（道路与铁道工程专业论文）高速公路沥青路面路面管理系统分析与开发.pdf

摘要 自从上世纪八十年代以来，我国高速公路的建设取得了巨大的成就，尤其是 高速公路沥青路面的建设正处于空前高速增长期。随着我国高速公路网的逐步完 善，公路管理部门工作重心将从大规模建设公路网逐步转向养护、改建、维护和 改善现有公路网，这凸显路面管理系统的重要性。因此，本文在开展了对高速公 路沥青路面路面管理系统的研究，主要包括五个部分：高速公路沥青路面路况数 据采集；高速公路沥青路面使用性能评价；沥青路面使用性能预测；高速公路沥 青路面养护优化决策；高速公路路面管理系统的开发。 路面性能数据采集是路面管理系统的基础。本文介绍并研究了基于新设备和 新方法的路面数据采集方法，对采集的数据进行分析得到路面性能指标，为建立 高速公路沥青路面的评价模型和预测模型提供的依据。在路面使用性能方面，对 国内先行的评价方法进行了分析，针对当前路况数据具有灰色的特点，并将车辙 指标纳入评价体系，建立了灰色聚类评价的模型。在沥青路面使用性能预测方面， 系统总结了国内外使用性能预测的研究现状，针对湖南省高速公路路面使用性能 数据较少的特点，建立了灰色马尔可夫预测模型，提出利用m a t l a b 中 f a m i n c o n 函数解约束优化问题的马尔可夫状态转移矩阵法。在路面使用性能 决策优化方面，本文利用o 一1 整数规划原理，建立了高速公路沥青路面养护决 策优化模型。 最后，本文在上述基础上建立了湖南省高速公路路面管理系统，阐述了系统 的总体设计和系统的功能，同时叙述了本文研究的结论，对进一步研究的内容进 行了展望。 关键词：路面管理系统；灰色聚类；马尔可夫链；路面性能评价；路面性能预测 a b s t r a c t s i n c e19 8 0 s t h ec o n s t r u c t i o no fe x p r e s s w a y si nc h i n ah a sm a d et r e m e n d o u s a c h i e v e m e n t s ，e s p e c i a l l y f o re x p r e s s w a y sa s p h a l tp a v e m e n t w i t ht h eg r a d u a l i m p r o v e m e n to fh i g h w a yn e t w o r ki nc h i n a ，r o a dm a n a g e m e n td e p a r t m e n t sw o r k f o c u sw i l lf r o ml a r g e s c a l ec o n s t r u c t i o nr o a dn e t w o r kt oc o n s e r v e ，r e b u i l d ，m a i n t a i n a n di m p r o v et h ee x i s t i n gr o a dn e t w o r k ，w h i c hh i g h l ys h o wt h ei m p o r t a n c e o f p a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rd o e ss o m er e s e a r c h e so nt h e h i g h w a ya s p h a l tp 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 i v ep a r t s ：e x p r e s s w a y a s p h a l tp a v e m e n tc o n d i t i o n d a t a c o l l e c t i o n ；a s p h a l tp a v e m e n tp e r f o r m a n c e o f e x p r e s s w a y e v a l u a t i o n m o d e l ；a s p h a l tp a v e m e n tp e r f o r m a n c e o f e x p r e s s w a y p r e d i c t i o nm o d e l ；o p t i m a lo fa s p h a l th i g h w a yp a v e m e n tm a i n t e n a n c ed e c i s i o n sm o d e l ； d e v e l o p m e n to ft h ep a v e m e n t m a n a g e m e n ts y s t e m p a v e m e n tp e r f o r m a n c ed a t aa c q u i s i t i o ni st h eb a s i so fp a v e m e n tm a n a g e m e n t s y s t e m t h i sp a p e ri n t r o d u c ea