（道路与铁道工程专业论文）基于GIS的路面管理系统框架研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着高等级公路建设的飞速发展以及信息技术的日新月异，路面管理系 统( p m s ) 已成为道路管理部门进行养护规划和投资的重要分析工具，其中， 在g i s 软件平台上实现p m s 的功能更为当前p m s 乃至设施管理研究与实践 的热点。p m s 的基础是对数据的管理，g i s 技术以其强大的图形处理与空间 数据分析功能，实现对数据的分类、组织、编码、存储、检索和维护等，成 为路面管理强有力的工具。鉴于此，本文在查阅了国内外路面管理系统相关 文献的基础上，对路面管理系统的组成和内部数据组织方式进行了研究，并 就基于g i s 的路面管理系统展开研究，强调系统的空间分析和功能的研究开 发。论文主要探讨内容有： ( 1 ) 对常见的路面性能评价方法进行了对比分析，阐述了基于可拓数学理 论的物元分析法用于路面性能综合评价的原理，进行了客观评价，并通过实 例计算与目前路面性能评价常用的模糊评价方法进行了对比分析，比较了物 元分析法的优势和特点。结果表明：物元分析法的评价结果更为客观和有效， 而模糊评价方法则由于其本身的模糊运算方法出现了“均一化”的不准确结 果。 ( 2 ) 基于m a t l a b 软件的b p 神经网络预测方法，引进温度，降雨量和 轴载等三个路面性能指标影响因素，通过对现有数据建立单项指标神经网络， 以不同权值与阈值的调节优化训练精度，进而调用仿真预测单项指标值。以 “影响因素一路面性能”的输入输出方式训练综合神经网络，用每年三个影 响因素值向量作为训练输入值，四个性能指标值向量作为目标输出值，通过 跨年份连续时间序列数据训练得到符合精度要求的成熟网络，对未来指定年 份的路面性能指标做出预测。实例分析表明，论文所述预测方法具有较好的 应用前景。 ( 3 ) 在数据的组织和数据库建立上使用新的面向对象的空间数据，利用统 一建模语言完成了系统数据库的设计与建立，包括矢量化得到空间数据库、 现场采集的属性数据库以及其他形式的资料数据库。在a r c m a p 下采用v b a 编程方法制定系统功能界面，并完成评价模型算法和对话窗口的设计和实现。 通过对系统的开发试验和尝试，系统完成了包括路面性能评价、预测以及s q l 查询、缓冲区分析、影像资料观看等功能的设计和实现。论文研究结果表明： 利用g i s 开发路面管理系统可以使管理工作更加形象直观，大大减少使用者 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 的工作量和时间，提高工作效率，是一种现代化管理模式的有效手段。 关键词：路面管理系统；物元分析；神经网络预测；g i s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 a b s t r a c t r e c e n t l y , w i t h t h e r a p i dd e v e l o p m e n to fb o t hh i g h g r a d eh i g h w a y c o n s t r u c t i o na n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , 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 ) h a sb e c o m eo n eo ft h em o s tu s e f i l lt o o l sf o rp l a n n i n ga n di n v e s t m e n tf o rr o a d m a i n t e n a n c e r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fp m s ，i n c l u d i n gf a c i l i t ym a n a g e m e n t ， h a v eb e e nh i g h l i g h t e dt oa p p l yt h ef u n c t i o n so f p m so nt h ep l a t f o r mo f g i s d a t a m a n a g e m e n t i s p r i m a r y e l e m e n to fp m s ，w h i c hi n c l u d e s c l a s s i f i c a t i o n ， o r g a n i z a t i o n ，e n c o d i n g ，s t o r a g e ，r e t r i e v ea n dm a i n t e n a n c ef o rd a t a t e c h n o l o g yo f g i s ，w i t ht h ep o w e r f