桥梁管养大数据资产管理体系架构研究
Research on Big Data Asset Management System Architecture for Bridge Management and Maintenance
（江苏高速公路工程养护技术有限公司江苏南京 211106）
摘要│虽然桥梁在设计、施工、运营过程中产生了大量了数据及信息，但桥梁的数据资产管理仍处在较初级的阶段，主要表现是信息
未数据化、数据分散、数据未能发挥其应有的价值。本文根据桥梁的管养战略目标，分析了桥梁数据资产管理的需求，提出了桥梁管养数据资产管理总体架构，盘点了桥梁长期性能评价的数据资产，构建了桥梁管养大数据资产管理平台设计框架。关键词│桥梁；管养；大数据资产；盘点；平台设计
文章编号│2096-255X(2020)02-0072-05
中图分类号│TP311.5 文献标识码│A
Abstract: Although a large number of data and information are generated in the process of design, construction and operation of bridges, the data asset management of bridges is still in a relatively primary stage, mainly manifested in the lack of data, data dispersion and data failure to play its due value. According to the strategic objectives of bridge management and maintenance, this paper analyzes the needs of bridge data asset management, puts forward the overall structure of bridge management and maintenance data asset management, counts the data assets of long-term performance evaluation of the bridge, and constructs the design framework of bridge management and maintenance big data asset management platform. Key words: Bridge，management and maintenance，big data asset，inventory，platform design
根据《2018年交通运输行业发展统计公报》，截止2018年末，我国公路桥梁达85.15万座，其中特大桥梁5053座，大桥98869座，中小桥梁约75万座。经济的快速发展，通行车辆增加迅速，同时因为大量的超载，使得桥梁的负载越来越重。桥梁在服役过程中，受环境侵蚀、材料老化、各种荷载的长期作用、疲劳效应等因素的共同作用，其承载能力不可避免地降低，极端情况下还会发生灾难性事故。例如2018 年 8 月 14日，意大利热那亚A10高速公路上的莫兰迪公路桥发生垮塌，造成43人死亡（图 1）。2019 年 10月 1日台湾宜兰县苏澳镇南方澳跨港大桥突然坍塌（图2）。为了保障桥梁的安全，避免桥梁事故发生，急需采用科学的方法手段对桥梁的大数据进行分析，评估桥梁的现实状态，掌握桥梁的长期性能。
1.桥梁性能评估
桥梁评估就是利用特定信息，综合评价既有桥梁的工作状态，分析结构可靠性并作出工程决策的过程。根据《公路工程结构可靠度设计统一标准》，桥梁结构的可靠性包括安全性、适用性和耐久性三个方面。安全性评估即承载能力评估，就是调查并依据规定的车辆荷载等级确定桥梁的承载能力，与桥梁的极限强度，稳定性能等因素相关。适用性评估表示桥梁在正常使用时，具有良好的工作性能的功能要求。适用性评估与桥梁在日常荷载作用下的变形、裂缝及振动等有关，主要对桥面平整度、裂缝宽度、主梁挠度等进行分析。
