桥梁病害智能诊断与养护决策系统研究

刘大洋，黄文韬，斯新华，张 朋

(1.招商局重庆公路工程检测中心有限公司，重庆 400067； 2.长安大学，西安 710021)

随着“互联网+”、云计算、大数据等现代信息技术的迅速发展及其在公路交通检测领域的大规模融合应用，国家与交通行业对公路交通病害智能诊断与养护决策的实时性、准确性提出进一步要求。2019年9月，中共中央、国务院印发了《交通强国建设纲要》[1]，要求大力推动大数据、互联网、人工智能等新技术与交通行业深度融合，推广应用交通装备的智能检测(监测)和运维技术，提高养护专业化、信息化水平。同年12月，交通部印发了《推进综合交通运输大数据发展行动纲要(2020年—2025年)》[2]，明确要求构建综合性大数据分析技术模型，研究建立具有较强应用价值的综合性、全局性大数据分析模型，形成一系列易理解、有结论、实用性和权威性较强的大数据分析成果，有效支撑综合交通运输决策管理与服务。

目前，国内外相关学者对中小桥梁、城市桥梁、钢桥等桥型相应病害形式、成因、处治方法等方面进行了研究与总结[3-11]，以指导桥梁的检测和养护。如浙江省交通运输厅主编的《中小跨径桥梁典型病害防治手册》[12]，针对中小跨径桥梁的6种典型病害进行成因分析，并提出了防治措施与加固方法；宋波[13]主编的《图说城市桥梁病害与对策》，以城市桥梁为研究对象，对病害的表现、可能原因、检查与维修要点4个方面进行了说明阐述；由日本山田健太郎等[14]编著的《钢桥的维持管理》，以钢桥的疲劳和腐蚀问题为研究对象，从原理、案例、防治措施等方面进行了分析说明；金辉[15]主编的《公路桥梁典型病害诊断与处治图解手册》，对桥梁的典型病害成因分析、维修加固等方面进行了说明。

上述研究结果均以纸质手册的方式供行业技术人员学习与参考，但宝贵的经验数据不能与检测及养护业务信息化系统直接对接，且不能满足如今高速发展的“互联网+”与云计算、大数据时代的信息化发展要求，造成宝贵数据资源浪费。而目前在检测与养护行业内，桥梁现场常规性病害诊断的主要依据来自工程师经验，否则通过专家咨询会，给出相应诊断结论和养护处治对策。这种方式非常依赖诊断人员的技术水平和工作经验，如专家专业知识与工程经验丰富，诊断分析的结果相对合理；如人员专业水平有限，可能诊断不准确，一个问题变多个问题，造成业主经济损失或者存在安全隐患。另外，现场问题出现后到专家咨询有一个时间过程，诊断和决策不及时，可能贻误良机，错过关键处治时机。

鉴于此，招商检测研发团队开发了一套梁式桥病害智能诊断与养护决策系统，并已用于桥梁检测和养护终端系统，实现了梁式桥常规病害的实时智能诊断、成因分析与养护对策的一键生成，可辅助现场人员第一时间决策，大幅提高梁式桥诊断和养护决策的智能化水平。

1 系统架构与技术路线

在系统架构时，考虑了系统后期知识库与专业类别的可扩展性，并基于第三范式对数据库与数据表进行了合理设计，从业务实际需求角度，建立桥梁病害智能诊断与养护决策数据结构，解决智能诊断的运行效率问题。建立系统知识库迭代增长机制，通过在用户端自助编辑新增样本、记录应用端用户操作行为，实现系统样本库的自主成长和特征权重的学习优化。

系统实现桥梁病害的智能诊断与养护决策的技术路线如图1所示。

图1 系统技术路线

2 系统核心知识库构建

核心知识库是桥梁病害智能诊断与养护决策系统的重要组成部分，通过分析桥梁病害相关的专业术语并对其进行分类整理，建立特征词库，形成以病害识别、模型匹配算法的基础底层支撑。词库包括桥梁基本信息，病害的种类以及参数特征词语，成因典型特征与一般特征词语与权重分配，形成专业词库、病害成因与养护处治建议核心技术文件。

核心知识库建立了涵盖专业特征词库、病害类型库、成因分析库、养护对策库4个子库核心知识库，如图2所示，并依据专业知识经验，建立特征词库的特征词初始权重。目前知识库涵盖梁式桥病害类型108种，梁式桥病害成因库结果210种，梁式桥养护对策库189种，特征词库1 033个，同时建立了108种梁式桥病害的特征词初始权重。

图2 核心知识库构建

在知识库形成过程中，对桥梁病害库、成因库、养护建议库及特征词等须进行专家鉴审，确保数据的逻辑合理性、专业性。

3 系统核心算法

算法是实现病害高效精准诊断的核心技术，需经过以下标准化处理：1) 通过自然语言处理，将非结构化病害描述进行词语拆分，完成样本结构化处理；2) 将样本的结构化处理结果与特征词库进行识别；3) 根据样本与各个梁式桥病害的特征词匹配程度，经过多步计算后，推算出病害描述样本与梁式桥病害的匹配概率结果；4)通过记录用户操作行为，不断调整优化成因特征的权重比例，实现成因匹配结果的准确性。

经过以上环节后，最终建立起涵盖自然语言处理、特征词识别、模糊匹配算法、权重优化算法的核心算法体系，实现病害成因分析和养护决策的匹配概率达到80%以上。

4 系统集成应用

目前该系统正在上线测试阶段，首先用于团队已研发上线的2款产品：1) 用于“桥梁智能检查系统”的现场采集端、web分析端、检测报告病害成因分析、养护建议等；2) 用于“智能养护系统桥梁经常检查模块”的现场采集端和web分析端，如图3 所示。

图3 桥梁检测系统web分析端

4.1 独立部署应用

该系统研发的目的是为了更好地服务实际工程，以解决工程问题。梁式桥病害智能诊断与养护决策技术成果可单独部署应用，作为检测和养护单位桥梁病害分析与处治决策的辅助系统。独立部署应用系统如图4所示。

图4 系统独立部署应用——病害智能诊断

4.2 封装集成应用

该系统可实现在桥梁检测终端、桥梁养护终端(经常检查、日常巡查)模块的集成应用。通过接口对接检测业务系统，实时分析病害成因，也可通过病害原因来验证桥梁出现的病害特征，提升桥梁检测效率与质量，提高桥梁报告完整程度与自动化程度。对接既有养护业务系统，可大幅提高养护决策的智能化水平，自动匹配推荐养护方案与优化养护成本，实现精准养护。

如在桥梁定检系统的APP端，根据现场病害采集数据与桥梁关键信息，可实现桥梁病害的实时诊断，为检查人员提供专业咨询，同时提醒现场人员可能忽略的重要特征，保存并上传诊断结果、成因分析结果、养护对策结果，如图5所示。

图5 桥梁检测APP端应用

5 结束语

1) 在系统架构与技术路线指导下，构建核心知识库和核心算法体系，开发了一套梁式桥病害智能诊断与养护决策系统。

2) 研究成果可独立部署，也可封装为模块接入到既有检测与养护系统产品，提供了一种梁式桥病害智能诊断和养护决策的新模式，为后续其他桥型的病害智能诊断和养护决策系统研究提供支持。

3) 该系统可解决目前梁式桥病害诊断严重依赖现场人员技术水平、现场诊断不及时、现场无法智能提醒与预警等棘手问题，提高了桥梁检测与养护的智能化水平。

4) 该系统在桥型与专业扩展、知识库自助式成长、算法迭代优化、系统易用性等方面还需要进一步研究。