基于GIS的高速公路路面养护决策支持系统

基于GIS 的高速公路路面养护决策支持系统曾胜男　孙立军　徐天东　陈　长(同济大学　上海200092)摘　要　建立了一个基于地理信息系统的高速公路路面养护决策支持系统,利用基于专家知识库的决策树模型进行项目决策、费用需求分析和费用影响分析,介绍了该系统的几项关键技术功能的建立,如数据库的建立、自定义功能的实现决策优化流程。

关键词　决策支持;高速公路路面;地理信息系统;决策分析;费用需求分析;费用影响分析中图分类号:U 418.1 文献标识码:AAbstract :T his paper established a highw ay pavem ent maintenance decisio n suppo rt system based o n G IS ,using str ateg ic tr ee mo del based on ex per ts -know ledg e t o det ermine the r epair pro -ject ,and to analyze ex pendit ur e r equirement and expenditure impact .T he paper intr oduced t he es-tablishment o f some key techniques including database a nd decisio n o ptimization of self-definitio n.Key words :decision suppor t;hig hwa y pa vement;G IS;decision analy sis;ex penditur e r equest analy sis ;ex penditur e impact analy sis收稿日期:2005-06-27 本文以香港路劲基建公司的长益(长沙-益阳)高速公路管理系统项目为例,针对沥青路面,建立了一个基于GIS 的高速公路养护决策支持系统,以辅助管理人员进行决策,提高养护管理水平。

1　系统模型选取高速公路路面养护决策支持系统涉及到的模型主要有路面技术状况评价模型、使用性能预估模型、维修费用和决策模型。

1.1　路面评价体系在确定路面养护对策之前,需对高速公路的养护质量进行科学合理的评价,并以此作为了解路面服务水平、选择养护对策并进行优先排序的一项依据。

路面的使用性能,从不同侧面反映了路面状况对行车要求的满足或适应程度,其评价体系主要可分为5个方面:破损状况评价、结构强度评价、行驶质量评价、抗滑性能评价及综合评价[1]。

详细的评价方法和标准见《高速公路养护质量检评方法》。

1.2　路面使用性能预估模型路面使用性能衰变模型是路面管理系统辅助决策功能的理论基础。

在建立路面使用性能模型时,应依据不同的管理需求采用不同的衡量指标。

本系统采用PCI 、R QI 和结构强度衰变模型作为性能预估模型[2],以长益高速公路历年来的检测数据为基准,可以回归分析得出各衰变模型的参数。

各模型形式为沥青路面P CI 衰变方程为P CI =P CI 0[1-e-(A y)B](1)式中:PCI 0为初始路面状况指数,通常以100分计;y 为路龄;A 和B 是模型参数,其中A 为路面寿命因子,B 为曲线形状因子。

行驶质量RQI 衰变方程为RQI =R QI 0[1-e-(A y)B ](2)式中:R QI 0为初始行驶质量指数,通常以5分计;M 和N 是模型参数。

路面结构强度以路面回弹弯沉值来表征为l =l 0×a (100-PCI )/10(3)式中:l 0为初始回弹弯沉,可由路面结构组成、材料、各层厚度和模量等计算得到;A 为模型参数。

各参数都可通过经验数据回归分析得到。

详细计算方法见文献[2]。

1.3　路面养护决策模型合理选择养护和改建对策,需考虑3个方面的问题[3]:¹路面现状。

即路面各项使用性能满足使用要求的程度,依据路面不适应情况和程度选择相应的对策;º路面需改善的方面和程度。

交通量大或者发展快的路段,要采取重要的措施;»效益或者经济性。

制定一项对策,应分析比较各种对策方案的经济性,并据此选择最佳方案。

本系统采用的沥青路面维修对策集及费用集如图1所示。

图1　网级沥青路面维修对策集 养护维修决策树是系统针对公路的养护现状,采纳专家意见总结出的一系列养护对策[3],在不同类型、不同组合的路面状况下,考虑结构承载能力、路面状况指数PCI 、交通量等级、行驶质量指数、基层类型和主导损坏类型,按一般养护水平、较低养护水平和较高养护水平等定义了3种对策。

如图2所示。

图2　沥青路面养护维修决策树2　系统结构和功能通过对路面损坏数据的收集、整理,经过系统评价和预测分析,对高速公路路面的养护维修措施进行正确的决策,使高速公路路面保持良好的技术状况和服务水平。

2.1　系统功能高速公路路面的养护决策是基于有效的实测数据得出的,养护决策支持系统的建立不仅能快速有效地采集数据,还要基于成熟的经验模型对实测数据进行科学的分析。

