（交通运输规划与管理专业论文）高等级公路养护管理系统开发研究.pdf

摘要 摘要 随着我国公路系统的发展和完善，早期修建的公路已相继进入养护期，养护管理决策中暴露出 的问题日益突出。如何科学地解决高等级公路在养护管理和技术上的落后现状关系到整个公路系统 合理运行的成败。特别是，如何从宏观、科学和综合的角度，改进以往从微观、主观和单的角度 来评价高等级公路的养护状况，是需要深入研究的课题。本文依托交通部、江苏省联合攻关项目公 路信息系统数据收集及评价综合研究，建立了高等级公路养护质量评价的指标体系和评价模型体 系，并自主开发高等级公路养护管理系统，为高等级公路养护的管理提供科学依据和辅助决策手段。 公路系统是由路面、桥梁、路基、沿线设施、绿化和涵洞所构成的有机整体，结合国内外公路 养护的相关文献和标准规范，本文分析对比了高等级公路及其各组成部分各评价对象养护的主要内 容，提出了高等级公路及其各组成部分的评价对象和评价指标，建立了适合于高等级公路养护评价 的一整套指标体系。 论文基于数理统计、多元回归分析以及建模理论，研究高等级公路评价指标与评价对象以及评 价对象与公路各组成部分的关系，建立了高等级公路评价模型体系。并根据在江苏省实验路段上采 集的数据和专家问卷调查结果，采用回归分析和层次分析法，对高等级公路路面、桥梁、路基、沿 线设施、绿化和涵洞各评价模型的参数进行了标定。 论文利用v b 编程语言、g i s 技术和a c c e s s 2 0 0 3 数据库，建立高等级公路养护管理系统。构建 了系统总体结构框架，开发了相应的功能模块。该系统包括数据采集、数据管理、道路性能预测、 电子地图显示系统和参数设置等模块。实现了从高等级公路养护基础数据的采集，评价结果和养护 建议的自动生成，养护基础信息数据库和业务信息数据库的建立到数据库的管理，道路性能变化的 预测，基于g 1 s 的公路评价指数分级显示，系统模型参数的更改和用户信息管理等功能。 【关键诃l 养护评价，体系，模型，养护管理系统，预测 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n te n dc o n s u m m a t e do f rh i g h w a ys y s t e m m a n yp r o b l e m sa r c e x p o s e di n n m i n t e n a n c em a n a g e m e n ta sm a n yr o a d sw h i c hb u i l te a r l yc o m i n gh a t om a i n t e n a n c ep e r i o dg r a d u a l l y t h a t h o wt os o l v et h eb a c k w a r ds i t u a t i o no fm a n a g e m e n te n dt e c h n i q u eo nh i g h - g r a d eh i g h w a ym a i n t e n a n c ei s r e l a t i n gt ot h es u c c f s so f h i g h w a ys y s t e m1 8m t o n a lo p e r a t i o n e s p e c i a l l y , i ti sat a s kf o ra d v a n c e dr e s e a r c h t h a th o wt oe v a l u a t et h eh i g h - g r a d eh i g h w a ym a i n t e n a n c ef r o mam a c r o s c o p i c a l k s c i e n t f i ca n di n t e g r a t i v e v i e w , i n s t e a do ft h eo r i g i n a lm i c r o c o s m i c 、e n b j e c t i v ee n du n i t a r y b a s e do n w h i c hi sa u t h o r i z e db ym i n i s t r yo fc o m m u n i c a t i o n se n dj i e n g s up r o v i n c e t h e i n d e xa n dm o d e ls y s t e ma b o u th i g h - g r a d eh i g h w a ym a i n t e n a n c eq u a l i t ye v a l u a t i o na r ed e v e l o p e d ，a n d h i g h - g r a d eh i g h w a ym a i n t e n a n c em a n a g e m e n ts y s t e mi sd e s i g n e d , o f f e r i n gs c i e n t i