（道路与铁道工程专业论文）现代高速公路沥青路面路面管理系统框架及其预测模型研究.pdf

摘要 摘要 白上个世纪八十年代以来，我国高速公路建设发展迅速，目前已经初步完成高速公路 网的建设，随之而来的是大量的养护工作。在国外，路面管理系统已经被证明是一个统筹养 护资金分配，维持路网服务水平的有效工具。在我国，。七五”期间曾经开展普通公路路面 管理系统的研究，而高速公路路面管理系统的研究、应用则刚剐起步。因此，本文开展了对 高速公路沥青路面路面管理系统的研究，主要包括四个方面的内容：现代高速公路路面管理 系统的框架；现代高速公路路面管理系统所需数据及其采集方法；高速公路沥青路面性能评 价体系；高速公路沥青路面性能预测模型 在高速公路路面管理系统框架的研究中，吸取了国外以及我国以往路面管理系统研究、 实旌的经验，结合最新科技发展成果与我国目前高速公路养护管理的实际情况，提出了基于 g i s 的网络型高速公路路面管理系统框架。 在对路面管理系统所需数据及其采集方法的研究中，将所需数据大致分为：基本状况 数据、交通量数据、路况数据三类。接着对各类数据的组成与采集方法进行了分析，对规范 中的不足进行了补充，提出了适合我国目前高速公路数据采集使用的方法。 我国目前的高速公路沥青路面评价体系是以过去普通沥青路面评价体系为基础提出 的，该体系的评价指标包括路面行驶质量指数r q i 、路面抗滑性能指数s r i 、路面状况指数 p c i 与路面结构强度指数p s s i 这四个分项指标，以及路面养护质量指数p q i 这综合指标。 在本文中，根据我国目前高速公路的实际情况，将这四个分项指标调整为：路面行驶质量指 数r q i ，路面抗滑性能指数s r i 、路面状况指数p c i 、车辙指数r j ，并据此提出有新含义的 综合指标路面养护质量指数p q i ，形成新的高速公路沥青路面性能评价体系，以更好的 满足我国高速公路养护管理与使用的要求。 路面性能预测模型的准确性是影响路面管理系统分析结果优劣的一个重要影响因素， 本文以我国沥青路面高速公路平整度、车辙实测数据为基础，通过时间序列方法提出了高速 公路沥青路面的平整度、车辙的时间序列预测模型，并对该模型的精度、易修正性进行论证， 证明了用时间序列方法建立路面性能预测模型的优越性。 关键词：路面管理系统路面数据采集路面性能评价路面性能预测时问序列 1 a b s t r a c t a b s t r a c t e v e rs i n c e1 9 8 0 s ，f r e e w a yc o n s t r u c t i o nh a sb e e nd e v e l o p i n gq u i c k l yi nc h i n a t h ef r e e w a y n e t w o r ko f c h i n ai sf o r m e do nt h ew h o l e h o wt om a i n t a i nt h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c eo f t h eh u g e f r e e w a yn e t w o r ki sn o wa l li m p o r t a n tp r o b l e mw ch a v et oc o n f r o n li nf o r e i g nc o u n t r i e s , p a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m ( p m s ) i sp r o v e dt ob ea l le f f i c i e n tt o o lt oa l l o c a t em a i n t e n a n c e f u n d sa n dm a i n t a i nt h es e r v i c el e v e lo fr o a dn e t w o r k i nc h i n a , d u r i n gt h es e v e n t h “f i v ey e a r s p r o j 。e c t ，t h er e s e a r c h e r sh a dd o n es o m er e s e a r c h e so np a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e mf o ro r d i n a r y r o a dn e t w o r k , b u tt h er e s e a r c ha n dt h ea p p l i c 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 mt om a n a g e f r e e w a yn e t w o r ki sa tt h eb e g i n n i n gs t e p t h cp a p e rd o e ss o m er e s e a r c h e so nt h em o d e mf r e e w a y p