公路橋梁工程養(yǎng)護(hù)決策與造價(jià)控制優(yōu)化選型研究

張玉明、魏雄偉

（南昌旭日公路橋梁工程有限公司，江西南昌 330200）

0 引言

公路橋梁是現(xiàn)代交通運(yùn)輸系統(tǒng)中的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，對保障交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展起重要作用。然而，由于長期使用和自然環(huán)境等因素的影響，公路橋梁逐漸出現(xiàn)磨損、老化和損壞等問題，需要進(jìn)行及時有效的養(yǎng)護(hù)工作。

1 公路橋梁工程養(yǎng)護(hù)的重要性和挑戰(zhàn)

1.1 公路橋梁工程養(yǎng)護(hù)的重要性

公路橋梁是現(xiàn)代交通系統(tǒng)的重要組成部分，然而由于長期的使用和自然環(huán)境的侵蝕，公路橋梁往往會出現(xiàn)老化和損壞的問題，需要進(jìn)行養(yǎng)護(hù)工作，以確保橋梁的安全運(yùn)行和延長其使用壽命。橋梁養(yǎng)護(hù)決策模式邏輯如圖1 所示。

圖1 橋梁養(yǎng)護(hù)決策模式邏輯

首先，公路橋梁工程養(yǎng)護(hù)的重要性在于保障交通安全。橋梁是道路交通的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，承載著大量車輛和行人。如果橋梁存在結(jié)構(gòu)損壞或功能失效的問題，會對交通安全造成嚴(yán)重威脅。及時進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和維修，修復(fù)橋梁的結(jié)構(gòu)缺陷和病害，能夠有效防止交通事故發(fā)生，保障人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

其次，公路橋梁工程養(yǎng)護(hù)對保障交通暢通至關(guān)重要。橋梁在交通網(wǎng)絡(luò)中起到關(guān)鍵的樞紐作用，橋梁發(fā)生病害會對交通產(chǎn)生影響，在交通繁忙的城市道路和高速公路上，如果因病害嚴(yán)重需要封閉交通進(jìn)行處治可能會導(dǎo)致交通擁堵。而通過合理的養(yǎng)護(hù)決策和及時施工，能夠最大程度地減少對交通的干擾，保障交通暢通，提高道路運(yùn)輸效率。

最后，公路橋梁工程養(yǎng)護(hù)也對環(huán)境保護(hù)也有重要意義。橋梁損壞和老化不僅會對交通安全產(chǎn)生影響，還可能對環(huán)境產(chǎn)生污染和破壞。例如，橋梁結(jié)構(gòu)中的鋼筋可能會銹蝕，釋放有害物質(zhì)到周圍環(huán)境中；橋面瀝青層破損可能導(dǎo)致污水滲漏等。通過定期的養(yǎng)護(hù)和維修，可以有效避免這些問題發(fā)生，減少對環(huán)境的不良影響，維護(hù)生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性。

1.2 公路橋梁工程養(yǎng)護(hù)面臨的挑戰(zhàn)

公路橋梁工程養(yǎng)護(hù)是確保橋梁安全運(yùn)行和延長使用壽命的重要工作，然而在實(shí)踐中也面臨著一些挑戰(zhàn)。

首先，公路橋梁的數(shù)量大且分布廣泛，使得養(yǎng)護(hù)工作的范圍廣、難度大。公路橋梁覆蓋城市、鄉(xiāng)村、山區(qū)等不同地區(qū)，因地理環(huán)境存在差異，故其結(jié)構(gòu)和使用條件也存在差異，這意味著養(yǎng)護(hù)工作需要面對各種不同的問題，如橋梁老化、損傷、結(jié)構(gòu)疲勞等問題。為了確保養(yǎng)護(hù)工作的有效性，需要進(jìn)行全面、細(xì)致的調(diào)查和評估，以了解每座橋梁的具體養(yǎng)護(hù)需求。

其次，公路橋梁養(yǎng)護(hù)工作涉及的技術(shù)和專業(yè)知識較為復(fù)雜。橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及多種材料和構(gòu)件，對養(yǎng)護(hù)人員的技術(shù)水平和專業(yè)知識有較高的要求。養(yǎng)護(hù)人員需要具備豐富的工程經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識，能夠準(zhǔn)確判斷橋梁的結(jié)構(gòu)狀況，進(jìn)而采取適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)措施。

最后，資源的合理配置和利用也是公路橋梁養(yǎng)護(hù)面臨的挑戰(zhàn)之一。養(yǎng)護(hù)工作需要大量的人力、物力和財(cái)力投入，對資源的需求較高。為避免資源浪費(fèi)，需要進(jìn)行充分的規(guī)劃和調(diào)度，確定養(yǎng)護(hù)工作的優(yōu)先級，確保資源有效利用，進(jìn)而提高養(yǎng)護(hù)工作的綜合效益。

