Система управления мостами (BMS) — это набор методологий и процедур для управления информацией о мостах. Такая система способна документировать и обрабатывать данные на протяжении всего жизненного цикла конструкции: проектирование, строительство, мониторинг, техническое обслуживание и завершение эксплуатации.
Аббревиатура BMS, впервые использованная в литературе в 1987 году, обычно используется в проектировании конструкций для обозначения одного или комбинации цифровых инструментов и программного обеспечения, которые поддерживают документацию каждой практики, связанной с отдельной конструкцией. Такая архитектура программного обеспечения должна удовлетворять потребности управляющих дорожными активами, заинтересованных в отслеживании состояния работоспособности мостов посредством рабочего процесса, в основном основанного на 4 компонентах: инвентаризация данных, управление затратами и строительством, структурный анализ и оценка, а также планирование технического обслуживания. Реализация BMS обычно строится на базе реляционных баз данных, географических информационных систем (ГИС) и платформы информационного моделирования зданий (BIM), также называемой информационное моделирование моста (BrIM), с использованием программного обеспечения для обработки фотограмметрии и лазерного сканирования. для управления данными, собранными в ходе целевых проверок. Результат всей процедуры, как указано также в некоторых национальных руководствах разных стран, обычно состоит из определения приоритетности вмешательств на мостах, отнесенных к разным уровням риска в соответствии с собранной и обработанной информацией.
С конца 1980-х годов структурная оценка состояния и мониторинг мостов стали важной темой в области управления гражданской инфраструктурой. В 1990-х годах Федеральное управление автомобильных дорог (FHWA) США продвигало и спонсировало PONTIS и BRIDGEIT, две компьютеризированные платформы для инвентаризации и мониторинга виадуков, получившие название BMS. В последующие годы, в том числе и за пределами США, растущая потребность в организованном и оцифрованном управлении дорожными активами побудила ответственные национальные агентства принять все более сложные решения, способные достичь их целей, такие как инвентаризация зданий и базы данных проверок, планирование технического обслуживания, ремонта. и реабилитационные мероприятия на систематической основе, оптимизируя распределение финансовых ресурсов и повышая безопасность пользователей моста. Более того, по состоянию на 2020-е годы возникновение некоторых значительных событий обрушения мостов и повышенная чувствительность к воздействию на окружающую среду операций по управлению крупными сооружениями побудили некоторые национальные органы власти, такие как Франция и Италия, разработать национальные руководящие принципы с подробными указаниями по разработке и внедрение многоуровневой BMS для оптимизации управления мостом.
Исследователи в области строительного проектирования выделили 4 основных компонента реализации функциональной BMS:
Данные и информацию, относящиеся к каждому этапу жизненного цикла мостов, необходимо собирать и архивировать с помощью гибкого подхода, позволяющего эффективно обновлять их и получать к ним доступ. В широко используемых BMS такая цель достигается за счет принятия решений для баз данных, которые позволяют документировать данные в различных форматах, таких как тексты, изображения, трехмерные модели и многое другое. Действительно, инвентаризация обычно включает в себя технические чертежи первоначального проекта, письменные отчеты о периодических проверках на месте, серии численных наблюдений за измерениями, записанными установленными датчиками, а также данные с географической привязкой о месте сооружения, а также трехмерную масштабированную модель, которая документирует фактическое состояние моста.
В то время как сбор исторической документации и проектирование сооружения представлены аналоговыми и цифровыми архивами, управляемыми управляющими дорожными активами, ввод геометрических данных предполагает применение топографических методов посредством специальных съемок на местах. В частности, проверки мостов для 3D-реконструкции цифрового двойника конструкции обычно состоят из исследовательских кампаний с использованием измерений глобальной навигационной спутниковой системы, наземной и беспилотной фотограмметрии и лазерного сканирования. Управление данными на этом этапе подразумевает использование географических информационных систем, BIM и программного обеспечения для автоматизированного проектирования, манипулирующих как 2D, так и 3D данными с географической привязкой. Полученные продукты включают облака точек и сетки, которые служат основой для построения процессов информационного моделирования. Обследования моста могут повторяться на разных этапах жизненного цикла конструкции, и их частота зависит от принятия решений и определения приоритетности работ по техническому обслуживанию, а также национальных руководящих принципов.
Помимо визуального геоматического контроля, обычно применяются другие методы неразрушающего контроля, позволяющие собирать данные, не ограничивающиеся точной геометрической реконструкцией конструкции, но и состоянием материала. В этом случае применение георадара для обнаружения износа арматуры настилов и инфракрасной термографии для выявления расслоения и разрушения компонентов моста хорошо задокументировано в научных исследованиях и считается дополнительным шагом к традиционным подходам к визуальному контролю.
