路面管理系统发展综述

第24卷　第3期重　庆　交　通　学　院　学　报2005年6月Vo1124No13JOURNA L OF CH ONG QI NGJ I AOT ONG UNI VERSITY June2005
路面管理系统发展综述
李　明1,Ξ　陈谦应2,　彭克刚1,　马在亮3
(11重庆交通学院土木建筑学院,重庆400074;21重庆交通科研设计院,重庆400067;
31重庆交通学院管理学院,重庆400074)
摘要:随着路面管理系统近二三十年的不断发展,它已成为公路管理部门重要的辅助管理工具.本文在回顾国内外路面管理系统发展现状的基础上,分析了发展中存在的问题,提出了相应的改进措施,并重点探讨了基于GIS平台的路面管理系统的发展方向.
关　键　词:路面管理;路面管理系统;使用性能;预测模型;地理信息系统
中图分类号:U41812 文献标识码:A 文章编号:10012716X(2005)0320069205
路面管理系统作为近二三十年公路管理方面的新兴领域,它是综合运用计算机技术、道路工程理论、工程经济分析、系统工程技术等对现有公路路面进行养护管理的综合管理技术,可划分为网级系统与项目级系统.通过对路面的有关数据如:路线名称、技术等级、里程、宽度、基层类型、修建年月等基本数据以及交通量、路面破损、弯沉、平整度、抗滑指数等路面现状数据的采集,对现有路面进行评价分析,提出养护措施建议和优先次序,进行项目级资金分析,制定年度养护计划,使有限的资金投入达到尽可能最好的路况水平,根据路网现状对路面性能进行预测和中长期养护投资预算预测,为修订养护策略、调整资金投向及领导决策提供参考[1].
由于路面管理系统具有很大的经济和社会效益,许多国家公路管理和研究部门相继开展了研究工作,并在较短的时间内取得了很大的进展,开发且成功运行了路面管理系统.比较现有的各种系统,由于各机构部门的管理体制、管理现状及各自追求管理目标的不同,以致各管理系统的差异较大.本文将通过对国内外路面管理系统发展现状的研究,提出目前路面管理系统有待改进的问题,并给出相应的解决问题的技术方案,以期促进路面管理系统的进一步发展.
1　国内外研究发展回顾
111国外发展状况
路面管理技术的研究始于70年代初期的北美,美国在经历了大规模的公路建设后,面临大量的路面养护工作.为了准确地了解公路网的破损状况,把有限的养护资金分配到最需要养护的路段上,研究人员开发了路面破损数据检测设备,建立了数据库,制定了评价方法、标准和优先养护排序模型.这种以计算机为工具的路面管理技术被称为路面管理系统[2].从70年代后期起,美国和加拿大等发达国家的许多州和省相继建立和实施了网级路面管理系统,到80年代中期,约有35个州和省已经建成路面管理系统.其中对后来路面管理系统发展影响较大的有:于1978年美国加利福尼亚州付诸实施的路面管理系统,该系统主要用于对该州的刚性路面和柔性路面进行路况监测,提供路段损坏信息及确定养护和改建对策等,同时系统能够按路面使用性能参数进行项目的优先排序,选用平整度、路面破损程度和平均日交通量三项因素作为影响排序的主要因素.此种排序方法对于网级系统来说考虑过于简单化,未能考虑项目之间的折衷.因此总的说来,该系统结构功能等还不够完善.由美国陆军建筑工程研究所开发的PAVER系统,该系统能够提供路面状况信息,进行路况评价、预测,确定目前和今后养护和改建的需要,选择可使资金得到最佳使用的养护改建项目和对策方案等,是服务于路面管理的较好的系统.在该系统中首次提出用扣分法来建立路面破损评价模型,该方法能够精确地计算和折算由多种损坏所导致的路面总体损害程度,至今仍得到广泛
Ξ收稿日期2004207207;修订日期:2004208231
作者简介:李　明(1979-),男,吉林农安人,硕士,主要从事路基路面研究工作.