f i cb a s ea n da s s i s t a n t m e t h o do f d e c i s i o nt ot h eh i g h - g r e d eh i g h w a ym a i n t e n a n c em a n a g e m e n t h i g h w a ys y s t e mi sc o m p o s e db yp a v e m e n t ，b r i d g e ，s u b g r e d e ，t r a f f i c - f a c i l i t y , g r e e n i n ga n dc u l v e r t a c c o r d i n gt ot h ep a p e r sa b o u th i g h w a ym a i n t e n a n c ec o n t e n t t h ee v a l u a t i o no b j e c t se n de v a l u a t i o ni n d e x e s o fh i g h - g r a d eh i g h w a ya n di t sc o m p o n e n t sa r ec o n f i r m e d ，a n dam a i n t e n a n c ee v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mi s d e v e l o p e d ，b ya n a l y z i n gm a i nc o n t e n t so f h i g h g r a d eh i g h w a y b a s e do nm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c s ，m u l t i v a r i a t er e g r e s s i o ne n dm o d e l i n gt h e o r y , t h er e l a t i o n sa m o n g e v a l u a t i o ni n d e x ，e v a l u a t i o no b j e c t s ，h i g h - g r a d eh i g h w a ya n di t sc o m p o n e n t s p e r f o r m a n c ea r es t u d i e d e v a l u a t i o nm o d e lo fh i g h - g r a d eh i g h w a ym a i n t e n a n c ei sd e v e l o p e d ，a n dm o d e lp a r a m e t e r so fh i g h - g r a d e h i g h w a yp a v e m e n t ，b r i d g e ，s u b g r a d e ，t r a f f i c f a c i l i t y , g r e e n i n ga n dc u l v e r ta r ed e m a r c a t e db yt h ed a t aw h i c h c o l l e c t e di nj i e n g s up r o v i n c e t h eh i g h - g r a d eh i g h w a ym a i n t e n a n c em a n a g e m e n ts y s t e mi sd e s i g n e db yu s i n gv i s u a lb a s i cp r o g r a m l a n g u a g e g i st e c h n i q u ea n da c c e s s 2 0 0 3d a t ab a s e a n dt h es y s t e m sc o n s t r u c t i o na n dt h er e l a t e d f u n c t i o n a lm o d u l e sa r ed e v e l o p e d ，i n c l u d i n gd a t ac o l l e c t i o n , d a t am a n a g e m e n t ，p e r f o r m a n c ef o r e c a s t i n g ， e - m a pd i s p l a y i n ge n dp a r a m e t e rs e t t i n g t h es y s t e me a r l yo u tt h ef u n c t i o nw h i c hi n c l u d ec o l l e c t i o no f b a s i cd a t a ，g e n e r a t ee v a l u a t i o nr e s u l ta u t o m a t i c a l l y , d e v