TRIZ理論在橋梁健康狀態(tài)快速診斷中的應(yīng)用

向陽　舒昕　李曉行

摘 要：針對橋梁表觀檢測過程中人工成本大、耗時(shí)長、效率低等問題，研究一種新的檢測診斷方法，以突破傳統(tǒng)檢測效率問題。為了解決該技術(shù)難題，項(xiàng)目組成員在TRIZ理論的指導(dǎo)下，利用TRIZ發(fā)明原理和創(chuàng)新工具，針對橋梁健康狀態(tài)快速診斷問題，提出了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測自動(dòng)化解決方案，為項(xiàng)目成員提供了新的突破方向。

關(guān)鍵詞：TRIZ理論；橋梁健康診斷；橋梁健康狀態(tài)

中圖分類號：U446 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A Doi：10.3969/j.issn.1672-2272.202306085

Application of TRIZ Theory in Rapid Diagnosis of Bridge Health Status

Xiang Yang， Shu Xin， Li Xiaoxing

（Wuhan Bridge Special Technology Co.，Ltd. of China Railway Major Bridge Engineering Group，

Wuhan 430205， China）

Abstract：The main focus of this paper is on the high labor cost， long time consumption， and low efficiency of bridge surface inspection. A new detection and diagnosis method is studied to break through the traditional detection efficiency problem. In order to solve this technical problem， project team members use TRIZ's invention principle， under the guidance of TRIZ theory， follow the steps of TRIZ theory， and use TRIZ's innovative tools， Aiming at the problem of rapid diagnosis of bridge health status， an automated solution for Structural health monitoring of bridges has been generated， which has brought a new breakthrough direction for project members.

Key Words：TRIZ Theory；Bridge Health Diagnostics；Bridge Health Status

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加速，橋梁作為基礎(chǔ)交通設(shè)施的重要組成部分，其健康狀況對于保障公共安全具有舉足輕重的地位。橋梁結(jié)構(gòu)在正常營運(yùn)期間會(huì)受到設(shè)計(jì)、施工、氣候、環(huán)境、交通等因素的影響，如果相關(guān)人員沒有及時(shí)對這些帶有結(jié)構(gòu)性損傷的橋梁進(jìn)行監(jiān)測和評估，那么就無法保障橋梁的有效使用。這不僅危害車輛的運(yùn)行安全，而且還會(huì)減少橋梁的使用壽命，甚至引發(fā)橋梁損壞或者倒塌等問題。

橋梁健康診斷是指橋梁結(jié)構(gòu)在受到自然的、人為的破壞，或者經(jīng)過長時(shí)期使用后，通過測定其關(guān)鍵性能指標(biāo)判斷橋梁本身是否受到損傷，如果確定了出現(xiàn)損傷，還要具體確定其損傷的位置、程度，由此判斷橋梁的剩余使用價(jià)值和使用壽命。

目前國內(nèi)外診斷橋梁健康的方式是通過觀察橋梁表觀病害，通過人工儀器檢測來確認(rèn)橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，從而決定進(jìn)行小型的病害修補(bǔ)或者拆除重建。這種方法不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且有嚴(yán)重的滯后性，那么如何快速、簡單地判斷橋梁健康狀態(tài)成為亟待解決的難題。

為突破技術(shù)難題，本文采取試錯(cuò)法、頭腦風(fēng)暴法等多種方法進(jìn)行試驗(yàn)，但是結(jié)果都不理想。為此利用TRIZ理論建立技術(shù)系統(tǒng)，得出影響設(shè)備運(yùn)行的功能因素，找到解決問題的切入點(diǎn)，并利用TRIZ理論中的創(chuàng)新原理、標(biāo)準(zhǔn)解系統(tǒng)及功能化模型得到最優(yōu)解決方案[1]。