u lg r a p h i c sp r o c e s s i n gc a p a c i t ya n da n a l y s i sf u n c t i o nf o r s p a t i a ld a t a ，m a k e si t s e l f b ev i t a lc o m p o n e n to f p a v e m e n tm a n a g e m e n t r e f e r r i n g t oo t h e ri n t e r r e l a t e dl i t e r a t u r e s t h ec o m p o s i t i o n so fp m sa n dt h eo r g a n i z a t i o n m o d e so fi t si n t e r n a ld a t ah a v eb e e nr e s e a r c h e d ，a n db a s e do ng i s ，t h i st h e s i sh a s b e e ns p e c i f i e di np m s ，a n ds p a t i a l a n a l y s i so ft h es y s t e ma n dr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tf o rf u n c t i o n sa r ee m p h a s i z e d 1 1 1 em a i nc o n t e n t sa r ea si n c l u d i n g ： ( 1 ) s o m ew i d e l yu s e dm e t h o d sf o rp a v e m e n tp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nh a v e b e e np r e s e n t e d t h ep r i n c i p l ea p p l y i n gt h ee l e m e n t - a n a l y s i sm e t h o dw h i c hi s b a s e do ne x t e n s i o nm a t h e m a t i c st h e o r yi nt h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no f p a v e m e n tp e r f o r m a n c eh a sa l s ob e e nd e t a i l e d a d v a n t a g e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so f t h em e t h o dm e n t i o n e da b o v eh a v eb e e np r o p o s e db yc o m p a r i n gi tw i t ht h a tb a s e d o nf u z z yt h e o r y n l er e s u l te v a l u a t e db ye l e m e n t a n a l y s i sm e t h o di sm o r e o b j e c t i v ea n de f f e c t i v et h a nb yf u z z ym e t l l o dw h i c hr e f l e c t sh o m o g e n e o u sr e s u l t ( 2 ) b a s e do nb pn e u r a ln e t w o r km e t h o dp r o v i d e db ym a t l a b ，t h r e e i n f l u e n c ef a c t o r so fp a v e m e n tp e r f o r m a n c e ( i n c l u d i n gt e m p e r a t u r e ，r a i n f a l la n d a x l el o a d ) h a v eb e e ni n t r o d u c e d ，t h e n ，t h r o u g ht r a i n i n ga n ds i m u l a t i o nf o r a v a i l a b l e d a t a , s i n g l e i n d e xn e u r a ln e t w o r km o d e l sf o re a c hf a c t o ra r e c o n s t r u c t e d a f t e ro p t i m i z a t i o no ft r a i n i n gp r e c i s i o nb ya d j u s t i