（道路与铁道工程专业论文）基于GIS路面管理系统的研究与实现.pdfVIP

摘要 摘要 随着我国公路建设的蓬勃发展，在公路里程初具规模并且不断的创造社会效 益的同时，随之而来的公路养护管理问题将逐渐显现出来。路面管理系统作为公 路管理有力的辅助工具，它是综合运用计算机技术、道路工程理论、工程经济理 论、系统工程技术等对现有公路进行养护管理的综合管理技术。路面管理系统的 开发与运用是促进公路管理科学化、现代化的关键。同时本文将新兴的地理信息 系统( g i s ) 技术集成到系统中，更加进一步增强了其管理能力，提高了管理效率。 论文首先对路面管理系统及路面使用性能评价方法的研究概况进行了详细的 阐述，并概括总结了g i s 在我国的发展及其应用现状，然后根据系统的观点，对 要开发的基于g i s 路面管理系统做了较全面的分析，进行了系统的总体框架设计， 同时较详细地阐述了系统的模块组成及相应的功能。在用户需求分析的基础上， 根据数据库的设计原理，对公路数据库子系统进行了详细的设计，并具体介绍了 公路属性数据的分类、编码及空间数据的组织等。 本文将g i s 技术应用到公路管理中。在阐述了g i s 的定义、功能及数据结构 等基本知识后，详细介绍了g i s 的二次集成开发模式及技术，重点探讨了组件式 8 1 s 在二次开发中的应用，结合组件式g i s s u p e r m a pi ，通过可视化编程语 言m sv i s u a lb a s i c 较好的完成了g i s 在路面管理系统中的集成二次开发。 在路面使用性能评价方法的研究方面，首先介绍了应用单项指标对路面使用 性能进行评价的方法、指标及评价标准等，并针对目前基于加权平均法进行综合 评价中存在的一些不足，提出用b p 神经网络进行路面使用性能综合评价的新方法， 在对神经网络基本知识阐述后，进行了b p 神经网络的设计，同时详细论述了评价 指标的选取及相应的量化处理方法，将评价模型编程加以实现，实例分析结果表 明其评价较真实，具有一定的实际应用价值。 本文最终开发了基于g i s 路面管理系统的软件系统，基本实现了公路数据库 系统、公路地理信息系统和公路模型参数数据库系统的功能。 关键词：路面管理；路面管理系统；地理信息系统：系统设计；数据库设计；路 面性能评价；b p 神经网络 摘要 a b s t r a o t l i w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h w a yc o n s t r u c t i o ni nc h i n a ，t h ep r o b l e mo f m a i n t a i n i n gp a v e m e n ti sa l s oe m e r g i n gw h e nt h em i l e a g eo fh i g h w a y h a sb e e ni ns o m e s c a l ea n ds o c i a lb e n e f i ti si n c r e a s i n g l yc r e a t e d a sp o w e r f u l l ya s s i s t a n tt o o lf o rh i g h w a y m a n a g e m e n t , 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 ss y n t h e t i c a lm a n a g e m e n t t e c h n i q u ew h i c hi n v o l v e s i n c o m p u t e r , h i g h w a ye n g i n e e r i n gt h e o r i e s ，e n g i n e e r i n g e c o n o m yt h e o r i e s ，s y s t e me n g i n e e r i n ga n ds oo n r e a l i z a t i o na n da p p l i c a t i o no fp m s w i l lp r o m o t es c i e n t i z a t i o na n dm o d e r n i z a t i o no fh i g h w a ym a n a g e m e n t a d d i t i o n a l l y , i n t h et h e s i sg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) i si n t e g r a t e di n t op m s ，w h i c hf u r t h e r s t r e n g t h e n e dm a n a g e m e n tc a p a b i l i t ya n di m p r o v e dm a n a g e m e n te f f i c i e n c y i nt h et h e s i s ，s t u d ys u m m a r i z a t i o no fp m sa n dp 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 n m e t h o di s p r e s e n t e di nd e t a i l ，a n dd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fg