朱江華 韓 征 萬(wàn)正華

(中南安全環(huán)境技術(shù)研究院股份有限公司 武漢 430071)

2021年湖北省大件運(yùn)輸超限許可共計(jì)17.4萬(wàn)輛，其中車貨總高度從地面算起超過(guò) 4.5 m，或者總寬度超過(guò)3.75 m，或者總長(zhǎng)度超過(guò)28 m，或者總質(zhì)量超過(guò)100 t的III類大件運(yùn)輸約有4.2萬(wàn)件。

高速公路是大件運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ溃瑸橹С纸?jīng)濟(jì)發(fā)展，湖北省交通運(yùn)輸廳公路管理局對(duì)全省主要高速公路進(jìn)行了大件運(yùn)輸通行能力評(píng)估。大件運(yùn)輸通行高速公路主要從兩方面進(jìn)行評(píng)價(jià)[1]：①公路的可通行尺寸(收費(fèi)站進(jìn)出口、互通匝道半徑、沿線凈空等)；②沿線橋梁的承載能力。通過(guò)對(duì)上述兩方面的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理建立數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合GIS技術(shù)開(kāi)發(fā)決策輔助系統(tǒng)。

以往的大件運(yùn)輸審批根據(jù)車輛的申請(qǐng)路線，對(duì)沿線橋梁進(jìn)行驗(yàn)算，而在決策輔助系統(tǒng)內(nèi)輸入車輛技術(shù)指標(biāo)、路線起終點(diǎn)等信息后，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)參數(shù)比對(duì)結(jié)果給出通行路線。無(wú)法通過(guò)參數(shù)比對(duì)給出結(jié)果的，由第三方單位進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)將檢算結(jié)果錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。本研究擬通過(guò)決策輔助系統(tǒng)的運(yùn)用，大幅提高大件運(yùn)輸審批的及時(shí)性。

1 決策輔助系統(tǒng)需求

在以往的大件運(yùn)輸審批過(guò)程中，審批人員多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行審批，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)高，特殊大件則臨時(shí)委托第三方進(jìn)行評(píng)估，過(guò)程復(fù)雜、時(shí)效慢。

為了實(shí)現(xiàn)安全、快速地審批，大件運(yùn)輸通行能力評(píng)估是關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。因此，開(kāi)發(fā)大件運(yùn)輸車輛過(guò)橋決策輔助系統(tǒng)主要目標(biāo)是：①為大件運(yùn)輸提供技術(shù)支撐，精準(zhǔn)掌握高速公路橋梁通行能力，建設(shè)更加方便快捷的過(guò)橋安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)支撐；②大件運(yùn)輸路線推薦及審核，結(jié)合用戶輸入的起終點(diǎn)、車輛信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行大件運(yùn)輸車輛路線規(guī)劃，或者審核用戶選擇路線的可通行情況。

國(guó)內(nèi)超重車輛評(píng)估時(shí)多采用“兩階段評(píng)估方法”[3]。對(duì)于常規(guī)梁式橋，采用橋梁影響線加載及活載效應(yīng)對(duì)比為主的核心算法；當(dāng)不能滿足要求或?qū)τ谟?jì)算精度要求更高的大件運(yùn)輸，則采用承載能力驗(yàn)算的方式進(jìn)行評(píng)估。

本系統(tǒng)對(duì)上述第一階段評(píng)估進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合GIS技術(shù)建立路段、橋梁、可通行車輛等數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)車輛參數(shù)的比對(duì)給出通行建議。通過(guò)方法的改進(jìn)，可以為普通用戶服務(wù)，增強(qiáng)決策輔助系統(tǒng)的實(shí)用性和適時(shí)性。

2 系統(tǒng)主要框架

大件運(yùn)輸決策輔助系統(tǒng)以公路可通行能力數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，包括公路的可通行尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)和沿線橋梁的承載能力數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的比對(duì)快速給出通行建議。

