1、第 卷第 期 年 月土木工程与管理学报 .:./.收稿日期:修回日期:作者简介:安镜如()女辽宁沈阳人博士讲师研究方向为建筑工程管理、基础设施智慧运维管理(:.)通讯作者:潘盛山()男辽宁大连人博士教授研究方向为桥梁智能建造、安全监测与智慧运维、桥梁预制装配化建设(:.)基金项目:国家自然科学基金()辽宁省中央引导地方科技发展资金(/)辽宁省教育厅基本科研项目()基于 和 的路桥隧运维管理可视化分析安镜如 潘盛山 王峥峥 温 全 闫 东(.大连理工大学 土木工程学院 辽宁 大连 .沈阳城市建设学院 管理学院辽宁 沈阳 .科学技术部火炬高技术产业开发中心 北京)摘 要:为了探究路桥隧运维管理研究
2、的知识基础、研究热点、前沿趋势及学科间知识流动以 年 及 数据库中路桥隧运维管理研究的 篇文献为研究对象借助 和 软件对该领域成果进行可视化分析 研究表明:()路桥隧运维管理研究进入快速发展阶段结构、算法和可靠性是该领域的研究热点()利用人工智能算法和智能技术辅助路桥隧运维管理逐步成为未来发展趋势技术、框架和设计是三个主要的前沿研究方向()路桥隧结构运维管理、运维管理算法和技术、运维管理应用产物是重要研究主题()路桥隧运维管理研究领域主要与数学、计算机科学交叉融合比较紧密为该领域未来发展提供了新的研究范本关键词:运维管理 文献计量分析中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:().()
3、.()第 期安镜如等:基于 和 的路桥隧运维管理可视化分析 .().:随着路桥隧建设数量和使用年限不断增长路桥隧逐渐从快速建设阶段向运维管理阶段加速过渡而运维管理又是一项任务复杂、系统性较强的工作 为保证路桥隧工程运维安全、可靠和高效进行充分融合工业化、数字化、智能化技术建立新一代基础设施智能运维管理体系的需求与日俱增 在中国随着“交通强国”、“数字中国”、“新基建”战略下全力“推进交通基础设施智能运维与智能装备研发”倡议的深入推进人工智能、云计算、物联网、大数据等新一代科技正在加速驱动基础设施运维管理的转型升级运维管理从 世纪 年代开始被关注关注的重点为解决运维成本高的实际问题 世纪 年代美
4、国和英国学者对该领域的研究开始多元化相关研究主要从以下几个方面展开初期开发实用的桥梁管理和维护()系统该系统以最低成本定期监测桥梁结构老化或者构件损伤性监测 中期提出桥梁全过程成本分析方法包括功能成本和与使用寿命相关的收益并以此作为桥梁管理系统的决策标准 同时提出公路维护综合项目级评估该评估体系有助于调整和验证运维管理决策 后期将运维决策系统与运维决策优化、运维管理政策制定相结合由此可见路桥隧等基础设施运维管理领域一直是国内外多学科研究的热点各国研究都致力于完成减少运维成本、提高运维效果的目标 因此对路桥隧运维管理领域的文献进行系统梳理对于更好地把握该领域研究的发展脉络及前沿动态具有重要意义
5、数据收集与研究方法.数据收集本文相关文献来自科学核心文献网络()、综合文摘()以及综合学科期刊全文()检索 主 题 为“”“”“”数据来源为 检索时间范围为 年文献类型为“文献”或者“综述文献”按照上述搜索思路 及 数据库共计检索到 篇 在此基础上通过论文标题、关键词、摘要等信息对检索结果进行了人工筛选聚焦于“与路桥隧运维管理”相关的文献剔除无效文献及三大数据库重复文献 同时为保证纳入文献的准确性以上过程均由 名相关专业的研究人员同时筛选和校正如有异议聘请第三方软件开发者陈超美教授团队进行验证 最终选取 篇文献进行分析.研究方法采集原始文献数据后借助 .(.)和 两款文献计量可视化分析软件采取
6、定性分析和定量分析结合的方法 按照如下内容设置 和 参数.中时间跨度为 年时间切片为 年连接强度为 算法筛选准则 比例因子 为 .其他参数按照默认值设置 为了避免可视化结果混乱 功能设置为寻径、剪枝切片和剪枝合并网络算法 中作者发文量最小共现阈值为 作者布局设置中 为 均为采用关联强度算法对作者进行网络图分析 样本数据知识基础分析.文献发展趋势在 年期间路桥隧运维管理领域在 数据库中发文量是逐年上升的年发文量及趋势如图 所示 年为发展初期该领域受到的关注度较低发文量较少 年为缓慢发展阶段该阶段相关文献的发表量逐步增加基础理论得到了不断发展与夯实 年进入快速发展阶段路桥隧运维管理内容的研究受到了