i si nc h i n ai s s u m m a r i z e d ，a c c o r d i n gt os y s t e mt h e o r i e s ，b a s e do na l l a r o u n da n a l y s i sf o rp m s i n t e g r a t e dw i t hg i s ，f r a m e w o r ks t r u c m r eo fs y s t e mi sd e s i g n e d a tt h es a m et i m e m o d u l ea n dr e l e v a n tf u n c t i o no fs y s t e ma r ed e t a i l e d l yi n t r o d u c e d i na d d i t i o n ，o nt h e b a s i so fu s e rd e m a n da n a l y s i s ，h i g h w a yd a t a b a s es y s t e mi sd e s i g n e da c c o r d i n gt od e s i g n p r i n c i p l eo fd a t a b a s e c l a s s i f y i n ga n dc o d i n go fh i g h w a ya t t r i b u t ed a t aa n do r g a n i z i n g o f h i g h w a ys p a t i a ld a t aa r ei n t r o d u c e d g i st e c h n i q u ei sa p p l i e dt oh i g h w a ym a n a g e m e n ti nt h i st h e s i s a f t e rf i m d a m e n t a l k n o w l e d g ec o m p o s e do fd e f i n i t i o na n df u n c t i o no fg i sa n dd a t as t r u c t u r ei sn a r r a t e d ， i n t e g r a t i o nm o d eo fg i si ss t u d i e d ，a n da p p l i c a t i o no fc o m p o n e n to b j e c tm o d e lg i s ( c o mg i s ) i ns e c o n d a r yd e v e l o p m e n ti se m p h a s i z e d b yc o mg i s s u p e r m a pi i i a n dm i c r o s o f tv i s u a lb a s i c ，p m si n t e g r a t e dg i si sw e l lr e a l i z e d o nt h es t u d yo f p 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 n ，m e t h o d s ，i n d e x e sa n dc r i t e r i ao f p a v e m e n te v a l u a t i o na r ed i s c u s s e di nw h i c ho n ea s p e c to fp a v e m e n tp e r f o r m a n c ei s c o n s i d e r e d b e c a u s ec u r r e n t s y n t h e t i c a l i n d e xo fp a v e m e n te v a l u a t i o nb a s e do n c o e f f i c i e n t a v e r a g em e t h o d h a ss o m e d e f i c i e n c i e s ，n e wm e t h o d o fp a v e m e n t p e r f o r m a n c ei n t e g r a t i v ee v a l u a t i o nb a s e do nb pn e u r a ln e t w o r ki sp u tf o r w a r d o nt h e b a s i so ff u n d a m e n t a lk n o w l e d g eo fn e u r a ln e t w o r k ，t h es t r u c t u r eo fb pn e t w o r ki s d e s i g n e d w h a t sm o r e ，s e l e c t i o no fe v a l u a t i o n i n d e xa n dr e l e v a n t q u a n t i f i c a t i o n m e t h o d sf o rt h e ma r ei n t r o d u c e di nd e t a i l a tl a s t ，e v a l u a t i o nm o d e li sp r o g r a m m e db y u s i n gm i c r o s o f tv i s u a