大件運(yùn)輸車輛過(guò)橋決策輔助系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖1，系統(tǒng)可分為4層：基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)系統(tǒng)層、服務(wù)系統(tǒng)層、應(yīng)用層。

圖1 大件運(yùn)輸車輛過(guò)橋決策輔助系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

提供系統(tǒng)運(yùn)行所需要的基礎(chǔ)設(shè)施，主要包括是服務(wù)器資源、計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源。目前基礎(chǔ)設(shè)施層使用云服務(wù)器，這樣做省去了自建機(jī)房的繁瑣過(guò)程，也免去了機(jī)房維護(hù)的麻煩。

2.2 數(shù)據(jù)系統(tǒng)層

提供對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)包括車輛、車型基礎(chǔ)信息、橋梁信息、高速公路分段信息、模型驗(yàn)算信息、用戶信息、基礎(chǔ)底圖信息等。

2.3 服務(wù)系統(tǒng)層

對(duì)外部或?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)部提供系統(tǒng)運(yùn)行所需要的服務(wù)，這些服務(wù)包括：Web服務(wù)、地理信息服務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)。

1) Web服務(wù)。對(duì)外提供Web服務(wù)，用戶可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)的方式訪問(wèn)應(yīng)用系統(tǒng)，同時(shí)提供接口服務(wù)，方便后續(xù)其他系統(tǒng)有對(duì)接需求。

2) 地理信息服務(wù)。對(duì)外提供地理信息展示的服務(wù)，包括全省高速公路路網(wǎng)展示、橋梁展示、路線分段展示等等。

3) 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)。對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部提供數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)系統(tǒng)可完成數(shù)據(jù)庫(kù)的增刪改查等操作功能。

2.4 應(yīng)用層

對(duì)外提供系統(tǒng)應(yīng)用，這些系統(tǒng)應(yīng)用包括：

1) 基礎(chǔ)地圖功能。基本的地圖功能包括：地圖放大、縮小、平移、全圖(湖北省)等，具有根據(jù)用戶輸入進(jìn)行查詢定位功能，具備點(diǎn)擊進(jìn)行單點(diǎn)查詢功能，同時(shí)還可以根據(jù)查詢進(jìn)行要素選擇、清除選擇，具有距離量算、面積量算等功能。

2) 輔助決策功能。輔助決策主要用于超限車輛通行及路線規(guī)劃輔助決策，主要包括兩大功能點(diǎn)，即路線規(guī)劃、路線審核。

3) 統(tǒng)計(jì)分析功能。審批人員能夠通過(guò)日?qǐng)?bào)、月報(bào)等數(shù)據(jù)報(bào)表的形式查看已審批車輛的統(tǒng)計(jì)信息，包括車輛信息，行駛路線等，方便管理人員對(duì)現(xiàn)有高速大件運(yùn)輸超重車輛的分析。

4) 系統(tǒng)管理功能。系統(tǒng)管理(或稱為后臺(tái)管理)是系統(tǒng)有效運(yùn)行的基礎(chǔ)，它實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的用戶管理、權(quán)限管理、申報(bào)項(xiàng)目和信息管理、訪問(wèn)量管理等應(yīng)用。

3 系統(tǒng)核心算法

輔助決策功能主要對(duì)超限車輛能否通行及路線規(guī)劃進(jìn)行輔助決策，算法流程見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)核心算法流程圖

3.1 尺寸通過(guò)性評(píng)估

系統(tǒng)根據(jù)大件運(yùn)輸車輛申報(bào)的起終點(diǎn)收費(fèi)站調(diào)用收費(fèi)站尺寸限制數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)。比對(duì)通過(guò)的進(jìn)行橋梁通過(guò)性評(píng)估，由系統(tǒng)分析最短通行路徑或者審核用戶填報(bào)的路線。否則，給出比對(duì)不通過(guò)的原因。

