殷 峰
(上海城投公路投資(集團)有限公司高速運管中心,上海市201913)
高速公路管養(yǎng)經(jīng)常遇到各種各樣的指標,有工程質(zhì)量指標(如瀝青路面的壓實度、平整度、滲水系數(shù)、彎沉[1]),有技術(shù)狀況指標(如橋梁采用分層綜合評定與單項指標控制相結(jié)合的方法[2],形成基于病害標度,從構(gòu)件、部件到整體的評分體系),還有管理指標。要準確把握客觀事物的狀況,就必須用指標來量化,以作判據(jù)。指標體系也是公路智慧運維的基礎(chǔ),重要性不言而喻。但是,目前常用指標的評定結(jié)果與實際不能很好吻合,究其原因,仍是指標體系不完善這個老問題。可見,期望通過經(jīng)驗解決問題已不現(xiàn)實,而是需要深度思考:指標的實質(zhì)究竟是什么?有沒有數(shù)學(xué)根源?本文嘗試探究,得出一些啟發(fā),用于解決實際問題,供同行參考。
指標是對公路管養(yǎng)的定量判斷尺度,分為技術(shù)指標和管理指標,也可分為單一指標和綜合指標。技術(shù)指標用于表征設(shè)施狀況;管理指標主要用于評價管理行為(包括模式、計劃、方案、質(zhì)量控制等)特征、成效。單一指標表述一個具體屬性;綜合指標由多個單一指標組成。
指標,實質(zhì)上是一種廣義的測量,是對屬性的測量,需滿足可測條件。對單一指標而言是滿足可測性的3個條件:μ()=0;非負性;可列可加性[3]。即對取值范圍內(nèi)任意不相交的分段,所選總長度等于各分段長度之和。綜合指標應(yīng)滿足線性空間的條件,有5個屬性:明晰性;完整性,包含所有相關(guān)的單一指標;獨立性;可度量性;復(fù)雜性。獨立性是指存在一組單位正交向量形成坐標系e1,e2,……en,其他向量表示為這個坐標系的線性組合。度量性是選取線性空間范數(shù),目前多采用1-范數(shù),即加權(quán)平均,是對綜合指標空間先作線性變換,再對變換后線性空間單一指標值求和,不足之處是線性變換向量(即權(quán)重)源于經(jīng)驗。實際上可采用∞-范數(shù),即‖x‖=max(│x1│,│x2│,…,│xn│)。復(fù)雜性是說實際工作中需用綜合指標(空間)描述一個總體對象(如一座橋、一個養(yǎng)護單位),而總體對象由大量單元組成,屬性種類繁復(fù),不同單元屬性各異,每個單一指標描述單元屬性,所有單一指標構(gòu)成綜合指標。
以上立足可測性和線性空間,對指標有了較為深刻的認識,知道了要構(gòu)建可靠、穩(wěn)固的指標體系,必須從可測性和線性空間的深度出發(fā),滿足下列共同原則:
(1)把關(guān)心的屬性表述為可測的單一指標;
(2)指標體系清晰、完整、獨立;
(3)選取的范數(shù)嚴謹、針對性強;
(4)復(fù)雜性決定了建立綜合指標體系并不簡單,應(yīng)從分析單元、屬性及其關(guān)系起厘清結(jié)構(gòu)。
這些原則如何在實際應(yīng)用中展現(xiàn)其作用?結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、橋隧技術(shù)狀況評定、運營養(yǎng)護評價的指標體系是熱點和難點,下面開始討論。
橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的主要難題是如何指導(dǎo)養(yǎng)護工作,實際上仍歸結(jié)為指標。通過上海長江隧橋健康監(jiān)測的多年應(yīng)用,可認為養(yǎng)護需要健康監(jiān)測提供兩類資訊:實時安全性;長期健康及安全性。由此從屬性出發(fā),從周期性、收斂性、關(guān)聯(lián)性等方面總結(jié)出一些指標,如圖1所示。