应用.亚利桑那州路面管理系统在80年代初期建成并投入运营,这是一个供财政规划用的网级优化系统,该系统首次成功地将马尔可夫决策过程引入网级路面管理系统.它依据路面使用性能变量(如平整度、开裂量等),把路网内的路面划分为不同的路况状态,不同时期路网内处于各种状态的路面的比例定义为路网的使用性能,管理部门为路网使用性能设定某种目标或标准.该系统的主要管理目标是确定以最低的费用保持要求使用性能标准的全路网养护和改建政策[3].密里根州的路面管理系统管理,该系统提出了路面使用性能的衰减曲线(对数方程),并利用该方程和马尔可夫模型相结合,预测路面的使用性能从而实现了养护费用的动态规划[4].加拿大阿尔伯达省的路面管理系统包括省公路系统的和各个城市的,是相对比较综合、完善的系统,其开发采用分阶段建立和实施的方法,如路面信息和需求系统(PI NS,1982)、改建信息和优先规划系统(RIPPS,1983)及城市路面管理系统(MPMS,1988).城市路面管理系统(MPMS)功能更完善,包括数据库管理、养护计划、路网改建计划、项目级设计和分析共四个子系统,该系统较大的特点是其提出效果的概念,并将其作为优化排序的主要指标,将路面使用性能的改善当作使用者获得收益进行考虑.另外,其他国家也陆续建立了路面管理系统,如丹麦路面管理系统(1980),英国运输和道路研究所(TRR L)的公路养护评价系统(CH ART,1980等).这一时期,路面管理系统的开发与应用,极大地促进了路面管理系统发展.
112国内发展状况
我国路面管理系统的研究起始于80年代,期间陆续引进了英国的BS M路面评价系统,芬兰FPMS 路面管理系统及世界银行H DM2Ⅲ公路投资效益分析模型等,在“七五”期间,许多科研院所和公路管理部门联合(或单独)开发了一系列的路面管理系统.交通部公路科学研究所的潘玉利博士提出了我国公路路面管理系统的基本框架,路面管理系统大致包括数据库管理、路面性能评价、路面性能预测和路面养护决策四部分,并在参考国外模型方法的基础上,建立了符合我国实际的一些模型[5].同济大学和北京、广东公路管理局合作进行了路面管理系统的研究开发工作,较系统地建立了沥青路面使用性能评价体系[6],及确定了选择路面养护对策的方法.同济大学的刘可博士在其研究的水泥砼路面管理系统中提出了水泥砼路面使用性能的评价体系、养护对策模型和相应费用模型等,并采用马尔可夫法预测了路面使用性能,分析了动态优化方法在路面养护资金的财政规划中的应用,该系统软件已在浙江地区投入使用[7].对我国路面管理系统的发展与推广应用做出较大贡献的应属CPMS(China Pavement Man2 agement System),该系统是在国家重点公关项目“干线公路路面评价养护系统成套技术”的研究基础上建立的我国干线公路路面评价养护系统,作为交通部重点推广项目,已在我国多个省市得到应用,如广东省、天津等.CPMS是一个复杂的路面决策支持系统,包含道路数据信息管理、路网评价、路况性能分析、养护资金需求分析及资金优化分配等较多的功能,其各种模型建立的特点是多数基于回归技术.另外,北京、河北、山东、河南、和江西等省市的公路部门相继建立了省市级或地区级沥青路面管理系统.近几年来,由于地理信息系统(G eographic In formation System,简称GIS)的广泛引用,研究者逐渐发现GIS 应用到PMS中的潜力与广阔前景.广东省高速公路数据库管理系统开发时加入了GIS子模块,实现了简单数据的图形及文字之间的相互查询,由于没有动态分段功能,故不能实现路段数据的动态显示功能[9].由孙[10]主持的基于GIS的城市道路管理系统中,在实现基本的道路管理及分析功能的基础上,在数据管理部分通过GIS功能实现了数据的可视化管理,使得系统软件交互性、直观可读性增强.总的说来,国内的路面管理系统在近20年时间里取得了长足的进步,同时在GIS应用方面也做了些有益的探索,但其进一步应用还有待深入研究.
2　存在的主要问题
从以上的阐述中可以看出,路面管理系统不论在理论上还是在方法上均已日趋完善,许多国家和地区已经成功的开发并得以应用实施,创造了巨大的经济和社会效益.但纵观已应用的众多的路面管理系统,不难发现仍然存在诸多问题,需进一步改进和提高,现总结为以下几点,以供共同探讨:
(1)从建立模型和其功能目的上分析,路面管理系统的更新换代经历了三个时期.第一代PMS基本上是一个路面数据库系统,其功能和结构都很简单.在数据库系统的基础上,增加了路面使用性能评价、使用性能预测和决策子系统,形成了较为完善的路面管理系统,这个阶段可称为第二代PMS.在第二代PMS中,系统的决策方法既有经验性的,如路面对策选择时的决策树法和项目确定时的简单排序法,也有一些数学规划方法[11].尽管这种系统在一定程度上可以满足管理者目前的需求,包括编制年度计划或中长期计划.但仍然存在些不足,总结为以下方面:①评价和决策原则(知识)与评价和决策的过程是混为一体的,这样不便于随着时间的推移而改进
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评价与决策原则;②系统的各环节只能提供一个符合现有政策和习惯的决策结果,随着经济水平和工艺水平的提高,一些高层次的管理人员非常关心今后的路面投资政策、路面设计思想或标准的合理性,现有系统无法提供这方面的比较信息;③设计的系统缺乏分析比较功能,试图用系统决策代替管理人员的决策.目前,国际上路面管理系统的研究正处于第三代系统的研制时期,将对上述不足进行改善.而基于地理信息系统(GIS)的路面管理系统就是这种新一代管理系统的样式之一.
(2)已经得以应用的路面管理系统,不论繁简,都是根据各机构部门的具体情况和经验,为解决本部门的具体问题而设计开发的,每个系统的结构都不相同.另外由于各单位的管理体制、管理方法和管理状况各不相同,各个系统追求的管理目标也相应不同,即使有些相似,但由于各个单位的设备条件、经济条件等的限制,各个系统的参数、涉及范围及功能亦不相同.这必将造成多次重复开发,甚至做同样烦琐的工作,导致资源消耗浪费.典型的如,在路况数据采集系统中,各机构除了在检测仪器上的不统一,各自的检测方法亦不尽相同,导致各开发者很少在自己的系统中采用其他管理系统的数据去建模或检测模型[12].国内的系统同样是存在各自为政、重复开发、缺乏合理引导的问题.信息共享、数据获取与更新机制和技术没有解决,许多必要的数据标准规范没有建立起来.一些管理系统产生上述问题,除数据采集手段落后的客观原因外,落后的系统开发水平、技术手段、管理体制和较低的应用水平等是主要原因.因此,重视对诸如路况数据检测的仪器设备和方法等加以规范化,不但能给以后建立路面管理系统提供可靠的数据保障,还能极大地减少重复的开发投入.
(3)在路面使用性能评价模型建立及方法采用方面,如,AASH O的PSI(路面服务性能指数),日本的MCI(养护管理指数),美军的PCI(路面状况指数),多采用主客观相结合的方法,就是利用仪器客观的量测路面的物理指标(平整度、车辙、损坏状况),同时组织有经验人员组成评分小组对之进行主观评分,通过采用回归技术建立两者的联系后形成使用性能的评价.这种方法往往带有较多的主观成份,而且如,损坏状况的优或差,行使质量的可接受或不可接受,结构承载力的足够或不足等,都不是很清晰明确的概念或定义,也没有很严格的分界线,不存在“非此即彼”的固定的对应关系,因此应用模糊集合理论进行使用性能评价是较为合适的,可以通过建立隶属函数更确切地反映养护专家们的意见和经验.另外文献[13]提到的模糊神经网络法用于沥青路面使用性能的评价,其选用沥青路面的指标为:路面状况指数PCI、路面强度系数SSI、国际平整度IRI、路面抗滑系数SFC作为神经网络的输入层,中间隐含层进行模糊化处理,输出层输出综合评价值,这种评价方法更好的处理了综合评价指标与影响因素之间复杂的关系,具有一定的应用价值.
(4)比较以往成功应用的路面管理系统,在路面使用性能预测方面,大多采用了不同的预测方法.如,美军的PAVER系统、美国华盛顿州的系统等采用经验(回归)方法建立使用性能预测模型;美国亚利桑那州的系统、北京市公路沥青路面管理系统采用了概率模型法建立马尔可夫模型进行预测.经验(回归)方法虽然简单、易操作,但它的精度受到诸多因素如资料和数据的准确性、充分性等的影响,这种方法建立的模型很难反映环境因素与使用性能之间的复杂的关系.采用概率型模型法能够反映荷载、材料、环境和养护水平等因素的变异所导致的路面使用性能不确定的变化,但由于是对状态概率转移矩阵进行预测,不如对路况指标预测直观.随着许多新的预测方法的应用,如采用人工神经网络法预测路面使用性能[14],较好的克服了上述预测方法的不足,由于神经网络具有良好的非线性品质,具有在任意精度内逼近非线性映射的能力.通过对平整度、摩擦系数、强度破损三个指标的预测分析,与实际检测结果几乎一致,比较客观地反映路面的衰减规律.文献[15]中采用灰色理论进行了路面使用性能预测,其根据灰色系统理论中的数列预测理论,针对高速公路沥青路面使用性能中的3项基本指标(路面平整度IRI、路面回弹弯沉L和横向力系数SFC)建立了灰色预测模型,并采用绝对关联度分析模型的预测精度,通过将预测结果与路面实测数据的对比可知,该方法的预测结果较好的反映了路面使用的实际情况.这些方法的采用必将进一步促进预测模型的发展,影响路面使用性能的诸如面层结构组合、交通荷载、环境因素、施工质量和养护水平等难以量化的因素,得以更为客观的反映,具有一定的应用价值.
(5)我国的已开发并实施的路面管理系统适用于一般的等级公路是比较合适的.这主要是因为我国开发的系统,基本上以较多的低等级路网的管理为背景,因此,随着我国高等级公路的迅速发展,各公路管理部门将面临大量高等级公路的管理和维护,原来系统的不合适的地方将显露出来,主要表现在所用的路面使用性能的评价方法、预测模型不完全适用于高速公路路面管理,影响了路面养护对策
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第3期 李　明,等:路面管理系统发展综述
决策的科学性.如在实际应用中,将高速公路上调查的数据直接代入养护规范上的公式,发现算得的路面状况指数和行驶质量指数均非常好,然而却与实际路况差别较大[16].这主要是因为高速公路交通状况有其自身的特点,诸如交通量大、车速高、重载交通多以及渠化交通现象严重等.而我国交通部推广的CPMS系统中路面状况指数(PCI)一项评价指标包含了全部破损类型,没有突出和区别裂缝和车辙等,不能反映高速公路路面破损特点,缺乏客观性,也是造成评价结果失真的原因.要解决上述问题,就要针对高速公路交通状况的特点,依据其性能影响因素(平整度、强度、破损率、车辙、抗滑性能)重新建立适应高速公路路面使用性能评价和预测模型.设想建立一个综合性强、覆盖面广的系统,既适应一般公路的管理,也可应用于高等级公路的管理,这样将会充分利用资源,节约开发资金.
