Systémy pro správu mostů některých evropských železnic

ilustrační foto

Systémy pro správu mostních a dalších objektů se neustále vyvíjejí. Jejich vývoj je stále více výsledkem spolupráce různých odborníků z praxe a výzkumné činnosti vědců z různých oborů. Význam dopravní infrastruktury pro rozvoj všech zemí vede k řešení mezinárodních projektů.

V poslední době jsou v oblasti správy mostní infrastruktury vyvíjeny moderní přístupy a expertní systémy využívající i metody umělé inteligence. Náš článek podává informaci o některých metodách hodnocení aktuálního stavu i předvídání budoucího stavu železničních mostních objektů. Možnosti jejich využití také pro Mostní informační systém Českých drah budou zkoumány.

Počítačem podporované systémy pro správu mostů

Významný pokrok v oblasti systémové podpory provozu mostních a dalších objektů nastal v 60. letech minulého století, kdy i v mostním inženýrství započal intenzivní vývoj metod, podporovaný zvětšujícími se možnostmi počítačového a programového vybavení. Proto v dnešní době již téměř všechny hospodářsky rozvinuté země používají počítačem podporované systémy pro správu mostů či hospodaření s mosty (angl. Bridge Management Systems), zpravidla k uskutečnění sledování stavu spravovaných prvků své dopravní infrastruktury a k podpoře rozhodování ohledně jejich provozu.

Pojem systém správy mostních objektů či systém hospodaření s mostními objekty se doposud nedočkal přesné a všeobecně přijaté definice. Můžeme se setkat s výkladem tohoto pojmu, že to je např. výpočetní systém podporující rozhodovací procesy, obsahující jak racionální modely a expertní znalost o procesech zhoršování mostů a účinnosti
údržbových prací, tak současně i hospodářské modely, umožňující předpovídání nákladů a výnosů v procesu udržení stanovené úrovně provozní způsobilosti při minimálních nákladech, apod. Téměř v každém takovémto systému lze rozlišit společné základní provozní funkce, podporující následující části procesu správy mostních a dalších objektů: evidence, údržba, provoz a plánování.

Mostní informační systém Českých drah

V rámci správy mostních a dalších objektů Českých drah se postupem času vytvořila základní podoba pojetí informatiky, představovaná souhrnně jako Mostní informační systém ČD (dále zkr. MIS). Jeho jednotlivé části tvoří:

• Mostní evidenční systém ČD (dále zkr. MES),
• Mostní expertní systém (označovaný názvem Casandra),
• Systém pro podrobné prohlídky (revize)
• a Manažerské systémy.

Mostní evidenční systém ČD je základním prvkem celého MISu. Jeho vývoj od počátku v roce 1996 je pojatý jako modulární systém. Vývoj MESu ČD na základě požadavků zadavatele Generálního ředitelství ČD, Oddělení mostů a tunelů byl zadán firmě SÚDOP Praha, a. s. a jeho programování bylo zadáno firmě HSI Praha, spol. s r. o. MES ČD je aplikace provozovaná na databázové platformě firmy Oracle v třívrstvé architektuře.

V současné době MES zahrnuje údaje o 3 typech následujících objektů:

1. železniční mosty, 
2. železniční propustky,
3. kolejové mostní váhy.

Technické údaje o mostních objektech jsou uvedeny v tzv. evidenčních listech, mj. např. klasifikace stavebního stavu mostu, a to zvlášť hodnocení stavu jeho nosné konstrukce a stavu jeho spodní stavby, parametry přechodnosti a prostorové průchodnosti koleje na mostě apod., přičemž informace o aktuálním stavebním a provozním stavu jsou vedeny v zápisu z provedené běžné prohlídky. Hodnocení stavu mostního objektu provádí mostní správce při běžné prohlídce dle svého inženýrského odhadu do přetrvávající 3-stupňové klasifikace podle tab. 1.