對(duì)于高速收費(fèi)站可通過(guò)性評(píng)價(jià)主要考慮大件運(yùn)輸車輛的車貨外廓尺寸是否滿足收費(fèi)站出入口寬度、高度要求。通過(guò)對(duì)比，車貨外廓尺寸在收費(fèi)站通過(guò)要求之內(nèi)，即認(rèn)為大件車輛在高速路收費(fèi)站具有可通過(guò)性。收費(fèi)站有效寬度為超寬車道寬度d、收費(fèi)站的有效高度為收費(fèi)站天棚至地面的高度h，示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 高速公路收費(fèi)站尺寸示意圖

對(duì)于高速互通可通過(guò)性評(píng)價(jià)主要是驗(yàn)算車輛通過(guò)彎道的能力及轉(zhuǎn)彎過(guò)程中掃空面[4-5]。車輛通過(guò)彎道時(shí)，穩(wěn)定轉(zhuǎn)向階段的車輛轉(zhuǎn)彎半徑最小，轉(zhuǎn)向車輪的轉(zhuǎn)角最大，車輪在彎道轉(zhuǎn)動(dòng)所需的寬度最大，若彎道滿足車輛這個(gè)階段轉(zhuǎn)彎要求，那么車輛就可以正常通過(guò)，同時(shí)轉(zhuǎn)彎過(guò)程中掃空面范圍內(nèi)也不能有障礙物，示意圖見(jiàn)圖4。通過(guò)對(duì)掛車組轉(zhuǎn)彎軌跡進(jìn)行模擬確定不同半徑、凈寬匝道允許通行的大件運(yùn)輸車輛的外廓尺寸，后期通過(guò)尺寸比對(duì)確定申請(qǐng)車輛能否通行。

圖4 掛車組轉(zhuǎn)彎示意圖

3.2 橋梁通過(guò)性評(píng)估

決策輔助系統(tǒng)內(nèi)對(duì)橋梁承載能力的判別采用“車輛參數(shù)比較法”，在一橋一庫(kù)的基礎(chǔ)上，將申請(qǐng)車輛與橋梁的可通行車輛數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，包括軸重、軸數(shù)、軸距等參數(shù)，根據(jù)比對(duì)結(jié)果提出評(píng)估意見(jiàn)。無(wú)法通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)的車輛再采用“實(shí)際荷載檢算法”進(jìn)行橋梁承載能力驗(yàn)算，即在申請(qǐng)車輛荷載作用下對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。

通過(guò)調(diào)查分析，湖北省大件運(yùn)輸車輛掛車軸重多為140～180 kN，軸數(shù)多為4～10軸，軸距多為1～1.65 m；牽引車軸荷布置較為接近，且重量較小。因此，在決策輔助系統(tǒng)內(nèi)可以通過(guò)比對(duì)申請(qǐng)車輛與典型車輛的掛車參數(shù)來(lái)進(jìn)行通過(guò)性評(píng)估。根據(jù)不同的軸重、軸數(shù)、軸距，選取18種車輛作為典型車輛，覆蓋總質(zhì)量為100～255 t的大件運(yùn)輸車輛。對(duì)湖北省主要高速公路根據(jù)不同的荷載等級(jí)、結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計(jì)單位等指標(biāo)選取556座典型橋梁，通過(guò)檢算分析建立“典型車輛可通行車輛數(shù)據(jù)庫(kù)”。255 t以上的大件運(yùn)輸車輛數(shù)量較少，可單獨(dú)進(jìn)行承載能力評(píng)估。

當(dāng)申請(qǐng)車輛的軸重不大于可通行車輛的軸重，軸數(shù)不大于可通行車輛的軸數(shù)，軸距不小于可通行車輛的軸距時(shí)，申請(qǐng)車輛的荷載效應(yīng)小于可通行車輛的荷載效應(yīng)，則申請(qǐng)車輛可以通行。采用數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)的方法可以大幅提高出具評(píng)估意見(jiàn)的效率。

