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研究生: 徐梓隆
Zih-Long Hsu
論文名稱: 群橋生命週期維護策略最佳化模式之研究
Group Bridges Life Cycle Maintenance Strategy Optimization Model
指導教授: 鄭明淵
Min-Yuan Cheng
口試委員: 邱建國
Chien-Kuo Chiu
吳育偉
Yu-Wei Wu
潘南飛
Nang-Fei Pan
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 營建工程系
Department of Civil and Construction Engineering
論文出版年: 2014
畢業學年度: 102
語文別: 中文
論文頁數: 146
中文關鍵詞: 橋梁維護策略生命週期橋梁重要性用路人成本
外文關鍵詞: Bridge Maintenance Strategy, Life cycle, Importance factors of Bridge, Road user cost
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  • 橋梁除具有跨越河川及山谷、聯絡外地之功能,亦擔負起維繫經濟動脈之重要使命。台灣地處環太平洋地震帶與受太平洋季風區影響,颱風與地震頻繁,因而加速橋梁元件老化;再者,隨著台灣地區橋梁建設趨於飽和,橋梁重點由新建轉成維護,橋梁如未適時做適當的維護補強修復,提升橋梁安全與壽命,一旦橋梁遭受到天然災害,將導致橋梁損壞,危及用路人之旅行與安全。因此,橋管單位如何在年度預算限制下,規劃群橋(同一橋梁管理單位)生命週期維護策略,以提升橋梁壽齡,為一重要且刻不容緩的問題。
    有鑒於此,本研究提出可視(Visible) 與不可視(Invisible)危害二風險類別,考量橋梁在維護或是斷橋風險狀況下造成用路人損失之風險成本。可視危害部分主要考量元件老化風險因子,而不可視危害則包括洪水沖刷與地震二因子,然後應用風險期望值(風險成本)的觀念,分別計算各因子在橋梁生命週期內可能造成之損壞機率與維護成本,再以兩者相乘積和,進一步建立橋梁綜合能力指標E(Cost)與評估模式。本研究權衡橋管單位年度維護經費限制與群橋生命週期維護成本兩者,建立目標函數,再應用生物共生演算法最佳化搜尋,以生命週期成本導向之概念,建置「群橋維護策略最佳化模式」,尋找群橋生命週期內,符合預算限制下各橋之最佳維護時機與成本,使得群橋生命週期風險總成本最低,研究成果可輔助橋管單位針對群橋進行維護時機及經費估計,在有限維護經費下達到最佳經濟效益,節省橋梁管理單位維護補強經費。


    Proper maintenance and restoration strategy for bridges is an essential issue, for Taiwan is an island with frequent earthquake, typhoon and heavy rain, thus, bridge competent might deteriorate more seriously. Nowadays, the bridge inspections in Taiwan are almost visible (tangible), while the invisible (potential) risks such as earthquake and scour resistant capacity are not taken into account.
    This paper considers main risk factors as the competent deterioration, scour and earthquake. In order to ensure the safety and extend the life-span for bridges and the government limit budget, this study proposes the novel model, the Group Bridge life cycle Maintenance Strategy Optimization Model. In the model, first, the study uses Monte Carlo simulation to estimate the bridge maintenance probability from the historical data. Second, using the artificial intelligence (AI) ESIM model to estimate risk impact influence cost from the relationship through the input data (DER&U) and output data (historical maintenance cost). Third, estimate the user cost of the bridges without maintenance. Forth, sum up each risk factor's multiplication of bridge maintenance probability and risk influence cost to obtain the risk cost as E(Cost). Last, the model utilizes (SOS, Symbiotic Organism Search) algorithm to obtain the minimum LCC cost EGT(Cost), and every year the budget limit will be confirmed. As a result, this study can provide the optimal maintenance timing and cost as maintenance strategy for bridge management division.