Tabulka 1. - Systém hodnocení stavu železničních mostních objektů ČD

Stupeň	Stav	Krytéria
1	dobrý	mostní objekt vyžaduje jen běžnou údržbu
2	vzhovující	mostní objekt vyžaduje opravu přesahující rámec běžné údržby, popř. i výměnu některých částí, avšak závady neohrožují bezprostředně bezpečnost provozu
3	nevzhovující	mostní objekt vyžaduje úplnou přestavbu, přestavbu podpěr nebo výměnu nosné konstrukce, popř. i jen opravu nebo výměnu některých částí, jejichž stav bezprostředně ohrožuje bezpečnost provozu

Mostní expertní systém Casandra je určený pro zjišťování a uchovávání údajů o zatížitelnosti a přechodnosti mostních objektů. Jeho stávající verze byla vyvinuta na základě požadavků ČD firmou SÚDOP Praha, a. s. v 1. pol. 90. let minulého století. Jedná se o souhrn 5 samostatných následujících modulů:

1. Modul MQA (rovněž jako podprogram pro 4. a 5. modul),
2. Výpočet zatížitelnosti klenby,
3. Výpočet zatížitelnosti zabetonovaných nosníků, 
4. Databáze zatížitelnosti, 
5. Posouzení přechodnosti.

Údaje o mostním objektu však nelze automaticky převádět navzájem mezi tímto systémem a MESem ČD, což se řadou změn ve vstupních předpokladech (změny norem, posun názorů apod.) od doby jeho vývoje i některými chybami v programu v současné době brání jeho plnému využití.

Systém pro podrobné prohlídky (revize) vyhodnocuje zápisy z nich, prováděné od roku 1999 povinně v digitální podobě jako přílohy MESu ČD, v budoucnosti se předpokládá se společnou základnou údajů. Manažerské systémy umožňují s vedenými údaji provádět zejména formou statistiky požadované přehledy a souhrny, mj. např. trend vývoje stavebního stavu apod., od roku 1998 již pomocí tabulkového procesoru Microsoft Excel, nebo zobrazení aktuálního stavu pomocí grafického prostředí firmy MapInfo atd.

Systém hospodárenia s mostnými objektmi Železníc Slovenskej republiky

Vývoj Systému hospodárenia s mostnými objektmi ŽSR (dále zkr. SHMO) vede Žilinská univerzita v Žiline, Stavebná fakulta, Katedra stavebných konštrukcií a mostov v Žilině. V novém pojetí počítačem podporovaného SHMO ŽSR se za jeho základní
prvek považuje mostní databanka, jejíž strukturu tvoří 3 základní moduly v členění:

• modul evidenční a informační,
• modul hodnocení mostů,
• modul rozhodovacích procesů.

Tento SHMO by měl nahradit zastaralý systém, založený na předpisu ještě ČSD.

Klíčové postavení v celém SHMO ŽSR má modul hodnocení mostů. Jeho úlohou je na základě informací uložených v evidenčním modulu ohodnotit stávající mostní objekt včetně jeho aktuálního stavu. V souvislosti s tradicí hodnocení železničních mostů bylo upřednostněno spolehlivostní pojetí hodnocení. Tento přístup považuje spolehlivost mostního objektu za jeho základní hodnotící parametr. Tedy, že aktuální technický stav hodnoceného mostu se zohlední pomocí výpočetních modelů v odezvě mostní konstrukce na zatížení a její odolnosti při ověřování spolehlivosti mostu.

V případě stávajících mostů je možno zohlednit skutečné vady v podobě diagnostikovaných poškození, závad a případných poruch mostní konstrukce. Metodika, jak základní poškození mostů zavádět do výpočetních modelů odezvy zatížení a  odolnosti konstrukčních prvků, tvoří součást databáze znalostí, která je podmodulem modulu hodnocení. Jeho součástí je i databáze počítačové podpory, v níž bude zapracován jednotný programový systém pro stanovení odezvy konstrukce na zatížení a určování odolnosti jednotlivých konstrukčních prvků včetně ověření jejich spolehlivosti a výpočtu zatížitelnosti. Proces hodnocení je ukončen zatříděním hodnocené mostní konstrukce do nověnavržené 5-stupňové klasifikace podle tab. 2.