圖1 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測指標討論——從屬性分析到指標
其中:短周期指標著重于表征即時安全性(如臺風(fēng)影響);長期數(shù)據(jù)存在兩類指標,即周期性和非周期性,前者的重點是能否保持長期周期性(如索塔頂端位移),后者則重點指是否處于收斂狀態(tài)(如橋墩沉降);關(guān)聯(lián)屬性重在從相關(guān)性角度判斷結(jié)構(gòu)的整體變化。
技術(shù)狀況的復(fù)雜性表現(xiàn)在4個方面:關(guān)注視角多,如結(jié)構(gòu)安全和材料耐久;結(jié)構(gòu)型式、材料組合多;構(gòu)件差異大;病害與構(gòu)件、結(jié)構(gòu)型式、材料構(gòu)造相關(guān)。根據(jù)前文的原則,從對象(單元)屬性→指標的鏈條出發(fā),提出“從屬性出發(fā)定指標,對象類型與屬性匹配,篩選指標值顯著的對象,參與總體評價”,先看指標結(jié)構(gòu),再看評價過程。
2.2.1 指標空間構(gòu)造分析
用尺度劃分對象是適當(dāng)?shù)?,?為對象尺度。
表1 對象尺度分類
下一步,進行屬性和指標分析。行業(yè)對橋梁的評價是從結(jié)構(gòu)、功能和耐久三方面進行的,三者相互獨立,故總體評價按此分開,分析過程詳見表2。
表2 屬性及指標空間構(gòu)造分析
2.2.2 評定過程
評定是從現(xiàn)場檢測→病害指標化→指標點篩選→總體評價→養(yǎng)護對策的全過程,其關(guān)鍵是如何從大量單一指標匯總成綜合指標。在指標點形成階段,采集病害數(shù)據(jù)并計算單一指標(原始數(shù)據(jù))。在篩選階段,從單一指標中按一定原則遴選參與總體評價的指標點;評價過程選用合適的范數(shù),或作統(tǒng)計分析;最后分門別類形成對策,具有很強的針對性(見表3)。
隧道技術(shù)狀況評價的困難在于,隧道的熱點在運營安全和機電而非僅僅結(jié)構(gòu),迥異于橋梁。上文橋梁技術(shù)狀況指標的分析過程已提供了啟示——可將運營安全劃分細類屬性,如分為消防安全、事故安全等,再建立指標,按表2步驟提供的線索逐漸完成。
表3 評定過程表(示意)
養(yǎng)護質(zhì)量受很多因素(如設(shè)施本身質(zhì)量、養(yǎng)護合同經(jīng)費、設(shè)施新舊、體制機制等)制約,養(yǎng)護質(zhì)量的對象是人,但養(yǎng)護質(zhì)量指標本質(zhì)上仍是綜合指標空間,前文的原則依然適用,故可借鑒表2、表3的方法,進行對象、屬性分析,篩選單一指標用于總體評價。關(guān)鍵是從養(yǎng)護品質(zhì)(主動與被動、提前與應(yīng)急、多樣與單一)、病害評價(密度、頻度、暴露時間)[4]等方面建立單一指標。
對于公路運養(yǎng)指標,本文從可測性和線性空間的深度進行探討,得出重要屬性和構(gòu)建指標體系需滿足的共同原則,并對實際問題加以檢驗,獲得有價值的方法。主要有以下結(jié)論:
(1)公路單一指標需滿足可測性,綜合指標為線性空間,指標具備明晰、完整、正交性、范數(shù)、復(fù)雜性等屬性,構(gòu)建好的指標體系需滿足4個原則。
(2)在健康監(jiān)測和橋梁技術(shù)狀況指標的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn):建立指標應(yīng)分析對象、屬性,建立單一指標;利用指標評定的關(guān)鍵是按一定原則從單一指標點中篩選代表點,選用合適的范數(shù)用于評價。
(3)可將上述方法推廣到隧道技術(shù)狀況和養(yǎng)護質(zhì)量指標。