2 公路橋梁養(yǎng)護(hù)決策

公路橋梁長期受到交通負(fù)荷、自然環(huán)境和材料老化等因素的影響，結(jié)構(gòu)會逐漸損壞，容易出現(xiàn)安全隱患，科學(xué)合理的養(yǎng)護(hù)決策，對確保橋梁的安全性、可靠性和可持續(xù)性有重要作用。

2.1 養(yǎng)護(hù)需求評估與分析

2.1.1 橋梁結(jié)構(gòu)狀況評估方法

橋梁結(jié)構(gòu)狀況評估是了解橋梁損壞和老化程度的重要手段。通過定期檢查和評估橋梁的結(jié)構(gòu)狀況，可以掌握橋梁的結(jié)構(gòu)健康狀況，發(fā)現(xiàn)和評估潛在的問題。常用的評估方法包括視覺檢查、無損檢測技術(shù)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等。

2.1.2 橋梁養(yǎng)護(hù)需求分析指標(biāo)

橋梁養(yǎng)護(hù)需求分析指標(biāo)是確定養(yǎng)護(hù)策略的依據(jù)。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)狀況評估結(jié)果，可以確定一系列養(yǎng)護(hù)需求分析指標(biāo)，如結(jié)構(gòu)承載能力、安全裕度、結(jié)構(gòu)完整性、功能完善性等。這些指標(biāo)能夠客觀地反映橋梁的養(yǎng)護(hù)需求，為后續(xù)的養(yǎng)護(hù)決策提供重要參考。

2.2 養(yǎng)護(hù)策略制訂

2.2.1 預(yù)防性養(yǎng)護(hù)策略

預(yù)防性養(yǎng)護(hù)策略是在橋梁使用過程中，基于橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和使用環(huán)境，采取定期清潔、防水涂層維護(hù)、腐蝕防護(hù)等措施，以延緩結(jié)構(gòu)老化過程和預(yù)防橋梁損壞。

2.2.2 維修性養(yǎng)護(hù)策略

維修性養(yǎng)護(hù)策略是根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)狀況和養(yǎng)護(hù)需求，制訂相應(yīng)的維修方案，如對具體損壞部位的維修、更換和加固等措施。

2.2.3 應(yīng)急性養(yǎng)護(hù)策略

應(yīng)急性養(yǎng)護(hù)策略是針對突發(fā)事件或緊急情況制訂緊急養(yǎng)護(hù)方案，以快速恢復(fù)橋梁的功能性和安全性。通過制訂不同類型的養(yǎng)護(hù)策略，可以有針對性地滿足不同橋梁的養(yǎng)護(hù)需求，保障橋梁運(yùn)行的安全性和可靠性。

2.3 決策支持系統(tǒng)

2.3.1 數(shù)據(jù)收集與處理

數(shù)據(jù)收集與處理是決策支持系統(tǒng)運(yùn)作的基礎(chǔ)。通過收集和整理與橋梁相關(guān)的各類數(shù)據(jù)，包括結(jié)構(gòu)評估數(shù)據(jù)、養(yǎng)護(hù)記錄、環(huán)境數(shù)據(jù)等，能夠?yàn)轲B(yǎng)護(hù)決策提供必要的支持。

2.3.2 模型建立與優(yōu)化

模型建立與優(yōu)化是決策支持系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。建立養(yǎng)護(hù)決策支持模型，將橋梁的結(jié)構(gòu)狀況、養(yǎng)護(hù)需求和策略等因素納入其中，并考慮不同決策方案的成本和效益，通過模型優(yōu)化求解，可以得出最佳的養(yǎng)護(hù)決策方案。

2.3.3 決策結(jié)果評估與選擇

決策結(jié)果評估與選擇是決策支持系統(tǒng)的重要組成部分。評估內(nèi)容包括經(jīng)濟(jì)評價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)評估和可持續(xù)性評估等，通過評估各種決策方案的效果和風(fēng)險(xiǎn)，并根據(jù)特定的目標(biāo)和約束條件，有助于選擇最合適的養(yǎng)護(hù)決策方案，保證決策的科學(xué)性和可行性。

綜上所述，公路橋梁養(yǎng)護(hù)決策涉及養(yǎng)護(hù)需求評估與分析、養(yǎng)護(hù)策略制訂和決策支持等多個方面?？茖W(xué)合理的養(yǎng)護(hù)決策可以提高橋梁的安全性和可靠性，延長其使用壽命，為公路交通運(yùn)輸提供可靠的保障。因此，在實(shí)際工程實(shí)施中，需要綜合考慮各種因素，制訂最優(yōu)的養(yǎng)護(hù)決策方案，以更好地滿足公路橋梁的養(yǎng)護(hù)需求。