n dr e s e a r c hp a v e m e n td a t ac o l l e c t i o nm e t h o d s b a s e do n t h en e we q u i p m e n t ，t h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c ei n d e xi so b t a i n e dt h r o u g ha n a l y s i so f c o l l e c t e dd a t a ，w h i c hp r o v i d i n gt h eb a s i sf o ra s p h a l tp a v e m e n tp e r f o r m a n c eo f e x p r e s s w a ye v a l u a t i o na n dp r e d i c t i o nm o d e l i np e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ，t h e ya c c o u n t f o rt h ep r e s e n tm e t h o d so ft h ep 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 ni nc h i n a t h e n ，i n v i e wo ft h ec u r r e n tp a v e m e n tc o n d i t i o nd a t ah a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so fg r e y , b r o u g h tr u t t i n gi n d e xi n t oe v a l u a t i o ns y s t e ma n de s t a b l i s h e dae v a l u a t i o n m o d e l b a s e do ng r e yc l u s t e r i n gm e t h o d i na s p h a l tp 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 ， s u m m a r i z es y s t e m a t i c a l l yt h er e s e a c hc o n c l u s i o n so fa s p h a l tp 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 ni nt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ll i t e r a t u r e s ，a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i c so f l e s sp a v e m e n tc o n d i t i o nd a t a so fe x p r e s s w a yi nh u n a np r o v i n c e ，g r e ym a r k o v f o r e c a s t i n gm o d e li se s t a b l i s h e d t h e n ，t h ea u t h o ru t i l i z e dt h ef a m i n c o n f u n c t i o ni n m a t l a bf o rs o l v i n gt h ec o n s t r a i n e do p t i m i z a t i o np r o b l e m so fm a r k o v st r a n s i t i o n m a t r i x i np e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o nd e c i s i o n ，b a s e do n0 - 1i n t e g e rp r o g r a m m i n g p r i n c i p l e ，am o d e lo fo p t i m u md e c i s i o nf o rm a i n t e n a n c eo fa s p h a l tp a v e m e n to f e x p r e s s w a yi se s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r f i n a l l y ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e sg e n e r a ls y s t e md e s i g na n ds y s t e m sf u n c t i o n ，a n d b u i l d sap