a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m ，i n c l u d i n gf o u ra s p e c t sb r i e f l y ：t h ef r a m e w o r ko f m o d e mf r e e w a y p m s ；t h ed a t an e e d e db yp m sa n dt h ew a y st oc o l l e c ti t ；a s p h a l tf r e e w a yp a v e m e n te v a l u a t i o n m o d e l ；a s p h a i tf r e e w a yp a v e m e n tp r e d i c t i o nm o d e l o nt h er e s e a r c ho ff r e e w a yp m s f r a m e w o r k , a b s o r b i n gt h ee x p e d e n c eo ff o r e i g np m sa n d c h i n e s ep m s ，c o m b i n e dw i t hd e v e l o p m e n to f t e e h n i c a la n dt h es i t u a t i o no f c h i n e s ef r e e w a y ，t h e p a p e r b r i n g s f o r w a r d t h e f r a m e w o r k o f m o d e r n g i sb a s e d a n d w e b - e n a b l e d f r e e w a y p m s t h ed a t au s e db yp m sc a l lb ec l a s s i f i e di n t ot h r e ec a t e g o r i e s ：b a s i cd a t a , t r a f f i cd a t a , a n d p a v e m e n tc o n d i t i o nd a t a o nt h er e s e a r c ho fd a t ec o l l e c t i o nm e t h o d s ，t h ep a p e ra n a l y s e st h e c o m p o s i t eo f t h et h r e ec a t e g o r i e sa n dt h ew a y s 乇oc o l l e c tt h e m ，a tl a s tr e c o n u n e n d st h eb e s tw a y s t oc o l l e c tt h ed a t e s p r e s e n ta s p h a l tf r e e w a yp a v e m e n te v a l u a t i o nm o d e li s d e v e l o p e db a s e do nt h en o r m a l a s p h a l tp a v e m e n te v a l u a t i o nm o d e lw h i c hi n c l u d e sf o u ri n d i v i d u a li n d e x e s ：r i d i n gq u a l i t yi n d e x ( r q i ) ，s u r f a c er e s i s t a n c ei n d e x ( s r i ) ，p a v e m e n tc o n d i t i o ni n d e x ( p c i xp a v e m e n ts t r u c t u r a l s u f f i c i e n c yi n d e x ( p s s b ；a n da l li n t e g r a t i o ni n d e xp a v e m e n tq u a l i t yi n d e x ( p q i ) c o m b i n e d 、v i t i i t h es i t u a t i o no fc h i n e s ea s p h a l tf r e e w a y , t h ep a p e rc o n v e r t st h ef o u ri n d i v i d u a li n d e x e st or i d i n g q u a l i t yi n d e x ( r q d ，s u r f a e er e s i s t a n c ei n d e x ( s r i ) ，p a v e m e n tc o n d i t i o ni n d e x ( p c i ) a n dr u t t i n g i n d e x ( r d a n dt h e nr e d e f i n e st h e mt of o r