桥梁管理系统研究报告--桥涵工程--工程技术--论文--路桥网

第一章研究背景
根据现代管理方法的需要，上海市市政管理处与同济大学道交系共同进行了“上海市桥梁管理系统”的开发和研究工作。本章主要介绍桥梁管理系统的国内外研究近况、上海市桥梁管理工作的工程背景及管理背景等部分内容。
1.1国内外研究近况
1.1.1管理信息系统的发展概况
管理信息系统是研究一个组织中以计算机处理为基础，为各级管理决策层提供必要的管理控制信息和辅助决策功能的人机系统。他通过有效的信息储备、提高信息处理的合理性和速度，改善管理决策过程，从而促进提高管理工作的效率和效益。
管理信息系统是一门新型学科，近年来随着计算机技术和管理科学的发展得到了飞速发展。这门学科是以系统论、信息论、控制论、管理科学、计算机科学和人工智能等理论为基础的综合性学科。按照计算机科学用于决策层次的提高和辅助决策问题性质的改变，管理信息系统科学的发展经历了下列阶段：
EDP（Electronicdataprocessing）阶段，即电子数据处理阶段。在60年代初一美国通用电器公司工资处理为标志，揭开了计算机用于管理的帷幕，其内容为数据存储维护、简单加工等单项处理。
MIS（Managementinformationprocessing）阶段，即管理信息系统阶段。有关MIS的概念由美国Stotter及Horn等人提出，到1968年已经成熟。与EDP相比，MIS已经能进行各种信息的综合分析处理，为管理决策层和战略决策层提供信息支持和辅助决策，并实现信息共享。系统包括数据库和模型库等，一般功能包括提出问题、判断问题的性质、模型求解、交互提供查询和报表输出等。
DSS（Decisionsupportsystem）阶段，即决策支持系统阶段。与MIS阶段相比，它的主要特点是帮助决策层人员解决半结构化问题和非结构化问题，所用的典型技术是人工智能方法，是支持和帮助决策而不是取代决策，系统一般由数据库、方法库、模型库用户交互系统组成。与这一阶段同时出现的OA（OfficeAutomation）即办公自动化系统也发展起来，其主要目的是运用高效的工具提高办公速度，如文字处理、数据、图象、音响及网络化处理等功能，并向多功能、复合化与MIS集成发展。
随着计算机管理技术的发展以及它在许多领域中的广泛运用，我国公路部门也相继开发了各类管理系统，其中运用较为成熟的是道路路面管理系统。近年来，随着桥梁病害的增长，功能下降、交通量增大以及荷载等级的提高，桥梁的养护维修和加固改造的工作量也日趋繁重，另一方面，桥梁养护需求和资金缺乏之间的矛盾也为如何实行科学管理提出了新的要求。将计算机运用技术用于桥梁管理工作，这就诞生了桥梁管理系统这门新兴学科。
1.1.2桥梁管理系统的发展概况
桥梁管理系统是最先发展于70年代的美国，经历了从无到有，从简单到复杂，从单项数据处理到具有多数据、多知识的综合处理能力的专家系统阶段。从八十年代以来随着计算机技术的飞跃发展它也得到了进一步的完善和深化并与CAD集成，成为管理部门办公自动化的一部分，并能辅助决策参与管理还为设计、施工等其他部门提供必要的数据支持。
1968年，美国联邦公路总局研究开发了世界上第一个桥梁管理系统“国家桥梁档案库（NBI）”，其软件基本上是一些数据文件形式，起初的功能也很简单，只能完成一些数据保存、基本统计查询和简单报表输出等档案管理工作，属于管理系统中的EDP阶段，是第一代桥梁管理系统。该系统经过了近30年的运行并不断得到充实，改进和提高，目前已经成为记录、储存、更新和统计美国国家公路上各项桥梁数据的国家桥梁数据系统；同时，还能为这些桥梁的使用性能作出评定，对候选项目进行优先排序并为桥梁重建和维修计划提供辅助决策，目前的这套系统已经具备了一个现代管理系统的基本功能。
在联邦公路局NBI的基础上，美国的宾法尼亚、明尼苏达、佛罗里达、堪萨斯等几十个州，均结合各自的实际情况，先后开发了自己的桥梁管理系统，这些系统都拥有数据库管理、技术状态评价、需求预测、优先排序等功能。有些系统还初步拥有了寿命周期分析法进行项目方案优选的功能。
