鐵路橋梁病害信息化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 超，朱宏偉，姜子清，張文達(dá)，劉 浩

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

截至2023年，我國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)15.8萬(wàn)km。在鐵路系統(tǒng)中，橋（梁）隧（道）路（基）軌（道）等基礎(chǔ)設(shè)施是鐵路運(yùn)行的關(guān)鍵載體，其狀態(tài)直接關(guān)系到鐵路運(yùn)輸和運(yùn)營(yíng)安全[1]。由于橋梁類型多樣且長(zhǎng)期處于風(fēng)、雨、雪、高溫、嚴(yán)寒、積水等自然環(huán)境中，導(dǎo)致其病害種類多樣（如裂縫、變形、腐蝕、斷裂、氧化等），隨著服役時(shí)間增加，不良狀態(tài)出現(xiàn)概率增大，同時(shí)導(dǎo)致養(yǎng)修成本增加，嚴(yán)重影響鐵路橋梁的使用壽命。如何利用新一代信息技術(shù)對(duì)橋梁病害信息進(jìn)行管理，成為當(dāng)前亟需解決的問(wèn)題。

本文基于數(shù)據(jù)-知識(shí)雙驅(qū)思想，即通過(guò)數(shù)據(jù)收集、整理、分析和挖掘形成知識(shí)，再將知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際決策和管理中，設(shè)計(jì)鐵路橋梁病害信息化管理系統(tǒng)。以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，借用大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算、BIM（Building Information Modeling）等技術(shù)[2]，實(shí)現(xiàn)圖文的立體轉(zhuǎn)化；依托數(shù)據(jù)知識(shí)庫(kù)體系、編碼體系及決策管理方法等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鐵路橋梁病害信息管理的可視化、數(shù)字化及規(guī)范化[3-6]，以期提高鐵路橋梁病害管理水平，為鐵路工程項(xiàng)目的智能化提供支持。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

鐵路橋梁病害信息化管理系統(tǒng)面向鐵路局集團(tuán)公司、工務(wù)段、工區(qū)/班組等多級(jí)用戶，涵蓋技術(shù)體系、數(shù)據(jù)體系及應(yīng)用體系，其架構(gòu)如圖1所示。

圖1 鐵路橋梁病害信息化管理系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 數(shù)據(jù)采集層

負(fù)責(zé)采集鐵路既有數(shù)據(jù)及外部數(shù)據(jù)等，可采用如傳感器采集、人工輸入、自動(dòng)化掃描等多種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該層將采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)整合到一個(gè)BIM模型中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化、標(biāo)準(zhǔn)化管理，同時(shí)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯?chǔ)層及服務(wù)層中進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和解析，以支持系統(tǒng)的各項(xiàng)功能和服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路橋梁的全面信息化管理，為后續(xù)病害診斷和維修工作提供數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層

包括關(guān)系型、非關(guān)系型及文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，確保數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)和可訪問(wèn)性，使用多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)解析和檢索。其中，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)使用MySQL、Oracle、SQL Server等進(jìn)行數(shù)據(jù)操作和管理，適合存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如表格數(shù)據(jù)、關(guān)系數(shù)據(jù)等；非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)使用NoSQL等技術(shù)，適合存儲(chǔ)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如文圖、視頻等。

1.3 數(shù)據(jù)服務(wù)層

提供數(shù)據(jù)處理、分析、建模等核心服務(wù)，使用深度學(xué)習(xí)、人工智能等技術(shù)對(duì)鐵路橋梁的病害發(fā)生規(guī)律和趨勢(shì)進(jìn)行分類、分析和預(yù)測(cè)[7]，為后續(xù)的病害預(yù)防和維修提供參考。同時(shí)，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問(wèn)和操作接口，采用RESTful API進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和服務(wù)調(diào)用，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和靈活性，保障數(shù)據(jù)的安全性和完整性[8]。

1.4 數(shù)據(jù)應(yīng)用層

采用Java EE技術(shù)作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使用Spring、Hibernate及Struts2等框架技術(shù)進(jìn)行集成開(kāi)發(fā)。其中，Spring框架用于管理組件之間的依賴關(guān)系和處理業(yè)務(wù)邏輯；Hibernate框架將Java對(duì)象映射到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)訪問(wèn)的編程；Struts2框架將應(yīng)用程序的功能分為模型、視圖和控制器3個(gè)部分，使應(yīng)用程序更易于維護(hù)和擴(kuò)展。實(shí)現(xiàn)高效、可靠、可擴(kuò)展的應(yīng)用程序。