1 傳統(tǒng)的橋梁健康狀態(tài)診斷方法

傳統(tǒng)的橋梁健康檢測方法是技術(shù)人員到橋梁現(xiàn)場進(jìn)行定期檢查，在當(dāng)前的橋梁養(yǎng)護(hù)工作中存在許多不足：①工作效率低。查看一座橋梁需花費(fèi)一人半天或一天的時(shí)間，不適合現(xiàn)代大量橋梁養(yǎng)護(hù)護(hù)理的要求。②準(zhǔn)確性差。橋況數(shù)據(jù)基本上以人工采集為主，需通過檢查人員到橋梁現(xiàn)場進(jìn)行目視檢查獲得外部現(xiàn)狀，通過各種外部特征來綜合判斷橋梁狀況，如圖1所示。由于技術(shù)人員用肉眼檢查橋梁的現(xiàn)狀，在橋梁病害尺度的把握上存在著人為誤差，而對于肉眼無法看出的危險(xiǎn)情況則又無法準(zhǔn)確把握，使得通過該系統(tǒng)的評價(jià)結(jié)論的準(zhǔn)確性較差。③安全性低。由于橋梁的數(shù)量巨大，而技術(shù)人員和設(shè)備有限，導(dǎo)致無法對運(yùn)營中的所有（或大部分）橋梁進(jìn)行有效的橋況評估，時(shí)常遺漏一些危橋的重要信息而發(fā)生車毀人亡的事故。

2 基于TRIZ原理構(gòu)建橋梁健康狀態(tài)診斷體系

2.1 項(xiàng)目問題分析

為了可以更好地理解橋梁健康檢測的工作原理，分別對項(xiàng)目的功能進(jìn)行描述：①橋梁外部監(jiān)測，即對橋梁外部環(huán)境溫濕度及橋梁表觀等進(jìn)行監(jiān)測；②橋梁內(nèi)部監(jiān)測，即對橋梁內(nèi)部應(yīng)力、振動(dòng)等結(jié)構(gòu)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測；③健康狀態(tài)評定，即根據(jù)橋梁內(nèi)外部監(jiān)測數(shù)據(jù)評定橋梁的健康狀態(tài)等級。

現(xiàn)存的問題為，在橋梁外部監(jiān)測時(shí)，人工巡檢橋梁表觀狀態(tài)效率低、時(shí)間長。在橋梁內(nèi)部監(jiān)測時(shí)，通過搬運(yùn)儀器儀表進(jìn)入橋梁內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)測費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

2.2 改進(jìn)目標(biāo)

經(jīng)過TRIZ原理分析，改進(jìn)目標(biāo)包括以下四部分：①減少人力資源成本；②縮短橋梁健康檢測時(shí)間；③進(jìn)一步提高檢測效率；④提高檢測方法的經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)改進(jìn)目標(biāo)，常規(guī)的解決方案為：通過機(jī)械設(shè)備等方法對橋梁部構(gòu)件進(jìn)行檢測，提高工作效率，減少監(jiān)測周期。然而，理想檢測方法需要檢測效率高且具有一定經(jīng)濟(jì)性。

2.3 系統(tǒng)分析

2.3.1 組件模型

在建立組件模型之前，首先需要確定技術(shù)系統(tǒng)，并根據(jù)技術(shù)系統(tǒng)的定義，確定該技術(shù)系統(tǒng)的作用對象、技術(shù)系統(tǒng)組件、超系統(tǒng)組件[2]。而該技術(shù)系統(tǒng)的功能是監(jiān)測橋梁健康狀態(tài)，因此，本技術(shù)系統(tǒng)的作用對象是橋梁，技術(shù)系統(tǒng)的組件為檢測人員、儀器儀表、支撐件，技術(shù)系統(tǒng)的超系統(tǒng)為環(huán)境?；谝陨辖⒔M件，進(jìn)行組件之間的作用分析，采用規(guī)范化的功能描述方式建立的組件模型圖，如圖2所示。