耐久性评估主要指通过对材料强度和结构损伤的评估得出结构的疲劳损伤度和剩余寿命。桥梁结构的耐久性主要是由桥梁构件腐蚀、开裂、老化及疲劳程度所决定的。
根据《公路桥涵养护规范》《公路桥梁技术状况评定标准》等规范标准的要求，桥梁的技术状况检查指标按照桥梁的主要构件划分，每个主要构件又可划分为若干项子构件，每个子构件拥有各自的多项评价指标（图3）。
2.桥梁数据资产管理需求分析
数据资产最早由理查德·彼德斯于1974年提出。现在所说的数据资产一般是指由组织拥有或者控制的，能够为组织带来未来经济利益的，以物理或电子的方式记录的数据资源。数据资产管理是指规划、控制和提供数据及信息资产的一组业务职能，包括开发、执行和监督有关数据的计划、政策、方案、项目、流程、方法和程序。数据资产管理需要充分融合业务、技术和管理，以确保数据资产保值增值。数据资产管理贯穿数据采集、存储、应用和销毁整个生命周期全过程。组织管理数据资产就是对数据进行全生命周期的资产化管理，促进数据的价值变现，同时控制数据在整个管理流程中的成本消耗。目前桥梁管养的数据资产管理还处在初级阶段，主要的数据资产管理需求如下：
2.1 多源异构数据的融合与分析从数据的角度出发，桥梁管理、养护工作可以看成一个从数据采集到应用的过程，桥梁全寿命周期的数据来源复杂，形式多样，包括大量的非结构化数据。桥梁管养数据类型呈现出明显的异构和大数据特性，为充分利用数据，桥梁数据资产管理系统必须具备多源异构信息存储和融合、数据挖掘、智能分析等方面的核心功能。
2.2 桥梁实时评定及技术提案推送桥梁数据资产管理平台不仅是数据的存储中心，更应该具备桥梁状态智能诊断和快速评定的能力。在结构日常运营、灾后及特殊事件后，能够通过动态的数据模型提供相应的养护维修计划或管控措施，实现科学、快捷响应。针对结构所处的不同状态，可以面向不同职能、权限以及需求的对象群体，适时发送技术提案，帮助相关人员及时采取合理的技术措施，以有效减少养护成本，提高桥梁寿命。
2.3 数据的准确与可靠数据信息是后续所有工作的基础，只有数据准确，才能使后续数据分析产生价值。数据可靠性保证包含两方面需求：一方面是数据从感知、传输、存储到处理的过程中，要尽可能保障数据的准确和完整；另一方面是数据信息安全保证，要避免系统被恶意侵入，数据信息被删改和毁坏。
3.1 桥梁数据资产管理的目标一座桥的生命周期一般要经历以下几个阶段： ①新桥及正常使用状态桥梁； ②发现劣化、损伤，通过修补后继续使用； ③桥梁的劣化、损伤不断发展。即使进行了修补，损伤也难以得到控制，如果再进行修补，也不能达到承载能力，必须进行大规模维修与补强； ④无法正常使用，需拆除重建。桥梁数据资产管理的核心目标是：对桥梁的所有数据资产进行管理，提高桥梁养护的精细化以及智能化程度，驱动并支撑桥梁寿命最大化以及全寿命周期养护成本最小化。要实现这一核心目标，所需要的五大基础信息是：桥梁现有承载能力水平：现在桥梁能够承受多大的荷载。桥梁实际通行荷载：现在桥梁实际通行的荷载是多大。桥梁运营寿命评估：根据历史数据，建立桥梁荷载增长模型，并评估桥梁实际工作荷载下的寿命。
桥梁现有病害分析及处理：病害发生的原因诊断、病害发展趋势预测、病害最佳处理措施。
桥梁抗灾能力：遭受火灾、地震、台风、船撞等不可抗力情况下，桥梁的量化抗灾能力是多少。
首先要了解桥梁当前的通行能力，目前桥梁的极限荷载是多少，就像一个举重运动员，目前最大能举多少公斤；然后了解实际上的通行荷载，即在每天的实际工作状态中，他举多少的重量，与他的能力范围的差距是多少，如果远远超出，那么在这种状态下，他还能举多少个会达到极限；当他出现伤病时，致病原因是什么，如何治疗；当他遇到突发灾害时，他到底能承受多大程度的打击。这些是实现桥梁寿命最大化以及全寿命周期养护成本最小化目标的最基础的信息。
3.2 桥梁数据资产管理总体设计桥梁数据资产管理的四大核心内容是：资产治理、资产运营、资产价值、资产交付（图4）。
资产治理：包括桥梁长期性能评估的数据标准、数据质量、数据清洗、数据安全、元数据管理、数据应用与技术架构等。
资产运营：采集桥梁的各种数据进行集中化处理与分析，采用特定的算法模型，为桥梁的养护决策提供数据支持。对多元数据进行融合分析，从数据中挖掘价值。
资产价值：数据资产管理必须产生真正的价值，计算数据资产管理的价值以及投资回报率等。