e l o p i n go fm a i n t e n a n c ed a t a b a s e , f o r e c a s t i n gt h e p e r f o r m a n c eo fh i g h w a ya n di t sc o m p o n e n t s ，h i e r a r c h yd i s p l a y i n go fe v a l u a t i o ni n d e xb a s e do og i s ， r e s e t t i n gm o d e lp a r a m e t e re n dt h em a n a g e m e n to f n s a ri n f o r m a t i o ne n ds oo n k e yw o r d s m a i n t e n a n c ee v a l u a t i o n , s y s t e m , m o d e l , m a i n t e n a n c em a n a g e m e n ts y s t o m , f o r e c a s t 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：盈兹姣日期：幽! 幺纭 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：艇导师签名：犀么生一日 期：塑塑 第l 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 高等级公路主要包括高速公路、一级公路和二级公路【i 】。高等级公路网是国家公路交通主干线， 跟一般等级公路相比，高等级公路具有车速高、通行能力大，行车安全、运输成本低等特点。截至 2 0 0 5 年底，我国公路总里程达到1 9 3 0 5 万公里，其中高等级公路里程为3 2 5 8 万公里，占公路总里 程的1 6 9 1 2 1 ，它们对于保证公路网交通正常运营，具有重要作用。随着公路建设的延续，早期修建 的公路和桥梁己相继进入养护期，养护维修问题日益突出，其检测、养护工作被提升到了前所未有 的重要地位。交通部遵循建养并重的方针，树立养护也是发展”的新观念【3 j ，至2 0 0 5 年底全国公路 养护里程达1 8 4 0 1 万公里，占公路总里程的9 5 3 。 然而在养护资金增加有限的情况下，如何合理地评价路网状态和分配养护资金，确保干线路网 始终保持良好的行驶质量，将成为公路主管决策部门不得不解决的问题。传统的经验决策和主观臆 断仍在我国公路养护管理过程中占据主要地位 4 1 。管理体制、养护技术的陈旧落后，不可避免地造 成养护维修决策的盲目性和片面性，更无法达到有效利用资源的目的。为了改变目前我国在高速公 路养护管理和技术上的落后状态，最重要的工作之一就是建立和实施计算机化的适合当地情况的养 护管理系统，科学有效地调控各项养护维修活动，使有限的资源获得最大的社会效益。 公路系统是一个由路面、桥梁、路基、沿线设施、绿化和涵洞所构成的一个有机整体，这六个 部分相互关联共同决定了公路系统的质量。对于公路的养护评价应该是对这六部分的综合系统评价。 当前由于学科和专业的局限，国内外虽然有大量的研究文献涉及路面、桥梁、路基、沿线设施、绿 化和涵洞的单独评价，但缺乏对于公路这六部分的综合系统评价。这种单一的评价虽然可以从某一 侧面局部地反映公路的优劣，但难以从整体的高度系统地把握公路的综合养护水平和养护质量。 数据库是以一定的组织方式存储在一起的数据的集合，它能以最佳方式、最小数据重复为多种 用户( 或应用程序) 服务，数据的存储方式独立于其他的应用程序。数据库管理系统是管理和维护 数据库的软件，主要功能是维护数据库系统的正常活动，接受并回答用户提出的访问数据和各种应 用请求。数据库和数据库管理系统组成了具有高度组织、可存取大量数据的数据库系统。公路工程 在空问上的开放性使得养护管理所涉及的数据量庞大，因此使用数据库系统对其进行管理就显得更 为迫切。 为适应江苏省社会经济的快速发展，江苏省公路系统正在迅速地发展和完善，目前已经形成了 以高速公路、一级公路和二级公路为骨干的四通八达、方便快捷的公路网络p 】。包括高速公路、一 级公路和二级公路的高等级公路承担了江苏省境内大量的机动车交通，是江苏省运输系统的主要载 体，对江苏省社会经济发展有重要的支持和保障作用。在繁重的车辆荷载的作用之下，江苏省高等 级公路养护系统正面临着日益艰巨的养护任务，迫切需要建立一个符合江苏省高等级公路养护要求 的科学、合理的公路养护质量评价体系。本论文依托交通部、江苏省交通厅联合攻关项目公路信 息系统数据收集及评价综合研究( 2 0 0 3 3 5 3 3 2 2 1 0 ) 展开研究。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究现状 国外一些发达国家对有关路面，桥梁、路基和沿线设施的养护评价有大量的研究，养护工作已 基本上实现了规范化和程序化。 