7、越来越多的关注 同时本文利用三次回归来预测路桥隧运维管理领域的发展趋势其中 为.表明.的出版物变 土木工程与管理学报 年化情况均可用该回归预测 由此可知该领域的研究越来越得到重视属于未来研究热点180160140120100806040200?/?19921994199619982000200220042006200820102012201420162018202020222024202612636 29101291829223225302123383749595148556378719511296?yxxxR=0.00424.017+47989310=0.9433272-图 路桥隧运维管理年
8、发文量及趋势图 研究者合作网络图谱.研究者及国家/地区网络分析纳入 可视化软件共有 位学者各位学者相互合作形成一种趋势在一定程度上促进了该领域的发展 如图 所示其中发文量排名前五位的研究者分别是美国里海大学的.(篇)美国麻省理工学院(篇)加拿大康考迪亚大学(篇)美国波特兰州立大学 .(篇)美国加州大学伯克利分校(篇)韩国圆光大学 (篇)美国科罗拉多大学.(篇)葡萄牙里斯本技术大学 (篇)从发表总量来看 年有 个主要研究国家/地区参与了路桥隧运维管理方面的研究有 个国家/地区达到了阈值 美国发文量占全球总量的.凭借绝对的合作影响力成为该领域主要研究国家相较于其他国家/地区有更强的科研实力 中国、
9、英国和加拿大也排在前列发文量分别占.该领域全球发文量如图 所示 值得注意的是中国台湾地区发文量较低但均篇被引频次达到 排名第一位说明USAChinaSouth Korea CanadaPortugalJapanBraziIrelaodNetherlandsSpainPolandUArabEmiratesGreeceEgyptTaiwan,ChinaFranceItalyPakistanNew ZealandTurkeyAustriaFinlandAustraliaIranSwitzerlandSwedenDenmarkSouthAfricaGermanyIndiaScotlandThaland
10、SingaporeVOSviewer2012201420162018图 国家/地区合作网络图谱该地区研究学者比较关注论文质量对路桥隧运维管理领域的发展具有深远影响 研究热点、前沿趋势及学科知识流动分析.研究热点及前沿趋势分析.关键词共现分析本文运用 使节点以年轮样式展现并对关键词(中介中心性.)进行综合分析从而判断出该领域的研 究 热 点 除 去“”后得到中介中心性较高的关键词如图 所示“”关键词中介中心性高达.“”“”中介中心性分别为.和.表明该领域研究热点主要集中在结构和构件维护与修复、先进技术和算法应用以及可靠性分析内容上designstrategyCOSTnewtworklife cy
11、cledentificationmanagement systemrisksustainablity图 路桥隧运维管理研究热点关键词本文选择突现强度值 的 个关键词作为前沿关键词出现的时间区域在 年突现关键词可视化图谱如图 所示“”突现强度值.研究集中在 年各国学者将研究视角移步到运维成本或在寿命周期成本约束下考虑路桥隧运营与维护形成最优框架体系“”突现强度值为.研究集中在 年随着路桥隧巡检、检验技术的不断提升这期间研究成果集中在结构构件健康检测与可持续发展管理上“第 期安镜如等:基于 和 的路桥隧运维管理可视化分析”突现强度值为.研究集中在 年相关学者进行寿命周期评估并引入寿命周期弹性理论提
12、出多目标可持续运维管理策略“”“”“”和“”个突现关键词分别从 和 年延续至今 利 用 建 筑 信 息 模 型()等先进技术进行运维管理设计通用技术框架可视化管理工作流程KeywordsStrengthBeginEndoptimizationcostbridge structuresustainabilityframeworktechnologydesignrisk4.933.083.943.523.763.293.833.572006201020172018201920192020202020112012201820192022202220222020Top 8 Keywords with