n gw e i g h tv a l u e s a n dt h r e s h o l dv a l u e s ，s i n g l e - i n d e xs i m u l a t i o nf o r e c a s t sh a v eb e e na c h i e v e d a s t h e “i n p u t o u t p u t m o d e t h e “i n f l u e n c i n gf a c t o r s - p a v e m e n tp e r f o r m a n c e s ”i s s s e l e c t e dt ot r a i nt h em o d e lc o m p r e h e n s i v e l y t a k i n gt h ea b o v em e n t i o n e df a c t o r s a si n p u tv a l u e s ，a n o t h e rf o u rp e r f o i t n a n c ei n d e x e sa st h eo u t p l u tv a l u e s 。am a t u r a l i n t e g r a t e dn e t w o r ki so b t a i n e dt h r o u g ht r a i n i n gf o rc o n t i n u o u sd a t aw i t h i na c e r t a i ny e a r s w i t ha n a l y s e so f e x a m p l e s ，t h em e t h o d ，w h i c hh a sb e e nd i s s e r t a t e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 i nt h i st h e s i s i sp r o v e dt ob ep r o m i s i n g ( 3 ) an e wc l a s so fo b j e c t o r i e n t e ds p a t i a ld a t ai sa p p l i e df o r t h ed a t a o r g a n i z a t i o n a n de s t a b l i s h m e n to ft h ed a t a b a s e t h e n ，t h es y s t e md a t a b a s e s ， w h i c hi n c l u d es p a t i a ld a t a b a s e ，a t t r i b u t ed a t a b a s ea n ds o m eo t h e ri n f o r m a t i o n d a t a b a s e s ，a r ed e s i g n e da n dc o n s t r u c t e dw i t hau n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e f u n c t i o n a li n t e r f a c eo ft h es y s t e mi s d e v e l o p e dw i t ht h ev b ap r o g r a m m i n g m e t h o di na r c m a p ，a n dt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fb o t hm o d e la l g o r i t h m a n dt h ed i a l o g u ew i n d o w sa r ea l s oc o m p l e t e d t h r o u l g ht h ed e v e l o p m e n tt e s ta n d a t t e m p tf o rt h es y s t e m ，f u n c t i o n so ft h es y s t e ms u c ha se v a l u a t i o na n dp r e d i c t i o n o np a v e m e n tp e r f o r m a n c e s ，s q lq u e r y , b u f f e ra n a l y s i s ，w a t c h i n go fi m a g ed a t a h a v eb e e na c c o m p l i s h e d t h e n ，i tc a nb ea c h i e v e dt h a tt h ed e v e l o p m e n to fp m s o ng i sp l a t f o r mc o u l de n a b l et h em a n a g e