mn e wa s p h a l tf r e e w a yp a v e m e n ti n t e g r a t ee v a l u a t i o n m o d e lt oa d a p ti tt os i t u a t i o no fp r e s e n tf r e e w a ym a n a g e m e n ta n dt h ed e v e l o p m e n to fp a v e m e n t t e c h n o l o g y p a v e m e n tc o n d i t i o np r e d i c t i o nm o d e ii so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r st i i a ta f f e c tt h e a n a l y s i sr e s u l to f p m s w i t ht h em e t h o do f t i m es e r i e s ，t h ep a p e rf i n d sa s p h a l tp a v e m e n tc o n d i t i o n p r e d i c t i o nm o d e lo fi r t t e m a t i o n a lr o u g h n e s si n d e x ( n i l ) a n dr u f f i n gd e p t hb a s e so i lt h ed a t ao f c h i n e s ea s p h a l tf r e e w a y p r e c i s i o na n de a s ym o d i f i c a t i o no f t h ep r e d i c t i o nm o d e li st h e nv e r i f i e d r e s u l ts h o w st h a tt i m es e r i e sa r eag o o dw a yt of o r mp a v e m e n tp r e d i c t i o nm o d e l k e yw o r d s ：p a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m ( p m s ) p a v e m e n te v a l u a t i o nm o d e l t i m es e r i e s i i m e t h o d st oc o l l e e td a t e p a v e m e n tp r e d i c t i o nm o d e l 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。 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： 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 近十多年来，伴随着综合国力的全面提升，我国陆路、航空、水路交通建设实现了历史 性跨越，高速公路的建设成就尤其令世人瞩目。从1 9 8 8 年我国人陆第一条高速公路一沪 嘉高速公路通车以来，经过近2 0 年的发展，全国高速公路通车里程接近5 万公里，位居世 界第二位【l j 。除西藏外。各省、自治区和直辖市都拥有了高速公路，有1 5 个省区的高速公 路里程超过1 0 0 0 公里。高速公路的快速发展，大大提高了我国公路网的整体技术水平。优 化了交通运输结构，对缓解交通运输的“瓶颈”制约发挥了重要作用，有力地促进了我国经 济的发展和社会的进步 高速公路网在发展的同时，也带来了大量的养护、管理问题。高速公路路面在繁重轴载 及外界环境的影响下，路面使用品质呈逐年下降趋势，有的还会出现裂缝，车辙，沉陷、龟 裂等病害。保持优良的路面使用品质是高速公路为车辆提供高速、舒适行车环境的重要保障。 世界各发达国家均采用科学的方法对公路网的使用品质作连续跟踪观测。预测路况发展变化 的趋势，进而根据路况监测、预测的结果对路网的养护工作进行规划，以使路网的使用品质 始终保持在良好状态。国外的实践证明：路面管理系统是维持路网性能和服务水平的有效工 具。因此在我国高速公路路网初步建成、投入使用之际，进行高速公路路面管理系统的研究 是很有必要的。 1 2 路面管理系统的定义 路面管理系统目前还没有一个统一的定义。在美国a a s h t o 路面管理系统指南中，将 路面管理系统( p a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m , p m s ) 定义为；用于辅助决策者对各种养护 方案进行评价以寻求最佳投资方案的工具例。美国的f h w a 将路面管理系统定义为：一系 列有助于选择维持路网在一定服务水平之上的最佳效费比养护策略的工具和方法p j 。澳大利 亚道路研究所对路面管理系统的定义为：用于优化利用路面养护可用资源，由信息采集、信 息分析和方案决策等模块组成的管理系统瑚总而言之：路面管理系统是一种借助计算机， 对路网投资进行规划，以期达到最大的投资效益比的决策辅助工具。 路面管理系统就是要解决一个“3 w ”问题 s l 。 w h e r e ：哪些路段需要养护： w h e n - 什么时候养护： w h a t ：采取何种措施。 1 3 路面管理系统的由来 路面管理系统的研究者普遍将路面管理系统分为网级路面管理系统和项目级路面管理 系统两个层次从路面管理系统的发展历史来看，项目级路面管理系统和网级路面管理系统 是先后出现的。 项目级路面管理系统的研究起源于美国和加拿大，最初的焦点是路面设计。1 9 6 6 年， 美国全国公路合作研究计划( n c h r p ) 进行了改善路面设计方法的研究课题，意图在路面 设计领域内取得新的突破1 6 1 。研究表明：仅囿于设计是不可能得到优良的路面结构的，施工 水平以及路面使用周期内的养护水平，对于设计出的路面结构是否具有预期的使用性能或使 东南大学硕士学位论文 用寿命有重大的影响。此外，预期的使用性能或使用寿命是否符合实际，需要通过对使用期 内的路面状况进行定期的检测和评价予以检验。因此，路面设计不能仅考虑一次修建，仅计 及初期修建费用和该路面结构的设计使用寿命而还应考虑预定分析期内可能采用的各种养 护方案以及这些养护方案所对应的费用。为此，设计系统应包含使用各种性能预测、经济 分析和优化部分，以便能通过分析比较得到费用效果比最佳的方案，随着研究的深入进 行，逐渐形成了项目级路面管理系统。 2 0 世纪7 0 年代起发达国家的路网建设基本完成，公路管理部门把注意力从扩展公路网 转向于通过养护、改建，维护和改善现有路网的服务水平养护和改建工作日益受到重视， 养护和改建的投资也得到了增强。如何合理分配和使用养护和改建资金，使路网具有尽可能 好的使用性能和服务水平，成为人们关注的焦点与此相应，研究工作便由项目级路面管理 系统转向于建立和实施网级路面管理系统，研究人员开发了路面破损数据检测设备，建立了 数据库、评价方法，标准和优先养护排序模型，综合各方面的研究成果逐步形成了网级路面 管理系统。 1 4 国内外研究动态 1 4 1 国外动态 自美国德克萨斯大学汉德森教授( h u n d s o n ) 等运用运筹学和系统工程学理论开发了“路 面养护管理系统”( p m s ) 居。美国和加拿大的许多州和省相继建立和实施了路面管理系统， 到g o 年代中期，约有3 5 个州和省已经建成或基本建成路面管理系统。其中，较有代表性的 有：美国加利福尼亚州路面管理系统( 1 9 7 8 ) ，华盛顿州路面管理系统( 1 9 8 0 3 ，亚利桑那州 路面管理系统( 1 9 8 0 ) ，美国陆军工兵团的p a v e k 路面管理系统( 1 9 8 3 ) ，美国空军机场道 面维护管理系统( 1 9 8 1 ) ，加拿大阿尔伯达省的路面信息和需求系统( p i n s ，1 9 8 3 ) 及城市 路面管理系统( m p m s ，1 9 8 7 ) 。同时，其它国家也陆续开展并建立了路面管理系统，如丹 麦路面管理系统( 1 9 8 0 ) ，英国运输和道路研究所( 1 1 r r i ) 的公路养护评价系统( c h a r t ， 1 9 8 0 ) 等。 目前，随着科技的发展，路面管理系统也在朝着更加实用、适用、人性化的方向发展。 国外路面管理系统已成为最新科学研究成果的集合体。软计算方法、i n t e m e t 技术、地理信 息系统( g i s ) 等技术的应用使得新路面管理系统的分析结果更加准确，使用更加方便。 1 4 2 国内动态 我国在“七五”期间曾经组织了p m s 的攻关科研工作，取得的成果也试着扩大推广应 用，但成效并不十分明显，主要有以下原因： ( 1 ) 养护部门的管理体制落后，习惯于传统的手工养护管理模式。 ( 2 ) 养护管理部门人员素质不高，无法适应现代化道路养护管理的需要。 ( 3 ) 养护标准过高，而一般等级公路由于缺乏足够的养护资金无法实施。 ( 4 ) 由于科技发展水平的限制，缺乏快速、准确的路况数据采集设备，无法对路况数据进行 全面、准确的采集。 由于上述几个原因，目前，我国路面管理系统的应用始终处于一个很低的水平，从笔者 对沪宁高速公路、京沪高速公路、广靖锡澄高速公路、连徐高速公路管理处的调研中发现， 目前高速公路管理部门普遍还没有配备路面管理系统，即使配备了路面管理系统，由于各种 原因也并未投入使用，高速公路的路面养护管理还停留在手工阶段。 2 第一章绪论 虽然我国目前高速公路路面管理系统的应用水平很低，但是，研究、使川高速公路路面 管理系统的大环境已经形成。主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 我国高速公路两己初步建立，高速公路路面养护管理的科学化引起了国家和各高速公路 管理部门的重视 ( 2 ) 高速公路普遍实行公司化管理，这使得权责更加明确，有利于路面管理系统的推广。 ( 3 ) 随着计算机应用的普及和管理部门人员综合素质的提高，使得管理部门对系统的接受程 度较十年前有很大的提高 ( 4 ) 高速公路养护的投资的力度，受重视的程度远大于普通公路。 ( 5 ) 国家有关部门要求定期对高速公路路况数据进行采集，而各种新型快速检测设备的出 现，也使高速公路路况数据的全面采集成为可能。 这几点都为高速公路路面管理系统的推广提供了有利条件。各研究部门纷纷开展了有关 高速公路路面管理系统的研究，国家也于2 0 0 2 年颁布了 高速公路养护质量评价方法( 试 行) 。但是对适合我国高速公路路面管理系统使用的评价模型、预测模型、对策选择模型等 方面的研究还有待进一步开展 1 5 研究的必要性 虽然国外已形成了较为完善的路面管理系统，但这些系统都是以本国的管理模式，路面 结构形式，材料性质和地理环境条件为基础的其管理模式不适合我国国情，其性能评价模 型和方法不适合我国高速公路路面结构和行车特点，性能预测模型与我国高速公路路面性能 的发展趋势也不相适应。因此，不能照搬国外成熟的路面管理系统。我国在“七五”期间虽 然也开展了路面管理系统的研究，但是当时由于高速公路的建设刚刚开始，研究的对象普遍 是一、二级公路，其性能评价、预测模型等也不适应高速公路路面管理系统的要求。而科学 技术和相关学科的发展也为高速公路路面管理系统的研究开拓了新的天地。所以在当今情况 下，开展高速公路路面管理系统的研究是很有意义的。 1 6 本文研究的主要内容 本论文的研究目标就是以国内已建成的高速公路为依托，在充分吸收国内外路面管理系 统研究成果的基础上，结合最新的科技发展成果，开展适合我国高速公路使用的路面管理系 统的研究。主要包括以下几个方面内容： ( 1 ) 结合当前i n t e r a c t 、g 1 s 技术，提出新时期适合高速公路沥青路面使用的路面管理系统的 框架。 ( 2 ) 对高速公路沥青路面路面管理系统所需的数据及其采集方法进行说明，并对规范中的不 足进行补充 ( 3 ) 对规范规定的高速公路沥青路面性能评价模型进行修正，提出适合我国高速公路沥青路 面使用的性能评价模雒! 。 ( 4 ) 总结以往路面性能预测模型建立的经验，以我国高速公路沥青路面路况调查的历史数据 为基础，利用时间序列方法建立高速公路沥青路面性能预测模型。 第二章现代高速公路路面管理系统框架 第二章现代高速公路沥青路面路面管理系统框架 2 1 概述 目前，路面管理系统的研究普遍将路面管理系统分为网级系统和项目级系统两个层次的 子系统。网级路面管理系统( n e t w o r kl e v e l ) 负责对路网进行整体规划，进行粗略的技术、 经济分析，提出概略的养护计划列表；项目级路面管理系统( p r o j e c tl e v e l ) 负责对网级系 统输出的养护计划列表中的项目进行详细的设计和经济性分析，得出最优养护方案。为了实 现路面管理系统的上述功能，网级和项目级系统普遍都由：数据采集模块，数据库模块，路 面性能评价模块，路面性能预测模块，对策选择模块，经济分析模块，决策模块，反馈模块 有机组合而成。但在网级和项目级路面管理系统之间、不同功能需求的路面管理系统之间， 各个模块的实现方式和具体功能有所差异 在路面管理系统出现、发展的四十几年里其组成模块基本保持不便，但随着数学、决 策学等相关学科的发展，各个模块的功能与实现方式日趋多样化和成熟。目前，随着科学技 术的进步，i n t e r n e t 技术和g i s 技术的应用目益广泛。在路面管理系统中应用i n t e r n e t 技术和g 1 s 技术，有利于提高路面管理系统的实用性和人性化程度，是路面管理系统发展 的大势所趋【7 1 。 本章将在分析各组成模块的基础上，对基于i n t e r n e t 和g i s 的路面管理系统框架进 行分析，提出适合我国高速公路沥青路面路面管理系统使用的框架。 2 2 网级路面管理系统与项目级路面管理系统嘲 从路面管理系统发展的历史来看，项目级路面管理系统在前而网级路面管理系统在后。 但是由于现代路面管理系统在工作时普遍是先由网级系统对路网进行总体规划，得出概略养 护措施列表，再由项目级路面管理系统对网级的分析结果进行详细设计，所以在提到路面管 理系统时都将网级系统列在前而项目级系统在后。 2 2 1 网级路面管理系统 网级路面管理系统通过在技术和经济上对各个可行的养护方案进行相对粗略的比较、分 析，寻求悬佳的养护方案以便使可用的资金发挥最大的经济和社会效益。网级路面管理系统 的功能大致分为如下几个方面： ( 1 ) 利用路面使用性能评价模型，对路段、路网的性能进行评价。 ( 2 ) 根据养护标准、确定路网的养护需求。 ( 3 ) 对路网、路段路况的发展趋势进行预测。 ( 4 ) 分析在各种限制条件下，路网的最优养护策略。 ( 5 ) 路网养护规划的敏感性及风险性分析。 现有国外网级路面管理系统输出的养护对策通常是较为粗略的。主要是由于以下两个原 因所致： ( 1 ) 国外路面管理系统管理的通常是一个州( 省) 的路网，路网庞大，通常有几万公里。由 于计算机性能的限制，无法对各个养护项目进行详细的养护对策分析。因而，通常是将 路网按相似性原则划分为子网，进而分析各个子网的性能变化状况和相虑的对策 ( 一个州( 省) 的路网通常包括各种类型( 柔性、刚性、复合式) 和等级的路面。若对所 4 东南大学硕士学位论文 有的路段的路况数据都进行详细收集，则工作量巨大。