在美国开发研究桥梁管理系统的同时，世界各国也都相续进行了这一方面的开发研究工作，投入使用的系统有：日本道路公团桥梁管理系统、丹麦桥梁管理系统、加拿大阿尔伯塔省桥梁管理系统等，其功能与前述基本相似。
我国的桥梁管理系统研究及开发都还处于刚刚起步阶段，从80年代以来，四川省公路研究所、广东省桥梁研究所、交通部公路研究所及北京市公路管理局等单位在借鉴国外经验的基础上，先后开发了四川省桥梁数据库管理系统、广东省桥梁管理系统、北京市公路桥梁管理系统、河南省桥梁管理系统等多个具有各自特色的桥梁管理系统。但这些系统都还处于试运行阶段，不仅模型参数的建立还需要大量历史数据的积累加以分析才能得到，而且系统本身的层次也不够明确。因此，这些系统都还有待进一步的发展与完善。
1.1.3小结
由国内外各种管理系统和国外桥梁管理系统的发展情况可以得出以下结论：
1、现有的桥梁管理系统可大致分为两类：一类基本上就是一个桥梁档案数据库，它的功能和结构都很简单，基本上就完成了桥梁数据存档、简单的统计查询等档案管理工作，但这类系统是每一个桥梁管理系统中必不可少且使用效率最高的一部分，也是桥梁管理单位实现桥梁管理工作科学化的起步；第二类，是在桥梁数据库管理的基础上增加评价、优先排序、对策提示、需求预测及费用分析等功能模块，但这些功能都是初步性的，尚处于研究及探讨阶段。这一类系统本身的功能也远没有成熟和完善，特别是在国内，目前尚无一个桥梁管理系统处于正常运行状态，因此，没有足够的数据积累，就更难以为桥梁的管理部门提供可靠的决策咨询。
2、管理系统的开发是一个循序渐进的过程。即使对于一个最简单的第二类桥梁管理系统，它的建立、完善直到成功运用，至少需要十年的时间。这一方面是由于桥梁管理系统建立与实施需要与之相适应的管理体制、管理方法和管理手段以及一定的技术设备和技术人员等条件，而新体制的建立、运行以及技术条件的创造都需要一定的时间；另一方面在管理系统中，模型建立和标准的完善都需要大量的数据积累，这也是短时间内难以得到的。因此，在系统建立初期，我们应该注重的是数据采集的方法及质量，确保数据的完整性和实用性，为系统的各项功能提供良好的数据基础，而不需要将注意力放在繁多的功能模块上。
3、桥梁管理系统的开发与研究必须与本地区桥梁管理部门的实际情况相适应。由于各地区的管理体制、管理方法及管理手段都不相同，各系统的目标、功能以及系统所采用的模式也有所区别。另外，不同地区其经济条件，设备条件、管理水平的差异都很大，对系统功能设计的繁简程度、精度的要求都不尽相同。所以每一个成功的管理系统都具有很强的地方特征。
1.2工程背景
上海市地处水网地区，河流纵横，桥梁数量众多。市区桥梁除黄浦江上的大桥和浦东新区的新建桥梁以及内环线高架、南北高架上的立交桥以外，现有桥梁共1051座。不同时期的桥梁都是按当时的设计荷载标准设计、修建的，因此很多桥梁的荷载等级，行车道宽度都已经严重不适应目前的交通要求。近年来交通量、车辆轴载的不断增加，加之各种环境因素的影响，桥梁的病害情况日趋严重，损坏速率也正逐年加快。
根据《上海市桥梁情况调查报告》可将上海市桥梁损坏的主要病害类型归纳为以下几个方面：
•桥梁伸缩缝的损害：在现有桥梁中约占50%的桥梁伸缩缝都存在着不同程度的损伤，有些严重的即影响行车的舒适性，又会由于渗水、振动等因素对其它结构产生破坏作用。
•桥面铺装的损坏：桥面铺装由于受到轮荷载的直接作用，也是受环境因素影响最大的部位，因此历来是损坏率极高部位。近年来随着交通量的不断增长，桥面铺装的损坏从程度到范围上都日渐增加。对桥面的检查、养护及维修已成为桥梁公务所最主要的工作内容之一。
•通航河道对桥梁的影响：这里主要是指船舶撞击对桥墩的伤害。苏州河是上海市主要的通航河道，由于通航等级的不断提高，船只对桥梁的撞击次数也逐年上升。这使得桥梁公务所近年来对桥墩的养护维修工作也日渐繁忙。
•软土地基对桥梁的不良影响：上海市是典型的软土地基地区。市区内桥梁由于墩台沉降而引起的桥梁损坏相当普遍。因此桥梁养护、管理部门对桥梁墩台的沉降、伸缩缝的拉伸量等应做到定期检测、连续观察，发现问题及时处理。