m e n tm o r ev i s u a l ，r e d u c eu s e r s w o r k l o a d sa n dt i m eg r e a t l y , a n di m p r o v ew o r ke f f i c i e n c y i nc o n c l u t i o n , t h e m e t h o di sa ne f f e c t i v ea p p r o a c hf o rt h em o d e r nm a n a g e m e n tm 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 ；e l e m e n t - a n a l y s i s ；p r e d i c t i o nw i t h n e u r a ln e t w o r k ；g i s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1论文的研究意义，国内外现状 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。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【”。 国内对路面管理系统的研究起步较晚。最早的路面管理系统是“七- 五”前 期交通部公路研究所和英国合作在辽宁营口移植的地区级路面管理系统。 “七五”期间，交通部公路研究所、同济大学承接了国家攻关项目“干线公路 ( 省市级) 沥青路面评价养护技术的开发”的研究工作，后来同济大学又开展 了水泥和砂石路面管理系统的研究工作，建立了沥青、水泥和砂石路面使用 性能的预估模型体系，初步建立了路面管理系统的经济分析模型和参数，确 立了系统优化的排序、线性规划和动态规划模型目前，北京、广东、上海、 山东和浙江等地相继结合自身的实际情况建成了公路或者城市道路路面管理 系统。在国外比较有代表性的系统平台有e s r i 公司的a r c i m s 、a r c v i e w ， m a p i n f o 公司的m a p x t r e m e ，i n t e r g r a h 公司的g e o m e d i aw e bm a p 等等。从 七十年代末期开始，美国、德国等一些发达国家的公路网建设已经基本完成， 公路管理部门的注意力开始从扩展公路网和新建公路转向于通过养护和改建 来改善和维护现有的路网。网级路面管理系统得到了蓬勃的发展，从系统体 系和管理内容可以分成档案管理系统、专家系统、智能型决策支持系统这几 个阶段。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 而如今将国际化的g i s 平台运用于p m s 开发的例子更是层出不穷。路 面管理系统的可视化己成为一种趋势。更重要的是，基于g i s 的路面管理系统 由于拥有非常直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( g i s ) 强大的空间数据处理能力，设计基于g i s 的路面管理系统的逻 辑结构图。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g i s 的空间信息处理能力实现直观的图形表示， 使得在完成管理任务时比传统的管理系统更加便捷，高效。地理信息系统( g i s ) 最大特点就是具有强大的空问数据处理能力，因此，基于g i s 平台的路面管理 系统将是未来的重要发展方向之一。 1 2路面管理系统的组成 路面管理是以有组织的方式把同路面有关的各个方面组合在一起，从采 集处理和分析路段的数据，到鉴别目前和今后的养护和改建需要，到编制改 建和养护计划，到通过设计、施工和养护实施这些计划，系统是在各方面活 动之间建立起联系和协调关系。 路面管理系统建立和实施的目的是帮助管理部门改善所作出的决策效 果，扩大决策的范围，为决策的效果提供反馈信息，以积累管理经验，并保 证部门内各级单位决策的协调一致性，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、网级系统和项目级系统和四个部分组成。 不同组成部分有不同的作用。 图1 一l 路面管理系统基本组成 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 1 数据采集系统 路面管理系统中的数据采集系统，是运用客观而科学的数据采集方法， 采集路面状况数据，建立路面使用性能预估模型，进行路面使用性能的评价， 并对路面性能满足使用要求的程度作出判断，利用这一判断，可以判别路面 状况是否适应目前的交通和使用要求，了解路网的服务水平，确定路网内哪 些路段需要采取养护和改建措施以及采取什么措施较适合，为之选择相应的 养护和改建对策，并作为项目优先排序的一项依据。