且采集费用十分高昂为此国外 在对路网数据进行采集时，仅收集较为粗略的数据( 如项目级分析时，需要的弯沉数据 为每5 0 m 一个点，而在网级分析时为每l o o m 一个点；或者对某个子网的路段进行抽样 等) ，以满足网级分析需要的数据，但利用这种详细程度有限的数据对具体项目进行详 细分析是远远不够的 由于以上两个原因，导致国外的网级路面管理系统分析结果较为租略，但用来对路网的 养护策略进行统筹已经足够。 2 2 2 项目级路面管理系统 项目级路面管理系统是网级路面管理系统的下级系统，它解决了网级路面管理系统输出 结果粗略的问题。项目级路面管理系统在网级分析输出的养护列表的基础上。对养护列表中 路段的路况数据进行详细调查，从而进行详细分析，得出该路段所对应的、详细的最优养护 策略。在国外，项目级路面管理系统不仅用来进行路段的养护对策分析，而且还可以用于新 建路面的结构设计。这种设计方法是与美国的路面结构设计理论紧密联系的，即根据各种材 料、路面厚度组合的路面结构的使用性能预测模型，分析一定时间内的养护对策，进而得到 符合使用要求的最经济的设计方案。项目级路面管理系统可以输出如下结果； ( 1 ) 某路段病害的具体数据，抗滑性、平整度等性能指标的数值。 ( 2 ) 路段路况发展趋势。 ( 3 ) 各种限制条件下路段的最优养护措施、实施时间及其经济性分析的结果 ( 4 ) 项目的敏感性、风险性分析。 项目级路面管理系统可以作为网级路面管理系统的下级系统，在收集到足够详细数据的 基础上，对网级路面管理系统所列出的项目清单中的项目进行详细分析，进而提出最优的养 护对策并对其进行详细设计：也可以对人为指定的某一特定项目进行分析。因而，网级路面 管理系统和项目级路面管理系统可以是两个相对独立的系统。在开发时，可以根据实际需要 确定系统的组成。 2 3 我国高速公路沥青路面路面管理系统框架 经过了四十几年的发展，国外的路面管理系统目趋成熟，但是由于我国高速公路的结构， 交通组成及其养护管理的模式和国外不同，国外路面管理系统的框架不能完全适应我国目前 高速公路路网管理的需要。因而，在进行我国高速公路路面管理系统的框架设计时应该充分 考虑我国高速公路沥青路面养护管理的特点，吸收国内外相关研究的经验和科技发展的最新 成果，提出适合我国高速公路沥青路面路面管理系统使用的框架。 2 3 1 我国高速公路路面养护管理的特点 高速公路养护管理的实际情况决定路面管理系统的框架组成。因而在进行路面管理系统 框架设计时要充分考虑我国高速公路沥青路面养护管理的特点。我国高速公路养护管理的主 要特点如下所示： ( 1 ) 管理里程少。我国高速公路路面管理系统的使用对象为省高速公路指挥部或者某高速公 路公司。一个省的高速公路总长度普遍小于4 0 0 0 公里。以我国高速公路里程最多的山 东省为例：2 0 0 3 年，山东省高速公路总里程达到3 0 1 8 公里。预计到2 0 0 8 年，山东省的 高速公路路网基本建成，通车里程为4 0 0 0 公里左右。如果是某高速公路公司使用的路 面管理系统，则其管理的里程数一般只有几百公里。这和国外路面管理的状况是不同的， 第二章现代高速公路路面管理系统框架 国外路面管理系统管理的公路普遍为几万公里。 ( 2 ) 管理对象单一，且意义重大。外国的州( 省) 的路面管理系统管理的路网等级分布很广， 从高等级的洲际公路到低等级的乡村沙石公路，都在管理的范畴之内。管理里程多、杂 且路面的重要程度不一，这使得国外在整个路网进行路面状况数据调查时只能采集较为 概略的数据，所采集到的数据精度仅满足网级路面管理系统分析的需要。在进行项目级 分析时需对特定路段的路况数据重新进行详细调查。而我国的高速公路网的状况不同， 基本都是沥青路面，重要程度一致，便于统一管理，且战略意义重大，因此我国投入了 大量的人力、物力对高速公路路况数据进行全面采集。数据的细致程度已经达到了对项 目进行详细分析的要求。 ( 3 ) 详细的分析结果。我国高速公路管理部门对路面管理系统的需求决定了我国的高速公路 沥青路面路面管理系统必须能够对具体项目进行详细分析，输出较为详细的养护措施， 路面管理系统中必须包含较强的项目分析功能。 ( 4 ) 项目级分析方法不同。我国的路面结构设计体系和外国路面设计体系不同。外国的沥青 路面设计体系中对各种厚度各种材料组合的沥青路面的性能发展趋势进行预测、选择养 护对策，进而进行经济分析，从而得到符合使用要求的最经济的路面结构。而我国沥青 路面结构设计是采用弯沉为控制指标的设计体系，且并未建立各种厚度和材料组合路面 结构所相应的预测模型。所以我国的项目级管理系统在对具体项目进行详细分析时不能 完全照搬外国项目级路面管理系统的模式 2 3 2 适合我国高速公路沥青路面使用的路面管理系统框架 从以上分析可以看出，由于高速公路养护管理的具体情况与国外的差异，我国高速公路 沥青路面路面管理系统的具体框架和外国路面管理系统的具体框架不可能完全相同。在考虑 我国高速公路养护管理特点的基础上，参考现有路面管理系统的框架，提出适合我国高速公 路沥青路面管理系统使用的框架，如图2 1 所示。为方便对比，列出传统路面管理系统使 用框架如图2 2 【”所示。 