a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m f o rh u n a np r o v i n c e m e a n w h i l e ，t h e c o n c l u s i o n so fa s p h a l tp a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e ma r ep r e s e n t e da n dt h ep o t e n t i a l p r o s p e c t si nt h i sa r e aa r ed i s c u s s e d k e y w 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 ；g r e yc l u s t e r i n g ；m a r k o vc h a i n ；p a v e m e n t p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ；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 i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研 究成果。除了文中特j j j ：d i l 以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：秀w 易日期疹纷厂月以日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名 日期：矽略年t - 月y 。日 日期删年r 月户日 1 1 研究目的与意义 第一章绪论 自新中国成立以来，我国的公路建设历经五十多年的发展，取得了巨大成就。 尤其是近二十年来，我国公路建设迅猛发展，到2 0 0 7 年底，全国公路通车总里 程达3 5 7 3 万公里。一个干支衔接、布局合理、四通八达的公路网形成的同时， 以高速公路为代表的高等级公路建设也得到了长足的发展，中国高速公路总里程 目前已突破5 3 6 万公里，仅次于美国位居世界第二。在我国现有的高速公路中， 其中沥青混凝土路面里程约占高速公路总里程的7 5 ，水泥混凝土路面约占2 3 ，刚性组合路面约占2 ，沥青路面以其独特的优势已经慢慢取代水泥混凝土 路面。 1 9 8 8 年l o 月3 1 日，全长1 8 5 公里的上海至嘉定高速公路建成通车，标志 着我国大陆高速公路通车里程实现了零的突破。随着高速公路通车里程的迅速增 加、高速公路使用时间的增长、交通量的增加，养护管理工作日益繁重：一是早 期修建的高速公路己经运营十多年，大多已经接近使用年限，养护维修问题已经 日益突出；二是近期修建的高速公路，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；三是高速公路管理工作滞后。 所以随着我国公路网的逐步完善，公路管理部门工作重心将从大规模建设公 路网逐步转向养护、改建、维护和改善现有公路网，这凸显路面管理系统的重要。 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【l l ，是进行公路养护管理的有力工具。而且，基于路面管理系统在 对路面性能进行综合评价的基础上，可以对路面在交通荷载和环境因素共同作用 下的中长期使用性能进行科学预测，进而对路面中长期养护维修方案进行科学的 规划设计，变传统的出现路面破坏才采取修补的“被动 养护，为先预测路面的 性能发展变化趋势，预先采取措施，防止病害和破损的产生的“主动”养护，这 也是高速公路科学养护的必然要求和发展趋势。 路面管理系统可以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 t m a n a g es 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 高速公路的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。 本论文以长沙理工大学承担的“湖南省高速公路路面工程养护管理系统”的 科研课题为背景，依托潭邵、临长、耒宜、邵怀四条高速公路，对沥青路面的路 面性能进行分析，建立沥青路面的路面性能评价模型和预测模型，同时确立湖南 省高速公路沥青路面的养护决策树，开发融路面检测数据管理、路面性能评价、 路面性能预测及养护决策分析于一体的新一代集成化湖南省高速公路路面养护 管理系统。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 路面管理和路面管理系统 路面管理是协调和控制与路面有关各项活动的一系列过程，其目的是使路面 管理部门通过这一过程能有效地使用资源( 资金、劳动力、机械设备、材料、能 源等) ，并以最低的资源消耗，提供并维持在预定使用期内具有足够服务水平的 路面【2 】。路面管理工作的基本内容包括规划、设计、施工、养护、路况监测和评 价及研究等方面。 