据统计，在这些市区桥梁中状态良好的只占28.5%；一般损坏的占63.7%；严重损坏的占4.1%；还有6.1%已经成为危桥，需要关闭交通，退出工作。由此可见，目前仅需要大修改建及重建的桥梁就占到市区桥梁总数的10％以上，所以，上海市的桥梁检测、养护以及大中修及改建计划的安排、有限资金的合理使用等桥梁管理工作将会十分的繁重。
1.3管理背景
1.3.1管理体制
上海市市政工程管理处，受上海市市政局的行业、业务领导，同时也接受建设部的行业技术指导。上海市桥梁公务所是市政管理处的下属单位，负责市区内所有桥梁的检查、检测、养护、维修等管理工作，其日常的工作内容还包括：重车过桥管理、桥孔管理、管线过桥管理、桥位附近的建筑管理和新建桥梁设计参与以及桥梁基础资料的收集和管理等。它是桥梁管理计划的具体实施层。
另外，各区县也有其各自的区一级桥梁公务所，实施对本区内所有桥梁的各项技术管理工作。它在业务上受上海市市政工程管理处的行业指导，在行政上受各区县建设局的领导。
1.3.2管理方式及手段
目前，上海市桥梁管理工作的方法及手段都还相当落后，与目前繁重的桥梁管理工作不相适应；也与现代科学的管理要求不相适应。具体表现在：
•管理方式落后，缺乏科学的管理意识，不重视桥梁早期的病害检查，重建轻养，把主要精力都放在危桥和损坏严重的桥梁上，难以做到防患于未然。缺乏科学、系统、规范的管理方法必然会造成一定程度的人员和资金的浪费。
•桥梁的定期检查工作无标准可循，没有将日常巡检、定期检查、桥梁特检三级检查制度明确定义、分工。大部分的桥梁检查工作都停留在桥梁巡检上，对桥梁的结构损伤和各种典型病害没有详尽的描述。
•职工素质有待进一步培训，养护管理在桥梁基础知识及计算机操作技能上都应该不断接受专业培训，使得每一个管理者都能跟的上现代管理体制的要求。
•专业检测设备也应适当添置，以提高检测质量，使得更多的损伤数据项能够从定性描述转为量化描述，使数据更加真实、客观。
•历史资料管理混乱，由于桥梁档案资料的长期人工管理，造成了资料不全，统计方法不一，准确性差等管理缺陷；而工作量大，效率低，查询和检索都极其困难也是人工管理所难以解决的问题。
•投资决策方式落后，由于对投资项目没有一个全面、客观的评价数据，主要是管理人员凭经验对实际情况的判定来安排投资计划，很难保证资金的合理分配。
•实施过程中缺少信息反馈。
第二章系统的结构与功能
2.1系统的目标设计
《上海市桥梁管理系统》作为网级管理系统，它的设计目标就是协助上海市市政工程管理处及所属各级桥梁公务所对现有桥梁实行科学有效的管理和养护工作。其具体内容包括以下几个方面：
1、提供不同管理层所需要的各种数据支持
2、建立全面完善的桥梁现有技术状况检测系统
3、对桥梁及其各部位的使用状况进行评价并排序
4、完成各种查询、统计分析及报表输出
5、对不同损坏程度的桥梁提出维修方案建议
2.2系统的组织结构
根据设计目标，本系统由：档案管理子系统，技术状况检测系统，评价及对策子系统，统计查询子系统，重车过桥咨询管理以及各类报表输出等六大功能模块组成。它们分别实现了静态数据资料及和各类文档的管理；野外桥梁调查、检测；桥梁使用性能的评价；简单对策建议、重车过桥咨询以及各类查询统计、报表输出等功能。
2.3各子系统功能概述
档案管理子系统主要包括静态数据库的建立，数据项的输入输出，图片显示，特检信息及维修信息的建立和输出等模块。
技术状况检测系统主要是建立一整套完整的检测方法，手段及规程，对桥梁结构进行系统、科学的外观检查，采集桥梁结构缺损数据。使管理者对它有一个全面的了解。为下一步评价和管理工作提供有力的数据支持。
评价决策子系统包括了动态数据库的建立，动态数据的输入输出，各部位及各构件的评价、评分以及桥梁使用性能排序，桥梁的功能指数分析等。
养护管理子系统根据桥梁各部位评分值及各构件的损坏状况确立两个层次的维修对策分析，为不同层次的管理者服务。
统计查询模块是利用系统设计的统计及查询功能，完成日常管理工作中所需要的各项统计、查询工作。
