每天都有成千上萬的駕駛員過哥斯達(dá)黎加的橋梁，人們從不擔(dān)心橋梁的安全問題。公眾對(duì)這些結(jié)構(gòu)的信心源于政府在監(jiān)控其安全性和可靠性方面的成功。但是，政府如何就如何分配有限的橋梁維護(hù)資源做出明智的決定，以確保公眾安全呢？

參與哥斯達(dá)黎加理工學(xué)院（TEC）電子橋梁項(xiàng)目的教授和學(xué)生已經(jīng)收集并分析了許多橋梁的數(shù)據(jù)，以建立橋梁評(píng)估系統(tǒng)。他們的目標(biāo)是使政府在進(jìn)行嚴(yán)格數(shù)據(jù)分析的支持下，更輕松快捷地制定橋梁維修決策。

對(duì)于一個(gè)關(guān)鍵的橋梁，使用Minitab統(tǒng)計(jì)軟件分析的數(shù)據(jù)幫助政府在緊急情況發(fā)生之前就認(rèn)識(shí)到需要維修。現(xiàn)在，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)正在通過監(jiān)視來自選定橋梁的數(shù)據(jù)，評(píng)估其可靠性并向政府提供其發(fā)現(xiàn)，來完善其評(píng)估系統(tǒng)。

挑戰(zhàn)

這座橫跨哥斯達(dá)黎加卡塔戈的普瑞斯河的橋梁每天承受11,318輛汽車的重量。鑒于在全國范圍內(nèi)每年用于橋梁維護(hù)的資源有限，政府需要確定該橋梁是否需要立即關(guān)注，或者是否可以繼續(xù)依賴它數(shù)年。

eBridge項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)成員將傳感器放置在橋下，以測量車輛通過時(shí)在鋼混結(jié)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)。他們收集了90,000多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，需要進(jìn)行分析以預(yù)測橋梁的可靠性并確定結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力點(diǎn)。

該任務(wù)涉及多個(gè)步驟和許多統(tǒng)計(jì)方法。他們需要根據(jù)他們的數(shù)據(jù)建立橋梁性能的數(shù)學(xué)模型，然后創(chuàng)建和分析模擬數(shù)據(jù)以預(yù)測橋梁在未來在不同情況下的性能。

Minitab如何提供幫助

該團(tuán)隊(duì)使用Minitab對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列分析，從而揭示了橋梁的鋼材和混凝土在長時(shí)間承受交通壓力方面的承受能力。“通過Minitab，我們能夠輕松找到異常點(diǎn)并確定應(yīng)力點(diǎn)，” eBridge項(xiàng)目的研究員Federico Picado說。

為了建立橋梁評(píng)估方法，團(tuán)隊(duì)成員在Minitab中進(jìn)行了時(shí)間序列分析，以識(shí)別隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)模式。在上圖中，我們可以看到橋梁的變形或運(yùn)動(dòng)發(fā)生在什么時(shí)間。

該團(tuán)隊(duì)還使用了蒙特卡洛模擬來簡化對(duì)橋梁的分析。這種方法使用已知參數(shù)和描述變量之間關(guān)系的方程式創(chuàng)建大量模擬數(shù)據(jù)，從而使研究人員可以在收集相似數(shù)量的實(shí)際數(shù)據(jù)成本高昂或不可能的情況下預(yù)測結(jié)果。

eBridge團(tuán)隊(duì)使用他們收集的傳感器數(shù)據(jù)以及有關(guān)橋梁的機(jī)械和結(jié)構(gòu)特性的已知信息，使用Minitab模擬了負(fù)載和阻力數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)模擬了從中收集傳感器數(shù)據(jù)的交通壓力。從這里開始，他們進(jìn)行了可靠性分析，以預(yù)測橋梁的可靠性并確定發(fā)生故障的可能性。準(zhǔn)確的可靠性分析取決于為您的數(shù)據(jù)選擇正確的統(tǒng)計(jì)分布，Minitab可以輕松確認(rèn)團(tuán)隊(duì)的數(shù)據(jù)是否遵循正態(tài)分布。

上面的概率圖顯示了在第一次數(shù)據(jù)模擬中使用的數(shù)據(jù)。

該團(tuán)隊(duì)使用其初始可靠性分析的結(jié)果為第二個(gè)橋流量場景生成了正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了另一次可靠性分析。然后，他們比較了兩種情況的結(jié)果，查看模擬的負(fù)載和阻力應(yīng)力源是否超出了橋梁安全處理這些應(yīng)力源的能力。

直方圖評(píng)估數(shù)據(jù)的形狀，可以與分析結(jié)合使用，以幫助確認(rèn)假設(shè)。上面顯示了兩種情況下的負(fù)載和電阻值。

如果橋梁的容量大于預(yù)定的壓力源，那么可靠性指標(biāo)將足夠高，可以認(rèn)為橋梁是安全的。如果可靠性指標(biāo)較低，則可以使用國際安全法規(guī)立即確定橋梁的使用和維護(hù)。

結(jié)果

團(tuán)隊(duì)的分析表明，在Purires上的橋梁的可靠性指標(biāo)很低-鋼和混凝土的承載能力不足以始終如一地承受預(yù)計(jì)的交通量，因此橋梁有遭受破壞的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)國際法規(guī)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，橋梁不滿足安全要求。哥斯達(dá)黎加政府在確定橋梁維修計(jì)劃時(shí)參考了這些發(fā)現(xiàn)。

Picado說：“我們?cè)?strong>Minitab中進(jìn)行的分析幫助我們得出結(jié)論，認(rèn)為過橋的卡車引起了很大的變形。” 實(shí)際上，分析后兩個(gè)月，橋梁的一根鋼梁坍塌了。幸好沒有人受傷。我們很高興得知我們的預(yù)測是準(zhǔn)確的，并且一旦我們意識(shí)到這座橋遇到了麻煩，政府可以進(jìn)行干預(yù)。”

隨著對(duì)Purires河上橋梁的維修工作的繼續(xù)，eBridge項(xiàng)目將其方法學(xué)應(yīng)用于哥斯達(dá)黎加的其他橋梁，并使用蒙特卡洛模擬和可靠性分析完善其橋梁評(píng)估過程。預(yù)測潛在的故障可確保哥斯達(dá)黎加公民的安全，并通過在發(fā)生安全隱患之前進(jìn)行預(yù)測來降低維修成本。

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