不同国家和地区的机构组织对路面管理系统有不同的定义。 我国学者姚祖康认为路面管理系统( p a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m ，简称 p m s ) 是通过系统分析的方法，综合考虑技术、经济、社会和政治等各方面因素， 协调各项路面管理活动，促使路面管理过程系统化【2 1 。美国各州公路与运输工作 者协会( a a s h t o ) 在路面管理系统指南中对p m s 的定义为：用于决策者在公 路评价养护决策中寻求投资有效分配方案( c o s t e f f e c t ) 的工具【3 l 。美国联邦公路 总署( f h w a ) 定义p m s 为一种通过对路面信息的收集、分析，选择并实施路面建 设和养护维修资金投入方案的系统决策过程【4 1 。根据2 0 0 1 年美国路面管理指南的 定义，p m s 是指一系列的工具或方法，用以帮助决策者在进行路面养护时能够找 到最优策略，从而使路面在一定时期内保持良好的使用状态f 5 j 。 澳大利亚道路研究所( a r r b ) 对p m s 的定义为：用于优化利用路面养护可 用资源，包括信息采集、信息分析和方案决策的管理方法 5 1 。 一般说来，p m s 主要包括路面状况评价、路面性能预测、管理策略优化等一 系列过程【7 1 。作为一种辅助决策工具，p m s 是专门为相关管理部门的决策提供依 据和进行分析的工具。按照不同的管理层次的需要，可分为网级路面管理系统和 项目级路面管理系统。网级路面管理系统是涉及整个公路网的、用于制定路网养 护决策、确定路网养护需求和养护费用优化分配的宏观分析系统，其决策基础是 整个路网，目标是追求系统整体效益的最大化，其主要任务是为公路管理部门进 行关键性决策提供依据；项目级路面管理系统则是以具体项目为研究对象，从技 术和经济的角度分析养护方案的系统，系统往往受到网级路面管理系统所确定的 资金和时间条件约束，其目标是实现项目效益的最优化，主要任务是为公路管理 2 部门对某一工程项目进行技术决策时提供依据，以选择费用一效果最佳方案。 1 2 2 国外的研究状况 路面管理系统的研究起源于美国和加拿大，最初的目的是解决路面设计中的 一些问题。路面管理系统的概念起源于2 0 世纪7 0 年代的北美，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( 如柔性路面设计系统f p s 和路面 系统分析方法s a m p 等) 。在逐步的完善过程中，设计系统并逐渐扩展为项目级 路面管理系统。1 9 7 1 年首先出现了“路面管理系统”的术语，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 ) i s l ，随后美国和加拿大的许多州和省相继建立和实施网级路面管理 系统，到8 0 年代中期，约有3 5 个州和省己经建成或基本建成路面管理系统1 9 1 。 其中，较有代表性的有【1 0 1 ： 1 美国加利福尼亚州路面管理系统( 1 9 7 8 ) ，它实际上是一个网级路面管理系 统，该系统主要对该州的刚性路面和柔性路面进行路况监测，提供路段损坏信息 及确定养护和改建对策等，同时系统能够按路面使用性能参数进行项目的优先排 序，选用平整度、路面破损程度和平均日交通量三项因素作为影响排序的主要因 素。此种排序方法对于网级系统来说考虑过于简单化，未能考虑项目之间的折衷。 因此总的说来，该系统结构功能比较简单还不够完善。 2 亚利桑那州路面管理系统( 1 9 8 0 ) ，它是提供财政规划的网级优化系统。该 系统的特点首次将马尔可夫决策过程引入网级路面管理系统，它考虑的是整个路 网而不是某个路段或者项目。它依据路面使用性能变量( 如平整度、开裂量等) ， 把路网内的路面划分为不同的路面状况，并得到各种路面状况的比例。系统的主 要管理目的是以确定最低的费用保持规定的路面性能水平。 3 美国陆军工兵团的p a v e r 路面管理系统( 19 8 3 ) ，它包括路况分析、路况 预测、养护维修计划三个重要组成部门，主要特点是采用了扣分法计算路面状况 指数p c i 。该方法能精确的计算和折算由多种损坏所导致路面的总体损坏程度， 至今得到广泛的应用。 4 密西根州路面管理系统，它的最大特点是提出了路面性能衰减曲线，并利 用该方程和马尔可夫模型结合，预测路面的使用性能，从而实现了养护费用的动 态规划。 5 加拿大阿尔伯达省的路面信息和需求系统( p i n s ，19 8 3 ) 、改建信息和优 序系统( r i p p s ，1 9 8 4 ) 及城市路面管理系统( m p m s ，1 9 8 7 ) 。该系统功能更加 完善，包括数据库管理、养护计划、路网改建计划、项目级设计和分析共四个子 系统，该系统较大的特点是其提出效果的概念，并将其作为优化排序的主要指标， 将路面使用性能的改善当作使用者获得收益进行考虑。 6 9 0 年代中期，美国德克萨斯大学在广泛调查研究的基础上，研制开发出了 适用于中小城市路面管理的“城镇道路管理系统( u r m s ) 1 ，这是一种专为中 小城镇设计的综合型p m s ，可同时在网级和项目级两个层次上，为有关管理技术 人员提供决策支持。 