路面管理系统中，数据 采集系统需采集的路面状况数据主要有：平整度、路面损坏、结构承载力和 抗滑能力四个方面，是道路养护和改建计划编制的依据。大量、精确数据信 息的取得依赖于高效、快速的检测设备。”七五”攻关期间，交通部结合国内 情况已经开发了一套公路路面数据检测设备，用于采集公路几何尺寸、路面 破损、平整度、弯沉、摩擦系数、交通量、车速和轴重等数据。这些高效的 数据检测设备主要的技术指标和功能如下【2 】： ( 1 ) 路况数据采集仪( p c r ) 一次最多可下载和存储3 0 0 k i n 的数据； ( 2 ) 按照2 0 k i n e l 的检测速度计算，下载一次数据可使用1 5 个工作日； ( 3 ) 记录和处理沥青、水泥和砂石三种路面的路面破损数据，能计算路面破 损率； ( 4 ) 记录和处理沥青、水泥和砂石三种路面的道路好路率，能计算各个路段 的好路率； ( 5 ) 记录和处理沥青路面的弯沉数据，具体到内、外车轮的初、末读数和每 公里2 0 测点的路段平均弯沉。 1 2 2 数据库管理系统 数据库是路面管理系统运行的基础和核心，其规划和设计在整个系统中 占有非常重要的地位，它不但起着存储各种信息，供统计、查询、分析等使 用，而且还关系到不同管理机构之间的数据传递。路面管理系统的数据库包 含进行各种分析和为决策者提供报告所需要的所有信息。在数据库总，信息 是以数据文件的形式存储的。一个数据库可以包含多个数据文件，这些数据 文件的组成设计和每个文件的数据项设计便是数据库设计的主要内容。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 系统所需的各种路况数据以不同的方式采集后输入计算机，通过软件系 统处理，为网级和项目级的评价、预测和决策提供所需的数据。下图一数据 库为中心，描述了数据库与输入输出之间的关系。 图1 - 2 数据库管理功能 数据库管理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。 为了对路网各项数据进行有效的管理，需要建立路网参照系统。参照系统由 各类不同形式的编码组成据其中路网由弯路线组成，路线又分成若干个 l o k m 3 0 k m 长的区间，区间在进一步分l k m 长的路段，给路线、区间和路 段不同编码，从而使不同的数据存放在不同的层次上。例如，交通量数据以 区间为单位可以节省计算机资源，弯沉则需要以一段为单位才能满足系统中 项目级分析的要求。 数据库数据依据其存储数据的性质分为两类：静态数据和动态数据。 数据库一般具备如下基本功能： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 1 ) 数据编辑打印： ( 2 ) 数据检索查询； ( 3 ) 数据统计分析； ( 4 ) 为网级路面管理系统提供决策数据； ( 5 ) 为项目级系统提供工程分析数据。 1 2 3 网级路面管理系统 网级路面管理系统通过技术上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，寻求最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。利用数据库中数据信息，通过路面状况评价、路面使用性能预 测、道路使用者费用预测、养护方案效益分析和优化决策，网级路面系统将 实现以下几个方面： ( 1 ) 利用路面使用性能评价模型，对路段、路网当前使用性能评价； ( 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，包括车速预测和评价； ( 4 ) 路面养护水平( 标准) 优化分析； ( 5 ) 养护预算优化分配； ( 6 ) 养护投资敏感性及危险性分析； ( 7 ) 新建、改建项目投资效益分析。 在路面使用性能评价模块中，网级系统将给出当前路网各项评价指标的 评价结果，结果常用百分比的形式出现。养护需求分析模块提供未来l o 年内 路面大中小修养护费的时间、费用、地点和方案。车速预测评价模块是从行 使质量评价角度分析预测路网车速在未来1 0 年内的变化情况，为道路改建， 拓宽提供依据。养护水平( 标准) 优化分析模块则给道路养护工程师提供达 到要求的养护水平所需要的最小投资。养护预算优化分配模块将分析不同投 资水平为路网带来的变化，建立投资水平与路况的关系从，用以确定最佳的 路网投资方案和计划。 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p i ： ( 1 ) 国外路面管理系统通常是一个州( 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 策分析。因而，通常是将路网按相似性原则划分为子网，进而分析个格子网 的性能变化状况和相应的对策。 ( 2 ) 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粗略， 但用来对路网的养护策略进行统筹已经足够。 