    目錄 第一章 緒論 1 1.1 研究背景分析 1 1.2 研究目的 3 1.3 研究範圍與限制 5 1.4 研究方法及流程 5 1.4.1 研究內容 5 1.4.2 研究流程 9 1.5 論文架構 12 第二章 文獻回顧 14 2.1國內橋梁維護管理現況探討 14 2.1.1橋梁養護權責法源依據 14 2.1.2公路維護規範 17 2.1.3橋梁狀況指標 18 2.1.4橋梁維護管理現況 20 2.1.5橋梁維護管理機制 22 2.1.5.1養護組織及業務職掌 23 2.1.5.2公路總局維護經費編列制度 24 2.2 橋梁性能指標 27 2.3橋梁維護的優先順序 30 2.4橋梁維護之重要性非直接成本因子 31 2.5橋梁斷橋與維護造成之用路人成本 36 2.5.1用路人成本意義 36 2.5.2用路人成本量化 37 2.6演化式支持向量機推論模式 40 2.6.1演化式支持向量機推論模式(Evolutionary Support Vector Machine Inference Model-ESIM) 41 2.6.2 ESIM應用 43 2.7生物共生演算法(Symbiotic Organism Search,SOS) 45 2.8名詞解釋 48 第三章 群橋生命週期維護策略最佳化模式之建立 49 3.1 模式架構 49 3.2 橋梁風險評估模式 52 3.2.1 風險辨識 52 3.2.2 風險評估模式 52 3.2.3 橋梁綜合能力指標 53 3.3 橋梁維護機率 55 3.3.1 橋梁維護機率-元件老化 55 3.3.2 橋梁維護機率-洪水 56 3.3.3 橋梁維護機率-地震 57 3.4 橋梁風險影響程度 58 3.4.1 橋梁元件老化維護成本(CMD) 58 3.4.2 橋梁洪水沖刷維護與重建成本(CMS、CRS) 59 3.4.3 橋梁地震維護與重建成本(CME、CRE) 60 3.4.4 計算E(MC)、E(RC) 60 3.5 群橋維護成本最佳化 61 3.5.1 用路人成本評估E(UC) 61 3.5.2 生物共生演算法最佳化搜尋 61 3.5.3 群橋生命週期維護成本最佳化 61 第四章 橋梁維修機率 63 4.1 橋梁元件老化維護機率 64 4.1.1 橋梁分類(依橋型、交通量、與海岸距離) 64 4.1.2 統計分析(CI與橋齡) 65 4.1.3 維護門檻訂定-元件老化 66 4.1.4 蒙地卡羅模擬-元件老化 66 4.1.5 計算元件老化維護機率(PMD) 67 4.2 橋梁洪水維護與重建機率 68 4.2.1 橋梁分類(依所在流域) 68 4.2.2 統計分析(SSI) 69 4.2.3 洪水事件產生器與維護門檻訂定 70 4.2.4 蒙地卡羅模擬-洪水 70 4.2.5 計算洪水維護機率(PMS) 71 4.2.6 計算洪水重建機率(PS) 72 4.3 橋梁地震維護與重建機率 72 4.3.1 潛勢地震發生機率模型 73 4.3.1.1震源型態之介紹 73 4.3.1.2建立地震目錄及研究對象 74 4.3.1.3平均規模與未來地震發生次數之公式 75 4.3.1.4柏松與對數常態分佈之風險函數 76 4.3.1.5臺灣未來20年之地震發生機率 77 4.3.2 橋梁地震損傷評估 78 4.3.2.1性能曲線與容量震譜 78 4.3.2.2非線性動力分析模式 80 4.3.2.3 RC橋梁模型 81 4.3.2.4諧和加速度地震歷時 83 4.3.3 蒙地卡羅模擬-地震 84 4.3.4 計算地震維護機率(PME) 85 4.3.5 計算地震重建風險機率(PE) 87 4.4 橋梁維護機率小結 87 第五章 風險影響程度 90 5.1橋梁元件老化維護成本 91 5.1.1 橋梁維護因子評估 91 5.1.2 橋梁維護因子篩選 93 5.1.3 建立橋梁維護案例資料庫 93 5.1.4 建置人工智慧元件老化維護成本推估模式 95 5.1.4.1模式參數設定 95 5.1.4.2 ESIM可行性分析 96 5.1.4.3 ESIM架構 96 5.1.5 ESIM模式訓練與測試 96 5.1.6 計算元件老化維護風險成本(PMD*CMD) 100 