东南大学硕士学位论文 信息技术在公路养护管理中的应用首先在北美得以实现，上世纪7 0 年代，美国在经历了大规模 的公路建设后，面l 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，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，并以此建立了 路面管理系统。现在的美国养护管理系统( m a i n t e n a n c em a n a g e m e n ts y s t e m ) 是一整套用来记录日 常养护工作的系统。该系统可用来实现制定养护计划，进行养护预算，安排养护日程，指导养护工 作，完成养护报表，分析和评价养护工作等多种功能。养护人员日常养护工作均有相关文件加以规 定，使得公路的养护评价工作规范而高效。 与此同时，7 0 年代后其它国家也陆续建立了各自的公路管理系统，如加拿大阿尔伯达省的路面 管理系统，丹麦路面管理系统( 1 9 8 0 ) ，英国运输和道路研究所( t l l r i ) 的公路养护评价系统( c h a r t ， 1 9 8 0 等) 以及芬兰的f p m s 路面管理系统等等。这一对期，公路管理系统的开发与应用，极大地促 进了公路管理系统发展。 1 2 2 国内研究现状 我国信息技术在公路的养护管理方面的应用起步于7 0 年代末，国家”七五”、”八五”和”九五”都 列有相应的项目。经过科研和公路养护管理人员多年的不懈努力，公路养护管理方面的信息系统的 研究和应用工作，取得了较大的成效，出现了许多比较成功的对路面、路基、桥梁等养护评价的应 用软件和数据库管理系统。展典型的应用是交通部主持研制的路面管理系统和桥梁管理系统( c p m s 、 c b m s ) ，一些省市已经在此基础上着手建立自己的公路管理信息系统和公路数据库。但是现有的管 理系统都是针对某一个或两三个指标的单独评价，而缺乏对于公路系统的综合评价。 比如对于公路绿化，虽然已经引起人们的高度重视。但对高速公路的绿化还仅仅停留在描述、 考察的阶段。研究性的论文主要集中在高速公路绿化的工程及景观设计上，对高速公路的绿化评价 的深入研究很少，目前尚没有统一、公认的评价方法或定量指标体系。而涵洞由于在整个公路系统 中所占的比重很小，再加上涵洞自身造型单一、结构简单，目前国内外对涵洞评价方面的文献资料 非常少。国内只有在公路养护质量检查评定标准、高速公路养护质量检评方法、高速公路养 护管理手册和公路桥涵养护规范中简单提到，并对涵洞的缺损评价一笔代过。 最后，由于学科和专业的局限，国内外的研究文献大多是针对涉及路面、桥梁、路基、沿线设 施等公路各组成部分养护质量的单独评价或预测，缺乏对公路养护质量展开全面系统的研究。 1 3 研究的目标、主要内容和技术路线 1 3 i 研究目的 随着近年来我国公路里程的不断增加和公路网的逐步形成，传统的公路养护管理办法和模式已 经很难适应公路现代化养护管理要求，对养护管理科学化、规范化的要求越来越高，而公路养护管 理的信息化也已经被提高到了发展纲要的位置。虽然现在有很多的路面、桥梁等的养护质量评价指 标体系，但是这些体系基本上都是按照自己的理论单独建立，缺乏一个可以对公路系统进行综合评 价的指标体系。 本文将在参考现有国内外文献资料的基础上建立包括路面、桥梁、路基、沿线设施、绿化、涵 洞以及公路整体在内的一整套评价指标体系。然后根据建立的指标体系，分别为各体系构建评价模 型，并利用采集的大量试验数据和专家问卷调查表信息。通过层次分析和线性回归法对模型参数进 行标定。 在完成体系和评价模型研究后本文将对高等级公路养护管理系统和信息数据库的建立进行研 究。使系统具有数据采集、评价结果生成、数据管理、地图分级显示、性能预测、用户管理等功能。 2 第1 章绪论 1 3 2 研究的主要内容 ( 1 ) 高等级公路养护评价指标体系研究 公路系统是一个由路面、桥梁、路基、沿线设施、绿化和涵洞所构成的一个有机整体，依据国 内外公路养护以及与路面、桥梁、路基等相关的文献和标准规范，分析对比了高等级公路及其各组 成部分各评价对象养护的主要内容，得出高等级公路及其各组成部分的评价对象和能反映该对象要 求的评价指标，从而建立一套适合于高等级公路养护评价的指标体系。 ( 2 ) 高等级公路养护评价模型研究 本文根据高等级公路各组成部分各自的特点，基于数理统计、回归分析、建模理论和高等级公 路评价指标体系，分别建立了高等级公路路面，桥梁，路基、沿线设施、绿化和涵洞评价模型体系， 并在此基础上建立了高等级公路综合评价模型。然后根据在江苏省实验路段上采集到的数据和专家 问卷调查表，运用回归分析法和层次分析法分别对模型参数进行了标定，在对两组参数加权平均后， 得到评价模型的最终形式。 ( 3 ) 高等级公路养护管理系统开发 根据构建的高等级公路养护评价指标体系和养护评价模型，利用v i s u a lb a s i c 编程语言，g i s 二 次开发技术，a c c e s s 2 0 0 3 数据库和s q l 语言，完成高等级公路养护管理系统的开发。系统包括数据 采集、数据管理、性能发展预测、地图显示、参数设置、用户管理等子系统。