Tabulka 2 - Systém klasifikace stavu železničních mostních objektů ŽSR

Klasifikace	Hodnocení	Kritéria
1	bezchybný	parametry mostního objektu odpovídají současným návrhovým parametrům a jeho technický stav je bezchybný
2	dobrý	mostní objekt nevykazuje poruchy prokazatelně ovlivňující momentální zatížitelnost
3	uspokojivý	mostní objekt vykazuje nedostatky ovlivňující momentální zatížitelnost bez vlivu na změnu přechodnosti kolejových vozidel
4	špatný	mostní objekt vykazuje nedostatky ovlivňující zatížitelnost a také přechodnost kolejových vozidel do té míry, že jeho zbytková životnost je v rozsahu od 3 do méně než 10 let
5	havarijní	mostní objekt vykazuje závažné nedostatky s výrazným dopadem na zatížitelnost a přechodnost kolejových vozidel do té míry, že jeho zbytková životnost je nižší než 3 roky

Předvídání stavu mostů v Systému hospodárenia s mostnými objektmi ŽSR

Ve slovenském SHMO aktuální technický stav mostu a jeho vliv na zatížitelnost mostu jsou zpracovány prvním a druhým modulem databáze, tj. evidenčním a informačním a modulem hodnocení mostů. Předvídání vývoje technického stavu mostu v budoucnosti a určování jeho zbytkové životnosti jsou význačnými prvky rozhodovacího procesu. Znalost těchto činitelů spolu se znalostí hladiny spolehlivosti konstrukce v době hodnocení představuje důležité parametry ovlivňující způsob a dobu rehabilitace. Ty umožní určit, zdali údržba či oprava mostu je dostatečná nebo je potřebná rekonstrukce.
Pro předvídání budoucího stavu konstrukčních prvků se ve značné míře používá model Markovových řetězců, který umí určit pravděpodobnost změny (přechodu) jejich technického stavu v čase. Určení jednotlivých stavů poruchy prvku a určování rozsahu poruchy pro jednotlivé stavy jsou předpoklady pro použití modelu Markovových řetězců. Výhodou modelu Markovových řetězců je, že proces předvídání není závislý na historii prvku. Technický stav zjištěný diagnostikou v rozhodné době životnosti je jeho počátečním stavem. Jinými slovy, pokud je znám jeho současný stav, pravděpodobnost jakéhokoli budoucího chování procesu není ovlivněna znalostí o jeho minulém chování.

System zarządzania mostami kolejowymi Polskich Kolei Państwowych

Vývoj Systemu zarządzania mostami kolejowymi PKP (dále zkr. SMOK) provádí Politechnika Wrocławska ve Wrocławi, Instytut Inżynierii Lądowej, Zakład mostów ve Vratislavi. V dnešním pojetí počítačem podporovaného SMOKu PKP, v němž se za jeho
základní přednost považuje používání expertní znalostní báze, jeho základní části tvoří:

• báze údajů,
• znalostní báze,
• expert a znalostní inženýr.

Vývoj SMOKu PKP od samého počátku v roce 1992 je pojatý přírůstkovou metodou jako modulární systém. V cílové podobě má tento systém zahrnovat údaje o 7 typech následujících objektů:

1. železniční mosty (přes přírodní překážky),
2. železniční viadukty (přes umělé překážky),
3. železniční podchody,  železniční propustky,
4. železniční tunely, 
5. lávky pro pěší,
6. opěrné zdi.

V nedávných letech se uskutečnila druhá etapa tvorby SMOKu, vztahující se především na problematiku, spojenou mj. s prohlídkami objektů, jednotným systémem shromažďování informací o poškozeních, metodikou hodnocení technického stavu objektů a systémovým plánováním údržbových činností, a byla do něj zapracována i verze expertních nástrojů, využívajících vícevrstvé hybridní sítě pro hodnocení aktuálního a předvídání budoucího technického stavu objektů. Třetí etapa tvorby byla ukončena v roce 2003. Hodnocení stavu mostního objektu provádí systém podle svého výpočtu expertními nástroji do plynulé (nebo také diskrétní 6-stupňové) klasifikace podle tab. 3.