从图2 一l 、图2 2 中可以看出。我国高速公路沥青路面管理系统和传统路面管理系统 的最大区别在于项目级路面管理系统的地位改变了。传统路面管理系统的项目级子系统是作 为网级子系统的下级系统，以对网级子系统的规划结果进行进一步分析。而我国高速公路沥 青路面路面管理系统的项目级子系统是与网级子系统紧密关联在一起的。先由项目级子系统 对养护策略进行详细的分析，然后将分析的结果传入网级子系统进行统筹，再由网级系统将 统筹的结果反馈给项目级子系统进行二次分析，直至得到最优的养护策略。 采用图2 一l 所示的框架的优点是很明显的： ( 1 ) 由于项目级子系统对养护对策的分析更为详细，所以在进行网级分析之前先进行项目级 分析有利于提高网级子系统对整个路网进行规划的准确性以往之所以采取先网级分析 后项目级分析原因主要有两点：首先，难以对整个路网的路况数据进行详细的收集。所 以，网级分析和项目级分析要分步骤实施。在网级系统确定需要养护的项目后，再对该 项目的路况数据进行详细的收集，进而进行项目级分析。其次，由于计算机性能的限制， 无法对大量的项目进行详细的项目级分析而如前所述，这两个问题在我国目前的高速 公路养护中皆已得到解决。 ( 2 ) 采用该框架使得路面管理系统的组成更加的简单。原路面管理系统即要包含网级系统的 项目分析功能的能又要包含项目级系统的项目分析功能，而2 一l 所示框架只需包含项 目级的项目分析功能即可。这样简化了路面管理系统的结构，使得系统在设计和维护时 更加的简便 6 东南大学硕士学位论文 从以上分析可知：采用图2 1 所示的路面管理系统框架具有图2 2 的框架不可比拟的 优点，更适合我国目前高速公路养护管理的实际情况。因此，可作为我国高速公路路面管理 系统的初步框架。 项目级管理系统同级管理系统 圈2 - - 1 高速公路沥青路面管理系统框架 l 一一j 网级管理系统 嬲2 2目井路面臂理系统框架 7 第二章现代高速公路路面管理系统框架 2 4 路面管理系统的模块 路面管理系统的基本模块包括：数据采集模块，数据库模块，路面性能评价模块，路 面性能预测模块，对策选择模块，经济分析模块，决策模块，反馈模块。无论系统的具体功 能如何，这些模块都是基本保持稳定的，但相同模块在项目级管理系统和网级管理系统之问， 不同功能的路面管理系统之间，其具体功能和实现方法是有所差别的。下面对各个模块的主 要功能和实现方式进行说明，并依据我国高速公路沥青路面管理的具体特点，对各个模块需 要注意的地方进行说明。 2 4 1 数据采集模块 路面管理系统决策的依据是大量及时、准确的数据。路面管理决策的恰当与否，在很 大程度上依赖于能否及时而准确地采集到各种所需的数据。数据采集模块的功能就是负责对 路面管理系统所需的数据进行收集。路面管理系统所需的数据大体可以分为：基本状况数据， 交通调查数据、路况调查数据三类。三种数据的具体组成如图2 - 3 所示。数据采集工作至 关重要，其中基本状况数据主要通过向有关单位索取获得；交通量数据的采集方法有人工调 查、视频法、收费站法等；路况数据的采集主要是通过各种专门的检测设备进行 路面管理系统 所需数据 基本状况数据 路段编码 路面结构 养护历史 交通髓数州蠹嚣戛 路况调查数据 冀雾篡 i 平整度 l 弯沉 鲴2 - - 3路面管理系统所需数据 网级路面管理系统和项目级路面管理系统所需数据的差异在于详细程度不同，网级路面 管理系统是以对整个路网进行统筹为目的的，因而对数据的要求较低。仅需要较为概略的数 据即可。而项目级路面管理系统是以对具体项目进行详细设计为目的的，需要较为细致的数 据。以病害数据为例，网级路面管理系统所需的为评价路面所有病害状况的综合病窖指标既 可，而项目级路面管理系统需要的是不仅是表征所有路面病害的综合指标，还包括各种病害 所占比重和严重程度数据，以对养护对策进行详细分析 具体的数据分类与相应的采集方法将在第3 章中详细介绍 2 4 2 数据库模块 数据库模块负责对路面管理系统所需、生成的各种数据进行管理，是路面管理系统的基 础。路面管理系统几乎所有的模块都和数据库模块有关，图2 4 所示为数据库与各个模块 关系的示意图。 数据库模块一般由数据文件和数据管理两部分组成。数据文件是数据库模块所管理的数 据信息，除了数据采集模块所采集的数据还包括路面管理系统在分析过程中所生成的各种 数据。数据管理模块，即通过开发的数据库管理软件对数据库中的各种数据进行管理、对数 8 东南大学硕士学位论文 据的安全进行保护。 数据库模块能够输出如下内容： ( i ) 路段的详细设计资料，包括路面结构和线形资料等 ( 2 ) 路段的养护历史记录。 ( 3 ) 历年路况调查的原始记录。 图2 - - 4 数据库与其它模块关系图 2 4 3 路面使用性能评价模块 路面使用性能评价模块就是对数据采集模块采集到的，存储在数据库中的路况调查数据 进行综合，得出评价道路各方面性能的指标，并通过特定的养护标准来判断路网的养护需求 在采集到各种路况数据后，道路养护工程师就可以据此了解路面状况，选择养护措施。 但是，当路面管理系统，特别是网级系统在对路段、路网的状况进行评价、比较时，原始路 况数据就显得过于零乱为此，借助专家评分技术，寻找路面状况与专家评分之间的关系， 建立路面使用性能评价模块，从而实现对路面各方面性能较为综合的评价，是很有必要的。 