2.3.2 組件價(jià)值分析

組件價(jià)值分析運(yùn)用價(jià)值工程的方法，以阿奇舒勒定義的理想度為衡量標(biāo)準(zhǔn)，通過評估有用作用、有害作用及成本，來確定組件的理想度[3]。從組件模型圖可以看到，技術(shù)系統(tǒng)的有害及不足作用主要集中在自動(dòng)化和成本效率方面。通過對于技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的組件價(jià)值分析建立技術(shù)系統(tǒng)。通過定量分析求解出理想度指標(biāo)，其中成本分配規(guī)則為：1-10，1是最便宜，10是最昂貴，可以發(fā)現(xiàn)其中的成本和效率理想度最低，因此，技術(shù)系統(tǒng)中的人員是價(jià)值最低組件，可以作為裁剪對象，該技術(shù)系統(tǒng)的裁剪分析如圖3所示。

如果將檢測人員裁減掉，則該功能無法在技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)，需用新的方案來代替它，于是形成剪裁方案：裁剪檢測人員，不用人員進(jìn)行傳統(tǒng)的橋梁健康監(jiān)測，而是引入自動(dòng)化監(jiān)測傳感器，滿足：（1）降低人工成本；（2）實(shí)現(xiàn)高效率自動(dòng)化監(jiān)測。如表1所示。

2.3.3 問題分解

對于造成橋梁健康狀態(tài)監(jiān)測成本高、效率低的問題，我們進(jìn)行了因果分析。通過因果鏈分析，得到監(jiān)測成本高、效率低問題的兩個(gè)原因：人工成本以及監(jiān)測儀表的自動(dòng)化程度。將問題轉(zhuǎn)化為：①如何避免或降低人工成本；②如何增強(qiáng)監(jiān)測設(shè)備的自動(dòng)化程度，提高監(jiān)測的效率。

3 TRIZ工具運(yùn)用

TRIZ理論解決問題一般分為三步：首先將待解決問題轉(zhuǎn)化為TRIZ中的通用問題模型，然后利用TRIZ中相應(yīng)的中間工具，得到TRIZ的解決方案模型，最后將方案模型應(yīng)用于實(shí)際問題，得到最終的解決方案。本文分別利用創(chuàng)新原理、資源分析及標(biāo)準(zhǔn)解法系統(tǒng)獲得解決方案，下面從問題的因果分析出發(fā)，詳細(xì)說明待解問題的解決方案[3]。

3.1 解決問題的步驟

3.1.1 避免或降低人工成本

針對如何避免或降低人工成本的問題，需要調(diào)整人員的用工數(shù)量及用工時(shí)間，但是在調(diào)整用工數(shù)量和用工時(shí)間后擔(dān)心會(huì)影響橋梁監(jiān)測的工期，得到的解決方案為：通過自動(dòng)化采集傳輸設(shè)備代替人工監(jiān)測。

3.1.2 提高監(jiān)測儀表的自動(dòng)化程度

針對如何提高監(jiān)測儀表的自動(dòng)化程度，需要改善設(shè)備的自動(dòng)化屬性，通過人工方式操作監(jiān)測儀表既增加了人工成本，也降低了工作效率。那么改善監(jiān)測儀表的自動(dòng)化強(qiáng)度，可以得到的解決方案有：通過增加采集傳輸單元、服務(wù)器設(shè)備等實(shí)現(xiàn)橋梁監(jiān)測的自動(dòng)化。

3.2 進(jìn)化定位分析

技術(shù)系統(tǒng)如同人一樣也要經(jīng)歷出生、成長、成熟及衰退過程，因此對技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)化分析，有利于對技術(shù)系統(tǒng)的未來發(fā)展方向進(jìn)行預(yù)測，有利于對新產(chǎn)品進(jìn)行戰(zhàn)略布局。對于監(jiān)測儀表的采集方式我們可以采用進(jìn)化方案，向著IOT物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化采集進(jìn)化，對于傳輸方式可向互聯(lián)網(wǎng)5G傳輸進(jìn)化，提高傳輸效率。該解決方案的原理為：通過IOT物聯(lián)網(wǎng)傳感器，解決傳統(tǒng)監(jiān)測儀表需要人工操作的問題，降低人工成本，通過無線5G互聯(lián)網(wǎng)傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，提高監(jiān)測自動(dòng)采集傳輸處理效率。