实现高等级公路养护 基础数据的录入，评价结果的自动生成，养护信息数据库的建立，数据的高效管理和应用，电子地 图上公路性能状况的分级显示，道路性能的短期预测，系统模型参数和用户信息的管理。 3 东南大学硕士学位论文 1 3 3 研究的技术路线 高等级公路养护管理系统 压圜 司 巨囹 臣囹 匹固 匝囹 图1 1 技术路线图 通过参考国内外与公路养护相关的文献和标准规范，以及上路调研获得的实践经验，确立高等 级公路养护评价的各评价对象和评价指标，建立评价指标体系。之后，建立评价模型，并采用回归 分析法和层次分析法对模型参数进行标定，并确立最终模型形式。最后通过编程语言和数据库以及 其它a c t i v e x 组件建立高等级公路养护管理系统。指标体系的建立是后续研究的基础，模型参数的 标定和系统的开发是研究的重点也是研究的难点。 4 第2 章养护评价总体结构和方法研究 第2 章养护评价总体结构和方法研究 为建立合理的高等级公路养护评价理论体系，本章首先对高等级公路养护评价体系的总 体框架进行分析和设计，明确高等级公路养护评价体系的整体概念和功能模块，指导评价体 系的建立。 2 1 高等级公路养护评价体系的结构形式和逻辑框架 公路养护是指为保持公路经常处于完好状态，防止其使用质量下降，并向公路使用者提 供良好的服务所进行的作业【7 j 。高等级公路养护评价主要目的是评价公路系统的养护质量， 以便根据评价结果进行养护管理。因此，一方面，为便于养护管理工作的实施，评价体系需 要得到公路各组成部分的评价，以便找出影响公路使用性能的薄弱环节：另一方面，评价体 系应综合考虑公路系统的各个组成部分即路面、桥梁、路基、沿线设施、绿化和涵洞六大组 成部分，给出系统整体性能评价结果，以用于判断公路系统整体养护水平。 根据以上分析，高等级公路养护评价体系应该从公路的各个组成部分的评价开始，首先 研究路面、桥粱、路基，沿线设施、绿化和涵洞六大组成部分的评价模型，然后在此基础上 进行综合评价，最后形成高等级公路养护评价综合模型。 从高等级公路养护评价的流程来看，其评价体系的逻辑框架由三个功能性模块组成，即 数据采集模块、子系统性能评价模块和综合性能评价模块，各模块的内容及模块之间的相互 关系见图2 1 。各模块的功能描述如下： 数据采集模块；根据确定的评价指标体系，采集评价路面、桥梁、路基、沿线设施、绿 化和涵洞所需的基本数据，数据形式包括定性数据和定量数据两大类。 子系统评价模块：建立路面、桥梁、路基、沿线设施、绿化和涵洞等子系统性能评价方 法，对子系统的各个评价指标值进行综合得到子系统性能评价结果。 综合性能评价模块：建立高等级公路系统综合性能评价方法，综合各子系统养护质量评 价值得出整个公路系统性能综合评价结果，并以此作为对公路系统养护质量的综合评价。 臣亘口h 路面葬撇量评价施h 路霉葬鬟最卜一 | 二匠i 亘： - 1 桥粱养护质量评价方法卜4 葡零i ! 雾? 峙 l 匝匿蚺路基养护质量评价方法h 路蕃蓰紧* 医磊菌。b 养护质量1 恒壹重星蚺沿线谩籀养护质量评价方法“蚕霎薹薹薹刊= ! 竺! r | 鼢髁l | 二i j ! j i 二 书绿化养护质量评价方法卜焉罨i 霍雾驴 l 匝亘口h 涵洞养护质量评价方法h 涵雾簇驴卜一 图2 一l 高等级公路养护评价体系逻辑框架 5 东南大学硕士学位论文 2 2 高等级公路养护评价指标体系 2 2 1 高等级公路养护评价指标体系结构 高等级公路养护评价理论体系是一个层状结构，可以将评价体系划分为目标层( 子目标 层) 、准则层( 子准则层) 、指标层( - y - 指标层) 三个层次。 指标层是由反映高等级公路各评价对象养护状况的评价指标所组成。针对每个指标的特 点，设计了相应的计算模型，把采集到的相关数据输入这些模型中就可以得到各个指标的计 算值。 准则层是指评价的主要影响因素或评价对象。准则层的各个元素从不同的侧面反映了高 等级公路的性能要求。 目标层是评价过程的最终结果。目标层一般为系统或子系统的养护评价值。 在评价过程中，由各系统、子系统、评价对象的若干指标按照建立的评价方法可获得评 价指标值。然后其评价指标值作为更高一级评价体系的指标层指标，按照建立的谬价方法获 得高一级评价指标值。以此类推，直至获得系统最终评价指标值。高等级公路综合评价指标 的层次如图2 - 2 所示。路面、桥梁、路基、沿线设施，绿化和涵洞等予系统的评价指标体系 详见第三章各节。 高等级公路综合评价 广一r 一一1 卞广一一1 路 面 錾 鬟ll 笼li 羹ll 需 偶 路 面 评 价 指 标 桥 粱 评 价 指 标 路 基 评 价 指 标 绿 化 评 价 指 标 涵 洞 评 价 指 标 ：= _ = 一= = 一= 一一一= 一一= = 一一一= _ 图2 - 2 高等级公路综合评价指标体系 2 2 2 高等级公路养护评价指标选取原则 高等级公路系统评价指标的科学合理选择是综合评价薅等级公路的基础，选择合适的指 标不仅能减少不必要的量测工作量，而且能更为准确地反映公路系统的养护水平。高等级公 路包括路面、路基、桥梁、涵洞、绿化和沿线设施六个子部分，每个子部分都是一个评价对 象。在参考现有公路养护质量检查评定标准、高速公路养护质量检评方法和高速公 路养护管理手册等规范的同时，为了达到系统设计的目标，评价指标的选取还应遵循了以 下几个原n - ( 1 ) 指标的概念明确。 ( 2 ) 计量方法简单。 ( 3 ) 考虑多因素。 6 第2 章养护评价总体结构和方法研究 ( 4 ) 主客观相结合， ( 5 ) 定量与定性相结合。 ( 6 ) 根据量测仪器的原理不同，确定指标。 2 3 高等级公路养护评价模型研究 2 3 1 模型的建立 目标层综合评价是建立在各子系统评价模型的基础上的，所以首先应建立子系统的评价 模型，逻辑框图如图2 i 所示。通过对大量调研数据的分析来建立各评价指标与子系统相应 的函数关系，从而确定子系统的评价模型。在分别建立了各个子系统评价模型的基础上，分 析各子系统评价指标与综合评价指标的函数关系来确立目标层综合评价模型。 评价指标分值的获取是子系统评价和目标层综合评价的基础，同时从评级调查表到指标 分值的转化也是一切子系统评价和目标层综合评价建模的基础。从调查表到指标分值的转换 分两种情况，其一是根据调查表对于不同的缺损程度扣除不同的分值，然后转换获得评价指 标分值，如式2 1 所示。其二是参照调查表打分依据直接获取评价指标分数。 s c o r e = 1 0 0 - q ( 2 1 ) 扛l 式中；s c o r e ，：第m 类评价指标的分值； m ：第m 类评价指标中第i 类破损程度的处数； n ：第类评价指标中第i 类破损程度的扣分分值。 获得评价指标分值后，对评价对象的相关指标进行加权平均来建立评价对象的评价模型， 从而得到每个评价对象的养护质量指数。 g = s c o r e j 彬 ( 2 2 ) = l 式中：g ：第i 个评价对象的养护质量指数； s c o r e 第j 类评价指标的分值； 嘭：第j 类评价指标的权重。 获得了每个评价对象的养护质量指数后，对所有评价对象进行加权计算得到目标层养护 质量综合评价指数，其评价模型如式2 3 所示。 x = e g ( 2 3 ) 户l 式中：x - 目标层养护质量综合评价指数； q ：第，个评价对象养护质量指数； ：第，个评价对象的权重。 2 3 2 参数标定 在确立了子系统和目标层综合评价模型后，接下来就需要标定模型的参数。为了更加合 理的标定模型参数，本论文一方面根据上路实地调研采集到的大量数据回归分析得到一组权 重，另一方面通过向江苏省各养护管理部门的专家们发放专家调查表，从而得到各系统及其 7 东南大学硕士学位论文 子系统各指标的相对重要性，然后通过a h p 法来标定各个模型的参数。根据以上的数据回归 分析及a h p 法，我们获得了两组模型参数。最后对两组参数进行加权平均，从而获得了各模 型的最终参数。参数标定流程图如图2 - 3 所示， nn 图2 3 参数标定流程图 1 ) 回归分析 回归分析是指对上路采集的数据利用回归分析的方法进行分析，从而得到模型参数。回 归分析过程是跟模型建立过程相辅相成的，也是利用各指标及其系统得分进行回归分析得到 模型的参数。客观数据是利用各数据采集调查表对高等级公路实际缺损状况采集得到的。主 观数据是在专家个人经验的基础上，对高等级公路各评价对象的性能状况按照主观评分调查 表进行评价，从而获得主观评价分值“j 。 如图2 - 3 所示，由数据分析标定参数的过程就是对客观数据与主观数据回归分析的过程。 一个回归方程是否显著，需要检验：被解释变量与所有解释变量之间的线性关系是否显著， 用线性模型来描述他们之问的关系是否恰当。即为回归方程的显著性检验；研究回归方程 中的每个解释变量与被解释变量之间是否存在显著的线性关系，也就是研究解释交量能否有 效地解释被解释变量的线性变化，它们能否保留在线性回归方程中，即为回归系数的显著性 检验。回归方程和回归系数的显著性检验是通过f 和t 检验分别完成的。 f 检验法： f ：竺堕( 2 4 ) q v q 其中，队q 分别为回归平方和和残差平方和，岵和v 口分别为其自由度。检验时，般 需查出f 分布表中对三种不同显著性水平口的数值，设记为只( v u ，) 。若 f f o m l ( ，) ，则认为回归是高度显著( 或称在0 0 1 水平上显著) ；若 届( ，v q ) ，s f o m l ( ，) ，则称回归是显著的( 或称在0 0 5 水平上显著) ；若 昂l o ( ，) f f o0 5 ( ，v q ) ，则称在o 1 0 水平上显著；若f f o i o ( v u ，) ，一般认为 回归不显著，解释变量与被解释变量线性关系不显著。 t 检验法： ：- 垒l( 2 5 ) s r e , 其中4 为计算出的回归系数，跏一为标准误差。当 乞，：( v 口) 时，第i 个解释变量显 8 第2 章葬护评价总体结构和方法研究 著。否则，不显著，认为不起作用，可以删去。 2 ) 层次分析法 层次分析法( a n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o g r e s s ) 简称为a t t p 法，其基本过程是把复杂问题 分解成各个组成元素，按支配关系将这些元素分组、分层，形成有序的递阶层次结构，在此 基础上通过两两比较方式判断各层次中诸元素的重要性，然后综合这些判断计算单准则排序 和层次总排序，从而确定诸元素在决策中的权重“。 