以GIS 为平台,系统则能提供强大空间查询和分析功能,能够直观地显示道路总体状况。

系统主要功能如下。

1)信息管理。

包括路面基本数据和损坏数据的输入、修改、显示、浏览、查询、统计等。

2)地理信息。

GIS 在决策支持系统中发挥了重要的作用,它将系统中具有空间特征的信息进行可视化表达,为高速公路路面养护决策提供直观、清晰、全面的信息表达方式。

基于GIS 平台,系统可对电子地图进行图层管理,实现图文互访,进行属性信息和空间信息的双向查询。

3)系统分析。

包括路面养护质量评价和使用性能预测,系统可以根据用户自定义的标准对路面使用性能进行评价,并预测不同路段的使用性能随使用年限变化的过程。

4)决策支持。

根据系统分析的结果对各路段作出养护维修对策,包括决策和优化、综合分析,并根据不同的管理需求进行报表输出。

2.2　系统结构笔者开发的养护决策支持系统的结构,如图3所示。

图3　养护决策支持系统结构框图3　系统实现3.1　数据库的建立系统开发的基础是数据库的设计和管理[4]。

数据库又可分为空间数据库、属性数据库和专家知识库。

空间数据库存储道路的空间属性信息,处理关键是确定最小管理单元。

根据高速公路的特征,系统采用各行车方向(上行/下行)各车道的每100m 长路段作为一个管理对象,即最小单元段,在GIS 中用Polyg on 表示。

利用路劲基建公司提供的电子地图,首先将其矢量化为CAD 的图形,然后通过GIS 软件将各图层转换为GIS 格式,并为其赋以标识码“INCODE ”,惟一标识一个最小单元段。

属性数据库存储路面的基本静态信息和决策支持所必需的损坏信息和交通信息等。

同样以各行车方向(上行/下行)各车道的每100m 长路段作为一个单元段,主码为“INCODE ”。

空间数据库和属性数据库通过“INCODE ”字段建立一一对应的连接。

专家知识库包含评价指标体系和标准、预测模型、养护维修对策和维修费用。

3.2　自定义功能路面状况评价、使用性能预测、决策优化模型是养护决策支持系统的基础,随着使用年限增长、经验数据积累和外部环境、政策(交通量、资金预算)及管理需求的变化,模型的参数常发生变化。

如将系统知识库各参数设为定值,模型的适应能力则有限。

考虑到道路管理是长期的,要使系统各模型与实际情况相符,模型参数应能进行适当调整。

因此系统建立时设置了“自定义”功能。

自定义过程,即专家知识的输入和模型各参数的自定义,可在“系统设定”功能里实现。

自定义功能可确定量测指标间的转换关系、设施使用性能评价标准和最低可接受水平、各预测模型的参数、养护费用模型、养护决策树和排序方式(按性能指标或是经济指标)等,用户可根据实测数据或管理需求及时调整各参数值。

例如,路面使用性能预测模型中的破损寿命因子和形状因子是基于往年的实测数据并进行回归分析得到的,随着经验数据的积累,模型参数应进行相应的调整。

用户可以通过菜单中的“系统设定”——“预测模型”实现参数自定义过程,系统根据修改后的参数值绘出路面破损状况衰变曲线,如图4所示。

根据同样的方法,可分别对评价模型、预测模型、决策模型涉及的参数和标准进行适当调整。

图4　系统自定义功能3.3　决策优化决策优化模块包括年度计划和中长期规划两部分内容,是根据评价结果、决策树、接受标准、接受标准的优先次序和排优方法确定路段下一年度和未来10年所采用的大中修对策及其优先等级。

年度计划是指当前分析年的下一年的项目计划,以用户自定义的“年度大中修项目PCI 接受标准”作为判断依据;中长期规划项目是指当前分析年后10年分析期内的规划项目,以用户自定义的“路况指数P CI 最低接受标准”作为判断依据,决策流程如图5所示。

图5　决策优化流程图 按照上述流程图,在系统后台运行后直接得出决策结果,可为各种计划项目推荐3种方案。

3.4　综合分析 综合分析是指费用分析与项目统计、费用需求分析和费用影响分析。

费用分析与项目统计是对大中修项目与日常养护工作进行对比分析与统计分析。

用户可通过统计分析了解所关心的年度大中修项目的规模,以便进行统筹规划。

同时,道路工程师利用需求分析了解各种养护对策的应用状况,包括资金、项目数、养护面积与长度等。

费用需求分析主要分析维持某路段的使用性能在一定的服务水平之上的资金需求。

分析结果将显示不同服务水平下资金的逐年分布情况。

费用需求分析具有两类需求分析功能:¹用于分析各种路段的使用性能指标最低维持在某一服务水平之上所需要的养护维修资金;º用于分析各种路段的使用性能指标平均维持在某一服务水平上所需要的养护维修资金。

分析结果以资金分布表和资金分布直方图两种形式输出,如图6所示。

费用影响分析用于对路面中长期养护维修费用进行优化配置,得到不同投资情况下路面中长图6　费用需求分析期性能变化趋势,可以通过调整资金分布达到投资和路面使用性能的较为合理的组合,从而得到资金的较优配置和较为满意的路面服务水平。

费用影响分析允许一次输入3种投资方案,系统将给出这3种投资方案影响下路面使用性能的变化趋势。

如图7所示。

图7　费用影响分析4　实例分析基于GIS 的路劲基建公司公路路面养护决策支持系统作为一个集成的二次开发的软件系统,首先应用Access 2000进行了属性数据库的建立,用Auto CAD 2000和ESRI ArcView 3.3制作空间数据库,通过手动添加惟一标识码“INCODE ”完成属性数据库和空间数据库之间的连接,并利用建立在OCX 技术基础上的专业GIS 控件ESRI M apObject 2.0实现了图文互访、信息显示等GIS 功能;利用Visual Basic 6.0编程语言,根据评价、预测和决策模型,对长益高速公路进行了决策支持分析,其中系统在某设定条件下的养护维修决策结果如图8所示。