重车过桥咨询管理子系统中建立了一个重车过桥历史数据库，系统包括数据库的输入输出以及重车过桥可能性显示两部分内容
报表功能主要是包括用户常用的各类数据输出。
第三章桥梁技术状况监测
3.1概述
桥梁的现有技术状态是桥梁结构的内在技术因素如设计施工、材料质量与外在环境因素如交通、荷载、气候、环境污染、特殊事故等共同作用的结果。而现有技术状态又直接反映桥梁的使用性能及安全性，是一系列的动态变量，一般随使用年限的增加而逐年下降。
桥梁管理部门首先应对所辖范围内桥梁结构物的安全负责，而且，还应该详细了解桥梁结构物每一不同部位的详细资料，为确定相应的养护维修对策做好准备。
要对桥梁结构物进行卓有成效的管理，就必须建立一整套完善且切实可行的技术状况监测系统，监测数据用来建立桥梁的现有技术状况数据库。所有的评价、分析都必须建立在对分析对象全面了解的基础上，而监测系统正是管理人员对管理对象了解和认识的途径，也可以说它是整个桥梁管理系统的基石。
对桥梁技术状态监测系统的研究，迄今已有近30年的历史了。世界各国为了适应本国桥梁管理系统的使用需要，从70年代起都分别研究了各自具有本国特色的监测规程。1976年，由西方二十四国的经济合作和发展组织（OECD）刊登了第一篇关于桥梁检查的报告，推荐了一套系统检查和评定桥梁的方法。随后，英国运输部以BE4/77的形式发行了一部关于干道和高速公路上桥梁检查的标准，在1981年召开的“关于道路桥梁管理国际会议”；1982年召开的“国际桥梁结构会议”上也都陆续有许多国家分别提交了各自的现有桥梁检查、维修方法和规程。
到面前为止，美国联邦公路局的系统最为完善。该局曾建立了世界上第一个桥梁管理系统“国家桥梁档案数据库（NBI）”并保证它的正常运行，专门制定了“桥梁检查标准”；“桥梁养护检查手册”；“桥梁检查人员培训手册”；“结构检查与加固卡片”等规程，监测内容不但包括了结构状况，功能状况还包括了安全性、重要性以及环境因素等各方面数据。
我国交通部在1986年编制的《公路养护技术规范》以及1991年建设部颁布的《城市道路桥梁养护规范》中对均桥梁技术状况监测及评价的内容、方法、周期等都做了相应的规定。监测的主要内容有两项：一是桥梁静态数据（桥梁卡片）；二是结构缺损数据（动态信息）。规范将桥梁检查分为经常检查，定期检查和特殊检查三类。检查人员要求经验丰富的专职桥梁养护工程师参加。除特殊检查外，定期检查和经常检查（日常巡检）主要以目测观察为主，辅以必要的测量仪器，望远镜，照相机等现场使用器材，当场填写“桥梁定期检查表格”；“桥梁经常检查表格”等表格，记录各部件的缺损状况并作出技术状况评价，实地判断缺损原因，估计维修范围及方式。
每一个具体的桥梁管理系统都会根据自己的情况建立一套与之相适应的技术状况监测系统。上海市桥梁管理系统中的监测部分是在交通部《公路养护技术规范》、建设部《城市道路桥梁养护规范》的基础上，借鉴了国外的先进经验，将桥梁结构划分为一些基本构件，分别对其进行检查和观测，并在观测指标的制定上，尽可能做到全面、细致、客观和量化，可操作性强，降低对检测人员技术素质的要求。值得一提的是，本系统把传统的现场评估改变成为计算机识别。现场监测人员只须客观描述构件的缺损状况，由系统操作员将数据输入计算机，计算机便可自动判别构件的缺损等级，这样即统一了等级评定标准也大大地提高了基本数据和及评价结果的准确性和客观性。
3.2桥梁缺损状态的监测
桥梁的缺损状态，是指桥梁结构各分部，各构件在使用过程中的材料缺陷、裂缝、变形、位移等不同程度的损伤状况。它是衡量桥梁技术状况的决定性因素，是桥梁管理部门分析及选择桥梁维修对策手段、建立使用状况预测模型以及进行养护维修项目排序的关键指标。
3.2.1基本构件
基本构件即组成桥梁结构最基本的构成单元
由于桥梁是由多部位、多构件所组成的复杂结构物。所以我们要对它进行详细的观测及评价，必须将其主要的构成元素分离开来，分别进行观测和评价，这就引出了基本构件划分的概念。
3.2.2划分原则
桥梁结构物的各种构件分别是由不同材料所组成的，构件材料的性质直接影响构件的使用性能。另外，由于构件的结构形式、受力形式以及损坏方式的不同，对它们的调查方法、评价指标都会大不相同。
