SIP项目：日本基础设施维护管理新时代
2017-03-13
一个国家的经济可持续性、安全和幸福指数主要依赖于基础设施的可靠运作。日本经过50年的发展，现存的基础设施总价值已超过7万亿美元。大多数基础设施工程都修建于上世纪60～80年代，这其中大部分都存在不同程度的损坏。在过去，有时出于对基础设施快速投入使用的需求，导致设计质量、工程质量或结构技术都不尽如人意的现象。同时随着交通量的日益增加、防冻盐的使用和潮湿环境等因素，致使桥梁正逐步老化，甚至发生桥梁坍塌事件。基础设施功能退化的问题逐渐引起了公众的关注，日本政府决定加大研发力度，实现相关方面的有效管理。2013年，日本科学技术与创新委员会（CSTI）启动了跨部门战略创新推行计划（SIP）中的“基础设施维护、修缮与管理”这一新研发项目。该项目有望进一步防止事故的发生，并通过减少维护工程及成本负担实现对基础设施的有效维护。
基建维护关注度上升
2012年，位于东京附近的中央高速公路子隧道发生坍塌，事件引发公众对基础设施功能退化问题的关注，并对日本当前基础设施的质量及安全产生质疑。2013年，CSTI启动的SIP新项目“基础设施维护、修缮与管理”是一个为期5年的计划，涵盖了涉及条件评估、非破坏性试验、监测及机器人学等核心技术的各个课题，以及长期性能预测、优质耐用型维修更换材料的开发和基于先进信息通信技术（ICT）的基础设施管理。该项目包含60多个由高校、研究机构和企业共同参与的研究项目，日本国土交通省（MLIT）宣布2013年为维护期的第一个年头。
由于缺乏相关经验，基础设施维护所需的整体花费难以确定，日本高速公路株式会社（NEXCO）对此作出估价：土木工程40亿美元、隧道30亿美元、桥梁170亿美元，其中，90%桥梁费用被应用于混凝土桥面。在如此高比例投资的背后，是全国的混凝土桥梁面板均已严重受损的现实。
桥梁面板严重受损的主要原因是车辆超载和实际载荷严重超过设计的有效载荷。过去，由于混凝土桥梁面板并未被作为结构部件考虑，因此它们的耗损未引起研究人员的足够重视。
一般情况下，大规模维修与修缮工程的具体位置是结合检查结果、竣工后期和退化速率等因素进行粗略确定。在进一步详细勘察之后，维修与修缮计划可能会出现较大的变动。因此，土木工程公司对在减轻下一代基础设施严重老化的基础上，尽可能降低工程造价极为重视。
土木工程与先进技术的融合
随着基础设施功能的不断退化，尤其是上述子隧道坍塌事件的发生，MLIT已经充分认识到基础设施存量管理的重要性。要求自2014年7月起，对道路基础设施进行全面检查管理，这是日本在认识到基础设施维护重要性之后采取的一项重大举措。
基于这种情况，经常涉及生物技术和纳米技术等先进技术的CSTI，选择了“基础设施维护、修缮与管理”作为SIP十大课题之一。在SIP研发中，有望通过研究成果在社会中的应用达到创新的目的，而基础设施正是此目的所针对的重要领域之一。在“下一代基础设施”的众多主题中选择“维护”的相关内容作为SIP课题，标志着日本将迎来全新的科技战略时代。另外，计划推行系统也明显不同于以前的推行系统。SIP关键词之一就是“合作创新”，基础设施相关研发工作均由国家一众相关部门、国家实验室、高校以及民营企业密切合作进行。
普遍认为，土木工程与前沿科技相去甚远。但无论如何，随着时代的改变和各领域的相互交融，为了解现有基础设施的情况，动用最新的机器人和感测技术势在必行。此外，通过感测器所获得的大量基础设施信息，以及后续的数据处理技术也很重要。并且，为了研究结构材料的耗损情况，越来越多的先进材料技术将被应用于基础设施的维护环节中。对于土木工程而言，高新科技发挥着日益重要的作用，先进技术与土木工程的融合也已经碰撞出了前所未有的火花。
SIP基础设施管理周期创新
基础设施管理技术研发旨在降低设施生命周期内系统管理技术的成本，开发分别适用于地方政府和全国范围内通用的管理技术，并且通过与拥有相关知识及经验的海外基础设施业主和个人构建技术交流平台，以建立海外发展基础。
除了SIP项目，日本还在积极引导各项研发工作由基础研究向研究成果发展，同时革新基础设施管理周期。基础设施管理流程如图1所示。
此外，日本还致力于建立先进信息通信技术与信息机器人技术的弹性基础设施系统，此系统的实现将有望降低基础设施管理所需的成本。如图2所示，在既往模型中，由于剩余寿命预测方差与判断方差相去甚远，对设施当前剩余寿命预测并不准确。但在SIP项目完成之后，上述两方差差距缩小，剩余寿命预测将更加准确，这也就意味着所需成本随之减少。
如今，SIP项目已经开始形成，如图3所示，土木工程中的资产管理技术位居中心，而其他先进技术领域则围绕在其周围，发挥支撑作用。