3 公路橋梁工程養(yǎng)護(hù)決策與造價(jià)控制優(yōu)化選型方法

3.1 多目標(biāo)決策優(yōu)化方法

多目標(biāo)決策優(yōu)化方法在公路橋梁養(yǎng)護(hù)決策與造價(jià)控制中發(fā)揮著重要作用，可以幫助決策者在養(yǎng)護(hù)目標(biāo)和造價(jià)控制之間作出最佳選擇，對保障公路橋梁的安全性和可靠性有重要意義。常用的多目標(biāo)決策優(yōu)化方法如下。

3.1.1 線性規(guī)劃和整數(shù)規(guī)劃

線性規(guī)劃和整數(shù)規(guī)劃是數(shù)學(xué)優(yōu)化方法中的經(jīng)典技術(shù)，可以有效解決公路橋梁養(yǎng)護(hù)決策與造價(jià)控制問題。線性規(guī)劃適用于目標(biāo)函數(shù)和約束條件均為線性關(guān)系的問題，而整數(shù)規(guī)劃在線性規(guī)劃的基礎(chǔ)上增加了變量的整數(shù)約束條件。通過建立數(shù)學(xué)模型，將養(yǎng)護(hù)目標(biāo)和造價(jià)控制目標(biāo)轉(zhuǎn)化為目標(biāo)函數(shù)和約束條件，可以利用線性規(guī)劃和整數(shù)規(guī)劃方法求解最優(yōu)決策方案，這種方法在實(shí)際工作中有廣泛的適用性和可行性[1]。

3.1.2 多目標(biāo)規(guī)劃

公路橋梁養(yǎng)護(hù)決策往往涉及多個目標(biāo)，如安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等。在這種情況下，多目標(biāo)規(guī)劃方法可以提供更全面的解決方案。多目標(biāo)規(guī)劃方法是指綜合考慮多個目標(biāo)，通過建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，得到一組平衡的最優(yōu)解集合。該解集可以為決策者提供不同的選擇，便于其根據(jù)具體需求和偏好進(jìn)行最終決策。

3.1.3 遺傳算法和粒子群算法

除了傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，啟發(fā)式算法也被廣泛應(yīng)用于多目標(biāo)決策優(yōu)化。其中，遺傳算法和粒子群算法是常見的啟發(fā)式算法。遺傳算法能夠模擬自然界的進(jìn)化原理，通過迭代的方式不斷優(yōu)化解的質(zhì)量，進(jìn)而找到最優(yōu)解或接近最優(yōu)解的解集。粒子群算法則能模擬鳥群或魚群的群體行為，通過粒子之間的協(xié)作和信息交流尋找最優(yōu)解。這些算法能夠處理復(fù)雜的決策問題，且具有較強(qiáng)的全局搜索能力。

3.2 橋梁養(yǎng)護(hù)決策與造價(jià)控制的耦合優(yōu)化方法

橋梁作為交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，需要定期對其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和維護(hù)工作，以確保其正常運(yùn)行和延長使用壽命。然而，養(yǎng)護(hù)決策和造價(jià)控制往往被單獨(dú)考慮，缺乏綜合性和系統(tǒng)性。為了提高養(yǎng)護(hù)效果和降低成本，需要建立一種耦合優(yōu)化方法，將養(yǎng)護(hù)決策和造價(jià)控制作為一個整體進(jìn)行考慮。

第一，建立共同優(yōu)化模型是實(shí)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)決策和造價(jià)控制耦合優(yōu)化的關(guān)鍵。該模型將養(yǎng)護(hù)策略、養(yǎng)護(hù)周期、養(yǎng)護(hù)工作量、材料成本等因素納入考慮，通過綜合分析這些因素之間的相互關(guān)系，確定最佳的綜合效果。養(yǎng)護(hù)決策應(yīng)考慮橋梁的結(jié)構(gòu)狀況、使用環(huán)境和安全性等因素，造價(jià)控制則需要合理評估養(yǎng)護(hù)成本和可行性。

第二，對建立的共同優(yōu)化模型進(jìn)行敏感性分析和參數(shù)調(diào)整是關(guān)鍵。通過對模型中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，可以評估不同因素對養(yǎng)護(hù)決策和造價(jià)控制結(jié)果的影響程度。例如，調(diào)整養(yǎng)護(hù)周期和工作量可以探索最佳的養(yǎng)護(hù)時間和頻率，以平衡養(yǎng)護(hù)效果和成本控制。此外，敏感性分析還可以幫助發(fā)現(xiàn)模型中的不確定性，進(jìn)而修正和優(yōu)化模型，使其更符合實(shí)際情況。

