久性病害，比如結(jié)構(gòu)性裂縫、蓋梁鋼筋銹蝕等，應(yīng)注重在病害的量化和長(zhǎng)期觀測(cè)，形成病害的時(shí)間序列，通過(guò)日常檢查掌握橋梁這些典型病害的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)橋梁典型病害發(fā)展過(guò)程研判發(fā)展趨勢(shì)，可以對(duì)橋梁進(jìn)行日常小修保養(yǎng)，持續(xù)保持橋梁的使用功能。

對(duì)于進(jìn)一步的定期檢查數(shù)據(jù)，基于性能對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，包括安全性病害數(shù)據(jù)、適用性病害數(shù)據(jù)和耐久性病害數(shù)據(jù)，然后通過(guò)技術(shù)狀況評(píng)定，掌握橋梁各類(lèi)性能的技術(shù)狀況。需要說(shuō)明的是，定檢數(shù)據(jù)應(yīng)與日常數(shù)據(jù)融合，尤其對(duì)于檢查發(fā)現(xiàn)的典型病害，應(yīng)建立長(zhǎng)期觀測(cè)機(jī)制。對(duì)于進(jìn)行耐久性專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)、有可靠耐久性數(shù)據(jù)的橋梁，可以根據(jù)橋梁耐久性病害的發(fā)展?fàn)顩r，適時(shí)進(jìn)行橋梁耐久性壽命的預(yù)測(cè)。根據(jù)定期檢查的數(shù)據(jù)，可以按照橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的具體內(nèi)容，對(duì)橋梁技術(shù)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)評(píng)定等級(jí)較差的結(jié)構(gòu)進(jìn)行中修維護(hù)，防止橋梁病害的進(jìn)一步發(fā)展。

對(duì)長(zhǎng)期經(jīng)常性檢查和定期檢查尚不能確定長(zhǎng)期橋梁安全狀況的病害，或者橋梁外部環(huán)境較為惡劣（比如重載車(chē)輛多）時(shí)，可進(jìn)一步進(jìn)行特殊檢查。在工程實(shí)踐中，特殊檢查要考慮兩個(gè)層次。第一層次采用基于輕荷載及廣義影響線或者基于隨機(jī)車(chē)輛的橋梁評(píng)價(jià)方法，采用便攜設(shè)備定期采集橋梁的撓度或應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過(guò)分析并結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)性檢測(cè)病害數(shù)據(jù)，對(duì)橋梁的承載能力做出評(píng)價(jià)。此時(shí)評(píng)價(jià)結(jié)果基本能夠反映橋梁運(yùn)營(yíng)狀況。第二層次主要針對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)彈性工作狀況不良時(shí)，須進(jìn)一步結(jié)合規(guī)范進(jìn)行橋梁荷載試驗(yàn)工作或基于檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行橋梁承載能力檢算。如初步判定橋梁彈性工作狀況不良時(shí)，須進(jìn)一步結(jié)合規(guī)范進(jìn)行橋梁荷載試驗(yàn)工作或基于檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行橋梁承載能力檢算。對(duì)于運(yùn)營(yíng)階段的公路橋梁，若中斷交通進(jìn)行荷載試驗(yàn)，則會(huì)影響該路段的正常通行，給管養(yǎng)單位帶來(lái)不必要的損失。因此，要綜合利用經(jīng)常性檢查、定期檢查和常規(guī)特殊檢查的數(shù)據(jù)，從時(shí)間序列分析病害的發(fā)展歷程，在盡量不中斷交通的情況下，對(duì)橋梁承載能力進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)。

4 多源檢測(cè)信息融合下的橋梁養(yǎng)護(hù)決策

根據(jù)公路橋梁的特點(diǎn)，考慮基于性能的橋梁維護(hù)的要求，以橋梁的性能維護(hù)為例，管養(yǎng)單位可以根據(jù)自身的需要、荷載環(huán)境特點(diǎn)及養(yǎng)護(hù)維修資金等選擇不同的性能水準(zhǔn)。這體現(xiàn)了其對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)性能的可接受程度。由于不同的橋梁結(jié)構(gòu)重要等級(jí)及所屬的道路等級(jí)的不同，其承受的汽車(chē)荷載等級(jí)及交通量也不相同。另外，橋位的地形地貌、水文氣候、環(huán)境區(qū)劃等條件都會(huì)影響橋梁結(jié)構(gòu)的性能要求[6]。

為提高橋梁養(yǎng)護(hù)成效，針對(duì)橋梁日常管養(yǎng)中的一系列數(shù)據(jù)信息，提出多源信息融合下的橋梁養(yǎng)護(hù)對(duì)策，即分別將橋梁不同病害信息對(duì)應(yīng)不同養(yǎng)護(hù)層次。將日常檢查和定期檢查的常規(guī)病害、結(jié)構(gòu)性病害和耐久性病害這三種病害數(shù)據(jù)相融合：常規(guī)蜂窩麻面、露筋、破損等病害對(duì)應(yīng)于常規(guī)的小修保養(yǎng)層面;對(duì)于能夠影響結(jié)構(gòu)安全或壽命的結(jié)構(gòu)性病害和耐久性病害，建立病害的長(zhǎng)期觀測(cè)機(jī)制，并根據(jù)觀測(cè)結(jié)果來(lái)指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)，對(duì)于狀況穩(wěn)定的予以及時(shí)小修保養(yǎng)處理，對(duì)于狀況不容樂(lè)觀的需要進(jìn)一步開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)檢查，可采用輕荷載加載或定期典型力學(xué)指標(biāo)的采集分析，甚至可采用荷載試驗(yàn)進(jìn)行橋梁承載能力評(píng)價(jià)，再根據(jù)評(píng)定結(jié)果制定相應(yīng)的專(zhuān)項(xiàng)養(yǎng)護(hù)方案。

5 結(jié)語(yǔ)

公路橋梁檢測(cè)是公路運(yùn)營(yíng)管理中非常重要的工作之一。只有進(jìn)行科學(xué)合理的檢測(cè)，并將檢測(cè)信息綜合應(yīng)用到養(yǎng)護(hù)決策中，才能實(shí)現(xiàn)橋梁檢測(cè)的目的和意義。在公路橋梁檢測(cè)評(píng)價(jià)中，按照工作實(shí)際需要進(jìn)行橋梁經(jīng)常性檢查、定期檢查和特殊檢查。只有將多源、多類(lèi)型的檢測(cè)信息進(jìn)行融合應(yīng)用，提出橋梁養(yǎng)護(hù)的目標(biāo)性能水準(zhǔn)及對(duì)應(yīng)不同公路橋梁的養(yǎng)護(hù)水準(zhǔn)，形成多源信息融合下的橋梁養(yǎng)護(hù)策略流程，才能為公路橋梁高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)保證。

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