TRIZ理论在桥梁健康状态快速诊断中的应用

向阳　舒昕　李晓行

摘 要：针对桥梁表观检测过程中人工成本大、耗时长、效率低等问题，研究一种新的检测诊断方法，以突破传统检测效率问题。为了解决该技术难题，项目组成员在TRIZ理论的指导下，利用TRIZ发明原理和创新工具，针对桥梁健康状态快速诊断问题，提出了桥梁结构健康监测自动化解决方案，为项目成员提供了新的突破方向。

关键词：TRIZ理论；桥梁健康诊断；桥梁健康状态

中图分类号：U446 文献标识码：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

随着城市化进程的加速，桥梁作为基础交通设施的重要组成部分，其健康状况对于保障公共安全具有举足轻重的地位。桥梁结构在正常营运期间会受到设计、施工、气候、环境、交通等因素的影响，如果相关人员没有及时对这些带有结构性损伤的桥梁进行监测和评估，那么就无法保障桥梁的有效使用。这不仅危害车辆的运行安全，而且还会减少桥梁的使用寿命，甚至引发桥梁损坏或者倒塌等问题。

桥梁健康诊断是指桥梁结构在受到自然的、人为的破坏，或者经过长时期使用后，通过测定其关键性能指标判断桥梁本身是否受到损伤，如果确定了出现损伤，还要具体确定其损伤的位置、程度，由此判断桥梁的剩余使用價值和使用寿命。

目前国内外诊断桥梁健康的方式是通过观察桥梁表观病害，通过人工仪器检测来确认桥梁的结构状态，从而决定进行小型的病害修补或者拆除重建。这种方法不但费时费力，且有严重的滞后性，那么如何快速、简单地判断桥梁健康状态成为亟待解决的难题。

为突破技术难题，本文采取试错法、头脑风暴法等多种方法进行试验，但是结果都不理想。为此利用TRIZ理论建立技术系统，得出影响设备运行的功能因素，找到解决问题的切入点，并利用TRIZ理论中的创新原理、标准解系统及功能化模型得到最优解决方案[1]。

1 传统的桥梁健康状态诊断方法

传统的桥梁健康检测方法是技术人员到桥梁现场进行定期检查，在当前的桥梁养护工作中存在许多不足：①工作效率低。查看一座桥梁需花费一人半天或一天的时间，不适合现代大量桥梁养护护理的要求。②准确性差。桥况数据基本上以人工采集为主，需通过检查人员到桥梁现场进行目视检查获得外部现状，通过各种外部特征来综合判断桥梁状况，如图1所示。由于技术人员用肉眼检查桥梁的现状，在桥梁病害尺度的把握上存在着人为误差，而对于肉眼无法看出的危险情况则又无法准确把握，使得通过该系统的评价结论的准确性较差。③安全性低。由于桥梁的数量巨大，而技术人员和设备有限，导致无法对运营中的所有（或大部分）桥梁进行有效的桥况评估，时常遗漏一些危桥的重要信息而发生车毁人亡的事故。

2 基于TRIZ原理构建桥梁健康状态诊断体系

2.1 项目问题分析

为了可以更好地理解桥梁健康检测的工作原理，分别对项目的功能进行描述：①桥梁外部监测，即对桥梁外部环境温湿度及桥梁表观等进行监测；②桥梁内部监测，即对桥梁内部应力、振动等结构指标进行监测；③健康状态评定，即根据桥梁内外部监测数据评定桥梁的健康状态等级。

现存的问题为，在桥梁外部监测时，人工巡检桥梁表观状态效率低、时间长。在桥梁内部监测时，通过搬运仪器仪表进入桥梁内部进行监测费时费力。

2.2 改进目标

经过TRIZ原理分析，改进目标包括以下四部分：①减少人力资源成本；②缩短桥梁健康检测时间；③进一步提高检测效率；④提高检测方法的经济性。根据改进目标，常规的解决方案为：通过机械设备等方法对桥梁部构件进行检测，提高工作效率，减少监测周期。然而，理想检测方法需要检测效率高且具有一定经济性。

2.3 系统分析

2.3.1 组件模型

在建立组件模型之前，首先需要确定技术系统，并根据技术系统的定义，确定该技术系统的作用对象、技术系统组件、超系统组件[2]。而该技术系统的功能是监测桥梁健康状态，因此，本技术系统的作用对象是桥梁，技术系统的组件为检测人员、仪器仪表、支撑件，技术系统的超系统为环境。基于以上建立组件，进行组件之间的作用分析，采用规范化的功能描述方式建立的组件模型图，如图2所示。

2.3.2 组件价值分析

组件价值分析运用价值工程的方法，以阿奇舒勒定义的理想度为衡量标准，通过评估有用作用、有害作用及成本，来确定组件的理想度[3]。从组件模型图可以看到，技术系统的有害及不足作用主要集中在自动化和成本效率方面。通过对于技术系统进行进一步的组件价值分析建立技术系统。通过定量分析求解出理想度指标，其中成本分配规则为：1-10，1是最便宜，10是最昂贵，可以发现其中的成本和效率理想度最低，因此，技术系统中的人员是价值最低组件，可以作为裁剪对象，该技术系统的裁剪分析如图3所示。