2 系統(tǒng)功能

鐵路橋梁病害信息化管理系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 鐵路橋梁病害信息化管理系統(tǒng)功能架構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)展示

為用戶提供直觀、簡(jiǎn)潔的界面，展示橋梁重要數(shù)據(jù)，如橋梁整體信息（包括橋梁簡(jiǎn)介、位置分布、結(jié)構(gòu)信息等）、橋梁的病害統(tǒng)計(jì)（包括病害類型總數(shù)量統(tǒng)計(jì)、結(jié)構(gòu)部位病害統(tǒng)計(jì)、孔跨病害數(shù)量統(tǒng)計(jì)）、橋梁病害的識(shí)別結(jié)果和預(yù)警信息等。同時(shí)，提供用戶交互功能，如搜索框、導(dǎo)航菜單等。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

將靜態(tài)數(shù)據(jù)、終端數(shù)據(jù)、既有系統(tǒng)數(shù)據(jù)、外部數(shù)據(jù)等多維度、多層次數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)匹配，包括BIM、無(wú)人機(jī)、三維掃描、雷達(dá)、傳感器、氣象、辦公系統(tǒng)等數(shù)據(jù)。對(duì)鐵路橋梁裂縫、橋墩傾斜、橋面鋪裝損壞等專業(yè)病害進(jìn)行數(shù)字化建模，并將其與相關(guān)的數(shù)據(jù)屬性（如編碼、位置、調(diào)度等）進(jìn)行關(guān)聯(lián)，便于將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給用戶，用戶可依據(jù)這些數(shù)據(jù)集進(jìn)行深入的病害診斷和維修決策。

2.3 病害識(shí)別與評(píng)估

病害識(shí)別即利用算法和模型，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)采集到的橋梁數(shù)據(jù)進(jìn)行深入解析和處理，自動(dòng)識(shí)別橋梁的潛在病害。結(jié)合歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及專家經(jīng)驗(yàn)，對(duì)病害進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，同時(shí)進(jìn)行復(fù)核補(bǔ)充。對(duì)識(shí)別出的病害進(jìn)行性能評(píng)估，包括病害的嚴(yán)重程度、影響范圍、發(fā)展趨勢(shì)等，為用戶提供有針對(duì)性的維修建議。

2.4 維修計(jì)劃與評(píng)估

根據(jù)病害識(shí)別與評(píng)估結(jié)果，制定科學(xué)、合理的維修計(jì)劃。計(jì)劃包括維修的時(shí)間、地點(diǎn)、人員、材料等資源安排，確保維修工作的高效進(jìn)行。同時(shí)，通過(guò)圖表、報(bào)告等形式展示維修計(jì)劃的執(zhí)行情況、維修進(jìn)度、成本分布等信息，對(duì)維修計(jì)劃的執(zhí)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和評(píng)估，確保維修任務(wù)按時(shí)按質(zhì)完成，并為維修決策提供有力支持。

2.5 作業(yè)App

是集移動(dòng)巡檢、檢查記錄、養(yǎng)修記錄于一體的移動(dòng)端工具。移動(dòng)巡檢用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)檢查，記錄設(shè)備狀態(tài)、運(yùn)行數(shù)據(jù)等關(guān)鍵信息；檢查記錄功能可詳細(xì)記錄每次巡檢的詳細(xì)情況，包括發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題、處理情況等，確保信息完整可追溯；養(yǎng)修記錄功能提供了設(shè)備養(yǎng)護(hù)和維修的詳細(xì)記錄，幫助用戶掌握設(shè)備維護(hù)情況。作業(yè)APP不僅提高了維修巡檢工作的效率和質(zhì)量，還為用戶提供了更加便捷、智能的作業(yè)管理體驗(yàn)。

2.6 基礎(chǔ)管理

主要用于系統(tǒng)的角色管理、權(quán)限管理及參數(shù)設(shè)置。角色管理用于定義不同的用戶角色，并為每個(gè)角色分配相應(yīng)的權(quán)限集合，確保用戶只能訪問(wèn)和操作其被授權(quán)的功能；權(quán)限管理進(jìn)一步細(xì)化了用戶訪問(wèn)和操作的控制，確保系統(tǒng)安全性和數(shù)據(jù)保密性；參數(shù)設(shè)置用于配置巡檢設(shè)備的初始化信息及系統(tǒng)的各種參數(shù)，包括設(shè)備的型號(hào)、序列號(hào)、IP地址等初始化信息，以滿足不同用戶的操作習(xí)慣和需求。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 知識(shí)庫(kù)體系

以更安全、便捷、高效為原則，建立包含技術(shù)體系、數(shù)據(jù)體系和應(yīng)用體系于一體的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化鐵路橋梁病害信息化管理系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)體系，如圖3所示。

圖3 鐵路橋梁病害信息化管理系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)體系

（1）技術(shù)體系分為通用標(biāo)準(zhǔn)、專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及管理標(biāo)準(zhǔn)，用于支撐病害庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。其中，通用標(biāo)準(zhǔn)包括通用及綜合技術(shù)等標(biāo)準(zhǔn)；專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)包含鐵路橋梁設(shè)計(jì)、鐵路橋梁施工、鐵路橋梁運(yùn)維及網(wǎng)絡(luò)安全等標(biāo)準(zhǔn)；管理標(biāo)準(zhǔn)包含管理制度、資源配置、過(guò)程控制、現(xiàn)場(chǎng)管理、接口管理等標(biāo)準(zhǔn)。

（2）數(shù)據(jù)體系分為數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、解析、統(tǒng)計(jì)、預(yù)處理、整合等管理過(guò)程及病害數(shù)據(jù)、專家知識(shí)數(shù)據(jù)、歷史維修數(shù)據(jù)等內(nèi)容，用于支持鐵路病害的診斷、維修、監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)。

（3）應(yīng)用體系包括系統(tǒng)各項(xiàng)核心功能，用于支持鐵路橋梁病害的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、快速響應(yīng)和精準(zhǔn)處理?？商岣哞F路橋梁病害的準(zhǔn)確性和效率，降低維護(hù)費(fèi)用，增強(qiáng)鐵路安全性和可靠性。

3.2 編碼體系

編碼體系與知識(shí)庫(kù)體系相輔相成，為病害識(shí)別及模型匹配提供底層支撐。采用層次編碼方式，遵循鐵路BIM聯(lián)盟的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)編碼（EBS，Encoding of Building Structural）制定編碼規(guī)則，利用BIM等新一代信息技術(shù)[9-10]，實(shí)現(xiàn)鐵路橋梁病害信息化管理和標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的歸集、管理、流轉(zhuǎn)和應(yīng)用等。

本文根據(jù)病害種類、里程和診斷方法進(jìn)行編碼體系的設(shè)計(jì)。編碼體系命名規(guī)則為：線路名稱-里程-橋梁名稱-橋梁編碼-檢查日期-檢查人-檢查工具-病害類型-病害描述-病害照片-處理情況，內(nèi)容如表1所示，其中，按專業(yè)和結(jié)構(gòu)部位逐層細(xì)分拓展的橋梁編碼，如表2所示。

表1 病害管理信息內(nèi)容示意

表2 橋梁編碼示意

3.3 病害信息決策

3.3.1 決策步驟

鐵路橋梁病害信息決策需要考慮自然環(huán)境、載荷條件、橋梁設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、歷史維修記錄等多個(gè)因素，決策步驟如下。

（1）基于層次分析法，構(gòu)建一個(gè)層次結(jié)構(gòu)模型，將病害作為方案層，相關(guān)的準(zhǔn)則或因素作為準(zhǔn)則層。方案層即病害等級(jí)，包括輕微病害（v1）、中等病害（v2）、嚴(yán)重病害（v3）；準(zhǔn)則層包括自然環(huán)境影響（u1）、載荷條件影響（u2）、橋梁設(shè)計(jì)特點(diǎn)（u3）、歷史維修記錄（u4）等。

（2）根據(jù)專家評(píng)分和歷史經(jīng)驗(yàn)，對(duì)準(zhǔn)則層中的各因素兩兩比較，構(gòu)建判斷矩陣。根據(jù)特征向量法計(jì)算出各個(gè)因素的權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，如果一致性比率（CR）小于0.1，則認(rèn)為判斷矩陣具有一致性，得出最終的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