Точная реализация виртуального цифрового двойника или модели BIM конструкции считается отправной точкой для управления бюджетом и оптимизации с момента ранних исследований BMS. Например, это дает возможность рассчитать общую стоимость материалов и специализированного оператора, необходимых на этапе строительства, заранее оценить затраты и, следовательно, принять более эффективные экономические стратегии. Кроме того, многовременное управление информацией, относящейся к конкретным частям моста, дает возможность определять эффективные графики для планирования доставки материалов, мониторинга и документирования хода проекта, улучшения графика строительства и координации рабочих и экспертов. В последних приложениях BMS устойчивость также играет решающую роль в определении процедур оптимизации затрат с использованием специальных подходов, таких как оценка жизненного цикла, расчет углеродного следа и энергопотребления на различных этапах жизненного цикла моста.
Визуальный осмотр часто приводит к хранению больших объемов данных в инвентаризации BMS, которые служат входными данными для процессов на основе изображений для обнаружения дефектов и повреждений. В то время как традиционный метод просто основан на оценке человека, методы компьютерного зрения, использующие преимущества искусственного интеллекта и машинного обучения, полуавтоматизируют извлечение значимой информации из фотографий, сделанных во время проверок. Например, недавнее применение семантической сегментации позволяет идентифицировать элементы, подверженные коррозии или другим явлениям деградации, что позволяет экспертам присвоить степень серьезности повреждения. Дополнительную информацию о состоянии конструкции дает численное моделирование усталостного поведения с использованием метода конечных элементов. Этот случай особенно ценен, когда доступны данные углубленных детальных проверок или нагрузочных испытаний, что обеспечивает богатый информационный запас также для компьютерного моделирования поведения и механики напряжений.
В более крупном территориальном масштабе аналогичный подход к классификации также применяется для оценки контекста всей дорожной сети, в которой находится отдельная анализируемая структура. Такой количественный анализ обычно связан с оценкой деформаций дорожного покрытия с помощью технологий InSAR или с расчетом и прогнозированием среднесуточного транспортного потока в средах ГИС.
Все результаты, полученные в результате анализа, моделирования и классификации уровней серьезности, служат исходными данными для определения приоритетности вмешательств, что является основной частью компонента планирования технического обслуживания в системе BMS.
Определение графика работы и более детальная проверка являются ключевой функцией в процессе принятия решений по BMS. На основе количественных и качественных данных, полученных в ходе плановых проверок и обработки информации на этапе структурного анализа, пользователям BMS необходимо определить приоритетные вмешательства с помощью специального плана технического обслуживания. Эта цель достигается за счет внедрения платформ и инструментов, которые позволяют заинтересованным сторонам изучать данные, результаты и наблюдения и связывать их с подробными информационными бюллетенями, сообщающими о состоянии здоровья каждого структурного элемента моста.
Приоритетность вмешательства в отношении отдельных элементов или всей конструкции определяется с помощью многокритериального подхода, учитывающего риск дефекта или разрушения. В частности, этот процесс обычно подразумевает вычисление индексов для количественной оценки опасностей, уязвимости и подверженности ценностям и на основе них выводит класс предупреждения. Классы предупреждений затем служат параметрами для определения приоритетности выделения средств и операторов для дальнейшего детального и более частого мониторинга структур, подвергающихся риску. В результате мосты, структурная целостность и работоспособность которых нарушены в большей степени, классифицируются как более высокие классы опасности и требуют целенаправленного вмешательства. Эта операция необходима для определения необходимости специальных проверок с участием опытных операторов и специальных испытаний (например, нагрузочных испытаний), а также необходимости установки каких-либо новых или дополнительных датчиков (например, экстензометра, акселерометра) для непрерывного мониторинга на конструкциях для целевого мониторинга.
Чтобы оценить и количественно оценить состояние мостов, расположенных на их национальной территории, многие страны сформулировали ряд общих указаний и рекомендаций по внедрению специализированных систем управления мостами.
В 2019 году Французский центр исследований рисков, окружающей среды, мобильности и городского планирования (CEREMA) в сотрудничестве с Французским институтом науки и технологий по транспорту, развитию и сетям выпустил национальные руководящие принципы, предлагающие многоуровневую методологию оценки и управления риском разрушения из-за размыва мостов с фундаментами в воде. Текущая версия французских руководящих принципов касается только размыва мостов и гидравлического риска. Предлагаемая методология работает на 4 уровнях:
Обеспечение безопасности и благополучия этой дорожной инфраструктуры стало неотложным вопросом в Италии, особенно после того, как в последнее десятилетие произошли обрушения мостов. В ответ на потребность в достоверной и актуальной информации о состоянии мостов в 2020 году Высший совет общественных работ Италии разработал Руководство по классификации и управлению рисками. Эти руководящие принципы устанавливают многоуровневый подход к документированию характеристик мостов, оценке их состояния посредством визуального осмотра и выявления повреждений, а также определению их классификации рисков на основе опасностей, подверженности и уязвимости, полученных на предыдущих этапах. В дальнейшем в зависимости от присвоенного класса определяется количество уровней исследования, необходимых для оценки безопасности сооружения. Затем управляющим дорожными активами предлагается создать и поддерживать систему управления, способную своевременно отслеживать вмешательства, документируя дефекты, оцененные на различных участках моста, а также условия окружающей среды на площадке (гидравлика, геология, сейсмология). В руководящих принципах определены шесть уровней:
Ниже приведены примеры часто используемого программного обеспечения для управления мостами: