第一节路面管理系统在公路养护决策中的应用

第一节第一节 养护专业道路桥梁检测的任务与路面管理养护专业道路桥梁检测的任务与路面管理 系统在公路养护决策中的应用系统在公路养护决策中的应用 1、概述 20 世纪 70 年代初期，在经历了大规模的公路建设之后，突如其来的巨大 公路养护需求、养护资金短缺和公众对快速安全出行要求的提高，使西方发达 国家公路养护管理部门遇到了前所未有的新问题。面对突然到来的大规模公路 养护时代，西方国家投入巨大的人力、物力和财力，实施了系统的、科学的研 究，开发了新的检测技术、检测装备、科学的决策理论、决策方法，基于全寿 命的养护设计技术和新型养护材料，建立了现代养护决策制度体系。通过新技 术的广泛应用， 改变了传统的公路养护模式，缓解了公路养护的压力，使公路养护走上了可持 续发展的道路。 30 多年后，国外遇到的问题在我国重现。公路建设的快速发展，使我国公 路养护里程迅速增长，与此同时重载交通和交通量的快速增长和快速出现的路 面大中修养护需求，使我国公路养护管理部门承受了巨大的压力。国外经验表 明，大规模公路建设之后将是更大规模的公路养护。这一规模在我国高速公路 上表现得尤为突出，在已通车 5 万多公里的高速公路中，早期(1988“-“1993 年)修 建的公路已经基本达到了路面设计寿命，许多区间和路段需要实施大中修养护 甚至改扩建工程。根据预测，到“十一五”末，我国高速公路的养护速度将超 过建设速度。预测在不久的将来，高速公路的路面大中修养护里程将分别达到 每年 7000km 和 8000km，国省干线的发展趋势也是一样，并将长期维持在这一 水平之上，每年的大中修养护里程将超过养护总里程的 15-20。为此，公路 管理部门不得不面对长期、繁重的养护任务。目前，我国在公路养护方面，无 论是理念、模式、技术还是装备，都远远滞后于公路养护的需要，主要表现是： (1)公路评价与养护决策以传统的经验方法为主，缺乏面向损坏、基于原因 2 的养护计划性，由此造成大量的养护资金浪费； (2)长期公路养护资金需求与养护费用投入缺乏科学的规划性； (3)公路养护管理缺乏科学的监管手段，路面技术状况的检测方法落后，关 键指标人工检测； (4)养护管理缺乏现代化的制度保障体系，新技术、新装各、新方法无法得 到有效实施。 公路养护科学决策模式是我国公路养护管理的实际需要，也是公路发展的 必然趋势。通过现代公路养护决策模式研究与实施，将有力推进我国公路养护 管理的科学化、现代化和规范化建设，改变以往的传统模式，促进公路养护的 科技进步。 2 2路面管理系统的概念与背景路面管理系统的概念与背景 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，面临着大量的、同时到来的路面养护工作。为了准确地了解公路网 的破坏状况，把有限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、标准和优化排序模型。 这种以计算机为工具的路面管理技术称为路面管理系统的内容得到了扩充，技 术也初步成熟。 美国在 AASHO(美国国家公路与运输协会标准)路面管理系统指南中，把 PMS 定义为：用于决策者在公路评价、养护中寻求投资有效分配方案的工具。 澳大利亚道路研究所把 PMS 定义成：用于优化利用路面养护可用资源，包含信 息采集、信息分析和方案决策的管理方法。 路面管理系统是一个复杂的决策系统，它涉及了道路工程、工程经济、系 统工程、计算机等多方面技术，是与道路规划、设计、施工、养护、评价和研 究各种活动相关的、协调的、综合统一的集合。路面管理系统是现代化养护决 策技术的核心，目的是使管理部门通过这样一个平台能有效地使用资源(资金、 劳力、机械设备、材料、能源等)，以最低的资源消耗，提供并维持在预定使用 期限内具有足够服务水平的路面。 3 3路面管理系统发展现状 31 国外发展现状 20 世纪 70 年代北美洲公路发达国家首先提出了基于现代检测、评价与决 策技术的路面管理系统概念。路面管理系统概念一经提出，即被世界主要国家 的公路管理部门、研究院所、学校、国际金融组织等机构采用。其中，美国、 英国、德国、法国、芬兰、新西兰、澳大利亚、南非、世界银行和亚洲银行等 国家和金融机构为了提高公路管理水平和公路投资的使用效益，投入了大量资 金和技术力量，重点研究了路面使用性能评价技术和评价标准、路面长期使用 性能预测技术、基于系统工程理论的路面养护决策技术、公路养护资金优化分 配技术、包含道路用户费用的养护投资效益分析技术、全寿命周期费用分析技 术和路面大中修养护设计技术。历时 20 余载，在关键技术研究的基础上，逐步 完善和丰富了路面管理系统技术体系，建立了不同版本、适合不同公路管理体 制和养护需求的路面管理系统，实现了公路评价、养护项目优先排序、路面使 用性能预测、养护需求分析、资金优化分配和路面大中修养护全寿命周期设计 的现代化、科学化和规范化。在几乎全面推广应用的同时，各国也制订了相关 的路面管理系统及配套检测技术的应用规范、标准和制度。许多西方发达国家 甚至通过立法，将基于路面管理系统评价与决策结果的公路养护规划与养护计 划，作为“国会”每年一度的公路养护预算审批及养护资金使用效益评估的依 据。 路面管理系统的推广应用有效提高了各国公路养护管理的水平和养护资金 的使用效益，促进了公路养护管理的现代化、科学化、规范化建设，主要效益 表 现在： 1与路面管理系统配套的路面检测技术与装备的应用，使公路养护部门能 够准确、客观和快速地掌握路面使用性能和公路技术状况的变化趋势； 2路面管理系统的应用，使公路管理部门能够准确评估路面的技术状况， 预测未来路面使用性能和公路养护需求，科学编制公路养护预算报告、年度养 4 护计划和长期养护规划； 3基于路面管理系统的养护分析报告，已经成为许多国家政府部门(如， 国会、财政、审计等部门)年度财政预算审批和养护工程审计的基本依据； 4有关现代化的管理制度、规范和标准的制订，促进了现代养护决策模式 的形成及普及； 5路面管理系统带动了相关新技术的广泛应用，提高了管理水平、养护效 率和养护资金的使用效益。 公路养护科学决策的主要技术是路面管理系统。目前 70以上的国家和地 区正在使用不同的路面管理系统。这些系统的应用在很大程度上促进了公路检 测护计划技术的进步。为了对公路资产实施全面有效的科学管理，英国、芬兰、 南非、澳大利亚等国家还研究开发了以路面管理系统为核心的、包含路基、桥 隧构造物和沿线设施的公路资产管理系统(Roads Assets Management Systera)。 在全面应用路面管理系统的同时，为了适应新的公路养护管理要求，西方 发达国家对路面管理系统的模型、参数、标准、规范、装备、软件和政策进行 了持续的研究。许多国家，如英国公路署已经完成了第三代路面管理系统的开 发。在西方发达国家，路面管理系统已经是公路养护管理工作的重要组成部分， 通过开发、推广和维护路面管理系统，来完成艰巨、复杂和年复一年的公路网 检测、路况评定、养护分析、规划编制、计划制订和绩效评定等工作。在今天 看来，没有路面管理系统，完成上述如此复杂的任务不可想象，也正因为如此， 路面管理系统的作用在西方国家才愈显突出。 3.2 国内发展现状 我国第一次接触路面管理系统是 1983 年交通部组织实施的中国与英国政府 间的科技合作项目。引进了英国的 BSM 路面管理系统。在辽宁营口市试点应 用的基础上，结合当时国内公路养护管理的特点，基于 BSM 技术和构架，在 1985 年，研究开发了我国第一套具有中英混合技术的 PMMS 路面养护管理系 统，并在福建龙岩和云南试点应用。PMMS 在研究过程中得到了英国海外开发 署和项目执行单位伯明翰大学及英国运输研究所(TRL)等国际机构的支持，它的 5 意义在于为我国通过国家科技攻关项目大规模研究路面管理系统提供了经验、 培训了人才。 为全面研究路面管理系统新技术，1986 年交通部科技司委托交通部公路科 学研究(院)所主持研究了“七五”国家重点科技攻关项目“干线公路路面养护 评价成套技术” ，项目研究历时 5 年，50 多位有经验的工程技术人员加入了研 究和实验工作。在实施“七五”国家重点科技攻关项目“干线公路路面养护评 价成套技术”过程中，为了及时吸收国外的经验和新技术，1988 年交通部科技 司委托交通部公路科学研究(院)所，组织了世界银行 HDMIII 公路设计与养护 模型在云南的引进与推广试点工作(1988-1990)。出于同样的目的，1989 年交通 部公路司委托交通部公路科学研究(院)所，组织实施了芬兰路面管理系统在山 东省济南市的引进与试点应用式作（1989-1990） 。通过深入的理论研究和大量 的野外道路实验，在充分吸收国外新技术和成熟经验的基础上，交通部公路科 学研究(院)所在项目参加单位的支持下，依托“七五”国家重点科技攻关项目 “干线公路路面养护评价成套技术” ，于 1 990 年研究开发成功了具有我国自主 知识产权的“干线公路路面管理系统(CPMS：Pavement Management System for ChinaHighways)” 。CPMS 包含了对沥青、水泥和砂石路面的养护管理，主要作 用是协助公路管理部门实施：路况评价分析(包括路面使用性能和交通量等各 种道路因素的评价分析)；养护需求分析(预测各年度的路面大中修养护费用 和养护措施)；养护投资分析(分析不同投资水平对路面使用性能的影响)； 养护资金优化分配；公路养护计划编制。 为了推进我国公路养护管理现代化，1991 年，交通部决定依托“八五”和 “九五”国家重点新技术推广项目“干线公路路面管理系统(CPMS)推广应用” 项目，利用 10 年的时间，在全国分二批、有计划地全面推广应用了路面管理系 统(CPMS)成套技术。 从 1983 年开始，经过 20 多年的技术引进、关键技术攻关研究、自主技术 开发和系统的推广应用，我国在公路检测、公路管理与养护技术方面取得了长 足的发展。研究成果覆盖了路面快速检测技术、检测装备、公路评价技术、养 6 护决策技术和相关的标准规范。 4路面管理系统组成及功能原理 综合的路面管理系统从功能上划分一般由数据采集系统、数据库管理系统、 评价决策系统，综合演示分析系统 4 个部分组成，不同的组成部分有不同的作 用，按照实现手段可将路面管理系统划分为路面管理硬件系统，和路面管理软 件系统，其中，数据采集系统为硬件系统，后三个子系统为软件系统。下图所 示，为路面管理系统详细组成说明。 4.1 数据采集系统 路面管理系统决策的依据是大量、精确的数据信息。数据信息的取得依赖 于高效、快速的检测设备。数据采集设备和采集方法的研究在路面管理系统的 应用 路面管理系统详细组成说明图 中占有很大的比重。 “十五”期间，路面数据采集以人工方式为主，对于路 面病害，采用目测和简单工具丈量的方式记录；而对于车辙和平整度采用三米 尺等方式测量。传统的路面数据采集方式费时、费力、精度低、影响交通、危 险性大，数据采集周期长，数据更新难以保证。基于此， 公路技术状况评定标 准(JTG H202007)中强调，路面检测宜采用自动化的快速检测方法。路面自 路面管理系统 硬件系统：数据采集系 统 平整度检测设备 路面车辙检测设备 路面病害检测设备 路面弯沉检测设备 路面抗滑性能检测设备 软件系统 数据库管理系统 评价决策系统 综合演示分析系统 路面管理系统 数据文件 数据库管理 路面使用性能评价系统 养护分析决策系统 养护分析 GIS 演示平台 专家核准 7 动化检测设备的应用是路面管理系统的研发及推广的前提和保障。 国外常用的道路自动化检测设备有加拿大 Roadware、澳大利亚 ARRB、美 国 Waylink 等。国内的有武大卓越 RTM、交通部公路研究所 CiCs、南京比奇 等。 辽宁省公路勘测设计公司引进的路面自动化检测车配有高分辨率线阵路面图像 采集系统、激光三维车辙测量系统、CCD 前方景观测量系统、惯性补偿的激光 平整度测距系统、GPSDMI 组合定位系统等传感器系统以及车载计算机、嵌 入式集成多传感器同步控制单元等设备。数据采集单元主要集成在车身外围， 通过 各类传感器、定位设备与同步控制器的结合来实现路面图像、路面车辙及 变形、 沿线道路设施、平整度及道路几何参数等数据同步采集、存储。 路面自动化检测总体方案图 车载路面快速检测与测量系统 主控与集成定位控制系统 平整度测 量系统 车辙测量 系统 路面病害 检测系统 沿线设施 检测系统 数据处理与管理信息系统 8 公路技术状况评定标准 （JTG H20-2007）中规定，MQI（公路技术状况 指数）包括路基、路面、桥隧构造物、沿线设施。其中，最为重要的是路面使 用性能（权重为 0.70） ，包括路面损坏、道路平整度、路面车辙、路面抗滑性能 和路面结构强度 5 项内容。 由于路面损坏、道路平整度、路面车辙、抗滑性能和路面结构强度等指标 具有不同的值域，直接使用上述指标值不便于路面使用性能评定和公路养护管 理，因此公路各项评定指标归结为有系列的、具有统一评价尺度（0-100）的评 价模型。 4.1.1 路面损坏状况指数 PCI 4.1.1.1 路面损坏状况指数 PCI 计算 9 沥青路面损坏分 11 类 21 项。路面破损状况由路面损坏状况指数（PCI）指 标反映。PCI 的计算通过路面表面各种类型的损坏加权累积计算。我省公路以 沥青路面为主，对于沥青路面，PCI 计算公式如下： 1 0 100 DRPCI A A DR i i ii 0 1 100 DR路面破损率，路面各种破损折合面积和与调查面积比（%） ；Ai 第 i 类路面损坏的面积（m2） ； A调查的路面面积（调查长度与有效路面宽度之积，m2）; 第 i 类路面破损中破损的权重； i 10 沥青路面采用 15.00，沥青路面采用 0.412； 0 1 包含损坏程度（轻、中、重）损坏类型总数，沥青路面 21； 0 i 4.1.1.2 路面病害检测及原理 路面自动化检测车路面图像采集系统 由线扫描 CCD 相机、GPS 与车轮编码器组 合定位模块、辅助光照明三个部分组成。 由辅助光照明系统消除环境光干扰，通过 车身属部线扫描相机对路面进行高速连续 拍摄，得到路面图像数据，检测数据可直 接传输到计算机，通过车载计算机实时存 储。 对路面图像采用自动识别结合人机对 话方式判断病害类型、圈定病害范围。对 于现有快速采集设备（无论国内国外） ，对 于路面裂缝等病害的自动识别都还处于较 低水平，对于特殊情况下，能达到较好识 别水平，但是对于绝大部分情况，需要人 工干预。 路面损坏类型和数量通过自动识别和 人工干预以后，处理结果直接存入路面数 据库。根据标准中规定的算法，通过报表系统可以直接生成路面破损状况指数 PCI 结果。 11 4.1.2 路面行驶质量指数 RQI 4.1.2.1 路面行驶质量指数 RQI 计算 路面行驶质量指数（RQI）衡量车辆在道路上行驶的舒适程度及道路的平 整度。平整度不良影响乘车舒适性、降低汽车速度、加速车辆零部件损坏、增 加车辆运营费用。平整度从舒适性、车速、经济性和道路养护四个方面影响公 路与行车质量。 IRI e RQI 1 0 1 100 高等级公路和一级公路采用 0.026，其他等级公路采用 0.0185。 0 高等级公路和一级公路采用 0.65，其他等级公路采用 0.58。 1 4.1.2.2 路面平整度检测及原理路面平整度检测及原理 自动化检测车激光平整度测量系统由 2 个激光测距器和 2 个加速度计组成， 分别安装于两后车轮前方，通过测量路面距离和加速度计采集的车辆颠簸情况 得出路面纵断面各点的相对高程，测量精度为。根据检测结果进行分mm1 . 0 析，通过采用加速度计惯性补偿的国际平整度计算方法，计算国际平整度指数 （IRI） （单位 m/km） 。 路面平整度检测数据通过报表系统，根据标准中规定的算法，直接生成检 测路段的路面行驶质量指数 RQI 结果，并进行优良率统计。 12 4.1.3 路面车辙深度指数路面车辙深度指数 RDI 4.1.3.1 路面车辙深度指数路面车辙深度指数 RDI 计算计算 车辙是沥青路面的结构性破坏之一，多见于分道行驶、面层结构较厚的高 等级公路。车辙导致行车的舒适性降低，雨天车辙的积水对行车的安全性威胁 较大。路面车辙用路面车辙深度指数（RDI）评价。 )(0 )()(60 )(100 1 0 b b RDRD RDRDRDRDRD RDRDRD RDI RD车辙深度（mm） ； 车辙深度参数，采用 20mm； RD 车辙深度限值，采用 35mm； b RD 模型参数，采用 2.0; 0 模型参数，采用 4.0; 1 4.1.3.2 路面车辙检测及原理路面车辙检测及原理 13 路面自动化检测车激光车辙测量系统由安装于车身后部的 2 套线激光发射 器和车辙 CCD 相机组成，在同步控制器的触发控制下对道路变形进行测量。通 过对相机拍摄的线激光在路央上的形变情况进行取点分析可以检测出左右车辙 深度等信息。 路面车辙采集数据通过报表系统，根据标准中规定的算法，直接生成路面 车辙深度指数 RDI 结果，并进行优良率统计。 4.1.4 前方景观测量系统前方景观测量系统 前方景同测量系统能够按一定距离间隔（10-100 米）采集道路前方图像， 图像清晰不失真，所有拍摄取图像可数字化存于大容量数字存储介质以供实时 或后台软件处理，系统由两台逐行扫描彩色摄像机组成，相机分辨率为 13921040。可调查的道路设施包括交通标志牌、道路标线、隔离栅、绿化带、 电线杆、护栏、桥梁、隧道等。通过前方景观测量软件量测沿线设施几何尺寸。 从而统计得到沿线设施技术状况。 14 4.2 数据库管理系统 路面管理系统是借助于计算机技术进行路面养护评价、预测、分析和决策 的计算机辅助系统，数据库系统是这一系统的基础。系统所需各种路况数据以 不同的方式采集后输入计算机，通过数据库加以处理和管理，为系统的评价、 决策提供所需的数据。数据库系统一般由路网参照系统、数据文件和数据管理 三部分组成。下图所示为数据库管理系统组成说明图： 数据库管理系统组成说明图数据库管理系统组成说明图 421 路网参照系统路网参照系统 公路是路面管理系统的主要管理对象，本身具有典型的线性特征。传统的 公路管理通常采用里程桩作为公路的参照系统。随着计算机的应用特别是 GIS 技术的普及，大地坐标定位参照系统也将被广泛使用。 公路里程桩定位参照系统 公路网是由若干条路线组成的。每一条路线具有其特定的编号及沿着一定 数据库管理系统 路网参照系统 公路里程桩定位参照系统 大地坐标定位参照系统 数据库管理：数据的增、删、改、查等操作 数据文件 静态数据库 系统基本数据库 决策数据库 15 方向建立的、表示与路线起点距离的里程桩。假定用线来表示公路，这就构成 了公路里程桩定位参照系统。 由路线编号和里程桩所组成的数据与公路上的实际位置构成了一一对应的 关系。即路网中任意一条公路上的任意一点均可由其路线编号和里程桩进行定 位。同样，给定有效的路线编号和里程，路网上必有一点与之对应。里程桩定 位参照系统的最大优点是简单、直观、定位方便。因此，在传统的公路管理中， 一直将其作为公路定位参照系统。 这一参照系统的缺点是变更困难。例如，某一条线路的某一部分经过改建 实际里程发生了变化，若要准确地反映这一变化，就需要更改从里程变化点至 终点的里程桩，对于长距离、夸省市的路线随时进行这种改变是十分困难的。 在实际管理中这种改变不是随时进行的，这就造成了在一定时期内局部里程桩 的长链、短链和断链。 大地坐标定位参照系统 我们知道，空间中的任一点可用三维坐标精确描述。三维大地坐标定位系 统是三维坐标系统的形式之一。应用三维大地坐标定位系统，地球表面的任一 点，均可用这一点的经纬度坐标和高程来确定。 如果将公路看做是覆盖于地球表面具有一定特性的连续点构成的实体，就 可以利用三维大地坐标定位系统精确地描述公路。这样，路网中任一条路线上 的任一点，可由这一点所处的经纬度坐标和高程来表示。 与经纬度数据变化的范围相比，高程的变化是十分微小的。因此，大多数 高程数据影响不大的场合，通常忽略高程而采用二维大地坐标定位系统。对于 公路设计来说，高程是十分重要的数据。但在公路网管理中，根据所需要的数 据精度要求，可采用二维大地坐标定位系统。 在路面管理系统中采用大地坐标定位作为参照系统的优点在于： 1)定位准确且不会因路线的一部分改线而影响其他部分的定位； 2)易于计算机的地图信息处理。 与里程桩定位系统相比，大地坐标定位参照系统的缺点是： 1)数据采集困难，精度要求高，成本高，工作量大。 2)与习惯的管理方式不一致。 16 422 数据文件数据文件 路面管理系统是以公路信息数据为基础的管理系统，完善的数据文件结构 关系是系统功能实现与系统稳定的保证，通常数据库系统涉及大量的数据信息， 组织数据文件，建立以下数据库： 静态数据库 一次采集和输入后，除特殊情况不改变的数据存储在静态数据库中，它们 包括路线编码(路线名称、路线起点、路线终点、路线长度、路线走向)，政区 编码(政区编码与名称)，养管单位编码(养管单位编码与名称)，区间编码(区间 划分、区间编码、技术等级)，路段编码(路段划分、路段编码、路段起点、终 点、长度、路面宽度、路基宽度、路肩宽度、车道类型、路面等级、面层结构 编码、面层结构类型、基层结构编码、土基结构编码)。 以上数据编码及命名依据公路路线命名编号和编码规则命名和编号规则 (GB917.1-89)， 公路路线命名编号和编码规则 国家单线公路路线名称和编号 (GB917.2-89)， 中华人民共和国行政区划代码(GB226088)， 公路管理养 护单位代码编制规则(JT002290)， 公路路面等级与面层类型代码 (GB920-89)等相关规范标准制定。 系统基本数据库系统基本数据库包括交通量数据、病害、平整度、车辙、 弯沉、处治历史等数据，其中使用性能评价指标类数据以百米为单位存储在基 本数据库中。 决策数据库 在决策数据库中存储技术状况评价划分阀值、养护决策数据阀值、养护处 治后技术状况指标增长值、指标的衰减值、养护措施及造价、养护分析预测年 数等有关系统决策、分析的阀值数据。 423 数据库管理数据库管理 路面管理系统是管理大量公路信息的系统，在路面管理系统的建立和使用 过程中，都需要随时对其中数据进行增加、删除、修改和查找等操作，这些操 作统称为数据库管理。数据库管理的实现，有两种方法，分别是：直接在数据 库上操作和通过程序操作数据库。 17 43 评价决策系统 系统以公路技术状况评定标准(JTG H202007)等相关规范为依据，按 照数据库组织结构，分析统计采集数据，计算评价指标，将评价结果导入数据 库。 再根据评价结果对路段、区间、路线和路网进行养护分析决策，实现养护需求 分析、养护性质分析、养护方案分析、养护造价预算分析及养护预测分析。 431 路面使用性能评价系统路面使用性能评价系统 4311 路面使用性能评价指标路面使用性能评价指标 在公路技术状况评定标准(JTG H202007)中，公路技术状况评价包括 对路面、路基、桥隧构造物和沿线设施的技术状况进行评价。路面和桥隧构造 物是重点，路基和沿线设施次之。路面是重中之重 对路面和评价指就是路面使用性能评价。路面使用性能是一个覆盖面很宽 的技术术语，泛指路面的各种技术行为。比较一致的看法是：路面的使用性能 包括 5 个方面，即损坏状况、行驶质量、结构承载能力、行驶安全性和外观， 所以，通常的路面评价方法都是根据这几个方面进行设计。 一般而言，评价指标分为综合性指标和单一性指标两大类。综合性指标是 对路面使用性能的综合测度，它可以综合地表征路面使用性能的复杂内涵。单 一性征路面使用性能各组成部分的详细情况。 国外评价指标 20 世纪 60 年代初期，美国实施了 AASHO(美国国家公路与运输协会标准)道 路试验，提出了路面使用(服务)性能评价指标 PSl(Prescent SeriviceabilitvIndex)， 建立了 PSI 路面评价模型。PSI 评价模型的建立标志世界范围路面使用性能评 价技术研究的开始。在随后的 20 多年里，随着检测技术的进步、装备水平的提 高和路面管理系统(PMS：Pavement Management System)的深入研究及广泛应用， 许多国家(包括加拿大、英国、芬兰、法国、日本)和国际机构(世界银行)先后提 出了不同的路面评价指标，建立了不同的路面评价模型，其中包括加拿大的行 驶舒适性指数(RCI：Riding Comfort Index)、英国的道路状况指数(RCI：Road Condition Indicator)、日本的养护管理指数(MCI：MaintenanceControl Index)和美 国军事机构开发的路面状况指数(PCI：Pavement ConditionIndex)，上述路面评 18 价模型包含了多变量模型和单参数模型。 世界公路管理史上，第一个路面使用性能评价模型是美国研究人员基于 AASHO 道路实验近 10 年的观测数据，于 20 世纪 60 年代中期提出的 PSI 路面 服务性能指数。在随后的许多年里，根据 AASHO 实验结果和 PSI 模型结构及 参数，许多国家和地区如加拿大、英国、日本等的研究部门分别建立了不同用 途的路面使用性能评价模型。这些模型的共同特点是将客观数据与标准统一的 评价尺度建立联系，利用统一的标尺评价不同的路面损坏。 路面服务性能指数 PSI 是 AASHO 道路实验的重要研究成果之一，也是在 公路养护管理中采用专家技术建立路面评价模型的成功范例。在建立 PSI 模型 的时候，研究人员把与公路有关、职业不同的各种评价人员，如道路建设人员、 道路养护人员、汽车运输人员、汽车制造人员组织成一个由多人组成的专家组。 通过道路现场评价，确定每个实验路段的专家评价结果。在进行专家调查评价 的同时，道路检测人员对实验路段的路面损坏进行调查与检测，随后用数学方 法建立路面损坏与专家评价结果之间的数学关系，确定相关参数，形成路面服 务能力指数 PSI，模型如下： （沥青） 2 21 . 0 01 . 0 )1log(91 . 1 03 . 5 RDPCSVPSI 式中： SV轮迹处平整度离散度；C裂缝度，m2/1000m2； P修补度（Patching）, m2/1000m2;RD车辙深度，cm。 模型包含了 4 个可变参数，即平整度、表面裂缝、路面修补度和车辙。在 四个路面评价影响因素中，路面裂缝与车辙占很小的比重，这二种因素的变化 对 PSI 产生微小影响；相反，平整度(SV)对 PSI，尤其是当 SV 在 10 以下时影 响显著。从模型参数(权重)看，PSI 模型实际上是与平整度主相关的行驶舒服性 模型。 国内评价指标 我国路面评价指标的研究始于 20 世纪 80 年代末期。评价模型的建立可分 为三个阶段。 第一阶段第一阶段：早期建立的评价模型结构深受美国 PSI 的影响，在对国外文献 19 分析的基础上，根据我国沥青路面的损坏特点，交通部公路科学研究(院)所先 后在河北和浙江等省市有关地区选择了实验路段，实施了路况调查和专家评价， 采集了行驶舒适性和路面损坏等数据，在建立的路面状况指数 PCI 模型中，包 含了道路平整度和路面破坏率两个因素。路面状况指数 PCI 值域为 010。 第二阶段第二阶段：1999-2001 年建立的评价模型，采用了更清晰直接的分项指标建 模方法，建立的模型中，路面状况指数 PCI 模型的影响因素仅包含路面破损指 标 DR(对应曲线图如下)，行驶舒适性指标 RQI 模型的影响因素仅包含国际平整 度指数 IRI(对应曲线图如下)；并实现了 PCI、RQI 在值域上的统一(值域： 0100)。 路面破损率 DR 与路面技术状况指数 PCI 对应曲线图 第三阶段：基于快速检测技术及装备的评价模型。2007 年 11 月，交通部颁 布了公路技术状况评定标准(JTG H202007)。在这个模型中，建立路面破 损、道路平整度、路面车辙、抗滑性能和路面结构强度各自的分项模型，并将 这些评价结果通过权重累加，得到路面总体使用性能综合评价指标 PQI(值域： 0-100)。 20 4312 路面使用性能评价体系路面使用性能评价体系 20 世纪 60 年代以来，国内外对公路评价技术的研究重点集中在路面使用性 能上，研究的因素主要包括路面损坏、道路平整度、路面车辙、抗滑性能和路 面结构强度，研究的背景则主要出于路面使用性能评定和路面养护管理尤其是 路面管理系统应用的需要。由于路面损坏、道路平整度、路面车辙、抗滑性能 和路面结构强度等指标具有不同的值域，直接使用上述指标值不便于路面使用 性能评定和公路养护管理，因此国内外几乎所有的路面评价模型均将上述指标 与 05、010 或 0100 的评 价尺度联系起来，使各项指标的 评价结果变得易于理解和容易掌 握。 我国有 20 多年路面管理系 统研究的基础，有系列的、具有 统一评价尺度(0100)的评价模 型。因此，在公路技术状况评 定标准中，对路面使用性能的 评定可充分利用路面管理系统评 价模型的研究成果，将路面使用 性能用 PQI 表示，分项指标分别 用 PCI、RQI、RDI、SRI 和 PSSI 表示。下图所示为路面使 21 用性能指数 PQI 体系： 4.3.1.3 路面使用性能模型与参数路面使用性能模型与参数 沥青路面使用性能评价包含路面损坏、平整度、车辙、抗滑性能和结构强 度五项技术内容。其中，路面结构强度为抽样评定指标，单独计算与评定，评 定范围根据路面大中修养护需求、路基的地质条件等自行确定。路面使用性能 指数（PQI）按下式计算。 SRIRDIRQIPCIPQI SRIRDIRQIPCI 其中：PCI 在 PQI 中的权重；RQI 在 PQI 中的权重； PCI RQI RDI 在 PQI 中的权重；SRI 在 PQI 中的权重。 RDI SRI 公式中各指标权重表 路面类型权重高速、一级公路二、三、四公路 PCI 0.350.60 RQI 0.400.40 RDI 0.15 沥青路面 SRI 0.10 4.3.1.4评价标准评价标准 评份标准和评价等级是公路技术状况评定的关键。标准值及其与评价等级 的关系涉及许多因素，既有管理上使用的方便性要求，也需要考虑技术上的可 行性和合理性。为民统一各项指标的评价标准，使各项指标、各级标准有明确 的定义和尺度，下表以路面车辙指数 RQI 为例说明指标的评价等级定义。 标准及评价等级定义 评价等级评价指标标准定义 优 90 路面几乎无路面车辙；路面行驶舒适，或有非路面车 辙因素引起的行驶不舒适感；路表无积水可能，不会 影响行车安全性。 良80-90 路面车辙较轻微，路面车辙深度一般 10mm；有路面 车辙因素引起的轻微行驶不舒适感；路表有轻度辙槽 22 积水条件。 中70-80 路面车辙较轻微，路面车辙深度一般 10mm；有路面 车辙因素引起的轻微行驶不舒适感；路表有轻度辙槽 积水条件。 次60-70 路面车辙深度较深，路面车辙深度一般小于 20mm； 有路面车辙因素引起的强烈行驶不舒适感；路表有较 深积水条件，容易发生漂滑或侧滑，需要立即养护。 差差0.4, 22,5.55.5,11.0 11.0 IRI高速、一级公路 2.32.3, 3.53.5,4.34.3,5.0 5.0 IRI其他等级公路 3.03.0, 4.54.5,5.45.4,6.2 6.2 利用有效的路面使用性能评价模型对路网组成区间或路段进行评价，然后 根据评价标准对使用性能评价结果进行统计分析，确定路网中优、良、中、次、 差各等级公路的比例、长度及分布，了解路面基本性能和状况分布，为养护决 策分析奠定基础。下表为 PQI 评价结果举例： XX 线（SXXX）上行路面状况评价结果表 路面评价结果（Km） PQI 值分布情况（下行）城市名称 检测里程 （Km） 优良中次差 XX33.3131.50012.0776.0505.9007.786 23 4.3.2 养护分析决策系统养护分析决策系统 4321 养护决策概述养护决策概述 公路养护决策就是依据路面管理系统综合各种信息，对各种养护决策有怎 么样的养护结果；要保证某种路况水平需要投入多少资金；在一定预算条件下， 应在何时采取何种养护措施等问题进行分析、回答，合理分配优先养护资金等 资源，确定最佳养护对策和实施时间的过程。 在通常意义上讲，决策是一种系统的方法或过程，它通过对系统当前所处 状态的评估和未来发展的分析、判断、选择恰当的系统对策，以最大限度地满 足系统的要求。对于路面管理系统来说，需要解决的是路面养护、大中修和改 建的策略、计划和资金分配。 养护决策是公路养护工作的重要组成部分，也是公路养护管理部门的主要 工作。传统的公路养护决策方法是以人工调查、主观决策为主的经验型决策模 式。 这种传统的经验型决策模式是在特定时期，为适应特定时期技术经济环境 及公路养护需求，而形成的一种模式化的决策方法。传统决策模式的优点是决 策简单，效率高，不占或少占用资源；缺点是，养护决策主观随意性大，主观 决策常常导致应该养护的没有及时养护，不需要养护的却提前养护，另一方面 公路养护缺乏科学的规划性和计划性，决策的主观性和只考虑现状不问长期效 果的决策方法经常造成严重的资金浪费，同时也使公路尤其是路面处于经常性 的维修状态，降低了公路的服务水平和投资效益。 随着我国公路养护规模的迅速扩大，交通量的快速增长和社会对公路服 务水平(行驶质量、运行速度和行车安全性)期望的提高，传统的养护决策模式 已经远远不能适应以快速、安全、舒适为服务宗旨的现代公路养护要求，公路 的快速发展要求建立一种新的养护决策模式。通过建立新的公路养护决策模式， 改变现有决策方式的缺点，提升现代技术条件下的科学决策能力，使公路养护 资金发挥最大的效益。 4.3.2.2 养护决策内容养护决策内容 为了适应现代化、大规模、高速度和高质量公路养护管理的要求，协助公 路养护决策者正确做出养护决策的路面管理系统在养护决策方面，主要包含如 24 下 几项内容，如下图所示： 1、确定养护标准、确定养护标准 标准是为了便于实测或预测值进行比较而规定的限制数值。在路面管理系 统中，通常有两个标准，分别是评价标准和养护标准。评价标准主要用于路网 的路况统计和使用性能评价，尽管它也包含决策的含义，但有时并不适合于个 体某个省的养护决策，如路况特别好或特别差的省市；同一评价标准中又分为 RQI 标评（见下图：RQI（行驶舒适性指数）标准） 、PCI 标准、PSSI 标准和 PQI 标准。评价标准在本文 4.3.1 路面技术状况评价中进行了描述。 而养护标准具有适合地方 的特点，其标准的确定要综合 考虑地区的道路等级、路面养 护状况、养护资金及养护政策 等因素，因此不同的省份会有 不同的标准，主要用于养护决 策、养护需求分析。 2、养护需求分析、养护需求分析 路网的养护需要分析是一项宏观分析项目，但是路面管理系统中宏观分析 需要依靠微观的路段破损数据实现。在确定了养护标准与养护水平以后，路面 管理系统即可选定满足养护需要的路段，经过统计分析，结合养护投资资金状 况与地方政策等因素，明确路网养护需求。 常见的路面使用性能衰变有直线、负指数和 S 型曲线等多种类型。不同省 市的路面会有不同的衰变规律，同一省市不同地区也可能包含多种衰变方式。 因此，不同地区适用的养护标准不同。尽管如此，无论路面呈现什么样的衰变 养护决策 确定养护标准 养护需求分析 养护性质分析 养护方案分析 造价预算分析 养护预测分析 25 方式，其规律都是一样的。即路面使用性能随着时间的推移而降低。在实际道 路养护中，当路面使用性能降低到一定程度或低于某一标准，就要考虑对其进 行某种方式的养护，以保全或恢复路面的使用性能(如图：养护标准对需求分析 的影响)。养护标准的高低影响路面的处治时间，间接地影响路网的大中修里程 及费用。高的养护标准使路面超前处治，路面性能位置在较高的水平上，养护 里程多。反之，路面使用周期增长，平均性能降低，养护里程少。养护标准的 确定取决于道路等级、技术要求和经济状况等因素，是一个敏感的因素。需求 分析时，需要考虑多个标准（高、中、低）以分析不同标准产生的需求差别。 路面养护时间与养护标准关系 密切，标准提高养护时间提前，标 准降低养护时间推后。在给定的养 护标准限制下，路面的处治时间有 多种选择：按时处治或提前处治。 这是因为养护标准是一种技术限值， 在考虑了经济因素后往往最佳(效益最大)处治时间是较标准时间提前处治，这 种情况往往发生在大交通量路段上。当交通量很小时，道路养护带来的用户效 益(用户费用节省)常常低于养护费用，这时就需要推迟道路养护时间，以求得 用户效益与养护费用之问的新平衡。