Tabulka 3 - Systém plynulé klasifikace stavu železničních mostních objektů PKP

Klasifikace	Hodnocení	Kritéria
5,0	bezchybný	technický stav mostního objektu shodný s projektem
0,0	havarijní	bezprostřední ohrožení mostního objektu havárií

Hodnocení a předvídání stavu mostů v Systemu zarządzania mostami kolejowymi

V polském SMOKu se pro podporu hodnocení a předvídání stavu mostů používají dva expertní nástroje:

• expertní funkce pro hodnocení technického stavu mostů (angl. Bridge Evaluation Expert Function, zkr. BEEF)
• expertní funkce pro předvídání technickéhostavu mostů (angl. Prognosis Expert Function, zkr. PEF).

Oba tyto expertní nástroje jsou vytvořeny s použitím mnoha vícevrstvých hybridních sítí, sestavených z několika různých typů složek. Hodnocení ukazatele technického stavu mostu je založeno na intenzitě, rozsahu a umístění poškození všech jeho částí či prvků, podle výsledků vizuálních prohlídek a pravidel, popsaných v tzv. Katalogu poškození mostu. V celém expertním nástroji BEEF bylo vytvořeno a zavedeno asi 200 hybridních sítí pro kombinace následujících parametrů: typ konstrukce (most, lávka pro pěší, podchod atd.); typ prvku konstrukce (hlavní nosníky, mostovka, ložiska, podpěry atd.); typ konstrukce
(desková, komorová, z nosníků atd.) a typ konstrukčního materiálu (beton, železový i předpjatý beton, ocel, kámen atd.). Například pro hodnocení ukazatele aktuálního technického stavu masívní železobetonové podpěry mostu se používá třívrstvá
hybridní síť.8 Tato verze expertního nástroje BEEF se používá jako část systému při správě mostů SMOK PKP od roku 2000.

Expertní nástroj PEF, užívající dvouvrstvou hybridní síť, lze použít pro předvídání očekávaného technického stavu součástí či prvků mostu pro určené období předpovědi, a to na základě historie změn jejich stavu a po vzetí v úvahu podmínek jeho provozu.

Evropský projekt nazvaný Sustainable Bridges pro mosty drážních komunikací

V rámci 6. rámcového programu EU pro výzkum a vývoj v oblasti trvale udržitelné dopravy Evropská komise, Generální ředitelství pro dopravu spolufinancuje v letech 2004 až 2006 mezinárodní projekt nazvaný Trvale udržitelné mosty – Hodnocení pro budoucí požadavky dopravy a delší životnost (angl. Sustainable Bridges – Assessment for Future Traffic Demands and Longer Lives).9 Na řešení tohoto projektu se podílí následujících 12 zemí: Česká republika, Dánsko, Finsko, Francie, Německo, Norsko, Polsko, Portugalsko, Spojené království Velké Británie, Španělsko, Švédsko a Švýcarsko.

Tento projekt hodnotí připravenost evropských železničních mostů ke splnění požadavků scénáře roku 2020 a poskytuje prostředky k jejich povýšení, pokud by je nesplňovaly. Scénář požaduje zvýšit dopravní výkonnost stávajících mostů povolením nápravového zatížení až 33 tun pro nákladní dopravu, a pro osobní dopravu s nízkým nápravovým zatížením zvýšit maximální rychlost až na 350 km/hod. a zbytkovou životnost stávajících mostů až o 25 %.

Předmět tohoto projektu je rozdělen do 9 následujících částí:

• WP 1 Uvedení a klasifikace,
• WP 2 Vedení a přehled,
• WP 3 Hodnocení stavu a prohlídka,
• WP 4 Zatížení,únosnost a odolnost,
• WP 5 Sledování,
• WP 6 Oprava a zesílení,
• WP 7 Zkoušení stávajících mostů,
• WP 8 Sledování nových mostů,
• WP 9 Školení a šíření výsledků.