1 2 4 项目级路面管理系统 项目级路面管理系统是忘记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面养护对策的分析，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，进而得到符合使用性能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、实施时间及其经济分析的结果。 ( 4 ) 项目的敏感性分析、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。其主要作用是补强设计方案优化分析和罩面 方案选择。当路面强度不足时，项目级路面管理系统可利用我国公路沥青 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 路面设计规范1 2 规定的理论和方法进行路面补强设计，建立可选方案。对 可选方案利用经济模型进行经济效益分析，通过经济指标确定最佳的补强方 案。罩面设计方案选择则是根据路面管理系统评价结果和路面处治标准，选 择一种合理的、以修复路面表面破损为目的的罩面方案。罩面方案选择不涉 及路面强度问题，罩面的厚度取决于道路等级和路面状况。 1 3 本文研究内容 结合现场调查、建模以及训练仿真试验，针对四川省内以成都为中心的 高速公路，在以下几个方面进行了研究工作。 ( 1 ) 收集路面性能指标数据( p c i 、s s i 、r q i 、s f c ) ，建立完整的评价 模型，运用物元分析法对划分的公路路段进行等级评价并比较此方法的优势。 ( 2 ) 根据连续年份的路面性能指标数据，结合温度、湿度、交通量等数 据，运用b p 神经网络的方法，预测路面性能。应用m a t l a b 的神经网络工 具箱，进行训练后得到最适合的网络模型，提高预测的准确率。 ( 3 ) 建立图形数据库和对应的属性数据库，对地图进行矢量化。 ( 4 ) 构建基于g i s 平台的路面管理系统框架，应该具备的主要功能包括： 对道路等具有地理空间特征的数据进行输入，编辑，存储等：空间几何信息的 任意放大，缩小及漫游等：建立空间数据与相应的道路其它属性数据的对应关 系：实现空间几何数据和属性数据的动态交互查询 ( 5 ) 应用g i s 系统所支持的v b a 程序语言对系统功能进行二次开发，实 时评价和预测路面综合使用性能：基本的空间分析( 空间查询、s q l 查询、缓 冲分析等) 功能：方便制作各种专题图，增强对数据潜在信息的挖掘能力。 1 3 1 本文研究方法 本论文以四川省主要高速公路干道所采集的路面性能数据和相关影响数 据为依托，借助现有高性能计算机软件g i s 中的a r c m a p 为平台，在路面性 能综合评价和路面性能预测的两个模块的基础上，建立能够反映省内高速公 路各方面信息的数据库管理平台，结合理论分析，再进行数值的计算分析， 并引入用于评价的物元分析法和用于预测的b p 神经网络，研究了物元分析 法在实际应用中的可靠度和有效性以及预测过程中对m a t l a b 神经网络工 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 具箱的使用研究。系统的二次开发依照g i s 软件支持的v b a 语言来完成用 户界面的设计、用户工具条设计和各项功能的实现。 1 3 2 本文研究技术路线 论文所采用的技术路线如图1 3 。 图1 - 3 研究技术路线 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 1本章概述 第2 章路面使用性能评价 由于客观事物总是处于相互联系、相互依存、相互作用之中，因此要正 确评价客观事物的整体状况，就必须从各个角度、不同侧面去描述和分析、 这就形成了多个衡量条件的评价，而每个衡量条件的评价只能反映客观事物 的一个侧面，不可能反映事物的整体状况。多个衡量条件对客观事物的评价 有时候会出现不一致甚至矛盾的情况，以致对不能对被评价对象作时间和空 间上的整体对比。因此，人们研究出了各种多指标的综合评价方法把反映被 评价对象的各个信息综合起来，变成一个综合指标，凭此反映被评价对象的 整体情况。许多数学分支和系统理论都提出了在某些方面有效的综合评价方 法，但是问题并没有解决。其原因有很多，比如被评价对象中存在的随机性 和模糊性以及在不同条件的可变性。 路面使用性能评价是依据所采集到的路面状况数据，对路面性能满足使 用要求的程度作出判断。利用这一判断，可以了解路网的服务水平，判别路 网内需要采取的养护和改建措施的路段，为之选择相应的养护和改建对策， 并作为项目优先排序的一项依据。 路面使用性能具有多方面属性，各自从不同的侧面满足使用要求。因而， 对路面使用性能的评价是按单项使用性能属性进行，如行驶质量评价、损坏 状况评价、结构承载力评价或抗滑能力评价。然而，有时为了使路网或者各 个路段的使用性能具有可比性，还采用一个综合评价指标，把各项使用性能 属性的评价组合在一起。 