養(yǎng)護(hù)決策與造價(jià)控制的耦合優(yōu)化方法能夠帶來多方面作用。一方面，通過綜合考慮養(yǎng)護(hù)決策和造價(jià)控制，可以在保證養(yǎng)護(hù)效果的前提下降低成本，提高資源利用效率。另一方面，耦合優(yōu)化可以幫助決策者更全面地理解和分析橋梁養(yǎng)護(hù)問題，使決策更科學(xué)、更合理。該方法還可以提供不同方案的比較和評估，為決策者提供多樣化的選擇。

然而，共同優(yōu)化模型的建立面臨一些挑戰(zhàn)。

第一，需要準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和專業(yè)的技術(shù)知識支持。

第二，決策者對不同因素的權(quán)重和偏好可能存在差異，如何在模型中進(jìn)行合理權(quán)衡和靈活調(diào)整是一個復(fù)雜的問題。因此，需要從這兩個角度出發(fā)，有效解決數(shù)據(jù)采集和信息共享等方面的問題，同時實(shí)現(xiàn)對不同權(quán)重的靈活調(diào)整。

3.3 案例研究和實(shí)證分析

3.3.1 養(yǎng)護(hù)決策與造價(jià)控制優(yōu)化的實(shí)施過程

為了探究養(yǎng)護(hù)決策與造價(jià)控制的耦合優(yōu)化方法在實(shí)際橋梁工程中的應(yīng)用，需要結(jié)合具體的公路橋梁工程進(jìn)行研究。以下為某工程耦合優(yōu)化方法的實(shí)施過程：

第一步，收集該橋梁工程的結(jié)構(gòu)狀況、使用環(huán)境、歷史維護(hù)記錄等相關(guān)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是建立決策模型和進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)。

第二步，根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，建立養(yǎng)護(hù)決策與造價(jià)控制的決策模型。該模型應(yīng)包括養(yǎng)護(hù)策略、養(yǎng)護(hù)周期、養(yǎng)護(hù)工作量、材料成本等決策變量，并將橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和安全要求等納入考慮范圍。

第三步，根據(jù)實(shí)際需求，確定目標(biāo)函數(shù)和約束條件。目標(biāo)函數(shù)可以是最小化總成本、最大化養(yǎng)護(hù)效果等，約束條件包括預(yù)算限制、養(yǎng)護(hù)周期限制等。

第四步，利用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法，如遺傳算法、模擬退火算法等，對決策模型進(jìn)行求解，得到最優(yōu)的養(yǎng)護(hù)決策和造價(jià)控制方案。

第五步，根據(jù)求解得到的最優(yōu)方案制訂實(shí)施方案，確定養(yǎng)護(hù)的具體工作內(nèi)容、時間計(jì)劃和成本控制措施等[2]。

3.3.2 結(jié)果評估和比較分析

制訂實(shí)施方案后，需要對決策方案進(jìn)行評估和比較分析。主要考慮以下三個方面的指標(biāo)：

一是評估養(yǎng)護(hù)方案對橋梁結(jié)構(gòu)的維護(hù)效果，如延長使用壽命、提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等，可以采用結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)、評估報(bào)告等評估手段。

二是比較優(yōu)化方案與傳統(tǒng)方法或其他對比方案的成本差異?？紤]養(yǎng)護(hù)工作量、材料成本、人工成本等，評估成本控制的效果。

三是分析優(yōu)化方案對工期的影響，包括養(yǎng)護(hù)周期、工作計(jì)劃等方面。比較優(yōu)化方案與傳統(tǒng)方法的工期差異，評估工期安排的合理性。

通過對這些指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)和比較分析，可以驗(yàn)證養(yǎng)護(hù)決策與造價(jià)控制耦合優(yōu)化方法的有效性和優(yōu)越性。如果通過優(yōu)化選型方法得到的方案在養(yǎng)護(hù)效果、成本控制和工期安排等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)方法或其他對比方案，則認(rèn)為該優(yōu)化選型方法有效。

4 結(jié)語

總之，在公路橋梁工程養(yǎng)護(hù)工作中，通過養(yǎng)護(hù)需求評估與分析、養(yǎng)護(hù)策略制訂和決策支持系統(tǒng)的建立，可以有效地實(shí)現(xiàn)公路橋梁工程養(yǎng)護(hù)決策優(yōu)化和造價(jià)控制，多目標(biāo)決策優(yōu)化方法和耦合優(yōu)化方法能夠?yàn)轲B(yǎng)護(hù)決策提供靈活、高效的工具，進(jìn)而選出最優(yōu)養(yǎng)護(hù)決策方案。以期文章所述優(yōu)化選型方法能為公路橋梁工程養(yǎng)護(hù)決策與造價(jià)控制優(yōu)化工作提供參考，為公路橋梁的安全性和可靠性提供保障。