如果将检测人员裁减掉，则该功能无法在技术系统内实现，需用新的方案来代替它，于是形成剪裁方案：裁剪检测人员，不用人员进行传统的桥梁健康监测，而是引入自动化监测传感器，满足：（1）降低人工成本；（2）实现高效率自动化监测。如表1所示。

2.3.3 问题分解

对于造成桥梁健康状态监测成本高、效率低的问题，我们进行了因果分析。通过因果链分析，得到监测成本高、效率低问题的两个原因：人工成本以及监测仪表的自动化程度。将问题转化为：①如何避免或降低人工成本；②如何增强监测设备的自动化程度，提高监测的效率。

3 TRIZ工具运用

TRIZ理论解决问题一般分为三步：首先将待解决问题转化为TRIZ中的通用问题模型，然后利用TRIZ中相应的中间工具，得到TRIZ的解决方案模型，最后将方案模型应用于实际问题，得到最终的解决方案。本文分别利用创新原理、资源分析及标准解法系统获得解决方案，下面从问题的因果分析出发，详细说明待解问题的解决方案[3]。

3.1 解决问题的步骤

3.1.1 避免或降低人工成本

针对如何避免或降低人工成本的问题，需要调整人员的用工数量及用工时间，但是在调整用工数量和用工时间后担心会影响桥梁监测的工期，得到的解决方案为：通过自动化采集传输设备代替人工监测。

3.1.2 提高监测仪表的自动化程度

针对如何提高监测仪表的自动化程度，需要改善设备的自动化属性，通过人工方式操作监测仪表既增加了人工成本，也降低了工作效率。那么改善监测仪表的自动化强度，可以得到的解决方案有：通过增加采集传输单元、服务器设备等实现桥梁监测的自动化。

3.2 进化定位分析

技术系统如同人一样也要经历出生、成长、成熟及衰退过程，因此对技术系统进行进化分析，有利于对技术系统的未来发展方向进行预测，有利于对新产品进行战略布局。对于监测仪表的采集方式我们可以采用进化方案，向着IOT物联网自动化采集进化，对于传输方式可向互联网5G传输进化，提高传输效率。该解决方案的原理为：通过IOT物联网传感器，解决传统监测仪表需要人工操作的问题，降低人工成本，通过无线5G互联网传输监测数据，提高监测自动采集传输处理效率。

3.3 方案评估

备选方案：①降低人员用工数量；②降低人员用工时间；③采用IOT物联网传感器；④采用互联网5G进行高速传输；⑤采用采集单元进行自动化采集；⑥采用高智能自动化的监测仪表。

从备选方案评价可以看出《IOT物联网传感器》《5G高速傳输》《采集仪自动化采集》3个方案评价较高，在实际工程中应用可能性比较大，具有很好的应用价值。

4 结语

本文应用TRIZ方法对桥梁健康状态诊断方法进行改进升级，解决了传统人工检测方法效率低、准确性不高、安全性差的问题，实现了自动化快速诊断，优化了桥梁健康诊断方法，提升了诊断效率及经济效益。通过TRIZ原理在上述桥梁健康快速诊断方法的应用可以发现，相较于传统的创新方法，比如试错法、头脑风暴法等，TRIZ理论具有鲜明的特点和优势。实践证明，运用TRIZ理论可大大加快人们创造发明的进程，而且能得到高质量的创新产品。其能够帮助系统地分析问题情境，快速发现问题的本质或者矛盾；能够准确确定问题探索方向，突破思维障碍，打破思维定势，以新的视觉分析问题；能根据技术进化规律预测未来发展趋势，帮助开发富有竞争力的新产品[4-6]。

参考文献：

[1]谢若玲，韩丹，黄秋雨.基于TRIZ原理的产品绿色设计方法初探[J].科技创新与应用，2021，11（25）：89-92.

［2］李明，李大鹏.高校TRIZ创新方法普及方式研究[J].渤海大学学报（哲学社会科学版），2019，41（2）：134-137.

［3］郝雪君，邓援超，辛军炜.基于TRIZ理论围框机铲边成型装置的创新设计[J].农业装备与车辆工程，2022，60（2）：10-15.

［4］龚成勇，李仁年，何香如，等.TRIZ创新方法剖析抽水蓄能电站进/出水口设计[J].水力发电学报，2020，39（2）：16-24.

［5］王伟，李昕迪，聂子丰.基于TRIZ理论的农机自动装载跟随系统创新设计[J].机械设计，2022，39（2）：101-106.

［6］龚成勇，何香如，李仁年，等.基于TRIZ实现“专创融合”课程建设与教学效果评价研究——以水电站课程为例[J].创新创业理论研究与实践，2022，5（9）：1-7.

（责任编辑：张双钰）

基金项目：湖北省创新方法推广应用基地服务能力建设项目（2020IM020800）

作者简介：向阳（1988-），男，中铁大桥局武汉桥梁特种技术有限公司高级工程师，研究方向：桥梁智慧管养；舒昕（1986-），男，中铁大桥局武汉桥梁特种技术有限公司高级工程师，研究方向：桥梁智慧管养；李晓行（1994-），女，中铁大桥局武汉桥梁特种技术有限公司工程师，研究方向：桥梁智慧管养。