除此之外，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( t r r l ) 的公路养护评价系统( c h a r t ，1 9 8 0 ) ， 新加坡提出了基于遗传算法的路面养护决策系统( p a v e n e t ) 等。 在加拿大，通过“加拿大道路数据项目 的研究，“联邦技术调查公司”率 先提出了科学的路面管理思想，并研制出了一套路面管理系统。8 0 年代开发的自 动化道路分析仪( a r a n 车) 是当时世界最先进的路面数据资料收集车辆【l 2 1 。 在英国，w d h 公司研制开发出了一种路面管理系统软件，可用于路网状况 的分析评价，预算分析和养护方案分析制定，并支持网络工作。 总结国外路面管理系统的特点如下： 1 路面测试技术日益先进，路面数据采集设备以及相关软件研究比较成熟。 已将数字图形处理技术和数字图形信息采集技术应用于公路路面管理中，并通过 智能型路面分析系统对路面的结构破损和功能破损作出准确定量的评估，从而为 科学的公路路面养护决策提供可靠的依据。 2 路况数据库建设日趋完善，实用化程度高。 3 以世界银行制定的公路设计和养护标准模型( h d m i i i ) 及近年完成的 i s o h d m 国际合作研究为代表，路面管理系统的各种模型功能齐全，各种预测技 术、决策技术、专家系统等广泛应用于路面管理系统。 4 路面管理系统软件数量繁多，实现了商品化，众多高新技术得到应用。 5 随着计算机信息技术和互联网技术的高速发展，为路面管理系统提供了广 阔的发展空间。 1 2 3 国内的研究状况 我国的路面管理开始于2 0 世纪8 0 年代，主要是在引进国外技术的基础上加 以分析，使之符合我国的实际情况，并应用于我国的道路系统。从l9 8 6 年首先 在辽宁营口地图移植了了英国的b s m 路面沥青路面养护管理系统，随后又引进 了芬兰f p m s 路面管理系统和世界银行的h d m i i i 公路投资效益分析模型。 通过“七五 期间国家重点攻关项目一“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 h i n ap m s ) 。我国路面管理系统c p m s 的基本组成为：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。此后，c p m s 被列为“八 五 国家新技术重点推广项目，并在全国省( 市) 级上全面推广现代化的p m s 。 另外，广东、北京、河北、四川和江苏等省市的公路部门相继建立了省市级或地 区级沥青路面管理系统，系统中路面使用性能评价、预测和养护决策模型都是基 4 于回归方法得到，应用中均取得了较大成果，这些都是我国对路面养护管理系统 的实际应用或深入研究的成果1 1 3 一p 6 1 。中国国省道干线公路路面管理系统 ( c p m s 2 0 0 1 ，p a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e mf o rc h i n ah i g h w a y s ，v e r s i o n2 0 01 ) 是 我国通过长期研究完成的第三代路面管理系统【1 7 l ，其主要功能包括：数据自动化 检测、路况评价、养护需求分析、养护预算预测、养护投资效益分析、养护资金 优化分配、养护计划自动编制、日常养护管理等，是公路信息化和管理现代化的 一个主要标志。c p m s 2 0 0 1 分高速公路和一般公路两个版本，适用于沥青路面、 水泥路面和砂石路面的养护管理。 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。目前正在全国范围内广使用的由 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己 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。国内已存在或 开发的路面管理系统多达2 0 种，部分省市或地区的公路管理部门均拥有适合本 地区特点的路面管理系统，但在公路的养护管理实践中真正正常使用的系统还比 较少，存在的问题主要有： 1 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。 2 理论的引入必须和我国实际情况相结合，某些模型和公式的引用必须转化 成与我国道路特点相适应的新的模型和公式。 3 路面管理技术较为落后，还谈不上应用动态数字图像的采集和处理技术等 新技术，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。 4 路面使用性能评价和长期性能研究与养护管理决策之间的联系不紧密，养 护决策中的主观性和以经验为主的现象仍然存在。 5 对决策模型的基本研究工作不够充分，对路面各项评价指标之间的关系研 究不够，在综合评价方面缺乏定量计算的决策依据。 