13、the Strongest Citation Bursts19922022图 路桥隧运维管理关键词突现分析通过对关键词进行对数似然算法聚类分析并以 算子取值最高的特征值为聚类名称得到图 关键词聚类网络图 在路桥隧结构运维方面 结构健康检测被引频次较高的文献主要观点如下:等对应用深度学习进行基础设施健康检测进行深度分析 等提出利用扩展数据驱动方法进行运维决策 等分析移动传感器网络(智能手机)在结构健康监测的应用 等提出帕累托改进方法优化交通资产分配并对成本与绩效之间权衡问题进行分析 条件评估该聚类关注结构及构件服务寿命、结构构件退化等问题 和 等均提出基础设施可持续性和恢复力是至关重要的概念 在
14、此基础上对基础设施系统的可持续性、恢复力以及量化的难度进行评估探索两者复杂性和统一性问题 安全性方面:等提出减轻桥梁风险策略并得到桥梁重要性因素与风险之间的关系呈幂指数规律等提出一种针对退化结构生命周期预防和必要维护问题的多准则优化方法 等提出多目标仿真优化框架该框架采用多目标粒子群优化()算法并依托帕累托前沿信息为计划者提供决策依据针对财政限制的多准则决策问题提出便于桥梁工作人员操作的神经网络模型该模型的准确性已经得到验证在运维管理算法和技术方面 算法、数据包络分析和 信息抽取是在建筑信息化技术和先进算法趋于完善时期各国学者关注的热点内图 路桥隧运维管理关键词聚类网络容 提出利用马可夫模型对
15、桥面系统进行性能预测 等对在基础设施管理领域中多目标决策方法的应用进行深入分析 等提出建筑信息模型和地理信息系统()的集成系统用以提高现有维护管理性能 等提出基于混合贝叶斯优化的马尔可夫模型来预测桥面板未来状况 等提出基于数字孪生和多重时间序列叠加的路面性能预测方法通过验证可知该方法在公路隧道路面性能预测上具有较好的效果 等提出在柔性路面劣化中半马尔夫模型优于马尔可夫模型性能 等提出将性能退化和维护有效性集成的新方法在运维管理应用产物方面应用产物主要包括运维管理系统和桥梁优化设计 集群包括桥梁设计、用户成本和全寿命周期成本等关键词该类集群研究内容与 年路桥隧运维管理领域的研究热点相一致集中在基
16、于成本的运维决策 等提出利用部分可视化马尔可夫决策模型对风险监测、运维和全寿命周期成本管理 运维管理系统方面:等对建筑信息模型和设备管理()系统之间的信息交换和交互操作性的现状进行了综述分析提出利用标准化实用程序整合异源数据信息的需求克服两者在信息交换中不兼容的现实问题.文献共被引可视化分析 中时间线可视化描述了沿水平时间线的集群如图 所示 每个集群从左到右显示视图顶部显示了发布时间的图例聚类按照其大小降序垂直排布最大的集群显示在视图的顶部 彩色曲线表示相应颜色年份中添加的共引文献的链接每个节点代表文献被引次数每个节点和各个聚类色调的变化表明该领域被引文献在 年的时间变化 带有红色圆环的年轮
17、土木工程与管理学报 年#0 structural health monitoring#1 life-cycle management#2 rc bridge#3 multiple agency budget constraint#4 bridge life-cycle performance#5 novel approach#6 pavement operation#7 general infrastructure asset management system#8 rehabilitation plan#9 empirical assessment图 路桥隧运维管理文献共被引时间线Life-
18、cycle performance,manag-ement,and optimisation of stru-ctural systems under uncertaintr:accomplishments and challenges(Frangopol,Dan M.2011)Resilience and Sustainability ofCivil Infrastructure:Toward aUnified Approach(Bocchini,Paolo;Frangopol,Dan M.:Ummenhofer,Thomas;Zinke,Tim 2014)Risk-informed con
19、ditionassessment of civil infra-structure:saate of practiceand research issues(Elling-wood,Bruce R.2005)Maintenance and management ofcivil infrastructure based on cond-ition,safety,optimization,and life-cycle cost(Frangopol,Dan M.;Lin,Min 2007)Wireless Sensor Networks forCondition Monitoring in theR
