基于數(shù)據(jù)可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)橋梁綜合數(shù)據(jù)分析

鄭 晨（山東高速工程檢測(cè)有限公司，山東 濟(jì)南 250002）

引言

目前，對(duì)于已建高速公路橋梁，圖紙資料，竣工資料等紙質(zhì)資料繁多，運(yùn)營(yíng)維護(hù)期檢測(cè)、加固等工作如果想利用這些資料，就需要人工翻閱查找，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。且目前檢測(cè)成果，加固維修圖紙成果等還是以紙質(zhì)版為主要媒介提交給管理單位，管理單位再根據(jù)紙質(zhì)成果制定運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)計(jì)劃和后續(xù)工作。高速公路工程為百年工程，其運(yùn)營(yíng)維護(hù)期長(zhǎng)達(dá)80年以上，作為管理單位，歷年的檢測(cè)、加固數(shù)據(jù)累加后難以有效利用。需要用數(shù)據(jù)時(shí)，人工查閱紙質(zhì)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)資產(chǎn)難以發(fā)揮真正價(jià)值。

部分已有的運(yùn)營(yíng)維護(hù)期橋梁數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，大多基于B/S結(jié)構(gòu)建立（即Browser/Server（瀏覽器/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)），數(shù)據(jù)以表格方式錄入，以文字描述為主要手段（例如：橋梁病害位置描述，距上下左右多少m），過于抽象，非專業(yè)用戶難以理解，難以滿足可視化，精細(xì)化的需求。

各個(gè)板塊的信息數(shù)據(jù)（如檢測(cè)，加固，安全防護(hù)等等）以紙質(zhì)媒介存貯于運(yùn)營(yíng)單位的檔案室中，或是通過電子表格的方式存在于B/S架構(gòu)的數(shù)據(jù)庫中，難以得到充分利用，形成了死數(shù)據(jù)。

1 可視化數(shù)據(jù)分析

1.1 數(shù)據(jù)可視化

數(shù)據(jù)可視化是關(guān)于數(shù)據(jù)視覺表現(xiàn)形式的科學(xué)技術(shù)研究。數(shù)據(jù)視覺表現(xiàn)形式定義：一種以某種概要形式抽提出來的信息，包括相應(yīng)信息單位的各種屬性和變量[1]。具體是指將大型數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)以圖形圖像形式表示，并利用數(shù)據(jù)分析和開發(fā)工具發(fā)現(xiàn)其中未知信息的處理過程。

數(shù)據(jù)可視化主要旨在借助于圖形化手段，清晰有效地傳達(dá)與溝通信息。但是，這并不意味著數(shù)據(jù)可視化就一定因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)其功能用途而令人感到枯燥乏味，或者是為了看上去絢麗多彩而顯得極端復(fù)雜。為了有效地傳達(dá)思想概念，美學(xué)形式與功能需要齊頭并進(jìn)，通過直觀地傳達(dá)關(guān)鍵的方面與特征，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于相當(dāng)稀疏而又復(fù)雜的數(shù)據(jù)集的深入洞察[2]。

數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的基本思想是將數(shù)據(jù)庫中每一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)作為單個(gè)圖元元素表示，大量的數(shù)據(jù)集構(gòu)成數(shù)據(jù)圖像，同時(shí)將數(shù)據(jù)的各個(gè)屬性值以多維數(shù)據(jù)的形式表示，可以從不同的維度觀察數(shù)據(jù)，從而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入的觀察和分析[3]。

利用數(shù)據(jù)可視化，將原本繁瑣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成動(dòng)態(tài)圖表的形式，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，有助于深入挖掘數(shù)據(jù)間的潛在聯(lián)系，為分析橋梁病害成因，制定可行的維修加固方案提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.2 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化分析方法

目前較為實(shí)用的數(shù)據(jù)可視化分析工具是Microsoft公司的Power BI，該工具可以使上百個(gè)數(shù)據(jù)可視化效果，同時(shí)具有內(nèi)置 AI 功能，緊密與Excel集成以及預(yù)見和自定義數(shù)據(jù)連接器，可以幫助使用者找到并分享數(shù)據(jù)中有用見解，幫助使用者發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)間潛在聯(lián)系，分析數(shù)據(jù)間產(chǎn)生聯(lián)系的原因，從而做出更加準(zhǔn)確判斷和科學(xué)決策。

相較于python，Power BI不需要通過程序編程來實(shí)現(xiàn)，大大降低了使用門檻，且可與常用的Excel數(shù)據(jù)表進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源。

1.3 數(shù)據(jù)可視化分析

數(shù)據(jù)可視化與信息圖形、信息可視化、科學(xué)可視化以及統(tǒng)計(jì)圖形密切相關(guān)。當(dāng)前，在研究、教學(xué)和開發(fā)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)可視化乃是一個(gè)極為活躍而又關(guān)鍵的方面。數(shù)據(jù)可視化這條術(shù)語實(shí)現(xiàn)了成熟的科學(xué)可視化領(lǐng)域與較年輕信息可視化領(lǐng)域的統(tǒng)一。

數(shù)據(jù)分析的主要目的是將以前積累的死數(shù)據(jù)，變成信息活化的數(shù)據(jù)資產(chǎn)（Assets），利用高速公路橋梁大數(shù)據(jù)為管理單位做出迅捷、高質(zhì)、高效分析結(jié)果，提供可執(zhí)行的解決方案。借助動(dòng)態(tài)可視化分析方式，深入挖掘數(shù)據(jù)資產(chǎn)的潛在價(jià)值，為制定合理的高速公路養(yǎng)護(hù)計(jì)劃提供有效數(shù)據(jù)支撐，為制定科學(xué)養(yǎng)護(hù)決策提供分析輔助。

利用高速公路橋梁大數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，基于相同數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)下，由其他影響因素所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)差異，對(duì)比分析的目的在于找出差異后，進(jìn)一步挖掘差異背后原因，從而找到優(yōu)化方法。

2 橋梁綜合數(shù)據(jù)可視化分析

以某高速公路路段36座橋梁養(yǎng)護(hù)成本分析為例，先由檢測(cè)單位提供檢測(cè)數(shù)據(jù)，養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)單位根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)橋梁技術(shù)狀況評(píng)定為2類、3類的橋梁，分別制定3種不同的維修方案，安全管理單位根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，按維修時(shí)段、日期制定3種安全保通方案，方案成本見圖1。

在傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)成本制定過程中，主要依賴養(yǎng)護(hù)工程師的經(jīng)驗(yàn)判斷，及養(yǎng)護(hù)經(jīng)費(fèi)具體情況制定計(jì)劃，受人為因素影響較多，難以滿足精細(xì)化養(yǎng)護(hù)要求。簡(jiǎn)單的Excel表格圖表只能靜態(tài)表達(dá)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，難以滿足動(dòng)態(tài)分析的要求。

圖1 通過Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比（元）

通過Power Query對(duì)Excel表格數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)清洗，使其能夠?qū)隤ower BI進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。從綜合成本角度考慮制定養(yǎng)護(hù)計(jì)劃，可以利用篩選器對(duì)每座橋的維修成本和安全保通成本進(jìn)行有效動(dòng)態(tài)比對(duì)分析，從養(yǎng)護(hù)成本和安全保通成本中找出最有利的成本組合，輔助養(yǎng)護(hù)工程師制定最佳養(yǎng)護(hù)成本計(jì)劃。Power BI動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析見圖2。

圖2 通過Power BI進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化分析

案例只從成本對(duì)比分析的角度說明數(shù)據(jù)可視化分析的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際工作中，還需要考慮時(shí)間、天氣、溫度、機(jī)械設(shè)備等各種情況，所需數(shù)據(jù)需多部門，多單位配合，共同努力收集匯總成果。管理部門在數(shù)據(jù)開始階段要明確數(shù)據(jù)來源，明確數(shù)據(jù)提供單位的責(zé)任，制定數(shù)據(jù)采集計(jì)劃，長(zhǎng)期不斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總和整理，重視數(shù)據(jù)資產(chǎn)的重要性。

數(shù)據(jù)可視化的過程中，需要結(jié)合檢測(cè)、運(yùn)營(yíng)、設(shè)計(jì)、養(yǎng)護(hù)施工等各個(gè)業(yè)務(wù)板塊的數(shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)間交流，將各個(gè)板塊有機(jī)結(jié)合起來，協(xié)同工作，提供運(yùn)營(yíng)維護(hù)期養(yǎng)護(hù)效率。

例如：經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)橋梁梁體某處梁板存在滲水泛白病害，結(jié)合歷年發(fā)展變化信息，設(shè)計(jì)單位第一時(shí)間通過數(shù)據(jù)協(xié)同獲取信息，根據(jù)病害位置判斷其對(duì)梁體內(nèi)部該位置鋼筋可能產(chǎn)生的影響。再調(diào)用歷年該區(qū)域天氣降雨量，溫度變化信息數(shù)據(jù)，以及年交通量數(shù)據(jù)變化，找出病害發(fā)展規(guī)律，大致判斷未來該病害發(fā)展的可能性范圍，制定針對(duì)性的加固維修措施。運(yùn)營(yíng)管理部門根據(jù)檢測(cè)、設(shè)計(jì)成果進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化分析，根據(jù)分析結(jié)果制定科學(xué)的養(yǎng)護(hù)決策，選擇相對(duì)最有利季節(jié)和時(shí)機(jī)投入養(yǎng)護(hù)資源，開展維修工程。養(yǎng)護(hù)單位根據(jù)綜合信息制定加固設(shè)計(jì)方案、開展維修工程工作，并將維修結(jié)果反饋給檢測(cè)、設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)管理部門，整個(gè)橋梁養(yǎng)護(hù)流程形成閉環(huán)，提高了工作效率，有利于橋梁持續(xù)性養(yǎng)護(hù)。

通過數(shù)據(jù)協(xié)同、可視化分析，使高速公路橋梁養(yǎng)護(hù)工作形成有效協(xié)同機(jī)制，將檢測(cè)、運(yùn)營(yíng)、設(shè)計(jì)、養(yǎng)護(hù)施工等運(yùn)營(yíng)維護(hù)期業(yè)務(wù)板塊有效地結(jié)合起來，能夠提高養(yǎng)護(hù)效率，便于養(yǎng)護(hù)工作的精細(xì)化管理。

3 與BIM結(jié)合

BIM作為建筑物信息化綜合數(shù)據(jù)庫，具有全面完整的、與實(shí)際情況一致的建筑工程信息。但BIM建立不是一朝一夕能夠完成的，大量的原始數(shù)據(jù)整理、建模工作，使得高速公路BIM的進(jìn)展較為緩慢。目前BIM技術(shù)主要應(yīng)用還停留在設(shè)計(jì)期、施工期，運(yùn)營(yíng)維護(hù)期還沒有較為成熟的成果。

在數(shù)據(jù)可視化分析過程中，將高速公路橋梁設(shè)計(jì)信息、檢測(cè)信息、養(yǎng)護(hù)信息結(jié)構(gòu)化，滿足數(shù)據(jù)可視化分析應(yīng)用的同時(shí)，也建立起了較為全面的橋梁養(yǎng)護(hù)運(yùn)營(yíng)維護(hù)期數(shù)據(jù)信息。這些信息添加到高速公路運(yùn)營(yíng)維護(hù)期BIM中，是對(duì)運(yùn)營(yíng)維護(hù)期BIM數(shù)據(jù)的有效完善。

4 結(jié)語

高速公路橋梁是百年工程，需要精細(xì)化管理和科學(xué)養(yǎng)護(hù)決策為橋梁安全運(yùn)營(yíng)保駕護(hù)航。利用橋梁大數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析，深入挖掘數(shù)據(jù)間潛在聯(lián)系，做出針對(duì)性策略，將傳統(tǒng)主要依靠養(yǎng)護(hù)工程師經(jīng)驗(yàn)的粗獷管理模式，變成以大數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)，輔助養(yǎng)護(hù)工程師制定科學(xué)養(yǎng)護(hù)決策的模式，對(duì)于高速公路橋梁養(yǎng)護(hù)工作具有重要意義。