（道路与铁道工程专业论文）基于GIS的项目级路面管理系统的开发与应用.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 亟 摘要 路面管理系统是使公路管理部门合理地利用有限资源，以期为道路使用者 提供尽可能高的路面服务水平的有效工具，一般分为两种类型：网级路面管理 系统和项目级路面管理系统。本文研究的是项目级路面管理系统，其内容主要 包括数据库管理系统、路面使用性能预测、路面寿命周期费用分析以及公路地 理信息系统。 数据库管理系统：数据库管理是路面管理系统的基础，一个有效的路面管 理系统必须建立在大量数据的基础上，因此本文详细分析了项目级路面管理系 统所需要的各种数据信息，并结合数据库建立的原则，建立了项目级路面管理 系统数据库。路面使用性能预测：使用性能预测是项目级路面管理系统最重要 的内容之一，要建立有效的预估模型并恰当地运用，首先要了解各类模型的特 点和适应范围，力学经验模型具有较为成熟的理论基础，能不同程度地反 映使用性能变化的实质，因而具有较好的外推性能，预估精度较高，适合项目 级路面管理系统，为此，本文详细总结了国内外在这方面的研究成果，为今后 的研究工作奠定了一定的基础。路面寿命周期费用分析：分析总结了寿命周期 费用分析的费用组成以及常用的经济分析方法；总结了适台我国实际情况的沥 青路面寿命周期费用模型和水泥混凝土路面寿命周期费用模型。公路地理信息 系统：介绍了地理信息系统的基本原理和基本功能，建立了公路的各种实体模 型，说明了空间数据和属性数据的设计方法，以及动态分段技术的基本原理和 其在项目级路面管理系统中的应用，同时分析了对a r c f i n f o 软件进行二次开 发的方法。 最后，本文在上述模型的基础上建立了基于g i s 的国道2 1 3 线川主寺至郎 木寺段的项目级路面管理系统，并阐述了该系统的各个组成部分和该系统的主 要功能，同时叙述了项目级路面管理系统研究的结论，以及对该系统进一步的 研究内容进行了展望。 关键词：项目级路面管理系统；数据库；使用性能预测；寿命周期费用分析； 地理信息系统：动态分段 亘堕窑逗查堂塑受塞皇兰垡迨塞 篁! ! 里 a b s t r a o t p a v e m e n t m a n a g e m e n ts y s t e m i sa ne f f i c i e n tt o o lt h a t h e l ph i g h w a y a d m i n i s t r a t i r ed e p a r t m e n tt om a k ef u l lu s eo fl i m i t e dr e s o u r c e s ，i nt h eh o p eo f p r o v i d i n gp r o p e r s e r v i c el e v e lo fr o a ds u r f a c ef o rr o a dr i s e r s p a v e m e n tm a n a g e m e n t s y s t e mi su s u a l l yd i v i d e dh a t ot w og e n e r a ll e v e l s ：n e t w o r ka n dp r o j e c t t h i sp a p e r m a i n l ys t u d i e sp r o j e c tp a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e ma n di t sm a i nc o n t e n t si n c l u d e d a t a b a s em a n a g e m e n t s y s t e m ，p a v e m e n tp e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n ，p a v e m e n t l i f ec y c l e c o s ta n a l y s i sa n d p a v e m e n tg e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m i nt h ed a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e mm o d u l e ，b e c a u s ed a t a b a s em a n a g e m e n t s y s t e mi st h ef o u n d a t i o no fp a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m ，s oi no r d e rt oe s t a b l i s ha p r a c t i c a lm a n a g e m e n ts y s t e m ，m a s sd a t ai sn e e d e d o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gag r e n t v a r i e t yo f d a t ai n f o r m a t i o n ，t h ed a t a b a s eo f p r o j e c tp a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m i s e s t a b l i s h e do nt h e p r i n c i p l e o fe s t a b l i s h i n gd a t a b a s e i n p a v e m e n tp e r f o r m a n c e p r e d i c t i o nm o d u l e ，p a v e m e n tp e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n i so n eo fm o s t i m p o r t a n t c o n t e n t so fp r o j e c t p a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e ma n df o re s t a b l i s h i n gp r a c t i c a l p r e d i c t i o nm o d e l s ，w es h o u l da c q u a i n tw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da c c o m m o d a t i o n l i m i t so fa l lk i n d so fp a v e m e n tp e r f o r m a n c ep r e d i c t i o nm o d e l s i na l l p r e d i c t i o n m o d e l so f p a v e m e n tp e r f o r m a n c e ，m e c h a n i s t i c e m p i r i c a l m o d e lh a ss u f f i c i e n t t h e o r e t i c a lb a s i sa n dr e f l e c t si nv a r i o u s d e g r e e sc h a n g i n ge s s e n c e o ff u n c t i o n a l p e r f o r m a n c e ，w h i c hh a sw e l le x t r a p o l a t i o na n dh i g ha c c u r a c y t h i sp a p e rs u m m a r i z e s i nd e t a i lr e s e a r c h f i n d i n g s a th o m ea n da b r o a df o rt h es a k eo f l a y i n g s o m e f o u n d a t i o n sf o rf u r t h e rr e s e a r c h i np a v e m e n tl i f ec y c l ec o s ta n a l y s i sm o d u l e ，t h i s p a p e rh a sa n a l y z e dc o m p o n e n t so fc o s ta n dt y p i c a la n a l y t i cm e t h o do fl i f ec y c l ec o s t a n a l y s i s ，a n dl i f e c y c l e c o s tm o d e l so f a s p h a l tp a v e m e n ta n dc e m e n t c o n c r e t e p a v e m e n th a v eb e e ne s t a b l i s h e d i nt h ep a v e m e n tg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m m o d u l e ，t h i sp a p e rh a si n t r o d u c e dt h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e sa n df u n c t i o n so f g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，c o n s t r u c t e da l l s o r t so fe n t i t y m o d e l s ，e x p l a i n e d d e s i g nm e t h o d so fs p a t i a ld a t aa n dd a t ac o n s t r u c t i o n ，i n t r o d u c e dt h ef u n d a m e n t a l p r i n c i p l e s o f d y n a m i cs e g m e n t a t i o n a n di t s a p p l i c a t i o n i n p r o j e c tp a v e m e n t m a n a g e m e n ts y s t e m ，a n da n a l y z e dt h em e t h o do fs e c o n d a r ye x p l o i t a t i o no ft h e s o f t w a r ew i t ha r c i i f o a tl a s t ，t h i sp a p e rh a sb u i l ta p r o j e c tp a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do n g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mf o rt h es e g m e n tf r o mc h u a n z h u s it ol a n g m u s io f n a t i o nh i g h w a y2 1 3 ，a n da l s os u m m a r i z e dt h ec o m p o n e n t sa n df u n c t i o n so ft h i s s y s t e m a tt h es a m et i m e ，t h ec o n c i n s o n so fp r o j e c tp a v e m e n tm a n a g e m e a ts y s t e m 匿南交通大学硕士研究生学位论文 第li i 重 a r ep r e s e n t e da n dt h e p o t e n t i a lp r o s p e c t so f t h i ss y s t e ma l ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：p r o j e c tp a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m ；d a t a b a s e ；p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n l i f e c y c l e c o s t a n a l y s i s ；g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n s y s t e m ；d y n a m i c s e g m e n t a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 亟 第1 章绪论 1 1 问题的提出 目前，我国的高速公路经过十几年的飞速发展已经颇具规模，截至2 0 0 4 年 8 月底，我国高速公路通车总里程突破了3 万公里，居世界第二位，比世界第三 的加拿大多出近一倍。根据交通部的规划，到2 0 2 0 年，我国将建成国家骨架公 路网，全国高速公路总里程预计将达到7 万公里。可以预见，我国的高速公路 建设在未来的十几年中仍然会保持快速发展的势头。 随着高速公路通车里程的迅速增加，使得如何管好、养好高速公路，充分 发挥高速公路的社会效益，成为人们愈来愈关心的问题。由于早期修建的高速 公路已经运营十多年，养护维修问题已经日益突出，个别高速公路由于施工期 间赶工期或者施工质量问题已出现了早期破坏现象。所以随着我国公路网的逐 步完善，公路管理部门面临的主要任务将从建设公路网转向养护、改建、维护 和改善现有公路网。路面管理系统是借助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决策系统，是进行公路养护管理的有力工具。路面 管理系统分为网级路面管理系统和项目级路面管理系统，分别适应不同管理层 次的需要，具有不同的功能和结构，目前研究的重点是网级路面管理系统。我 国已经建立了一些网级路面管理系统，例如c p m s ( c h i n ap a v e m e n tm a n a g e s y s t e m ) ，但是其在信息可视化方面还存在不足。同时我国的经济实力和高速公 路路面管理水平与世界经济发达国家有着较大的差距，因此借鉴世界经济发达 国家高速公路的发展经验，在网级管理系统逐步完善的基础上，进一步扩展高 速公路项目级路面管理系统的研究、开发和应用工作是十分必要的。 1 2 国内外研究现状 路面管理技术的研究起源于加拿大，其初衷是试图解决路面设计中的一些 问题。美国在经历了大规模的公路建设以后，面临着大量的、同时到来的路面 养护工作。因此为了准确的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，同时建立了数 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。路面管理系统有着不同的定义。美国在 a a s h t o 路面管理系统指南( a a s h t o ，1 9 9 0 ) 【2 j 中，把路面管理系统定义为： 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 究所把路面管理系统定义为：用于优化利用路面养护可利用资源，包含信息采 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 集、信息分析和方案决策的管理方法( m u l h o l l a n d ，1 9 9 1 ) t j l o 1 9 6 6 年，美国全国公路合作研究计划( n c h r p ) 提出了改善路面设计方法 的研究课题，在路面设计中引入了系统分析的方法，并首先提出了路面设计系 统的概念 4 1 。2 0 世纪7 0 年代初期，许多研究者致力于引入系统分析和运筹学以 建立路面设计系统，在逐步完善的过程中，设计系统便扩展成了项目级路面管 理系统。7 0 年代发达国家的公路管理部门把注意力从扩展公路网和新建公路转 向于通过养护、改建、维护和改善现有路网，养护和改建工作得到重视。到1 9 8 0 年，美国已经有五个州相继建立和实施了网级路面管理系统，分别是亚利桑那 州、加利福尼亚州、爱达荷州、犹他州和华盛顿【5 j 。其中，加利福尼亚州路面 管理系统是在1 9 7 8 年建成并付诸实施的一个网级系统，主要用于计划年度路面 改建项目删。它对全州刚性和柔性路面进行路况监测? 提供有关破损路段的位 置、性质、严重程度和范围信息，确定台适的养护和改建对策，该系统实际上 是一个数据库管理系统；亚利桑那州路面管理系统从7 0 年代中期开始着手建立， 于8 0 年代初建成并付诸实旖【7 1 。这是个供财政规划用的网级优化系统，该系 统最大的特点是首次成功地将马尔可夫决策过程引入网级路面管理系统，它所 考虑的是整个路网，而不是个别路段或项目方案。该管理系统的主要目标，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；p a v e r 系 统是美国陆军建筑工程研究所为军用机场路面和城市街道路面开发的路面管理 系统喁j 。1 9 7 3 年起着手开发，于7 0 年代末完成。8 0 年代初，美国市政工程协 会( a p w a ) 对p a v e r 系统在6 个城市的应用情况进行评价，认为它是当时最 有力的路面管理系统。p a v e r 系统是一个易于实施的系统，具有下述功能：数 据的存储和检索、路面状况评价、项目优先排序、路况调查计划、经济分析和 编制预算，可以用于网级路面管理系统，也可以用于项目级路面管理系统；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，是加拿大 最完善的路面管理系统【孵。它采用分阶段建立和实施的方法。第一阶段包括路 面信息和需求两部分，称为路面信息和需求系统( p i n s ) ；第二阶段包括路面改 建和优先规划部分，称为改建信息和优先规划系统( r i p p s ) ；第三阶段内容为 项目级分析和加铺层设计系统。该系统的项目级设计和分析子系统具有两个功 能：一个是分析弯沉测定数据，确定路面的剩余寿命和设计期内需要增加的结 构承载能力：另一个功能是在分析结构能力要求和各个方案费用效果的基 础上，产生改建方案。到了8 0 年代中期美国约有3 5 个州和省已经建成或者 基本建成了路面管理系统，同时其他欧美国家也陆续开展并建立了路面管理系 西南交通大学硕士研究生学位论文簏! 夏 统。现在随着越来越多的国家和地区建立和实施路面管理系统，路面管理的技 术也得到了进一步的完善。路面评价的技术，例如应用光学和声学方法量测路 面平整度，采用图像允析技术的自动化路面破损量测设备，高速度的弯沉与摩 擦系数测定方法等，迅速得到推广应用，从而提高路况数据采集的效率和可靠 度。而咀知识为基础的专家系统也受到更多的重视，在路面管理系统的路况评 价、养护和改建对策选择、排序等方顽得到应用。同时随着计算机技术的飞速 发展，g i s 在路面管理系统中得到日益广泛的应用，技术逐步成熟。现在随着 路面设计和施工技术的研究进展，例如路面结构设计和施工质量控制同路面使 用性能的直接结合，以便得到使用性能有保证的路面，同样会推动项目级路面 管理系统的新发展。此外，髓级路面管理系统和项目级路面管理系统的界面得 到进一步改善，使网级路面管理系统和项目级路面管理系统更为密切地融合于 整个路面管理系统之中，路面管理系统的理论和方法已经逐步达到成熟。 国内在2 0 世纪8 0 年代中期才开始接触路面管理系统，最早的路面管理系 统是交通部公路研究所同英国合作在辽宁营口移植的地区级路面管理系统i l ， 随后芬兰f p m s 路面管理系统以及世界银行h i ) m - - h i 公路投资效益分析模型 也陆续引进。“七五”期间，通过国家重点攻关项目“干线公路路面评价养护系 统成套技术”的研究，建立了我国的干线公路( 沥青) 路面评价养护系统，即 路面管理系统c p m s ( c h i n a p a v e m e n t m a n a g e s y s t e m ) 。此后，c p m s 被列为“八 五”国家新技术重点推广，并在全国省( 市) 级上全面推广现代化的路面管理 系统。另外，北京、天津、上海等地也相继进行了地区级路面管理系统的研制 和投入试运行，均取得了较大成果。例如同济大学和北京、广东省公路管理局 合作进行了路面管理系统的研究工作，参考美国陆军工兵团的p a v e r 系统，建 立了普通沥青路面使用性能的评价指标、评价方法和评价标准，确定了路面太 中修对策的选择办法【l l l ；刘 1 2 1 在分析和总结了国外优化方法的基础上提出了由 财政规划和项目规划两个层次组成的网级优化模型；潘【1 3 】在对国际上主要投资 效益模型分析的基础上，提出了建立我国公路投资评估模型的基本方法和基本 设想；刘1 1 4 j 根据水泥握凝土路面使用性能的具体特点，针对水泥混凝土路面使 用性能的三个主要指标：路面状况指数p c i , 破损率p s n 和实测平整度方差 p z d ，采用回归分析的方法，建立了在不同交通和结构条件下使用性能随年份 变化的预测模型；曾【1 5 l 介绍我国路面管理系统c p m s 软件研究和数据采集设备 研制的发展情况，介绍了系统的基本组成：系统编码管理、基本数据管理、项 目级养护管理、网级养护管理四个部分。随着计算机技术的发展，g i s 的应用 西南交通大学硕士研究生学位论文箩，亟 日益普及并已经广泛渗透到社会生活的各个领域，g i s 已经发展成为一个巨大 的信息产业。我国公路交通部门g i s 的应用自8 0 年代末开始，目前已经在公路 管理和交通控制等方面得蓟初步的应用。钟【1 6 l 在建立广东省高速公路数据库系 统时，加入了地理信息系统子模块，但是采用的开发平台是桌面地理信息系统 m a p l n f o 软件，而m a p i n f o 软件中没有实现动态分段功能，不能实现真正意义上 的动态分析路况数据的功能；郑f 1 7 】从高速公路养护需求出发，以地理信息系统 为基础，解决了养护数据及规划、设计、施工等相关数据基于地理规则的可视 化管理，建立各类公路路况分析、路面性能的预测评价、养护方案的制定与优 化、养护计划的制定等专业模块。可见我国路面管理系统计算机技术的应用比 较少、层次比较低，而且目前在国内利用计算机网络进行道路养护管理还没有 先例。目前正在全哥范固内推广使用的由交通部公路科学研究所开发的c p m s ， 它是一个网级路面管理系统，该系统路面使用性能评价、预测、养护决策模型 都是基于回归技术，但是数据的输入和查询仍以表格形式为主，可视化水平不 高。由此可见我国路面管理系统的结构体系已经基本形成，即路面性能评价、 路面性能预测和路面养护决策。但是目前我国研究的重点仍是网级路面管理系 统，项目级路面管理系统有待扩展。同时公路和市政部门的管理人员对路面管 理系统的认识和接受，需要一个比较长的熟悉和适应过程，同时路况数据的采 集手段很落后，数据采集的时间很短，基本数据和资料不完备，致使相关的路 面养护管理系统缺乏历史性数据和资料。因而，在我国建立一个适应我国自情 的路面管理系统是一项十分艰巨的任务。帝随着o i s 应用的普及，通过g i s 技 术以进一步丰富和完善路面管理系统的功能，也已经成为路面管理系统的必然 趋势。 1 3 研究目标和主要研究内容 1 3 1 研究目标 本文研究的主要目标是探讨建立一个项目级路面管理系统和基于 a r c , q n f o 软件平台编写应用程序，实现对所建公路数据库的管理和处理功能 以及路面管理系统的辅助决策功能。 1 3 2 主要研究内容 我国路面管理系统的研究起步比较晚，而且现阶段研究的重点是网级路面 管理系统，对项目级路面管理系统的研究还比较欠缺，同时有关数据的采集时 期很短、手段比较落后。因此本文的主要研究内容为： 直南交通大学硕士研究生学位论文第5 理 ( 1 ) 公路数据库管理；数据库是路面管理系统的基础。因此首先要把路顽结 构、材料、交通、气候、单价等详细数据纳入路面管理系统数据库，为项目级 路面管理系统的建立提供更为详细的数据信息。同时将这些数据输入程序数据 库，和有关路况数据一起丰富路面管理系统数据库，为项目级路面管理系统提 供所需要的数据信息，以完善程序的辅助决策功能： ( 2 ) 路面使用性能预测模型分析：为了提出路面结构设计方案、对各个设计 方案进行寿命周期费用分析以选择最佳的改建对策，需要对路面使用性能进行 预测； ( 3 经济效益分析：无论是网级还是项目级路面管理系统，都需要进行经济 分析和比较。对于项目级路面管理系统来说，就是针对已经论定经济可行的项 目，分析比较能满足项目总要求的各个对策方案，以得至4 经济效果最佳的方案； ( 4 ) 应用程序的编写：结合国道2 1 3 线( 兰州一成都一昆明磨憨) 四川省 境内郎木寺至【主寺公路改建工程的实际调查数据，基于a r c i n f o 软件平台， 通过v i s u a l b a s i c 语言扩展其功能，实现对已建数据库的查询、调用以及分析功 能，并在此基础上实现一定的运算功能，以完善其辅助决策作用。 1 4 本文研究的意义 路面管理系统是以现代管理科学为指导，以电子计算机为工具，采用系统 分析方法使路面管理系统化。路面管理系统的主要目标是有效地利用现有资源， 如：资金、材料、设各和人力资源等来提供道路设施，在以下几个方面为路面 管理单位和道路使用者提供有效服务。 ( 1 ) 可以利用由监测系统采集到的各种客观资料说明路面的现有状况，以便 及时采取适当改建、养护措施。 ( 2 ) 确定路面管理的目标和路况评价体系。 ( 3 ) 可以迅速、及时查询有关管理信息、数据、资料等，利用客观的数据来 分析解决日常管理工作中遇到的问题。 ( 4 建立适用于各地区的预测模型，预测路面的服务寿命。 ( 5 ) 分析可供选择的养护策略并提供几种可选择的资金优化方案。 ( 6 ) 利用由监测系统采集到的数据考察和评价设计、施工和养护工作，为改 善和更新设计、施工、养护方法以及规范的修订提供依据。 我国公路有不同于发达国家的特点，与其它发展中国家也不尽相同，在路 面管理系统的建立和实施过程中主要存在如下问题： ! ! ! 墨堑鳖理部门和壁翼人员对路面管理系统的认识和接受，需要一个较长 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 的熟悉和适应过程。 ( 2 ) 理论的弓i 入必须和我国实际相结合，这就使得某些模型或公式的引用必 须转化成与我国道路特点相适应的新模型或公式。 ( 3 ) 路况数据采集手段落后，数据采集时间短，数据的数量和精度难以满足 建立可靠而有效的路面管理系统的要求。 ( 4 ) 目前研究的重点是网级路面管理系统，并且大部分的研究局限在沥青路 面这一类型。 所以在网级路面管理系统逐步完善的基础上进一步研究、开发项目级路面 管理系统，必将对充分合理地利用资源、达到公路养护管理信息可视化与养护 管理现代化、使路面具有尽可能好的使用性能和服务水平、提高我国高速公路 的养护管理水平以及完善我国高速公路路面管理系统都有十分重要的意义。 1 5 本文研究的技术路线 本文研究的技术路线如图卜1 所示。 图卜i本文研究的技术路线 西南交通大学硕士研究生学位论文篁! 亘 第2 章数据库管理系统 2 1 概述 路面管理系统是以现代管理科学理论为指导，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决策系统，必须建立在大量信息的 基础上，以数据为支承，这样才能使系统提出的对策具有客观性和针对性。因 而，整个系统必须包含一个数据库管理系统。它由监测( 数据采集) 系统和数 据库两部分组成。路况监测的主要工作是定期采集路面使用性能参数和交通参 数。而数据库则为数据的检索和存储提供方便。路面管理系统所需要的各种数 据要以不同的方式详细采集后输入计算机，并通过数据库加以处理和管理，为 网级路面管理系统和项目级路面管理系统提供所需要的数据。项目级路面管理 系统仅仅针对一个具体的工程项目，它的主要任务是为管理部门对某一工程进 行技术决策时提供对策，以选择费用效益最佳方案。它必须以数据库为核 心，通过对与路面相关的各种数据的采集形成数据库，利用这些数据进行路面 使用性能评价，得出各种相关的使用性能指数，通过这些指数确定路面的损坏 情况，由此给出各路段的养护、改建方案，然后对各个方案进行经济分析比较， 得出合适该路段的费用效益最佳方案。当数据积累到足够的程度后，便可 以建立路面使用性能的预估模型，对路面的各项使用性能指标进行预估。图2 1 以公路数据库为中心，描述了公路数据库与路面管理系统中其它主要部分之间 的相互关系州。 模型参数管理 数据库管理 网级路面管理卜一公路数据库 项目级路面管理 数据转换 数据通讯 数据采集 其它应用系统 基本路况 路况评价 路况预测 优化决策 资金分析 图2 - 1 数据库管理系统 从图2 - 1 中可以看出，数据库在路面管理系统中的主要作用如下【1 1 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 集设备的相关数据。 ( 2 通过数据库管理模块接收存储手工输入的相关数据。 ( 3 ) 通过数据信息接口，接收来自其它应用系统的相关数据或者向其它应用 系统传送数据。 ( 4 ) 存储并管理系统的模型参数数据。 ( 5 ) 为网级路面管理系统和项目级路面管理系统提供数据。 ( 6 ) 通过结果输出模块输出路网基本数据信息。 由此可见，数据库是路面管理系统的基础，它提供了相关数据的存储和检 索。要建立可靠而有效的路面管理系统就必须要重视数据的采集和数据库的建 立，而现阶段数据的采集手段比较落后，数据采集的时间也相对比较短，并且 数据采集的重点是路面使用性能数据的采集，这对建立完善而有效的项目级路 面管理系统是不够的。 2 2 路网参照系统 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g i s 技术的普及，大地坐标定位参照系统也被广泛使用。 2 2 1 公路里程桩定位参照系统 公路网是由若干条路线组成的，每一条路线具有特定的编码以及沿着一定 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 了公路里程桩参照系统。 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。里程桩定位参照系统的缺点 是变更困难，在实际管理中的变更不是随时进行的，这就造成了在一定时期内 局部里程桩的长链、短链和断链问题。 2 2 2 公路大地坐标定位参照系统 三维大地坐标定位系统是三维坐标系统的形式之一，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。 与经纬度数据变化的范围相比，高程的变化是十分微小的。因此在大多数 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。 在路面管理系统中采用大地坐标定位系统作为参照系统的优点在于准确且 西南交通大学硕士研究生学位论文箜! 垂 不会因路线的一部分改线而影响其它部分的定位，并且易于计算机的地图信息 处理。其缺点是数据采集困难，精度要求高，成本高，工作量大。 2 2 3 两种定位参照系统的结合 在路面管理系统中采用两种定位参照系统相结合的方法作为路网的参考系 统。大地坐标定位系统主要应用于g i s 管理，里程桩定位系统主要应用于路况 数据的采集、记录、分析和决策。应用里程桩定位参照系统，将路网分为三个 管理级别，即路线、区间和路段。每一部分用其编码、起点桩号和终点桩号表 示，如路段：g 2 1 3 0 1 0 3 。 路线：在路面管理系统中，路线是指某一条公路在本行政区域内( 如：省、 地区内) 的全部； 1 区间：将路线按一定的划分原则，以不同的特性划分为若干部分，每一部 分称作个区间： 路段：将区间按照里程桩划分为若干个指定长度的部分，每一部分称作一 个路段。路段在管理系统中作为最小的单位，记录路况的基本数据，也是决策 盼基本单位。 2 2 4 里程桩定位参照系统在g l s 中的实现 。 公路施工完成以后，在路的两侧都设置公里桩和百米桩。公路管理中信息 的描述以路旁里程桩作为定位基准。所以必须建立超有效的平面坐标系统和里 程桩线性参照系统的联系机制，提供对里程桩定位的支持，才能满足公路管理 的业务要求。 2 2 4 1 里程桩定位参照模型 不回的g i s 应用软件，具有不同的里程桩定位参照解决方案。其中比较典型 的是美国e s r i 公司开发的a r c ，矾f d 路线模型。在该模型中除了提供了基本的 点、线、多边形空间对象外，还专门提供了路段和路线对象，用来作为线性参 照的支持。在基础地图中，地图都是通过弧段来描述的，包括唯一标识弧段的 内部标识码，以坐标进行定位的端点和中间形状点。出于弧段不能直接给里程 桩定位参照提供支持，因此模型中引入了路段和路线对象。路线直接用来描述 公路管理中的公路对象，包括与公路管理一致的路线编码、内部标识码和其他 属性信息。路段则提供对路线和弧段的连接。 22 4 2 里程桩参照系统的实现 要在具体的g i s 系统中实现上述的解决方案，关键就是在地图中形成可操作 一一一堕童奎鎏查兰塑主壁窒圭燮塞 兰! 旦j 基 丽斯路线，并给路段赋予与现场相符合的里程桩号【1 9 1 。 ( 1 ) 路线的定义 由于路线是g i s 中可独立操作的对象，必须唯一地被定义。所以，在地图上 建立路线之前，应该明确现场的路线起点和终点位置及桩号，唯一地定义路线 的编码。在具体操作时，根据路线的走向和起终点位置，在基础地图上找到与 该条路线对应的弧段，然后把这些弧段采用g i s 软件的命令或程序组成该条路 线，并同时形成连接路线和弧段的路段，确定出路线的方向，在必要的情况下 赋给路线相应的属性值。 ( 2 ) 里程值的设置 桩号设置最简单的方法就是直接输入路线的起点和终点桩号，再根据路线 的长度和里程范围，内插得到各路线中闯点的桩号。 ( 3 ) 里程桩定位参照的精度 在g i s 中误差的产生来源于三个方面：基础地图本身的误差、里程桩参照和 坐标参照转换的误差和现场信息测量的误差。不同的g i s 应用对信息的定位有不 同的精度要求。美国国家公路合作研究计划建议，公路设施管理的基本地图比 例尺为1 ：1 20 0 0 2 40 0 0 ，空间定位精度的中误差可在5m 1 5i n 范围内，现 场信息的定位误差不超过中误差的两倍。为了达到这样的精度要求，要求有相 对精确的基础地图，其比例尺应该满足上述要求。 2 3 数据库管理系统基本编码 2 3 1 路线编码 路线是路面管理系统中里程桩参考系统的第一级。路线编码数据库包括路 线编码、名称、起点、终点、长度和走向等。 2 3 1 1 路线编码 路线编码由1 位公路管理等级代码和3 位数字组成，例如g 2 1 3 ，其中公路 管理等级代码见表2 - 1 。路线编码见国标公路路线命名编号和编码规则命名 和编码规则( g b9 1 7 卜8 9 ) ( 国家技术监督局，1 9 8 9 a ) 2 0 】。 表 1 公路管理等级代码 管理等级代码意义管理等级代码意义 g国道y乡道 s省道z专用道路 x县道q其它道路 2 31 2 路线名称 堕塑窒塑盔堂塑主塑塞塞堂焦逢塞整塑：霎 丽面罾面系磊下磊夏磊称采用路线的简称，其中国道的名称按照公路 路线命名编号和编码规则国家干线公路路线名称和编号( g b 9 1 7 2 - 8 9 ) ( 国 家技术监督局，1 9 8 9 b ) 【2 1 1 规定的简称。如北京至福州的国道编号为g 1 0 4 ，全 程为“北京( 一济南一南京一) 福州”，系统采用简称“京福线”。 2 3 13 路线起点、路线终点和路线长度 路线起点和路线终点均采用公路的里程桩号。里程桩号以n 8 ，3 ( 9 9 9 9 9 9 9 ) 表示，整数部分四位表示公里，小数部分三位表示米。 2 3 2 区间编码 区间是路面管理系统中里程桩参照系的第二级。 一条路线在一个省( 地、市) 的范围内长度从几公里到上千公里不等，所 属政区、交通量、等级等也不相同。为了便于管理，系统依照定的划分原则 将每一条路线划分成为若干个区间，每个区间包含一些相同的属性。区间编码 数据库包括区间编码、起点桩号、终点桩号、长度、所属政区、所属养管单位 及技术等级等信息。 23 2 1 区间的划分 区间划分时，应考虑以下划分原则： ( 1 ) 行政区划( 地区、县) 的分界点； ( 2 ) 养管单位的分界点。一般情况下养管单位的分界点与行政区划的分界点 是重合的； ( 3 ) 交通量的分界点，一般发生在交叉口； ( 4 ) 区间长度不宣超过3 0 k m ，并且尽可能考虑区间长度的均匀性。 2 3 2 ，2 区间编码 区间编码为6 位字符，前4 位为路线编码，后2 位为数字编号，例如g 2 1 3 0 2 ， 数字编号可以不连续。为便于省级系统对地区级系统的数据汇总处理，同一条 路线的区间编号在一个省范围内不应重复。为此，在一个省建立系统之前，应 考虑对全省的路网进行区间编码编号范围的分配。 23 2 3 区间编码的分配 区间编码后2 位的数字编号取值范围为0 0 9 9 。在一个省内对于每一条跨地 区的路线，可将其编号预先分配给每一个有关的地区。例如，国道2 1 3 在某省 经过a 、b 、c 及d 共四个地区，则可平均分给每个地区2 5 个编号，编号可根据 里程长短调整。 23 2 4 区间起点、终点和长度 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 兰垂 奁面两趸雨耍焉磊面两孺i 亨i _ 箧而长度为区间的实际长度，一般为区间 终点与区间起点桩号差，用公里表示。 2 3 3 路段编码 路段是里程桩参照系系统的第三级，也是系统定义的最小长度单位。在系 统中，除了交通量数据、路况数据、评价、分析、预测和决策结果等大部分数 据都是以路段为单位进行存储和处理的。路段编码数据库主要应该包括路段编 码、起点、终点、长度等路段基本信息。 2 3 3 1 路段划分 在传统路面管理系统中，路段长度般为1 0 0 0 m ，通常以里程桩为界划分 路段。对于每个区间，按整公路桩将区间划分为若干个路段。当区间起点或终 点桩号不为整公里时，区间的第一个路段或最后一个路段的长度不等于1 0 0 0 m 。 系统可以按照上述划分原则自动地进行路段的划分。这种等长分段法或者变长 分段法存在很多缺点，动态分段( d y n a m i c s e g m e n t ) 的思想是由美国威斯康星交 通厅戴维弗莱特先生于1 9 8 7 年首先提出的，其实质是从同一公路图形文件中 把不同属性数据对应的分段位置计算出来，从而增强线性特征的处理功能，动 态分段技术已经开始应用于交通地理信息系统。 2 ，3 3 2 路段编码 路段编码为9 字符，例如g 2 1 3 0 2 1 2 。路段编码的前6 位为路段所在区间的 区间编码，7 - 8 位为数字编号，最后一位为备注位。数字编号的取值范围为o o 一9 9 。 各注位代码见表2 _ 2 。 表2 - 2 路段编码备注位代码 代码含义 n 或者空白正常路段 s复线 r重复桩号 1 、2 、3 、4 多车道编码一上行 a 、b 、c 、d 多车道编码一下行 2 3 3 3 路段的起点、终点和长度 路段的起点、终点为里程桩号。路段长度为路段的实际长度，即路段终点 与路段起点的桩号差，单位为i t i 。 2 4 项目级路面管理系统所需数据分类 建立项目级路面管理系统的主要目的是为管理部门对某一工程进行技术决 策时提供对策，也就是在预定的标准和约束条件f ，选用费用效果鼓任刀 案。因此为了全面掌握高速公路的实际情况，建立标准规范的高速公路数据库 和有效的项目级路预管理系统，以推动高速公路管理信息化进程，就必须进行 高速公路详细基础数据的采集与统计。高速公路基础数据采集应该以高速公路 状况调蛮资料、设计、施工、竣工文件等为依据，当资料不全时，应该进行补 充调查，补充调查应采用先进、快速的采集设备进行数据采集。高速公路基础 数据采集应该以年度为采集周期，初次采集时应该按照相关规定的数据项、数 据格式进行全面采集，建立数据库，当经过养护维修工程以后，应该按照年度 对相应的数据进行及时更新。项目级路面管理系统所需数据通常应该包含下述 信息： ( 1 ) 设计私施工数据：主要包括道路等级、几何参数、路面结构和厚度、所 用材料及其性质试验结果、路基土性质及试验结果等。 ( 2 ) 历史资料数据：主要包括养护历史数据、交通量数据和交通事故等。 ( 3 ) 路面使用性能数据：主要包括路面行驶质量、路面损坏状况、结构强度 和抗滑能力四个方面。 ( 4 ) 气候与环境数据：主要包括降水、温度等与路面管理系统相关的数据。 ( 5 ) 宏观经济数据：主要包括修建费用、养护费用、新改建费用和用户费用 等。 2 4 1 公路数据库设计和施工数据 公路数据库设计和施工数据主要包括道路等级、车道特性、道路几何尺寸 数据、路基概况、路面结构数据、所用材料以及性质试验结果、路基土性质及 试验结果等资料，这些数据可以直接从道路建设设计文件中奄到，但是在输入 公路数据库之前应该到现场校对，保证数据真实、可靠l 丑j 。 2 4 1 1 路线现状数据 公路路线现状数据库见表2 3 。 表2 - 3 公路路线现状数据库 路线代码c l 擒r ( 1 0 )通车里程n ( 8 ，3 ) k m 路线名称c h a r ( 2 0 )涵漏数量n ( 4 ) 个 起点桩号n ( 8 ，3 ) k m用地宽度n ( 6 ，2 ) m 讫点桩号n ( 8 ，3 k m车道特性c h a r ( 1 ) ( 1 ) 公路路线现状数据采集应以县级行政区划为最小划分单位，当路线跨 一一亘塑窑曼盔堂亟主塑壅皇兰篁篷塞 萋! 竺娶 趸焉葡潭面f 诋希了i 弄、地( 市) 界、县( 市、区) 界桩号需作为路 线起讫桩号。 ( 2 ) 涵漏统计总数即可，桥梁与涵洞按照公路工程技术标准( 盯j 0 0 1 9 7 ) 规定的标准区分，单孔5 m 以下( 不含5 m ) 、多孔8 m