20、ailway Industry:ASurvey(Hodge,Victoria J.;OKeefe,Simon;Weeks,Michael;Moulds,Anthony 2015Areview of multi-criteriadecision-marking methods forinfrastructure management(Kabir,Golam;Sadiq,Rehan;Tesfamariam,Solomon 2014)Life-cycle reliability-basedmaintenance cost optimiza-tion of deter(M,2003)Areview o
21、fsystem dynamicsmodels applied intransportation(Shepherd,S.P.2014)Maintenance optimization ofinfrastructure networks usinggenetic algorithms(Morcous,G;Lounis,Z 2005)Life Cycle Modeling of Conc-rete Bridge Design:Compari-son of Engineered Cementiti-ons Composite Link Slabsand Conventional Steel Expa-
22、nsion Joints(Keoleian,Greg-oryA,2005)Bridge life-cycleperformance andcost:analysis,pre-diction,optimisa-tion and decision-making(Frangopol,Dan M.;Dong,You;Sabatino,Samantha2017)Bridge management system and main-tenance optimization for existing brid-ges(Miyamoto,A2000)Reliability-based assessment of
23、 ageingbridges using risk ranking and lifecycle cost decision analyses(Stewart,MG2001)Performance Prediction of bridge decksystems using Markov chains(Morcous,G 2006)Optimal bridge maintenance planningbased on probabilistic performanceprediction(Lin,M 2004)Multiobjective maintenance planningoptimiza
24、tion for deteriorating bridgesconsidering condition,safety,and life-cycle cost(Liu,M2005)图 路桥隧运维管理高影响力文献节点受到特别关注因为他们被高频次引用 在每个时间轴下方显示特定年份中引用次数最多的一个参考文献根据图 可知 聚类节点体积最大个数最多平均被引年限为 年包含 篇文献该聚类中将基础设施健康监测获取的信息集成到桥梁管理运维框架中考虑决策过程的不确定性提出最佳运维管理策略 聚类节点颜色鲜艳该聚类共包含 篇文献通过分析可知桥梁运维管理离不开寿命周期管理目标运用桥梁质量评估方法建立多目标优化管理机制
25、聚类节点包含 篇文献该聚类表明钢筋混凝桥梁是基础设施运维管理重点关注的对象从构件损坏信息中得到有意义的运维结论是必要的可以借助 相机、建筑信息化模型等手段 聚类包含 篇文献该聚类表明对基础设施制定维护、修复和重建计划时考虑多目标预算约束以期减少公路使用者和路面管理机构的总成本 聚类包含 篇文献该聚类把研究重点放在桥梁全寿命周期性能优化上利用贝叶斯视觉检测方法通过对构件疲劳敏感性分析制定合理的基础设施运维管理框架 一篇文献的学术质量不能仅仅通过被引用的数量来评估然而大量的引用可以证实它在科学领域的价值因此本文通过查找路桥隧运维管理领域的高被引文献以探明其对该领域发展的重要贡献如图 所示 图中颜色