因此，基本构件的划分必须满足以下的几项基本原则：（1）材料的一致性；（2）结构形式的一致性；（3）破坏方式的一致性。当构件划分满足了上述条件，我们对其进行观测，评价以及确定维修对策分析时，工作就会变得单一，明确和易于操作了。
3.2.3构件类型
根据上述原则我们将桥梁的各类构件作了如下划分：

桥面系（0～29）
【01】桥面铺装
【02】桥头平顺
【03】伸缩缝
【04】人行道块件
【05】栏杆或护栏
上部结构（30～59）
【30】钢结构物
【31】PC及RC板梁式构件
【33】PC及RC箱型构件
【32】横向联系
【33】拱圈
【34】拱上建筑
下部构造（60～99）
【60】盖梁或台帽
【61】墩台身
【62】支座
【63】防落梁装置
【64】基础
【65】冲刷
【66】锥护坡
【67】耳背翼墙

【】内数字为编号，随着系统的不断扩充和完善，基本构件类型也将会进一步的增加。
3.2.4基本构件的观测方法
对于基本构件的观测，需要采用野外实地量测的方式进行。检查人员在现场填好观测表格，力求做到每个部件都到位检查。检查方法主要以目测为主。对于难以到位检查的部位和一些少数的数据调查则需要借助数据采集的常规设备和简单的观测仪器来进行检测。
对与桥梁的严重病害和缺陷应在损坏部位作出固定标记，作为下次检查的参照。
对一些典型病害以及一些难以描述的损伤病害都应该拍摄照片，附在现场调查表格的背后。一方面作为存档资料，另一方面也可以用来完善动态数据的采集类型。每张病害照均应注明照片的拍摄范围。
3.2.5人员及设备要求
在进行外业数据采集时，要求组成3～4人的外业调查组。组内要求有一名具有一定桥梁专业技术知识和病害处理能力的养护工程技术人员。其余人员，要求具有初中以上文化程度，经过培训具备识别桥梁类型及构件形式的能力，身体健康，工作认真负责。
采集常规设备：
1.照相机
2.高倍望远镜
3.钢直尺、卷尺、涂料及毛笔
4.放大镜、裂缝观测仪及保护层测定仪
5.检查专用梯
6.常规测量仪器如：经纬仪、水平仪等
7.有条件还可配备各种更为先进的检查设备如：桥梁监测车、红外线测距仪等
3.2.6桥梁定期检查的步骤
桥梁外业检查小组到达桥位后，对每一座桥应按顺序逐构件对其进行检查，以免发生遗漏。具体检查部位如下：
（1）到达桥位首先面向桥梁右侧拍一张全桥正面照（第一次时）
（2）检查桥面系统，顺序为：桥面铺装、伸缩缝、人行道、栏杆、排水系统。检查同时要填写好相应的检查表格。
（3）检查下部构造，从0号桥台右侧翼墙开始逐墩（台）依次按顺时针方向检查，每个墩台的检查顺序为：支座、台帽（盖梁）、墩台身、基础可见部位。检查同时要填写好相应的检查表格。
（4）检查上部构造，从第一跨开始逐跨检查。每一跨应从右侧开始依次检查每一片梁和每一构件。检查同时要填写好相应的检查表格。
（5）检查防护工程
（6）检查河床病害
（7）检查过程中应在损坏较为严重的部位，标上带颜色的涂料、拍照。
（8）在有养护工程师的情况下，由他们给出各构件及部位的印象评分和养护维修对策建议。
3.3各构件的检测表格及填写要求
本系统按上述构件的分类，对各类构件都分别设计了不同的检测表格。每一种表格的检测内容、范围均不相同，它们分别为相应的动态数据库提供数据。
系统同时也对不同的缺损状况加以定义，力求桥梁检测工作即方便可行，又规范具体。
3.4小结
桥梁技术状况监测体系的合理性，是桥梁管理系统的重要基础。本研究提出了以基本构件为单元的桥梁检测方法，解决了由于桥梁结构的复杂性，而造成的桥梁损伤类型多样，缺损部位难以描述等问题。
系统制定了从检测方法、人员设备要求到检查步骤以及各构件检查内容等一系列完整系统的桥梁监测规程，不仅能用于完善《上海市桥梁管理系统》中的动态信息数据库，也同时为非系统使用者的桥梁检查工作提供一个很好的参考规程和依据。
本系统每一张检测表格中的调查数据项，损坏程度划分级别都分别与相应的动态数据库、各构件的评价模型有着很好的对应关系，这样就使得检测目的更加明确，评价结果也更为合理。