资产交付：通过数据分析确定桥梁养护的时机以方案的最佳实践，实现数据资产变现。
3.3 桥梁数据资产盘点桥梁养护在运营的过程中积累了大量的数据，需要对数据资产进行盘点，评估各类数据的价值。目标管理的SMART法则同样适用于数据资产盘点。
Specific：信息或数据必须是具体的，准确的，可用的；
Measurable：信息或数据应是可以量化的；
Attainable：信息或数据必须是可以获取的；
Relevant：信息或数据不是越多越好，要与管理的目标具有相关性； Time-bound：信息或数据必须带有时间戳，会随着时间的变化而变化。
桥梁目前实际的数据资产主要包括：设计资料：桥梁规划、设计阶段的设计图纸、结构数值模型及计算分析数据，这是桥梁的核心数据资产之一；施工资料：施工阶段的施工记录、方案变更、质量检测、工程费用信息；收费数据：桥梁上下游收费站的收费数据，跟桥梁资产管理有关的主要包括车重、车型等车辆荷载数据；称重数据：部分桥梁布设了动态称重系统，相关的数据包括：日期和时间、速度、车轴数量、车轴间距、车型、车轴重量、轮重、轴重、车辆总重、车辆间隔时间（毫秒）等；
视频数据：部分桥梁在桥梁上有视频监控，可以监控车辆的通行情况；检测数据：对桥梁进行外观及结构的专业检测数据，这是桥梁的核心数据资产之一；
环境数据：水位、氯离子、气温、风特征参数等环境数据；监测数据：部分特大桥设置了健康监测系统，会对桥梁的线形、挠度、结构动力特征、关键断面的应变数据进行采集；养护数据：桥梁养护维修的数据，包括预防性养护措施、病害原因分析、维修方案、维修费用、维修效果等，这是桥梁的核心数据资产之一。
通过数据资产盘点清楚有哪些数据资产、还缺哪些数据资产、还要建设和接入哪些数据资产后，通过资产地图来实现快速查找数据资产、哪些是核心、它被使用到哪里以及最终的业务价值。
构建资产评估模型，主要包含三个核心要素：一是使用度，衡量数据的实际使用频度；二是贡献度，评估数据资产的价值和贡献度 ;三是投资回报率ROI，数据使用消耗的成本是多少，最终带来的价值是多少？需要通过ROI来进行评估。对于使用度低且贡献度低的数据，进行数据消亡或者减少数据生命周期；对于使用度高且贡献度高的数据资产，沉淀为核心数据资产。
3.4 桥梁数据资产管理平台设计框架
数据资产管理平台可分为三大核心功能模块：数据获取、存储、管理模块：获取、存储和管理桥梁的关键多元数据，向后续模块提供有效的数据源。桥梁寿命评估与预测模块：重点实现以下功能：一是对数据进行统计、对比分析、趋势分析和相关性分析后，输出数据可视化结果，为管养决策提供科学依据和支持。二是桥梁结构性能演变分析与评价，根据设定的评价指标体系及评价标准，进行耐久性评估，实时显示桥梁的服役寿命。三是安全性评估，利用各类数据对桥梁基准数据进行修正，建立实时的基准数据库，对桥梁进行即时的安全性评估。四是灾害管理，针对桥梁运营期间可能发生的各种灾害事件，分析、评估其对桥梁结构状态的影响，研究制定相应的管理策略、应急预案，降低次生灾害，尽可能地减小突发事件带来的经济和社会损失。
桥梁养护维修管理模块：主要为养护维修管理提供决策辅助信息，重点实现以下功能：一是管养计划制定及桥梁快速修复，对桥梁评估数据、交通流数据、材料物流数据、人力资源数据、气象数据、维修方案数据等进行综合分析，生成养护维修实施计划，实现资源最省、效率最高、影响最小的桥梁维护加固方案。二是建立桥梁养护维修决策模型，通过数据积累，对投资回报率进行分析，结合桥梁结构长期性能演变规律与寿命预测，建立桥梁生命周期内的最佳养护维修策略。
4.结语
桥梁在设计、施工、运营过程中产生的大量的数据及信息，但桥梁的数据资产管理仍处在较初级的阶段，主要表现是信息未数据化、数据分散、数据未能发挥其应有的价值。本文根据桥梁的管养战略目标，分析了桥梁数据资产管理的需求，提出了桥梁管养数据资产管理总体架构，盘点了桥梁长期性能评价的数据资产，构建了桥梁管养大数据资产管理平台设计框架。
备注│
本文受江苏省333高层次人才项目基金资助。
作者简介│
陈策（1975 —），博士，研究员级高工，江苏省333高层次人才二层次培养对象，以第一作者身份在中文核心期刊发表文章50余篇，获省部级科技进步奖8项，获国家发明专利10余项，江苏高速公路工程养护技术有限公司副总经理，江苏省长大桥梁健康监测数据中心主任。