2 2 路面使用性能研究现状 路面使用性能评价是开展路况数据采集并由此针对现有路况进行评价， 它是以后路面使用性能预测和养护方案优化决策的基础，在路面管理系统中 起着非常重要的作用。国内外对现有公路病害的调查及调查资料分析等方面 进行了研究，提出了一些调查和分析的方法。如世界上第一个使用路面性能 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 评价模型p s i ( p r e s e n ts e r v i c e a b i l i t yi n d e x ) 现实服务指数是由美国 a a s h o ( a m e r i c a na s s o c i a t i o no fs t a t eh i g h w a yo f f i c i a l s ) 基于a a s h o 实验路 段的观测结果提出的f 5j ，在这个模型中强调了路面平整度对路面使用性能的 重要影响：亚利桑那州公路管理局的路况评价系统m a p c o n ( m e t h o df o a n a l y s i sp a v e m e n tc o n d i t i o n ) 1 6 1 ，该系统综合了以前的研究成果，把路面性 能数据分为路面服务能力、结构承载力和路面损坏等三部分，按几种方法对 这三部分进行评价；c h j u a n g 于1 9 9 2 年利用模糊数学方法提出的路用指数 u p d i ( u n i f i e dp a v e m e n td e t e r i o r a t i o ni n d e x ) “l ，它首先把路面损坏分为龟 裂、车辙、坑槽等几种类型，根据主观判断这几种类型对路面使用性能的影 响从而进行严重程度分级，然后根据每种类型的严重程度和范围进行权值的 主观分级，最后利用模糊数学中的隶属函数计算路面的性能评价指标u p d i ， 另外还有美国空军工程实验室开发的p a v e r 系统扣分法1 8 】，它包括( 1 ) 路 面损坏的明确定义、分类；( 2 ) 路面损坏的具体测量方法；( 3 ) 损坏扣分函 数集权函数曲线；( 4 ) 主、客观因素相结合的路面状况指数计算方法等众多 方法。国内进行路面管理系统的研究相对较晚，在吸收国外方法和经验的基 础上，也提出了适合我国国情的路面评价方法，如由同济大学姚祖康教授主 持的“七五”国家重点攻关项目“干线公路路面评价养护系统成套技术“】， 该方法把路面使用性能分为行驶质量、路面破损和结构承载能力三个方面， 对路面破损采用扣分法，即路面损坏状况由损坏类型、严重程度、范围或密 度这三个方面来表征，路面损坏状况采用单一的标准p c i ( p a v e m e n tc o n d i t i o n i n d e x ) ，最后根据交通量、路面的行驶质量、路面破损和路面的结构承载能 力这四个方面形成的矢量来描述路面的使用性能。交通科研所的潘玉利博士 提出了基于回归的路面使用性能评价模型 7 j ，认为影响路面使用性能的因素 有两个，平整度和破损率，首先假设各种函数形式，利用观测的数据进行回 归，再对其进行单项相关分析，最后选取相关性较好的回归方程作为路面使 用性能的评价模型。还有长沙交通学院路桥工程系张起森教授提出的路面性 能评价指标【9 1 ，认为路面的使用性能包括功能、结构和安全三个方面，相迎 的采用路面横断变形、路面破损率和强度系数三个指标评价路面的结构状况， 用抗滑系数和平整度来评价路面的安全性和行驶质量。上述的路面性能评价 模型己在路面管理系统中得到了应用，指导实际的道路养护工作。但是上述 方法都是在以前一般公路的基础上建立的，而且评价模型通常是对路面调查 数据进行回归得到的，对数据的依赖性较大，模型的可移植性差，加上我们 的高速公路建设较晚，经营者平时又不注重进行路况调查，积累的路况数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 很少，利用回归模型存在缺陷，同时高等级公路又有自身的特殊性，因而将 上述评价一般公路的模型照搬到现有高等级公路中，会存在评价不合理的情 况，而且目前我国又没有适于高等级公路的路面性能评价指标，因而有必要 针对高等级公路提出相应的评价模型。通过建立符合我国高速公路路面性能 的评价模型，为将来建立适合高速公路的路面管理系统奠定基础。 2 3几种常用评价方法研究 ( 1 ) 基于回归模型法的路面使用性能评价方法 路面系统是一个复杂的体系，在研究初期通常都是依靠专家评分技术， 用多元回归的方法来建立客观与主观，因与果的联系，实现对路面使用性能 的评价。