6 对路面管理系统的经济分析和资金分配优化问题的研究较为薄弱，对路面 养护管理决策敏感性和不确定性分析的研究有待深入，路面养护管理决策有待优 化。 1 3 本文的技术路线 本文的技术路线如下图所示： 1 4 本文主要研究内容 图1 1本文的技术路线图 我国路面管理系统的研究工作开展的比较晚，公路管理部门关于路况数据的 调查工作也开展不够广泛，历史的积累数据也很少。目前的路面评价、预测也存 在一些缺陷，为此本文从以下几个方面进行研究： 1 路面管理系统的定义以及国内外路面管理系统的研究状况。 2 介绍了路面平整度、抗滑、路面破损、车辙、弯沉等路况数据的先进检测 设备以及采集方法，通过对采集的数据进行分析得到路面性能指标，为建立高速 公路沥青路面性能的评价模型和预测模型提供依据。 3 对国内现行的沥青路面使用性能的评价方法进行了评述，介绍了目前所用 的四个单项评价指标和一个综合评价指标。分析了沥青路面路面性能综合评价的 主要方法以及各种方法的优缺点，针对当前路况数据具有灰色的特点，采用灰色 6 理论进行综合评价。运用灰色聚类法建立路面使用性能综合评价模型，把车辙指 标纳入路面使用性能综合评价体系中，并且对各指标进行了无量纲处理，构造沥 青混凝土路面各指标的白化权函数，确定了白化权函数的起点、终点和阈值以及 各指标的分级标准。结合湖南省某高速高速公路的检测数据，运用模型进行分析， 并和规范法进行比较。 4 系统分析目前路面性能预测模型的现状，总结了概率型模型和确定型模型 的优缺点。针对g m ( 1 ，1 ) 模型可以用来揭示某项路面性能指标的数列发展变化的 总趋势，而马尔可夫模型可以确定系统近期的状态转移规律的特点，将两者结合 起来，建立一个精度更高的的灰色马尔可夫预测方法。同时针对目前湖南省高速 公路数据较少的特点，建立了灰色一马尔可夫链组合模型，并进行实例分析。 5 高速公路沥青路面养护管理系统决策优化问题研究。对路网的养护需求以 及养护对策进行分析，运用o l 整数规划法的原理对沥青路面的决策优化模型 探讨，确定了模型的目标函数和约束条件。 6 结合湖南省高速公路路面养护管理系统的开发，介绍了系统的总体设计和 功能组成，并对系统的功能进行了详细叙述。 7 2 1 概述 第二章高速公路沥青路面路况数据采集 路面管理系统决策的依据是数据信息，路况数据是进行路面使用性能评价和 制订道路养护维修和改( 扩) 建计划的依据。通过这些数据的调查和分析，可以 正确判断该路面状况是否满足目前的交通条件和使用要求，研讨和寻求路面破坏 的机理与原因，确定路面需要采取的养护维修和改( 扩) 建措施，并进行中长期 养护、维修管理的规划设计。 这些年来，随着交通量的不断增长，高速公路的超载现象日益严重，路面状 况不断恶化。摆在公路管理者面前的问题是如何让有限的资金投入急需维修的路 段。因此在编制养护和改( 扩) 建计划时，很大程度上依赖通过快速而客观的数 据采集方法得到协调一致的路面状况信息，以便能利用这些数据建立合理的养护 和改建项目的优先排序，选择最合理的养护和改建对策。 高速公路由于车流量大，车速快等特点，这就对高速公路的路面使用性能提 出较高的要求。根据路面状况对行车要求的满足或者适应程度，路面使用性能一 般包括功能性能、结构性能、安全性能和外观等方面。 路面的功能性能主要是指道路为道路使用者提供的行车的舒适程度，它反映 了路面的行驶质量或者服务水平，从路面状况的角度分析，影响行驶质量的主要 因素是路面的平整度。路面的结构性能是指路面的物理状况以及路面结构保持完 好的程度，涉及到路面的破损状况和路面的结构承载力。路面安全性能主要指路 面表面的抗滑能力。具体到各级管理部门需要采集的路面路况数据就有：平整度、 路面破损、弯沉、车辙、抗滑等，见表2 1 。其中高速公路沥青路面的车辙从其 产生的机理上看可以归为路面破损，但是它又直接影响路面的行驶质量和安全 性，所以也将其单独列入一种路况数据。 对于高速公路而言，由于车流量大，若采用传统的测试方法不但对交通不好 实行封闭，而且测试速度慢、效率低、精度也达不到要求。从建立高速公路路面 管理系统方面考虑，要求定期能采集海量的路况数据，并且可以实现数据接口和 路面管理系统的对接，而采用目前先进的自动化设备这好可以满足其要求，它具 有测试速度快、精度高、可以自动保存数据并可以实现数据的对接等优点。 考虑到日后路面管理系统的应用，以上几种数据的采集均采用自动检测设 备。如落锤式弯沉仪( f w d ) ，可以得到路面的弯沉盘数据。路面抗滑系数的测 定可以采用摩擦系数测定仪。而目前比较难测定的路面破损状况数据，也在一部 分地区采用了高清晰的激光摄影设备。下面分别介绍以上几种数据的定义和检测 的先进设备。如图2 1 是j g l 型激光三维路面状况检测车。 8 表2 1 路况数据采集的方法比较表 调查项目调查指标高效设备传统方法 行驶质量平整度激光三维路面状况检测车三米直尺 路面状况破损状况激光三维路面状况检测车人工调查 结构承载力 路表弯沉落锤式弯沉仪贝克曼粱 横向变形车辙深度激光三维路面状况检测车横向断面仪 抗滑性能路面抗滑性能摩擦系数测定车铺砂法 2 2 平整度 路面平整度可以定义为路面表面诱使行驶车辆出现振动的高程变化。