5.2洪水造成風險影響程度 101 5.2.1 橋梁維護因子評估 101 5.2.2 橋梁維護因子篩選 102 5.2.3 建立橋梁維護案例資料庫 103 5.2.4 建立人工智慧洪水沖刷維護成本推估模式 103 5.2.5 ESIM模式訓練與測試 103 5.2.6 計算元件老化維護風險成本(PMD*CMD) 104 5.3 地震造成風險影響程度 106 5.3.1 計算地震損傷比 106 5.3.2 地震維護風險成本(PME*CME) 107 5.3.3 地震重建風險成本(PE*CRE) 110 5.4 計算E(MC)、E(RC) 110 5.5 用路人成本評估E(UC) 113 5.5.1 重要性非直接成本因子篩選 113 5.5.2 用路人直接成本評估模式 115 5.5.3 旅行延時成本(Daily Traveler's Time Value) 116 5.5.3.1旅行延時成本(部分封閉) 117 5.5.3.2旅行延時成本(完全封閉) 119 5.5.4 車輛運行成本(Daily Vehicle Detouring Cost) 120 5.5.4.1車輛運行成本(部分封閉) 120 5.5.4.2車輛運行成本(完全封閉) 122 5.5.5 事故發生成本(Accident Occurrence Cost) 123 5.56 用路人直接成本小結 126 第六章 群橋維護成本最佳化 129 6.1 建立目標函數與限制式 130 6.1.1 群橋生命週期維護策略 130 6.1.2 群橋最佳化模式之限制式 130 6.2生物共生演算法最佳化搜尋 130 6.2.1 生物共生演算法 131 6.2.1 SOS演算法在群橋維護策略應用流程 131 6.3群橋生命週期維護成本最佳化 137 6.3.1 群橋維護成本最佳化策略訂定 138 第七章 結論與建議 141 7.1 結論 141 7.2 建議 142 參考文獻 144  圖目錄 圖1.1 研究內容架構圖 6 圖1.2 橋梁維修策略 9 圖1.3 研究執行流程圖 9 圖1.4 群橋維護策略與方案 12 圖2.1 公路總局組織圖 23 圖2.2 橋梁重要性評定架構圖 32 圖2.3 支持向量機最佳化模式架構 41 圖2.4 ESIM應用程序 43 圖2.5 生態系統中的生物共生關係示意圖 46 圖3.1 橋梁風險評估及維護策略模式建置流程 51 圖3.2 橋梁風險因子影響圖 52 圖3.3 橋梁風險評估模式 53 圖3.4 群橋生命週期維護策略 62 圖4.1 橋梁維護機率評估流程圖 63 圖4.2 以梁式橋-復興三橋為例之CI下降趨勢 65 圖4.3 以距海300公尺內車流量6000輛內(梁式橋)為例 66 圖4.4 可視危害造成維護機率蒙地卡羅計算流程圖 66 圖4.5 台灣主要河川分布圖(水利署) 68 圖4.6 發生50年洪水時對應SSI指標下降 70 圖4.7 發生100年洪水時對應SSI指標下降 70 圖4.8 洪水造成維護機率蒙地卡羅計算流程圖 71 圖4.9 潛勢地震發生機率模型之流程圖 73 圖4.10 橋梁地震損傷評估流程圖 78 圖4.11 武田模型(Takeda model)之力量與位移關係 80 圖4.12 橋梁通阻之SAP2000牛鬥橋模型 81 圖4.13 牛鬥橋之XTRACT斷面分析 81 圖4.14 SAP2000三星橋模型 82 圖4.15 三星橋之XTRACT斷面分析(鄭明淵等,2011) 82 圖4.17 原始地震歷時與修正後之加速度歷時資料 84 圖4.17 地震造成維護機率蒙地卡羅計算流程圖 84 圖4.18 震後結構性能修正示意圖 86 圖4.19 未來損傷分級機率關係曲線 87 圖5.1 橋梁風險影響程度流程圖 90 圖5.2 人工智慧橋梁耐震能力推論模式 95 圖5.3 10組交叉驗證法 98 圖5.4 橋梁風險影響程度預測值與實際值比較-非跨河橋梁(元件老化) 100 圖5.5 橋梁風險影響程度預測值與實際值比較-跨河橋梁(洪水) 104 圖5.6 三星橋未來20年內之損傷超越機率 108 圖5.7 三星橋未來20年內之地震風損成本(單位為重建成本) 108 圖5.8 牛鬥橋未來20年內之損傷超越機率 