大件運(yùn)輸車輛進(jìn)行檢算過(guò)程中相關(guān)系數(shù)取值如下。

1) 荷載組合分項(xiàng)系數(shù)。結(jié)合《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》及鄰省大件運(yùn)輸車輛通行橋梁安全評(píng)估的有關(guān)經(jīng)驗(yàn)，在檢算過(guò)程中承載能力極限狀態(tài)荷載組合為1.2×恒載+1.1×大件運(yùn)輸荷載。

2) 荷載沖擊系數(shù)。根據(jù)JTG 5120-2021 《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》6.4.2條，超重車輛過(guò)橋時(shí)，應(yīng)符合下列規(guī)定。

①超重車輛應(yīng)沿橋梁結(jié)構(gòu)的中心線行駛。

②車輛以不大于5 km/h的速度勻速行駛。

③嚴(yán)禁在橋上制動(dòng)、變速、停留。

④不得有其他車輛同時(shí)過(guò)橋。

實(shí)際情況中多數(shù)大件運(yùn)輸車輛在車速管控上難以執(zhí)行上述規(guī)定，為了保證橋梁的安全，進(jìn)行評(píng)估時(shí)計(jì)算沖擊系數(shù)的影響。

3) 承載力檢算系數(shù)。計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)的抗力效應(yīng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)橋梁試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，當(dāng)其橋梁技術(shù)狀況等級(jí)為“3類”或更差時(shí)，如有必要應(yīng)對(duì)橋梁缺損狀況、材質(zhì)狀況，以及狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，以確定其承載能力惡化系數(shù)和檢算系數(shù)Z1。

湖北省高速公路橋梁技術(shù)狀況為1類、2類時(shí)，承載能力檢算系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)偏安全地取為1[6]，技術(shù)狀況為3類、4類、5類時(shí)禁止通行。

4) 偏載系數(shù)。大件運(yùn)輸車輛通過(guò)彎橋時(shí)難以控制居中行駛，因此建立縱向單梁模型時(shí)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，偏保守取偏載放大系數(shù)1.15。在進(jìn)行獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆能力驗(yàn)算時(shí)則考慮實(shí)際荷載情況。

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)維護(hù)

大件運(yùn)輸車輛過(guò)橋評(píng)估主要是以保證橋梁安全和大件運(yùn)輸車輛通過(guò)性為目標(biāo)進(jìn)行的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，是以承載能力極限狀態(tài)為控制的荷載最不利組合與橋梁的抗力進(jìn)行對(duì)比，其主要控制因素為上部結(jié)構(gòu)梁體的承載能力安全性。所以有必要對(duì)橋梁的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行維護(hù)，維護(hù)內(nèi)容包括以下2個(gè)方面。

1) 建立典型橋梁清單庫(kù)，每年根據(jù)橋梁技術(shù)狀況，特別是上部結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，判斷是否存在對(duì)結(jié)構(gòu)承載力有影響的因素，確定相應(yīng)的檢算相關(guān)參數(shù)。

2) 對(duì)承載能力較低的橋梁以及經(jīng)過(guò)加固的典型橋梁進(jìn)行特殊檢查，在大件運(yùn)輸車輛通過(guò)此類橋梁的時(shí)候?qū)ζ溥M(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)應(yīng)力、撓度等數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀的判斷。

5 結(jié)語(yǔ)

能否快速地進(jìn)行大件運(yùn)輸安全性評(píng)價(jià)直接影響著主管部門的審批效率，通過(guò)對(duì)高速公路典型橋梁進(jìn)行預(yù)評(píng)估，建立可通行車輛數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)大件運(yùn)輸決策輔助系統(tǒng)，消除了大件運(yùn)輸審批過(guò)程中“風(fēng)險(xiǎn)高、時(shí)效慢”的缺點(diǎn)。該系統(tǒng)還可以智能推薦可通行路線，避免在審批過(guò)程中多次改線導(dǎo)致效率低下。大件運(yùn)輸決策輔助系統(tǒng)為大件運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)快速審批提供技術(shù)支撐，對(duì)提高大件運(yùn)輸決策的科學(xué)性具有現(xiàn)實(shí)意義。