由于养护时间也影响需求分析结果，因此 路网养护需求分析也要考虑不同养护时间对分析结果的影响。时间影响因素的 分析有时也可以通过养护标准的分析来间接完成。 3、养护性质分析、养护性质分析 养护性质的确定就是在产生养护需要的路段范围内，分析路段的处治性质， 即确定哪些路段需要进行预防性养护，哪些路段需要中修，哪些路段需要大修。 通过对宏观路况标准与微观路况标准的分析，建立养护对策方案。具体养护性 质的宏观、微观条件划分如下表所示： 养护对策推荐表 养护性质宏观路况标准微观路况标准外治措施 日常养护 80PSSI 80PCI 路面行驶舒适、有轻微纵横裂缝、 车辙较轻一般小于 10mm 小修保养；单、 双表处 26 85RQI 预防性养护 70PSSI 70PCI 75RQI 轻微或中等龟裂、轻微块状裂缝、 轻微松散、泛油等病害；车辙一 般小于 20mm 封层类预防性养 护 中修 40PSSI 40PCI 60RQI 中、重度龟裂；整体平整度较差； 车辙一般在 10-30mm；存在部 分拥包、搓板、脱皮、松散等病 害。 局部补强、组合 封层、中修罩面 PSSI60路面结构强度不满足要求。 大修 60PSSI PCI40 RQI40 处于结构性损坏边缘；各种功能 性损坏且面积较大；路面整体平 整度较差。 改建；基层、面 层冷再生。 4、养护方案分析、养护方案分析 与养护性质析析类似，养护 方案分析需参考的因素更加复杂、 多样，不仅要考虑道路等级、交 通量、最后一次大中修时间，目 前的路面结构状况及其使用周期 等因素，还要结合路段所在地区 的资源情况，气候条件等，在确 定了养护性质的基础上，根据病害类型，组成分布，研究不同养护方案的适用 条件，通过经济与技术的合理、可行性比较，最终确定养护方案。 养护方法与病害类型对应表 再生稀浆封层碎石封层 养 护 方 在 法 及 病 害 厂 拌 热 再 生 就 地 热 再 生 厂 拌 冷 再 生 就 地 冷 再 生 稀 浆 封 层 及 下 纤 维 稀 浆 封 层 改 性 稀 浆 封 层 复 式 纤 维 稀 浆 冷 拌 冷 铺 薄 浆 封 层 碎 石 封 层 纤 维 碎 石 封 层 开 普 封 层 Ca pe 碎 石 下 封 层 27 种 类 封 层 （ 微 表 处） 封 层 1裂缝 2沉陷 3拥包 4车辙 5波浪搓板 6坑槽 7松散麻面 8泛油 9脱皮 10麻光 11贫油 12沥青老化 5、养护预算分析、养护预算分析 在确定了养护方案的基础上，以地方养护投资标准为依据，合理分配养护 资金。在养护资金充足的情况下，有养护需要的路段能够被分配到充足的预算 资金，然而在养护资金不充足的时候，道路工程师经常遇到的问题就是如何把 给定的养护资金分配到路网中最需要处治的路段上，从而获得最大的经济效益。 资金合理分配的结果是路网中最需要处治的路段以某种需要的方式进行处 治养护。养护工程的结果是提高处治路段及整个公路网的服务水平。可以设想 不同的养护资金会带给路网不同的服务水平及质量组成，如下图所示。 28 6养护预测分析养护预测分析 路面养护决策以路面性能为基准，一个良好的性能预测模型是合理决策的 基础。决策是与性能预测模型密切相关的。只有在路面性能达到某一标准时， 才能考虑与之适应的养护措施；一旦采取养护措施之后，路面的性能及变化又 直接影响下一次养护决策。 公路在使用过程中，路面使用性能将有一个衰减的过程。这种衰减，受多 种因素的影响，如路面类型、气候条件、路龄、公路等级、路面材料、养护水 平、上一年的使用性能、指标间的相互影响等。对这一衰变趋势的合理预测将 有助于公路养护决策者制定养护规划。建立符合路面使用性能衰减规律的衰减 模型，需要多年的数据积累，是养护预测分析的关键。 44 综合演示分析系统 近些年来，计算机软件工业的发展大大地促进了路面管理系统的发展。地 理信息系统(G 工 S)技术应用于交通运输领域，形成了 GIS 的专门分支 GIS T。基于 GIS 的管理系统的基础工作 是空间数据库的建立，即对管理对象 进行数字化，完成基础地形图和属性 连接。 利用 GIs(地理信息系统)技术，将 评价决策结果放置路网、数字化电子 地图的平台下进行查询、演示，并在 本系统下由专家组对养护决策结果时 29 行核准。核准结果的基本流程是：首先选择系统中建议大中修养护的路段；结 合前方采集图像，判断路面大中修方案的决策结果是否合理和准确；如果对路 面大中修方案决策结果有疑问，查看路面结构、路面使用性能 （PCI、RQI、PSSI、RDI）等信息；如果对路面使用性能 （PCI、RQI、PSSI、RDI）数据有疑问，进一步查年 PCI、RQI、PSSI、RDI 的 详细数据，尤其是路面图像和识别结果，找出路面大中修方案决策结果不准确 的原因；根据分析结果，调整路面养护方案。 中华人民共和国行业标准 JTG H20-2007 公路技术状况评定标准 3.13.1 沥青路面 沥青路面损坏分11 类21 项。 3.1.1 龟裂 轻：初期裂缝，裂区无变形、无散落，缝细，主要裂缝宽度在2mm 30 以 下，主要裂缝块度在0.20.5m 之间，损坏按面积计算。 中：龟裂的发展期，龟裂状态明显，裂缝区有轻度散落或轻度变形， 主要裂缝宽度在25mm 之间，部分裂缝块度小于0.2m，损坏