V zadání části 3 projektu se mj. konstatuje, že aktuálně používané systémy pro správu mostů doposud neobsahují spolehlivé techniky pro hodnocení následků zhoršení konstrukce a že stávající směrnice pro hodnocení mostů nejsou ani použitelné, ani účinné pro mosty, které se zhoršily. Předmětem této části má být mj. dodat informace pro moderní metody hodnocení stavu zhoršených mostů, protože pro výpočet zatížitelnosti mostu (viz část 4 projektu) aj. musí být náležité informace o stavu mostu k dispozici. Soustředí se především na betonové mosty, avšak budou vzaty v úvahu i ocelové a masívní klenuté mosty.

Zadání části 4 projektu mj. uvádí, že se týká hodnocení zatížení a únosnosti železničních mostů, že hlavním předmětem této části je např. zjistit současnou praxi při hodnocení zatížení, únosnosti a odolnosti stávajících mostů v Evropě, vyvinout pravděpodobnostní metody pro hodnocení aktuálního zatížení na mostě a únosnosti, beroucí v úvahu opatření pro aktuální stav mostu, který byl identifikován v části 3 projektu, a vyvinout i směrnici pro nejlepší praxi při hodnocení zatížitelnosti včetně budoucí praxe.

Expertní systémy v systémech pro správu mostů

Již v rámci 4. rámcového programu EU v letech 1998 až 1999 v předchozím mezinárodním projektu nazvaném Bridge Management in Europe (akronym BRIME)10 v části 1 projektu mj. byly zkoumány stále více používané metody umělé inteligence jako prostředky pro zlepšení hodnocení stavu, zejména u betonových konstrukcí, byly posouzeny 4 nejběžněji používané metody, tj. expertní systémy, neuronové sítě, fuzzy logika a genetické algoritmy, a byl vyvinut model pro kategorizaci poškození betonových konstrukcí. Inteligentní systémy, někdy známé jako expertní systémy a neuronové sítě, nabídnuly slibný způsob, jak lze kombinovat expertní znalost a naměřené údaje namísto inženýrského úsudku. Je potřebná další práce na hodnocení změny stavu v čase.

Problematika spojená se znalostními bázemi a expertními systémy se těší již mnoho let velmi velkému zájmu a svědčí o tom široký přehled řešení používaných v této oblasti. Kromě klasických expertních systémů, využívajících informace v symbolické podobě, se stále častěji používají nesymbolické metody zpracovávání informací, jako např.: neuronové sítě, genetické algoritmy a hybridní řešení.

Pro sjednocení všech typů dostupných informací do jednoho výpočetního expertního nástroje lze použít technologii vícevrstvé hybridní sítě.

Podle problému, který se má řešit, a typu dostupných informací, lze hybridní síť sestavovat z následujících 5 typů složek:

1. neuronové složky, založené na nelineárních vícevrstvých neuronových sítích, trénované pomocí dozorové metody zpětného šíření;
2. fuzzy složky, založené na fuzzy logice s možností fuzzy inference;
3. fuzzy-neuronové složky, dovolující neuronové zpracování fuzzy informací; 
4. genetické složky, založenéna genetických algoritmech
5. funkční složky, které umožňují zavedení analytických funkcí.

Novou jakost do expertních systémů vnesla použití teorie fuzzy množin a fuzzylogiky, umožňující popis a zpracovávání informací také nepřesných a neurčitých.

Možnost využití fuzzy logiky pro hodnocení stavu mostů

V systémech pro správu mostních objektů má mnoho informací spojených s údržbou a provozem a využívaných pro podporu rozhodovacích procesů ve skutečnosti charakter nepřesný a neurčitý.1 Takovéto informace se nazývají fuzzy informace (neostré). Do této skupiny můžeme zařadit např. následující zjištění: v blízkosti podpěry jsou velmi intenzivní průniky vody, technický stav pole mostu je dosti dobrý, trhlina je umístěna v blízkosti středu rozpětí nosníku, pevnost materiálu se snížila o více než 20 %, apod.