109 圖5.9 牛鬥橋未來20年內之地震風損成本(單位為重建成本) 109 圖6.1 群橋維護成本最佳化流程圖 129 圖6.2 群橋最佳化應用SOS演算法程序 132 圖6.3 SOS演算法程序 133 圖6.4 群橋維護策略最佳化模式流程 137 圖6.5 橋梁維護策略示意圖 137 圖6.6 橋梁維護組合方案 138 圖6.7 最佳化搜尋目標函數結果 139   表目錄 表2-1 橋梁構造物檢測評定標準 18 表2-2 台灣橋梁主管機關及管理體系 21 表2-3 橋梁管理機關所轄橋梁數目表 21 表2-4 橋梁養護權責劃分與預算編列之關係 22 表2-5 86∼91年度公路總局維護管理總預算表(單位:仟元) 25 表2-6 89~102年度二區工程處橋梁維護管理預算表(單位:元) 26 表2-7 國內目前橋梁檢測相關文獻蒐集 29 表2-8 國內目前橋梁維護優先順序文獻蒐集 30 表2-9 BH2橋梁重要性評估指標項目 31 表2-10 重要性非直接成本因子文獻來源與說明 33 表2-11 重要性類別與非直接成本因子表 34 表2-12 重要性類別與非直接成本因子說明 35 表2-13 社會成本與用路人成本概算表(元/天) 38 表2-14 事故成本生命價值(元/天) 39 表4-1 橋梁分組分布表 64 表4-2 梁式橋調查資料筆數 64 表4-3 相關參數表(以梁式橋為例) 65 表4-4 元件老化維護機率結果(節錄),單位:% 67 表4-5 台灣主要河系洪水重現期對應SSI指標下降表 69 表4-6 洪水維護機率結果(節錄),單位:% 71 表4-7 洪水重建機率結果(節錄),單位:% 72 表4-8 為RC結構物之損傷指標 85 表4-9 橋梁編號B04-0030-217A至B04-0030-220A各年度橋梁維護機率 (單位:%) 88 表4-10 橋梁編號B04-0030-217A至B04-0030-220A各年度橋梁重建機率 (單位:%) 89 表5-1 橋梁屬性資料欄位 92 表5-2 影響元件老化維修經費因子 93 表5-3 非跨河橋維護案例(節錄) 94 表5-4 ESIM模式參數設定 97 表5-5 風險衝擊影響程度預測模式搜尋結果-非跨河橋梁(元件老化) 99 表5-6 洪水維護經費因子 102 表5-7 跨河橋維護案例(節錄) 103 表5-8 橋梁風險衝擊影響程度預測模式搜尋結果-跨河橋梁(洪水) 105 表5-9 損害狀況及損害比之關係 107 表5-10 橋梁編號B04-0030-217A至B04-0030-220A各年度橋梁維護 風險成本 111 表5-11橋梁編號B04-0030-217A至B04-0030-220A各年度橋梁重建 風險成本 112 表5-12 重要性非直接成本因子篩選結果表 114 表5-13 篩選後之重要性與非直接成本因子表 115 表5-14 篩選後之重要性與非直接成本因子代號表 115 表5-15 用路人直接成本概算表(元/天) 116 表5-16 道路等級與平均車流速率 117 表5-17 各車種的平均載客數 118 表5-18 各區各車種之平均乘載數 118 表5-19 旅行延時成本(部分封閉) 119 表5-20 旅行延時成本(完全封閉) 120 表5-21 車輛運行成本(部分封閉) 121 表5-22 車輛運行成本(完全封閉) 122 表5-23 97年~102年肇事率、死亡率與受傷率統計 124 表5-24 交通事故受傷程度統計 124 表5-25 事故發生成本(完全封閉) 125 表5-26 用路人直接成本概算結果(以二區工程處為例) 127 表5-27橋梁ID編號B04-0030-217A至B04-0030-220A各年度橋梁 用路人成本 128 表6-1 橋梁相關參數彙整(節錄) 132 表6-2 橋梁編號B04-0030-217A至B04-0030-220A生命週期CI值 139 表6-3 二區工程處橋梁B01-0010-010A至B08-0760-026B生命週 期20年維護策略 140

    參考文獻
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