假设以上一层次的元素a 。作为准则层，a 。对下一层的元素曰j ，b ，巩有支配关系。 为此，要在准则层彳。下，按其相对重要性对研，毋，岛赋予相应的权重。进行两两比 较时，为了使判断定量化，一般都引用s a a t y 提出的l 9 的比例标度法。本研究首先将调查 的专家对高等级公路养护质量评价指标重要性两两比较转化为相应的标度值，即 表2 1 要素比较标度及其描述 标度值两指标间的关系( 鼠与易) l 置与b j 同样重要 3 e 比e 稍微重要 5 置比b j 明显重要 7 置比e 非常重要 9 忍比e 极为重要 2 ，4 ，6 ，8 两相邻判断的中值 饲数 色相对于置的重要性为唧。夕乞 根据上述判断标度，可以建立由不同专家对各个评价指标的判断而构成的矩阵，见表2 2 。 显而易见，矩阵具有如下性质： 驴0 2 ；嘞1 ( 2 6 ) 表2 2 养护质量评价指标判断矩阵 qa la 2 a m a ia l la 1 2 d l h 如口2 1a 2 2 a 2 h a n 口月l a 2口m 层次分析法的目标是确定若干因素间相对重要性次序即权重。获得了判断矩阵后用方根 法求得判断矩阵的最大特征值，然后进行一致性检验，从而求得各因素相应的权重。 方根法的具体过程如下： ( 1 ) 计算判断矩阵c 每行元素乘积的n 次方根； 形=( 卢l ，2 ，n ) ( 2 ) 对向董矿= ( 玩：嚣，而7 作正规化、归化处理： 9 ( 2 7 ) 东南大学顼士学位论文 彬：当 谚 ( 2 8 ) 则w = ( 形，睨) 7 为所求的对应晟大特征值的特征向量。 ( 3 3 按下式求最大特征值 k = 筹 ( 2 9 ) a h p 法的主要优点是将决策者的定性思维过程定量化，但在模型化过程中必须保持判断 思维的一致性，所以必须要进行一致性检验。一致性检验成功说明对应判断矩阵最大特征值 的特征向量是因素的权重；如果一致性检验不成功，需要对原判断矩阵进行调整。本论文对 a h p 法分析和判断矩阵的计算采用m a t l a b 编程。 3 ) 数据分析和a 坤法结合 由数据分析计算得到了一组客观数据权重；由层次分析法计算得到了另一组基于专家调 查的主观数据权重。为了更精确的标定模型参数，本论文将两组参数进行加权，然后标定出 模型的最终参数，如式2 1 0 所示。 w = q w i + 吒w 2 ( 2 1 0 ) 式中：w 一一标定的参数； w l ，一一分别为回归分析和a h p 法得到的参数； q ，c 乞一一分别为回归分析和a h p 法的加权系数。 2 3 3 模型验证 模型的验证实质是对模型所作假设的检验，需要验证模型是否是真实系统的反映。模型 的验证一般常用的方法有：拟合度验证方法、主观评价、图形比较、偏差分析、回归分析等， 本文采用主观评价和回归分析相结合的方法来验证模型的有效性，使用相关系数r 判断二者 的线性相关程度，进而判断模型计算数据与主观评分数据的拟合度，最完美的拟合是r = i 。 模型验证试验在选定的试验路段上进行，该模型验证试验主要包括两部分内容；一部分 内容是对选定的试验路段进行公路各评价调查指标和数据的采集；另一部分内容是组织一批 有一定高等级公路养护管理经验的专家，按照一定方法对试验路段公路各评价对象的养护质 量评价指标进行主观性评价试验。 由于篇幅所限下文将不再给出模型的验证过程。 2 3 4 权重重分配模型 当现实路段中某一评价对象的评价指标不全时，如某一级路没有隔离栅，某二级路某路 段役有行人通道，则需分别对沿线设施和公路整体评价指标体系的权重迸行调整。权重调整 模型如式2 1 1 所示。 睁焉 ( 2 1 1 ) 式中： 形调整后的第f 项指标的权重； 1 0 第2 章养护评价总体结构和方法研究 彬原来第i 项指标的权重； 缺项指标权重之和。 ， 2 4 试验数据的采集 评价模型的构造、参数的标定以及模型合理性的验证需要建立在大量的试验数据的基础 之上。现场试验的效果将直接关系到模型的准确性和可靠性，因此必须对试验数据的采集进 行研究。参照国内外现有的各种规范，确定试验路段数据采集的单位长度为1 公里。在现场 试验数据的采集过程中，需遵循以下主要原则： ( 1 ) 样本量足够大 由于高等级公路养护评价指标体系庞大，需要确定的模型参数和权重系数很多，为保证 能获得有效的数值，现场试验的样本量应得到保证。根据实际的需要，本研究在主要由国道、 省道和县道所构成的江苏省公路网系统中大量选取有代表性的高速公路、一级公路和二级公 路作为试验路段，用于模型中参数和权重系数的标定。 ( 2 ) 试验路段的等级和状况要分散 在试验过程中必须分别在高速公路、一级公路和二级公路中选择具有不同养护质量的试 验路段，使采集的数据尽可能分布在不同的范围内，由此标定的模型参数值才能适应于各种 等级和性能状况下的养护评价。本研究在选择试验路段时，从江苏省高速公路、一级公路和 二级公路的备选集合中分别选择具有优、良、中、差等不同的养护质量的路段，保证试验路 段的等级和状况具有一定的代表性。 ( 3 ) 参加现场试验的专家要有一定的数董 在现场试验过程中专家是根据自己的评价标准进行评价的，即使经过严格训练的具有丰 富工程经验的专家，其评分值也往往具有一定程度的离散性。但从统计学角度考廖，大量专 家评价结果的综合能有效地保证主观评价的客观性。本研究在现场试验时按照置信度和模型 的复杂程度综合考虑，选择的专家数量能保证现场试验的要求。 ( 4 ) 试验数据的采集要全面 在对试验路段进行数据采集时，应确保试验数据的全面性；所采集的数据应能全面反应 高等级公路各子系统的养护质量，既要有客观的反应道路性能的定量数据。又要包括主观性 判断的定性数据。除了应用人工和自动化的采集手段全面采集公路养护质量的各类数据外， 还要运用照相机和录像机采集试验路段的图像信息，为试验数据的验证和专家的主观评价提 供参考。 本课题依据上述原u 对江苏省高等级公路展开了系统的研究工作，主要在南京、镇江、 扬州和泰州等地进行试验路段的调查和试验数据的采集，重点研究了以下路线：高速公路有 沪宁高速公路，宁高高速公路、宁马高速公路、宁合高速公路、宁杭高速公路、宁连高速公 路、宁通高速公路、京沪高速公路和宁靖盐高速公路等；一级公路有g 3 2 8 、s 1 2 3 、s 2 4 3 、 $ 2 4 6 、$ 2 3 1 、s 2 3 7 、$ 2 2 9 、$ 3 3 3 和$ 2 2 9 等，二级公路有g 1 0 4 、g 2 0 5 、s 1 2 2 、s 0 0 1 、$ 2 4 6 、 $ 3 3 1 、$ 2 3 3 、$ 2 2 9 和$ 2 3 l 等。 东南大学硕士学位论文 第3 章高等级公路养护质量评价指标体系 3 1 路面评价指标体系 3 1 1 路面养护质量评价指标 高等级公路路面养护质量评价是为高等级公路路面养护管理提供决策依据，高等级公路路面养 护质量管理的目的是使高等级公路路面满足养护质量的要求，使路面服务水平处于较好的状况。从 养护质量角度看，高等级公路路面要满足行驶舒适性、行车安全性、快捷性等方面的要求。 我国公路养护技术规范、公路水泥混凝土路面养护技术规范和高速公路养护质量检评 方法( 试行) 等行业标准一般选取行驶质量指数、抗滑性能指数和路面状况指数作为公路路面养护 质量评价的主要评价指标。这是在考虑我国原有路面结构和交通组成特点的基础上提出的路面养护 质量评价指标体系。 为满足当前交通运输业对路面管理的要求，提高路面管理的服务水平【i m ，本文选取如下评价指 标作为江苏省高等级公路养护质量评价指标： ( 1 ) 柔性路面( 沥青混凝土路面) 1 1 1 ：路面状况指数p c i ( p a v e m e n t c o n d i t i o n i n d e x ) ，行驶质 量指数r q i ( r i d i n g q u a l i t y i n d e x ) ，路面抗滑性能指数s r i ( p a v e m e n t s k i d r e s i s t a n c e i n d e x ) ，路面 车辙深度指数p r d i ( p a v e m e n tr u td e p t hi n d e x ) 。 ( 2 ) 对刚性路面( 水泥混凝土路面) uz j ：路面状况指数p c i ，行驶质量指数r q i 、路面抗滑性 能指数s r i 。 路面结构的损坏状况，反映了路面结构在行车和自然因素作用下保持完整性或完好的程度。本 文将高等级公路路面破损分为结构性破损和功能性破损两类。其中，结构性破损是指裂缝类损坏； 功能性破损包括松散( 表层) 类、接缝类、变形( 位移) 类和其它类损坏。对断裂或裂缝类损坏， 分级时主要考虑对结构整体性影响的程度，采用缝隙宽度、边缘碎裂程度和支缝发展情况等指标表 征；对变形类损坏，主要考虑对行车舒适性的影响程度，采用起伏变形量的大小作为指标进行分级； 对表面损坏类，采用损坏面积等指标表征。沥青混凝土路面和水泥混凝土路面所包括的路面破损型 式如表3 1 所示。本文选用路面综合破损率( d r ) 作为路面状况指数的调查指标。 表3 1 路面破损型式分类 路面类型 破损类型 沥青路面水泥路面 龟裂，不规则裂缝、纵裂 结构性裂缝类纵裂、横裂、斜裂、角隅断裂、交叉裂缝、断裂扳 横裂 坑槽、松散，麻面、脱皮、 松散( 表层) 类磨损和露骨，纹裂( 同裂) 和起皮、坑洞 啃边 接缝类 接缝填缝料损坏、纵向接缝张开、唧泥和板底脱空、 功能性 错台、接缝碎裂、拱起 变形( 位移) 类沉陷、搓板、波浪、拥包沉陷、胀起 泛油、修补损坏、磨光、冻 其它类修补损坏 胀、翻浆 路面抗滑性能是指车辆轮胎受到制动时沿路表面滑移所产生的力，是关系行车安全性的重要指 1 2 第3 章高等级公路彝护质量评价指标体系 标。在高速行驶的状态下，抗滑性能低下会使汽车制动失去控制而发生事故。影响路面抗滑性能的 因素有路面表面特性( 细构造和粗构造) 、路面潮湿程度和行车速度等。细构造是指路面结构材料本 身的抗滑性能，当低速行驶时，路面结构的抗滑能力主要由路面细构造提供。粗构造是指路面表面 层材料之间的间隙，当车辆高速行驶时，路面结构的抗滑能力主要由租构造表现出来。针对高等级 公路车流速度快的特点，本文采用构造深度( t d ，t e x t u r ed e p t h ) 作为