路面的 平整度与路面各层有着一定的联系，即各层的不平整性累计到路面表面，路面面 层由于直接与车辆接触，不平整的表面将会增大行车阻力，使车辆产生附加振动 作用。平整度不良的道路会影响乘车舒适性、降低汽车速度、加速车辆零部件损 坏、提高车辆运营费用，而且不平整的道路使车辆产生的冲击荷载反过来增加路 面不平整性，加剧路面破损。因此，路面平整度是道路用户所关心和衡量路面行 驶质量的重要指标。 路面平整度测试技术经历了近5 0 年的发展。总的来说，测试手段和设备可分 为两类：( 1 ) 断面类测试；( 2 ) 反应类测试。断面类实际上是测定路面凹凸情况， 得到路表实际纵断面，经过数学分析后以综合统计量作为其平整度指标，如常用 的3 m 直尺以及连续式平整度仪。反应类平整度测定的测定系统由测试车上所装 置的传感器和显示器组成，它们传感和累积车辆悬挂系统的累积位移，其测定值 为悬挂系统的累积位移量。断面类仪器主要优点是可以直接得到轮迹带路表面的 实际断面，反应类仪器价格低，操作易，但是时间温度性差、转化性差。 近年来，连续式激光断面仪在我国已逐渐得到应用，是目前最先进的平整度检 测设备，代表了路面整度测试技术的发展方向【l 蚋。长沙理工大学公路无损检测应 用技术研究所于2 0 0 6 年引进了j g - - 1 型激光三维路面状况智能检测车，j g 一1 型路面智能检测车于2 0 0 2 年由南京理工大学唐振明研制成功，由数据采集系统 和后期数据处理两部分组成。整车及内部环境分别如图2 1 和图2 2 所示。它包 含了路面激光平整度检测系统，如图2 3 所示。 平整度检测系统由激光高程测距传感器、加速传感器、纵向距离里程计、计 算机处理系统组成，如图2 4 所示。 9 图2 1j g 一1 型激光三维路面状况检测车外观图 图2 2j g 一1 激光三维路面状况智能检测系统内部操作台 图2 3j g 一1 型激光三维路面状况检测车平整度指数检测模块( a 、b ) 图2 4 激光断面仪原理示意图 该系统采用了共梁双激光高程传感器技术，用两高程计测量高程变化以计算 l o 标准差o ，共梁有效地消除了车体振动的影响，并在一个高程计加置了加速度传 感器，按国际标准方法计算i r i 。该测试系统的特点如下： 1 与其它给激光类平整度仪相比较，能全车道连续断面进行检测，高程测量 精度达到0 0 3 5 m m ，是其它颠簸类检测仪难以比拟的； 2 由于是激光实时检测，因此该系统的检测精度与检测速度没有关系，这也 是其它设备必须采用标定的速度无法比拟的； 3 与具备独立的i r i 系统快速输出国际平整度指数i r i 及r q i ，系统所独有 的特色仃系统快速输出标准差； 4 可按路段的平整度变化曲线，便于直观的对整个路段平整度进行观察，如 图2 5 所示。 2 3 路面破损 图2 5 激光断面仪平整度路段查看图 路面破损状况是路面结构的物理状况和承载能力的表观反映。交通、荷载、 环境、施工养护等各方面的原因均可引起路面的损坏，而路面结构损坏所表现出 的形态和特征也多种多样。 根据国内外资料分析，路面破损从大的方面分为两类：结构性破损和功能性 破损。结构性破损是由于路面各层的承载能力降低引起的，反映在表面上是裂缝。 功能性损坏是由于路面提供道路用户的服务能力下降引起的，反映在路面上则是 平整度降低和车辙加深。我国现行的规范根据破损模式和对路面使用性能的影 响，分为5 大类型，各类损坏所包含的内容详见表2 2 。 1 裂缝类：路面结构的整体性因裂缝或断裂而受到破坏； 2 松散类：主要表现为路面表层出现的局部缺陷； 3 变形类：路面结构虽保持整体性，但结构形状在各种因素下出现了较大的 变化； 4 接缝类：水泥混凝土路面接缝处以及邻近范围的局部损坏； 5 其它类：主要指水泥混凝土路面的修补损坏。修补损坏是指道路表面因破 损修补后的再次损坏，其主要原因是原病害没有得到根治，修补质量没达到要求， 或是交通荷载过大。 表2 2 路面破损分类表 分类沥青路面水泥混凝土路面 裂缝类龟裂、不规则裂、纵裂、横裂纵向、横向、斜向、交叉裂缝、断角 松散类坑槽、啃边、松散、脱皮、麻面露骨、剥落、坑洞 变形类沉陷、车辙、波浪、拥包唧泥、错台、拱起、沉陷 接缝类接缝料损坏、接缝破碎 其它泛油、修补损坏 高速公路的路面破损数据调查宜采用自动化检测系统，但是由于该设备成本 高、操作复杂，在我国很多地方难以推广，一些地区还是采用人工调查方法进行。 长沙理工大学公路无损检测应用技术研究所引进的j g 一1 型激光三维路面状况智 能检测车，它含有路面破损检测系统。 路面破损检测采用车载式数字摄影系统连续高速的采集路表的图像，从某一 桩号开始按照一幅路况图象( 长x 宽= 4 o m x 2 5 m ) 连续采集路面破损状况数据，通 过系统配备的大容量海量存储设备保存每一幅图片，并且图片按照桩号的顺序进 行存储，因此完整真实的反映了路表的实际情况，如图2 6 所示。然后在室内通 过自动图象识别系统对所采集的路况进行自动识别，精确度达到9 0 以上，同时 也可以采用人工判断相结合进行分类统计。 采用该系统对路面破损程度的判断是通过计算机自动识别的，标准统一，不 存在系统误差，而通过人工调查，不同的人对同一破损的判断往往出现较大的差 异，主观程度比较高，导致调查的结果的多样化。 