劉大洋，黃文韜，斯新華，張 朋

(1.招商局重慶公路工程檢測中心有限公司，重慶 400067； 2.長安大學(xué)，西安 710021)

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”、云計算、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)的迅速發(fā)展及其在公路交通檢測領(lǐng)域的大規(guī)模融合應(yīng)用，國家與交通行業(yè)對公路交通病害智能診斷與養(yǎng)護決策的實時性、準確性提出進一步要求。2019年9月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)了《交通強國建設(shè)綱要》[1]，要求大力推動大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)與交通行業(yè)深度融合，推廣應(yīng)用交通裝備的智能檢測(監(jiān)測)和運維技術(shù)，提高養(yǎng)護專業(yè)化、信息化水平。同年12月，交通部印發(fā)了《推進綜合交通運輸大數(shù)據(jù)發(fā)展行動綱要(2020年—2025年)》[2]，明確要求構(gòu)建綜合性大數(shù)據(jù)分析技術(shù)模型，研究建立具有較強應(yīng)用價值的綜合性、全局性大數(shù)據(jù)分析模型，形成一系列易理解、有結(jié)論、實用性和權(quán)威性較強的大數(shù)據(jù)分析成果，有效支撐綜合交通運輸決策管理與服務(wù)。

目前，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對中小橋梁、城市橋梁、鋼橋等橋型相應(yīng)病害形式、成因、處治方法等方面進行了研究與總結(jié)[3-11]，以指導(dǎo)橋梁的檢測和養(yǎng)護。如浙江省交通運輸廳主編的《中小跨徑橋梁典型病害防治手冊》[12]，針對中小跨徑橋梁的6種典型病害進行成因分析，并提出了防治措施與加固方法；宋波[13]主編的《圖說城市橋梁病害與對策》，以城市橋梁為研究對象，對病害的表現(xiàn)、可能原因、檢查與維修要點4個方面進行了說明闡述；由日本山田健太郎等[14]編著的《鋼橋的維持管理》，以鋼橋的疲勞和腐蝕問題為研究對象，從原理、案例、防治措施等方面進行了分析說明；金輝[15]主編的《公路橋梁典型病害診斷與處治圖解手冊》，對橋梁的典型病害成因分析、維修加固等方面進行了說明。

上述研究結(jié)果均以紙質(zhì)手冊的方式供行業(yè)技術(shù)人員學(xué)習(xí)與參考，但寶貴的經(jīng)驗數(shù)據(jù)不能與檢測及養(yǎng)護業(yè)務(wù)信息化系統(tǒng)直接對接，且不能滿足如今高速發(fā)展的“互聯(lián)網(wǎng)+”與云計算、大數(shù)據(jù)時代的信息化發(fā)展要求，造成寶貴數(shù)據(jù)資源浪費。而目前在檢測與養(yǎng)護行業(yè)內(nèi)，橋梁現(xiàn)場常規(guī)性病害診斷的主要依據(jù)來自工程師經(jīng)驗，否則通過專家咨詢會，給出相應(yīng)診斷結(jié)論和養(yǎng)護處治對策。這種方式非常依賴診斷人員的技術(shù)水平和工作經(jīng)驗，如專家專業(yè)知識與工程經(jīng)驗豐富，診斷分析的結(jié)果相對合理；如人員專業(yè)水平有限，可能診斷不準確，一個問題變多個問題，造成業(yè)主經(jīng)濟損失或者存在安全隱患。另外，現(xiàn)場問題出現(xiàn)后到專家咨詢有一個時間過程，診斷和決策不及時，可能貽誤良機，錯過關(guān)鍵處治時機。

鑒于此，招商檢測研發(fā)團隊開發(fā)了一套梁式橋病害智能診斷與養(yǎng)護決策系統(tǒng)，并已用于橋梁檢測和養(yǎng)護終端系統(tǒng)，實現(xiàn)了梁式橋常規(guī)病害的實時智能診斷、成因分析與養(yǎng)護對策的一鍵生成，可輔助現(xiàn)場人員第一時間決策，大幅提高梁式橋診斷和養(yǎng)護決策的智能化水平。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與技術(shù)路線

在系統(tǒng)架構(gòu)時，考慮了系統(tǒng)后期知識庫與專業(yè)類別的可擴展性，并基于第三范式對數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)表進行了合理設(shè)計，從業(yè)務(wù)實際需求角度，建立橋梁病害智能診斷與養(yǎng)護決策數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，解決智能診斷的運行效率問題。建立系統(tǒng)知識庫迭代增長機制，通過在用戶端自助編輯新增樣本、記錄應(yīng)用端用戶操作行為，實現(xiàn)系統(tǒng)樣本庫的自主成長和特征權(quán)重的學(xué)習(xí)優(yōu)化。

系統(tǒng)實現(xiàn)橋梁病害的智能診斷與養(yǎng)護決策的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)路線

2 系統(tǒng)核心知識庫構(gòu)建

核心知識庫是橋梁病害智能診斷與養(yǎng)護決策系統(tǒng)的重要組成部分，通過分析橋梁病害相關(guān)的專業(yè)術(shù)語并對其進行分類整理，建立特征詞庫，形成以病害識別、模型匹配算法的基礎(chǔ)底層支撐。詞庫包括橋梁基本信息，病害的種類以及參數(shù)特征詞語，成因典型特征與一般特征詞語與權(quán)重分配，形成專業(yè)詞庫、病害成因與養(yǎng)護處治建議核心技術(shù)文件。