p s i 是由美国从s h t o 于2 0 世纪6 0 年代提出的，其评价方法是将 评分人员按背景的不同分组，分别乘坐选定的车辆，以选定的速度行驶在选 路段上进行评分，给出每个实验段的个人评分值i p s r ( i n d i v i d u a lp r e s e n t s e r v i c e a b i l i t yr a t i n g ) ，从而得到该路段的专家总体评价值p s r ( r r e s e n t s e r v i c e a b i l i t y r a t i n g ) ；与此同时，道路检测人员对路面进行检测，得到路面 状况数据资料；最后对数据进行分析、检查、检验、整理，用多元回归方法 建立这些路面状况指标与各路段p s r 值之间的关系，得到路面服务能力指数 p s i ： 对于沥青路面p s i = 5 0 3 1 9 1 l g ( 1 + s - v ) 一1 3 8 面尹一0 o lc 4 6 - 可 ( 2 1 ) 式中： s v ：为轮迹处纵向平整度离散度； c ：为裂缝度，； r d ：为车辙深度，c m 。 除此之外，以美国p s i 为范例的加拿大的路面质量指数p q i 与线性舒适 性指数r c i 桥本( 1 9 8 6 ) h 6 提出的，这个模型的缺陷是当平整度大于一定的 数值如6 0 时，r c i 会给出不合理的负值。日本的路面养护指数m c i 饭岛等 ( 1 9 8 1 ) 1 1 0 1 在参考a a s h o 的p s i 模型基础上开发的，与a a s h o 不同，饭岛等 采用的专家评价组是由道路管理人员组成的，且仅考虑路面平整性、裂缝程 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 度及车辙对道路养护需求的影响。与路面处治指数p r l 日本航空局于1 9 8 2 年开发的，以及我国规范上至今仍使用的p q i 、p c i 、r q i 都属于此类。 ( 2 ) 基于系统分析法的路面使用性能评价方法1 1 2 1 这种方法以层次分析法和模糊数学为代表。层次分析法将评价指标体系 分为总目标u ，评价准则层o ，损坏类别层d ，评价指标层e 这四个层次； 根据此层次分析模型上一层次因素与下一层次因素之间的关系，制定排列判 断矩阵元素调查表，通过专家咨询，构造出各个判断矩阵，并用计算机进行 层次排序及总层次排序计算。得出各个评价指标的权重，最后得出路面状况 评价指标权重，再依据权重对路面进行评价。 李国强、蒋志仁 2 6 1 提出的路面综合耐用性指数c s i ( c o m p r e h e n s i v e s e r v i c e a b i l i t yi n d e x ) 是应用模糊数学的代表。它首先进行因素分析，选定年 均日交通量a a d t 、路表弯沉l 、国际平整度指数i r i 、路况指数p c i 作为评 价指标，并对其无量纲化处理，然后在一定的研究与调查分析的基础上，建 立了各个评价指标的隶属度函数，得到路面综合耐用性指数c s i 。 c s r = i 4 ( a 1 + a 2 + a 3 + a 4 ) ( 2 2 ) 式中：c s i t 为第t 年的综合耐用性指数，a 1 、a 2 ，a 3 、a 4 分别为交 通量、弯沉，平整度、路况指数的量纲为一的参数。 ( 3 ) 基于灰色理论的路面使用性能评价方法 路面评价过程中有不少信息或者机理还不完全清楚，也不可能在了解路 面的全部信息后再对路面进行评价。针对路面系统本质是灰色这一特点，将 灰色理论引入路面使用性能评价中，得倒了很大的成功。首先，在模型遵循 实用性、客观性、全面性的原则的基础上，选定路面破损状况、路面平整度 和抗滑系数等作为评价指标，将每一评价指标分成优、良、中、差这类等级， 确定了灰类；其次，对路面评价指标进行了量纲一的处理，统一指标的取值 范围；再次，根据灰色理论确定了各个灰色聚类的白化权函数形式，并且通 过路况评价指标分级标准确定了白化权函数的各个特征值；最后，根据评价 指标原始样本矩阵与白化权函数求得路厩状况评价对象各个评价指标关于每 种灰类的聚类值，得出路面评价对象的聚类。 ( 4 ) 集对分析法”“ 集对论是中国学者赵克勤在1 9 8 9 年首次提出p 1 ，是一种新型的处理模糊 和不确定知识的数学工具，能有效地分析和处理不精确、不一致、不完整等 各种不确定信息，并从中发现隐含的知识，揭示潜在的规律。 郑州大学李清富、胡群芳等人将集对分析应用到了路面使用性能评价中。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 集对分析理论的核心是将系统内的确定性予以辩证的分析和数学处理，认为 不确定性是事物本质属性，并将不确定性和确定性分为“同一”与“对立” 两方面，而不确定性定义为“差异”，从同，反、异三个相互联系、相互制约 的方面分析事物及其系统引入联系度公式： 1 t ( w ) = a + b i + c j ( 2 - 3 ) 式中： a ：表示同一度； b ：表示差异度； c ：表示对立度； i ：表示差异度系数。 其中i 在【1 ，1 】区间中视为具体情况，当i = l 时，差异度转化为同一度， 当i = 1 时，差异度转化为对立度，取区间值时差异度中同一度和对立度各占 一定比例：i 表示对立度系数。具体评价方法有两种： 方法l ：基于集对分析的道路路况的评价，首先将评价因子与评价标准 构筑一个集对，利用直接比较法确定联系度对于