2 4 弯沉 路雨破粳 分蒸汇总 榔雕t 。_ 函? ”“b 。 - 臻稿缝p _ 目_ o 擎琶釜0 嘲。 勰一。i _ = = 。 j 。嚣焉等 曼慨。 i 淤羞 r _ t 1 嚣：= 一鸶嗣_ ，曼! 一j 舞嚣戳照；0 曼，o 埘。鼍脚! ! 燃幕；丽“1 i “ a t 一 图2 6 路面破损系统图象采集数据流 为了进行路面结构性能评价，需要测定路面的承载能力。承载能力一般通过 无损检测即弯沉测量来确定。 路表面在荷载作用下的弯沉值，可以反映路面结构的承载能力。路面承载能 1 2 力的下降是很多因素导致的，有可能是由于过量的竖向变形造成，也有可能是因 为某一结构层断裂而导致的。对于前者，一般测定其最大弯沉值来表征路面的承 载能力，而对于后者则用荷载左右下的弯沉盆曲率半径来表示其承载力较合适。 目前常用的测定方法有静态弯沉测定和动态弯沉测定。贝克曼梁和自动弯沉 仪属静态弯沉测定方法，它可以得到路表的最大弯沉；而动态弯沉测定则包括稳 压弯沉仪和脉冲弯沉仪，它能同时的到最到弯沉和弯沉盆曲率半径。落锤式弯沉 仪( f w d ，f a l l i n gw e i g h td e f l e c t o m e t e r ) 已被认为是较为理想的弯沉检测设备。 与贝壳曼梁相比，f w d 具有明显的优越性： 1 f w d 通过一重锤对路面结构层施加瞬时脉冲冲击荷载，能较好地模拟行车 动态荷载，真实地反映路面各结构层在动态荷载作用下的工作性能，这是传统的 弯沉检测设备无法实现的。 2 通过调整f w d 落锤的重量和提升的高度，可在较大范围内调整对路面施 加的荷载大小。可方便地实现在同一检测点施加不同级别的荷载，反映路面各结 构层在不同大小的荷载作用下的动态响应。 3 由于f w d 的荷载由计算机控制下的液压系统自动提升重锤实现，因此， 测速快、所需测试人员少、几乎不受旁边经过的交通荷载的影响；精度高，人为 因素引起的误差几乎为零：对路面结构层无破损。 4 f w d 对弯沉的采集是通过多个传感器实现的，因此在一次荷载的作用下， 可同时采集到多个弯沉值( 即一个弯沉盆) ，而不仅仅是荷载中心位置的单点最 大弯沉值。通过采集的弯沉盆，运用专用的软件，可以反算出路面各结构层的模 量，较全面地反映结构层材料的工作性能。 5 传统的贝克曼梁式弯沉仪对于路面弯沉值的温度修正要根据路面平均温 度及路面厚度表查表而定，数据波动大，误差大，而f w d 对以上工作完全自动 化，无须人为地进行修正。 6 水泥混凝土路面的整体刚度大，弯沉量小，弯沉盆大( 弯沉曲线曲率半径 大) ，传统的贝克曼梁式弯沉仪测量这类路面时，其支点常常落在弯沉盆内而使 得测量结果误差较大，难以满足工程需要。f w d 则能避免这些不足。 7 利用f w d 的动态弯沉盆曲线可进行路面结构层模量的反算、水泥混凝土 路面接缝及传力杆的传荷效果、水泥砼板底脱空等评定，这是传统的贝克曼梁式 弯沉仪难以做到的。 鉴于f w d 的上述优越性，至今已有6 0 多个国家和地区先后应用f w d ，我 国有各种不同型号的f w d 3 0 多台，长沙理工大学拥有拖挂式的d y n a t e s t 8 0 0 0 型 f w d ，如图2 7 所示，广州市市政维修处拥有的为全封闭的，如图2 8 所示。该 设备是目前国际上使用最广泛，性能先进，系统稳定性很可靠的型号。系统配备 9 个高精度传感器( 精确到o 0 0 1m m ) ，检测时采用一级荷载，设定标准荷载为 5 0 k n ，两次加载，与我国路面设计规范采用的10 0 k n 单轴双轮组一侧的荷载对 应。 2 5 车辙 图2 7 拖挂式d y n a t e s t8 0 0 0 型落锤式弯沉仪 图2 8 全封闭d y n a t e s t8 0 0 0 型落锤式弯沉仪 沥青路面在汽车荷载反复作用下，产生流动变形、磨损、沉陷后，在行车道 的轮迹上产生纵向带状辙槽，即为车辙。 车辙的计算方法一般采用峰值法，以一个车道两边标线的连线作为基准线， 在此范围内的最高点和最低点的高差作为车辙。目前测定车辙的方法主要有：横 断面仪、横断面尺、路况自动测定车。由于国内很少有路况测定车检测车辙，故 很多地方还是采用传统的方法测定。长沙理工大学引进的激光三维路面状况智能 检测车中就包含车辙检测系统，现简要介绍。 路面车辙检测系统采用采用单片光全车道车辙端面检测系统，通过激光器、 转动装置、光电放大器等仪器。当路面有凹陷时，光点跌入坑中，落差为车辙深 度，反映为光点的时间差。形象而真实定量的给出车辙端面曲线，车辙端面高程 测精度达l m m ，如图2 9 所示。 1 4 il ii fi i ii 彦得曲线。、“ 图2 9 车辙测量示意图 车辙作为高速公路沥青路面的主要破坏形式，严重的车辙将影响乘车的舒适 性和行驶的安全性。但是目前我国缺少足够的数据和经验来建立车辙深度评价模 型，因此在规范中没有将车辙作为独立指标。但是由于车辙对路面行车的重要性， 本文试图将车辙作为独立评价指标，并纳入路面综合评价中去。 2 6 抗滑能力 路面的抗滑性能是指车辆轮胎受到制动时沿路面表面所产生的抗滑力。 路面的抗滑性能由路面的两种表面