26、较浅版块为近期文献 被引量最高的文献来自于他强调了在不确定情况下基础设施结构生命周期性能评估、维护、监测和优化管理是机遇与挑战并存的 被引量第二高的文献来自于他们在考虑安全、寿命周期成本等多目标约束下形成最优桥隧运维框架管理体 第 期安镜如等:基于 和 的路桥隧运维管理可视化分析系 此外对该领域有较大贡献还有 等他通过调研无线传感网络技术在铁路行业中的监测应用分析传感器安装位置识别传感器结构以及网络关系以此更好地解决实际工程问题.学科间知识流动分析双图叠加功能是将一幅 可视化图谱加到另一幅图谱之上前者称为叠加图后者称为底图 双图叠加本质就是施引区域与被引区域之间的联系同时可以反映出学科之间的流
27、动关系 在本文通过双图叠加可以明确路桥隧运维管理领域的研究成果主要分布在哪些期刊以及该类成果被哪些期刊引用从而揭示出 数据库在该领域学科间知识流动的趋势如图 所示图中左侧区域表明学科分布集群右侧是主要的被引用期刊集群 这些轨迹的粗细与引用 值成正比 结合表 路桥隧运维管理学科领域知识流动可知该领域的主要研究成果集中在数学、系统这一大类期刊类群引用主要集中在数学、力学系统、计算、计算机经济、政治这三大类群 此外由表 可知被引域中被引总值最高的是数学、力学这个集群 值达到.表明该领域注重运用数学原理和力学知识解决基础设施运维实践问题同时采用人工智能等科学算法将更助于优化运维管理体系 此外对于基础设
28、施运维管理领域的研究也离不开对经济、政策等宏观政策把控图 路桥隧运维管理学科领域知识流动表 路桥隧运维管理学科领域知识流动施引域被引域 值.结论与展望本文以 为核心集中路桥隧运维管理研究相关文献作为数据源充分利用 和 的文献计量软件优势对 年路桥隧运维管理领域相关研究结果进行可视化视图分析研究结果总结如图 所示总体来说路桥隧运维管理研究可以分为以下三个阶段:初始阶段()、缓慢发展阶段()、快 速 发 展 阶 段()美国是路桥隧运维管理研究领域的主要国家中国学者的研究成果对该领域发展起到至关重要的作用 同时路桥隧运维管理领域的研究热点和演进路径也大致分为 个阶段 第一个阶段为传统健康监测与运营养
29、护第二阶段为全寿命周期、可持续运维管理第三阶段为人工智能技术辅助巡检养护智能优化运维管理框架开启数字化运维管理新篇章 此外该研究领域与数学、计算机科学交叉融合比较紧密 由此得出当建筑信息化技术和先进算法趋于完善时路桥隧运维管理由传统的人工巡检方法为主转变为以大数据信息化管理为主搭建全寿命周期可持续化运维管理框架基于上述分析可知通过对 及 数据库中路桥隧运维管理领域多角度的可视化分析明确了该领域的研究热点和未来新兴发展趋势为我国在该领域中的研究提供 土木工程与管理学报 年?Dan M.FrangopolSamuel LabiTarek ZayedDavid Y.YangSamer Madanat
30、?/?USAChinaEnglandCanadaSouth KoreaLehigh UniversityUniversity of Coloradotongji UniversityUniv texas AustinTexasA&M Universitybridge structure,algorithm,reliability,decisionmarking,inspection,life cycle,network,cost,management system,model,strategy,identification,prediction,design,uncertainty?#0 st
31、ructural health monitoring#1 life-cycle management#2 rc bridge#3 multiple agency budget constraint#4 bridge life-cycle performance?,?、?、?，?，?，?图 研究结果分析总结借鉴有利于促进我国路桥隧运维管理领域的创新和发展参考文献 .:():.(/):.:():.():.():.():.():.:.:.():.():.:.():.():.第 期安镜如等:基于 和 的路桥隧运维管理可视化分析 .():.():.:.():./:.:.():.():.():.:.():.():.:.():.:.():.():.():.:.:.:.():.:.():.