3.3 方案評估

備選方案：①降低人員用工數(shù)量；②降低人員用工時(shí)間；③采用IOT物聯(lián)網(wǎng)傳感器；④采用互聯(lián)網(wǎng)5G進(jìn)行高速傳輸；⑤采用采集單元進(jìn)行自動(dòng)化采集；⑥采用高智能自動(dòng)化的監(jiān)測儀表。

從備選方案評價(jià)可以看出《IOT物聯(lián)網(wǎng)傳感器》《5G高速傳輸》《采集儀自動(dòng)化采集》3個(gè)方案評價(jià)較高，在實(shí)際工程中應(yīng)用可能性比較大，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語

本文應(yīng)用TRIZ方法對橋梁健康狀態(tài)診斷方法進(jìn)行改進(jìn)升級，解決了傳統(tǒng)人工檢測方法效率低、準(zhǔn)確性不高、安全性差的問題，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化快速診斷，優(yōu)化了橋梁健康診斷方法，提升了診斷效率及經(jīng)濟(jì)效益。通過TRIZ原理在上述橋梁健康快速診斷方法的應(yīng)用可以發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)的創(chuàng)新方法，比如試錯(cuò)法、頭腦風(fēng)暴法等，TRIZ理論具有鮮明的特點(diǎn)和優(yōu)勢。實(shí)踐證明，運(yùn)用TRIZ理論可大大加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進(jìn)程，而且能得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品。其能夠幫助系統(tǒng)地分析問題情境，快速發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì)或者矛盾；能夠準(zhǔn)確確定問題探索方向，突破思維障礙，打破思維定勢，以新的視覺分析問題；能根據(jù)技術(shù)進(jìn)化規(guī)律預(yù)測未來發(fā)展趨勢，幫助開發(fā)富有競爭力的新產(chǎn)品[4-6]。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝若玲，韓丹，黃秋雨.基于TRIZ原理的產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)方法初探[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2021，11（25）：89-92.

［2］李明，李大鵬.高校TRIZ創(chuàng)新方法普及方式研究[J].渤海大學(xué)學(xué)報(bào)（哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版），2019，41（2）：134-137.

［3］郝雪君，鄧援超，辛軍煒.基于TRIZ理論圍框機(jī)鏟邊成型裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2022，60（2）：10-15.

［4］龔成勇，李仁年，何香如，等.TRIZ創(chuàng)新方法剖析抽水蓄能電站進(jìn)/出水口設(shè)計(jì)[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2020，39（2）：16-24.

［5］王偉，李昕迪，聶子豐.基于TRIZ理論的農(nóng)機(jī)自動(dòng)裝載跟隨系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2022，39（2）：101-106.

［6］龔成勇，何香如，李仁年，等.基于TRIZ實(shí)現(xiàn)“專創(chuàng)融合”課程建設(shè)與教學(xué)效果評價(jià)研究——以水電站課程為例[J].創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論研究與實(shí)踐，2022，5（9）：1-7.

（責(zé)任編輯：張雙鈺）

基金項(xiàng)目：湖北省創(chuàng)新方法推廣應(yīng)用基地服務(wù)能力建設(shè)項(xiàng)目（2020IM020800）

作者簡介：向陽（1988-），男，中鐵大橋局武漢橋梁特種技術(shù)有限公司高級工程師，研究方向：橋梁智慧管養(yǎng)；舒昕（1986-），男，中鐵大橋局武漢橋梁特種技術(shù)有限公司高級工程師，研究方向：橋梁智慧管養(yǎng)；李曉行（1994-），女，中鐵大橋局武漢橋梁特種技術(shù)有限公司工程師，研究方向：橋梁智慧管養(yǎng)。