Informace fuzzy povahy (neostré) jsou nezastupitelné všude tam, kde máme do činění s veličinami, pro které nejsou vytvořeny žádné objektivní měřicí nástroje. Ve výše uvedených příkladech jsou to pojmy: „intenzita průniků vody“, „technický stav pole“ a také slovní (lingvistické) kvalitativní míry těchto pojmů: „velmi intenzivní“, „dosti dobrý“.

Jinou oblastí použití fuzzy informace jsou situace, v kterých je teoreticky možné získání přesné kvantitativní informace, ale náklady na získání takové informace jsou neadekvátní k očekávanému účinku. Časté jsou takové situace, ve kterých přibližná fuzzy informace je dostatečná pro potřeby analyzovaného problému. Ve výše uvedených příkladech se to týká určení: „v blízkosti středu rozpětí“ a též „více než 20 %“.

Člověk při řešení technického problému ve své mysli neuvažuje a nepočítá s přesně naměřenými hodnotami, spíše tzv. počítá s neostrými pojmy fuzzy povahy, což lze řešit metodami umělé inteligence, jako je také např. fuzzy logika a modelování. Tyto metody a expertní nástroje jsou přitom dokonce i schopny trénovat se a učit např. extrakcí bází podmíněných pravidel z historických údajů ze systémů pro správu mostních objektů. Možnosti využití mj. fuzzy logiky a modelování pro hodnocení stavu železničních mostních objektů Českých drah jsou předmětem současné výzkumné činnosti a mezinárodní spolupráce autora tohoto příspěvku.

Použitá literatura

1. BIEŃ, J. Modelowanie obiektów mostowych w procesie ich eksploatacji (polsky)
   [Modelování mostních objektů v procesu jejich provozu]. 1st ed. Wrocław: Oficyna
   Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2002. 348 p. ISBN 83-7085-652-7.
2. VEJVODA, V. Úloha informatiky při správě mostů Českých drah. In. Sborník z 5.
   mezinárodního mostařského sympozia „Mosty 2000“. Brno: Sekurkon, 2000.
3. ČD S 5 Správa mostních objektů. Služební předpis Českých drah. Praha: Ministerstvo
   dopravy ČR, 1996.
4. VIČAN, J., KOTEŠ, P. Systém hospodárenia s mostnými objektmi Železníc Slovenskej
   republiky (slovensky). In. Sborník ze 3. vědecké konference DFJP „Nové trendy
   v dopravě a spojích“. Pardubice: Univerzita Pardubice, 2003, s. 137-142.
5. VIČAN, J., KOTEŠ, P. Bridge Management System of Slovak Railways. In. Proceedings
   of the 3rd International Scientific Conference “Quality and Reliability in Building
   Industry”. Košice: Technical University of Košice, 2003, p. 539-542.
6. BIEŃ, J. Hybrid Networks in Bridge Condition Evaluation and Prediction. In. Proceedings
   of the 1st International Conference IABMAS on Bridge Maintenance, Safety
   and Management. Barcelona: IABMAS, 2002, p. 451-452 + CD.
7. BIEŃ, J., RAWA, P. Hybrid knowledge representation in Bridge Management Systems.
   Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2004, vol. IV.
8. BIEŃ, J. Information Technology for Concrete Bridges Condition Evaluation and
   Monitoring. In. Proceedings of the Symposium CEB FIP. Avignon: CEB FIP, 2004.
9. Sustainable Bridges – Assessment for Future Traffic Demands and Longer Lives.
   Interim Report of the 6th FP project. European Commission Directorate General VII.
   Göteborg: Skanska Teknik AB, 2005.
10. Bridge Management in Europe (BRIME). Final Report of the 4th FP project. European
    Commission Directorate General VII. Wokingham, UK: TRL, 2001.