核心知識庫建立了涵蓋專業(yè)特征詞庫、病害類型庫、成因分析庫、養(yǎng)護對策庫4個子庫核心知識庫，如圖2所示，并依據(jù)專業(yè)知識經(jīng)驗，建立特征詞庫的特征詞初始權(quán)重。目前知識庫涵蓋梁式橋病害類型108種，梁式橋病害成因庫結(jié)果210種，梁式橋養(yǎng)護對策庫189種，特征詞庫1 033個，同時建立了108種梁式橋病害的特征詞初始權(quán)重。

圖2 核心知識庫構(gòu)建

在知識庫形成過程中，對橋梁病害庫、成因庫、養(yǎng)護建議庫及特征詞等須進行專家鑒審，確保數(shù)據(jù)的邏輯合理性、專業(yè)性。

3 系統(tǒng)核心算法

算法是實現(xiàn)病害高效精準診斷的核心技術(shù)，需經(jīng)過以下標準化處理：1) 通過自然語言處理，將非結(jié)構(gòu)化病害描述進行詞語拆分，完成樣本結(jié)構(gòu)化處理；2) 將樣本的結(jié)構(gòu)化處理結(jié)果與特征詞庫進行識別；3) 根據(jù)樣本與各個梁式橋病害的特征詞匹配程度，經(jīng)過多步計算后，推算出病害描述樣本與梁式橋病害的匹配概率結(jié)果；4)通過記錄用戶操作行為，不斷調(diào)整優(yōu)化成因特征的權(quán)重比例，實現(xiàn)成因匹配結(jié)果的準確性。

經(jīng)過以上環(huán)節(jié)后，最終建立起涵蓋自然語言處理、特征詞識別、模糊匹配算法、權(quán)重優(yōu)化算法的核心算法體系，實現(xiàn)病害成因分析和養(yǎng)護決策的匹配概率達到80%以上。

4 系統(tǒng)集成應(yīng)用

目前該系統(tǒng)正在上線測試階段，首先用于團隊已研發(fā)上線的2款產(chǎn)品：1) 用于“橋梁智能檢查系統(tǒng)”的現(xiàn)場采集端、web分析端、檢測報告病害成因分析、養(yǎng)護建議等；2) 用于“智能養(yǎng)護系統(tǒng)橋梁經(jīng)常檢查模塊”的現(xiàn)場采集端和web分析端，如圖3 所示。

圖3 橋梁檢測系統(tǒng)web分析端

4.1 獨立部署應(yīng)用

該系統(tǒng)研發(fā)的目的是為了更好地服務(wù)實際工程，以解決工程問題。梁式橋病害智能診斷與養(yǎng)護決策技術(shù)成果可單獨部署應(yīng)用，作為檢測和養(yǎng)護單位橋梁病害分析與處治決策的輔助系統(tǒng)。獨立部署應(yīng)用系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)獨立部署應(yīng)用——病害智能診斷

4.2 封裝集成應(yīng)用

該系統(tǒng)可實現(xiàn)在橋梁檢測終端、橋梁養(yǎng)護終端(經(jīng)常檢查、日常巡查)模塊的集成應(yīng)用。通過接口對接檢測業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實時分析病害成因，也可通過病害原因來驗證橋梁出現(xiàn)的病害特征，提升橋梁檢測效率與質(zhì)量，提高橋梁報告完整程度與自動化程度。對接既有養(yǎng)護業(yè)務(wù)系統(tǒng)，可大幅提高養(yǎng)護決策的智能化水平，自動匹配推薦養(yǎng)護方案與優(yōu)化養(yǎng)護成本，實現(xiàn)精準養(yǎng)護。

如在橋梁定檢系統(tǒng)的APP端，根據(jù)現(xiàn)場病害采集數(shù)據(jù)與橋梁關(guān)鍵信息，可實現(xiàn)橋梁病害的實時診斷，為檢查人員提供專業(yè)咨詢，同時提醒現(xiàn)場人員可能忽略的重要特征，保存并上傳診斷結(jié)果、成因分析結(jié)果、養(yǎng)護對策結(jié)果，如圖5所示。

圖5 橋梁檢測APP端應(yīng)用

5 結(jié)束語

1) 在系統(tǒng)架構(gòu)與技術(shù)路線指導(dǎo)下，構(gòu)建核心知識庫和核心算法體系，開發(fā)了一套梁式橋病害智能診斷與養(yǎng)護決策系統(tǒng)。

2) 研究成果可獨立部署，也可封裝為模塊接入到既有檢測與養(yǎng)護系統(tǒng)產(chǎn)品，提供了一種梁式橋病害智能診斷和養(yǎng)護決策的新模式，為后續(xù)其他橋型的病害智能診斷和養(yǎng)護決策系統(tǒng)研究提供支持。

3) 該系統(tǒng)可解決目前梁式橋病害診斷嚴重依賴現(xiàn)場人員技術(shù)水平、現(xiàn)場診斷不及時、現(xiàn)場無法智能提醒與預(yù)警等棘手問題，提高了橋梁檢測與養(yǎng)護的智能化水平。

4) 該系統(tǒng)在橋型與專業(yè)擴展、知識庫自助式成長、算法迭代優(yōu)化、系統(tǒng)易用性等方面還需要進一步研究。