目前，沥青路面性能的评价目前普遍被分为四个分项评价指标和一个综合评价指标。分项评 价指标为：路面病害状况评价指标，行驶质量评价指标、结构承载力评价指标和抗滑性评价 指标。综合评价指标是对路段的总体状况的评价，包含了四个分项指标评价的内容，是一个 高度概括的评价指标。 路面性能评价模块 路面病害状况评价 行驶质量评价 结构承载力评价 抗滑性评价 综合评价 圈2 5路面性能评价模块的组成 我国目前使用的高速公路沥青路面性能评价模型是以外国路面性能评价模型和我国普 通公路性能评价模型为基础略加修改而成的。而我国高速公路与国外公路及其本国普通公路 有以下几点不同： ( 1 ) 国内外沥青路面结构的差异。国外的沥青路面多为柔性基层，而我国的沥青路面多为半 刚性基层。 ( 2 ) 国内外交通条件的差异。主要体现在：国外的超载车辆少，我国有大量的超载车辆。 ( 3 ) 高速公路和普通公路交通流的差异。高速公路存在明显的渠化交通和相应的车辙病害。 “) 高速公路和普通公路不同的性能要求。由于高速公路的行车速度、重要性都是非普通公 路所能比的所以高速公路对路况有更高的要求。 以上几点差异使得我国高速公路与国外公路及其国内普通公路的性能评价模型不能采 9 第二章现代高速公路路面管理系统框架 用完全相同的模式。因此，开展高速公路沥青路面性能评价模型的研究是很有必要的。 通过路面使用性能评价模块，可以输出以下几项内容： ( 1 ) 各个路段的路况性能参数表、图。 ( 2 ) 路网的总体性能参数表、图。 ( 3 ) 各个性能等级路段百分比表、图。 “) 有养护需求的路段列表。 第4 章将对我国高速公路沥青路面性能评价模型进行详细分析。 2 4 4 路面性能预测模块 公路路面在使用过程中，其使用性能会随时间、行车荷载作用次数的增加而逐渐衰减。 当损坏达到某一预定标准时，路面就需要采取措施以恢复、提高其使用性能。路面性能预测 模型就是表征路面性能同时间、行车荷载关系的表达式。路面性能预测模型是路面管理系统 中一个十分重要的模块，在加载了路面性能预测模块之后，路面管理系统就能对未来的养护 需求进行规划；确定各种养护对策的费用、效益。而预测模型的准确性也会对分析结果的准 确性产生影响。网级路面管理系统仅需较为概略指标的性能预测模型，如：总体性能指标预 测模型，病害指标预测模型等。而项目级路面管理系统则需要较细致指标的性能预测模型， 如车辙预测模型、裂缝预测模型等但有些路面性能预测模型对网级和项目级路面管理系统 是通用的如：平整度预测模型、抗滑性预测模型等。 通过路面性能预溯模型应该能够输出如下内容； ( 1 ) 路段未来各项性能的发展趋势。 ( 2 ) 在规划期内有养护需求路段的列表。规划期是路面管理系统的一个重要输入数据，代表 路面管理系统对养护需求进行规划的年数。该年数过长则系统分析的结果可靠性过低， 过短则不能有效的进行规划，目前的规划期一般为五年。在实际建立系统时可以提出参 考年限，而由用户根据需要自行确定规划期。 ( 3 ) 路段在采取某项养护措施后备项性能的发展趋势。 由于国外性能预测模型普遍根据本国情况建立，而我国以往性能预测模型又多以普通公 路为基础。因此，开展符合我国高速公路沥青路面性能发展规律的预测模型的研究是很有必 要的。 第5 章将详细讨论公路路面性能预测模型的建模方法，并通过时间序列方法，根据我国 高速公路沥青路面的实测数据建立高速公路沥青路面性能预测模型。 2 4 5 对策选择模块 养护对策选择就是根据路面性能调查数据及由此综合而成的指标，选择可供该路段使用 的养护对策( 一般来说：可供某路段选择的对策数量多于一个) 养护对策的选择可以通过 决策树或决策图进行，但两者的原理都是相同的首先，在分析影响对策选择的诸因素的基 础上，选择几项主要影响因素，并安排好选择时考虑的先后顺序，由此组成若干种可能的状 况的组合；而后组织有经验的养护工程师，请他们对上述各种可能状况选择备选对策表中的 对应对策；汇总他们的选择。便可以整理出针对不同状况的养护和改建对策方案。 决策树示意图如图2 6 所示： l o 东南人学硕上学位论文 圈2 6决策树示意图 对鬣a 、b 对镱c 、d 对策e 、f 网级路面管理系统对项目对策的需求分析较为粗略，仅需根据路况评价指标对养护对 策进行较为粗略的选择。而项目级路面管理系统应根据路况调查的详细数据，对养护对策进 行较为详细的分析。 通过该模块可以输出：可供路段选择的养护对策。 2 4 6 经济分析模块【1 0 l 目前路面管理系统确定养护对策，普遍要考虑经济性因素。经济分析模块的主要功能是 对需要养护路段的一系列可供选择的养护对策的经济性进行分析。在分析时首先需要计算养 护对策的费用和效益。费用包括：大中修费用、日常养护费用、道路使用者费用、间接费用 ( 事故费用等) 等。效益可分为直接经济效益和间接经济效益。直接经济效益包括车辆运营 费用的减少、行驶时婀的节约、事故率的降低及舒适性的提高等。间接经济效益包括区域经 济开发、吸引外部资金等方面。但由于无法准确计算等原因，目前路面管理系统一般不考虑 间接费用和间接效益。然后，根据经济效益分析模犁即利用收益率法、效益费用比法、费