(6)目前我国众多路面管理系统开发者面临的棘手的问题就是用以建库、建立模型及检验模型所需的路面可靠数据严重不足,缺乏必要的路面性能实测数据的积累,有些系统即使有历史数据可用,但与系统的要求相差很远,导致无法使用.这样不但使一些行之有效的建模技术不能应用于管理系统中,还将影响已建成的模型的准确性,使模型的可靠性大为下降.缺乏数据支持,还将制约路面使用性能评价与预估建模技术的发展,一些新兴的评价预测方法,如人工神经网络预测法(需要大量的准确的历史数据进行模型训练),很难在路面管理系统中加以应用,阻碍了我国路面管理系统的发展.因此,需要把积累历史数据当作一项重要工作来抓,使之管理上制度化、操作上规范化,建立先进的路况数据采集系统,定期采集数据,进而积累大量有效的路面性能历史数据为路面管理系统的成功建立打下坚实基础. 3　今后的发展方向
道路管理与养护过程包括了需求分析,数据采集与分析,数据库建立,应用模型建立以及数据更新等;在此过程中,还要考虑各种自然或人文因素;但不论前者还是后者,都具有两种基本资料数据,一为空间数据,即事物在地理空间上的位置,一般以图形的形式表示,如地区交通路线图;一为属性数据,描述此现象的特征,由文字与数字组成,往往以表格的形式表示,如各类技术普查和统计报表.在传统的管理系统中,二者几乎是完全分开的,如果在对于管理范围内的设施不熟悉,数据更新又跟不上管理的需要,数据老化严重,而属性数据多是表格的情况下,非专业人员与经验丰富的工程师难以迅速判断数据与其代表的实际对象当前状况的一致程度.而图形总是直观的,无论是什么层次的人员,都能基于图形对空间事物和实地对象的属性按自己的理解与经验做出判断[11].另外,传统的系统模型尽管处理属性数据的功能已日臻成熟与完善,但对于空间数据的处理还急待进一步发展,而新技术、新理念的不断涌现也为传统管理系统的革新拓宽了思路,更多的边缘学科相互融合使得管理系统的发展进入了一个全新的时代.地理信息系统(GIS)最大特点就是具有强大的空间数据处理能力,因此,基于GIS平台的路面管理系统将是未来的重要发展方向之一.
GIS是指在计算机硬件、软件系统的支持下,以地理空间数据库基础,采集、储存、管理、分析和描述整个或部分地球表面(包括大气层在内)与空间和地理分布有关的数据,为地理研究和地理决策服务的空间信息系统.目前已经广泛地应用于土地资源管理、环保、地质、城市规划、军事、气象等多个领域. 311路面管理系统中GIS的主要功能
路面管理系统中GIS作为对道路进行形象化管理的工具,应该具备的主要功能包括:①对道路等具有地理空间特征的数据进行输入、编辑、存储等;②空间几何信息的任意放大,缩小及漫游等;③建立空间数据与相应的道路其它属性数据的对应关系;④实现空间几何数据和属性数据的动态交互查询;⑤可以用图形信息动态显示道路不同时期路面状况及各种病害分布;⑥动态显示道路不同时期哪些道路需作维修、采用何种维修改造方案及费用[18];⑦具有基本的空间分析(叠加分析、缓冲分析等)功能;⑧方便制作各种专题图,增强对数据潜在信息的挖掘能力.
312基于GIS路面管理系统的结构
根据路面管理系统要实现的功能和管理目标,综合应用地理信息系统(GIS)强大的空间数据处理能力,设计基于GIS的路面管理系统的逻辑结构图见图1.
为了实现公路管理的信息化、现代化和科学化,同时也使管理系统展现出图文并茂新景象,利用GIS的空间信息处理能力实现路面管理系统的可视化己成为一种趋势.更重要的是,基于GIS的路面管理系统由于拥有非常直观的图形表示,使得在完成管理任务时比传统的管理系统更加便捷、高效.
4　结 语
路面管理系统是为适应大规模、高速度和高质量的公路养护管理要求而发展起来的现代综合管理技术,它改变了传统落后的公路管理方式,使公路管理决策更加客观化、信息化和科学化.各国路面管理系统应用的实践证明,推广和实施该公路养护管理
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图1　系统逻辑结构
技术将是未来发展的必然趋势.尽管目前运行的系统还存在一些不足,但随着各种学科技术的进步,各种新技术、新方法的不断涌现,最终将促进路面管理系统的发展和完善.本文意在通过国内外路面管理系统发展现状的回顾,分析系统发展中存在的问题,给出相应的技术改进措施.同时,文中重点探讨了地理信息系统在路面管理中的应用,这无疑将是未来的重要研究方向,它的成功应用必将大大促进公路管理的直观化、可视化,给管理者们带来方便.笔者的一些浅显建议,希望能对系统开发人员起到抛砖引玉的作用,以促进路面管理系统的发展和完善.参考文献:
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