（3）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，根據(jù)問(wèn)題、要求確定輸入層和輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù)。通過(guò)定義各個(gè)層的權(quán)重矩陣，并利用大量的橋梁病害數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)輸入和輸出的關(guān)系進(jìn)行學(xué)習(xí)和調(diào)整。通過(guò)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算各個(gè)層的權(quán)重矩陣，從而得出綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求，對(duì)權(quán)重矩陣進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以達(dá)到更好的評(píng)估效果。

3.3.2 場(chǎng)景案例

假設(shè)專家根據(jù)評(píng)分和歷史經(jīng)驗(yàn)，對(duì)某一橋梁病害信息準(zhǔn)則層中的各因素進(jìn)行兩兩比較，得到以下判斷矩陣：

這個(gè)矩陣表示專家認(rèn)為自然環(huán)境影響（u1）比載荷條件影響（u2）稍微重要（a12=3），比橋梁設(shè)計(jì)特點(diǎn)（u3）明顯重要（a13=2），和歷史維修記錄（u4）同等重要（a14=1），以此類推。

計(jì)算每一列的總和并對(duì)判斷矩陣按列歸一化，得到

對(duì)歸一化矩陣的每一行求平均值，得到權(quán)重向量W

這意味著自然環(huán)境影響（u1）的權(quán)重是0.365，載荷條件影響（u2）的權(quán)重是0.124，橋梁設(shè)計(jì)特點(diǎn)（u3）的權(quán)重是0.233，歷史維修記錄（u4）的權(quán)重是0.278。

計(jì)算一致性指標(biāo)CI：

其中，λmax是判斷矩陣的最大特征值，n是判斷矩陣的階數(shù)。計(jì)算CI后，需要查找對(duì)應(yīng)的隨機(jī)一致性指標(biāo)RI表，得到RI的值，并計(jì)算一致性比率CR：

如果CR＜0.1，則判斷矩陣具有一致性；如果CR值不滿足一致性要求，就需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整，直到滿足一致性要求為止。

決策結(jié)論：在橋梁維修決策中自然環(huán)境影響（u1）權(quán)重最高，應(yīng)重點(diǎn)考慮自然環(huán)境對(duì)橋梁的影響。同時(shí)，判斷矩陣的一致性驗(yàn)證確保了權(quán)重分配的合理性和可靠性。在維修決策中，應(yīng)綜合考慮各因素權(quán)重，以制定科學(xué)有效的維修方案。

4 應(yīng)用場(chǎng)景

鐵路橋梁病害信息化管理系統(tǒng)可用于橋梁的日常巡檢，實(shí)現(xiàn)病害可視化、智能維修管理及運(yùn)營(yíng)維護(hù)決策支持等。

（1）在鐵路橋梁的日常巡檢中，巡檢人員使用移動(dòng)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)記錄橋梁病害情況，并實(shí)時(shí)上傳到鐵路橋梁病害信息化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理和存儲(chǔ)。

（2）本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可視化功能將大量的橋梁病害數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化展示，使維修團(tuán)隊(duì)可直觀了解病害的分布、類型和嚴(yán)重程度，同時(shí)，可對(duì)病害數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，找出病害成因和發(fā)展趨勢(shì)，為維修策略的制定提供依據(jù)。

（3）基于數(shù)據(jù)知識(shí)庫(kù)體系和編碼體系，實(shí)現(xiàn)智能化的維修管理。本系統(tǒng)可根據(jù)病害的類型和嚴(yán)重程度，自動(dòng)推薦相應(yīng)的維修方案和維修團(tuán)隊(duì)；維修團(tuán)隊(duì)在完成維修后，可在本系統(tǒng)中實(shí)時(shí)更新維修狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)維修過(guò)程的數(shù)字化管理。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)鐵路橋梁病害信息化管理系統(tǒng)，介紹了其架構(gòu)、功能、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)橋梁病害維修信息數(shù)據(jù)可視化、數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化及規(guī)范化管理。提出一種基于數(shù)據(jù)-知識(shí)雙驅(qū)動(dòng)的管理方式，提高鐵路橋梁病害管理水平，為鐵路運(yùn)輸和運(yùn)營(yíng)安全提供保障。隨著新技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)將針對(duì)病害識(shí)別準(zhǔn)確性、預(yù)測(cè)和管理的智能化開(kāi)展進(jìn)一步的研究，并強(qiáng)化數(shù)據(jù)安全性，提升標(biāo)準(zhǔn)化與互操作性。