lb a s i c e x a m p l ea n a l y s i sm a k e si tc l e a rt h a te v a l u a t i o nr e s u l ti s 摘要 r e a la n de v a l u a t i o nm o d e th a sa c t u a lv a l u ef o ra p p l i c a t i o n a tt h ee n do ft h et h e s i s ，s o f t w a r eo np m si n t e g r a t e dw i t hg i si s d e v e l o p e d ，i n w h i c ht h ef i m c t i o n so nh i g h w a yd a t a b a s e ，h i g h w a yg i sa n dh i g h w a ym o d e l sd a t a b a s e a r ef i m d a m e n t a l l yr e a l i z 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 t ；p a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m ；g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o ns y s t e m ；s y s t e m d e s i g n ；d a t a b a s ed e s i g 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 ；b pn e u r a ln e t w o r k 重庆交通学院学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名： 开期：2 8 0 5 年孓月硐 爿j 第章绪论 第一章绪论 1 1 选题依据和研究意义 目前，我国公路建设正处在蓬勃发展时期，公路总量继续增加。到2 0 0 2 年底， 全国公路总里程达到1 7 6 5 万公罩，比上年末增加6 7 万公里。3 。路网结构进一步 改善。全国公路总里程中，国道里程有1 2 50 0 3 公早、省道2 1 62 4 9 公里、县道 4 7 12 3 9 公里、乡道8 6 56 3 5 公里、专用公路8 70 9 6 公早，分别占公路总里程的 7 1 、1 2 2 、2 6 7 、4 9 0 和5 ( ) 。公路技术等级和路面等级不断提高。全国等 级公路里程1 3 8 2 9 万公里，占公路总里程的7 8 3 ，其中二级及二级以上高等级 公路里程2 4 9 7 万公里，占公路总罩程的1 4 1 ，比上年末提高0 7 个百分点，高 速公路达到2 51 3 0 公罩。全国公路养护里程达1 6 6 1 力公黾，占公路总里程的 9 4 1 ，比上年末增加了6 3 万公里，增长3 9 。据交通部统计数字，截至2 0 0 4 年，全国公路通车总里程达1 8 5 6 万公里，其中，2 0 0 4 年新增4 6 万公旱。高速 公路通车里程达3 4 2 万公里，高速公路总里程仅次于美国己跃居世界第二位。 随着我国公路建设的进一步发展，在公路里程初具规模并且不断的创造社会 效益的同时，随之而来的公路养护管理问题将逐渐显现出来。如何经营管理好的 公路资产，使之处于最优的运营状态，更好为社会交通运输服务，创造出更大的 社会效益，将是给工程技术人员提出的一个严峻的技术问题。路面作为公路的主 要工程结构物，其投资在整个道路建设费用中占有很大的比例，通常达1 0 一3 0 左右。另外更主要的是，路面是直接和运营车辆接触的结构层，其状况的好坏( 如 路面结构是否完好、路面平整与否等) 将直接影响到运营车辆的行驶舒适性和营 运费用，也即直接影响到社会的经济效益。路面管理系统正是为更好的管理好这 笔公路资产而发展起来的综合管理技术，它的成功开发和应用必将产生巨大的经 济效益和社会效益。 路面管理系统是综合运用计算机技术、道路工程理论、工程经济理论、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。它通过搜集道路的状 况信息数据( 如破损状况、平整度、强度等) ，对现有路面进行评价分析，提出合 理养护措施建议和优先次序，制定年度养护计卿，使有限的资金投入达到尽可能 最好的路况水平，也即为制定养护策略、调整资金投向及辅助领导决策提供参考。 这项技术的应用将更科学、合理、有效的利用资源( 资金、劳力、材料、能源等) ， 尤其对于我国建设资金不足的情况，将更加充分显示其优越性。 尽管路面管理系统发展到现在已有几十年的历史，而且不乏有很多成功开发 和应用的实例，但因为各系统开发的目标和要实现的功能不同及适用的地区和范 围不同，以致各系统无论在形式上和本质上都差异较大，如采用不用的方法或理 第一章绪论 论创建评价模型、预测模型，采用不同的优化技术等。另外，更主要的是随着新 技术和新理论的不断涌现和应用，必将促进路面管理系统逐渐发展和完善。 以往的路面管理系统大都采用传统的数据库方法，即使用文本数据库来表示 信息与信息之间的关系，最多通过一些扫描的图片来代表一些图形信息，增加直 观性。但公路是具有空间特征的线状构造物，具有鲜明的地理特征，这就决定了 在研究公路这个对象时，仅仅用文本形式来表达数据是不够的，在描述地理位置 关系时，可能一幅图就能说明问题，而用很多文字也解释不清楚，甚至将一些重 要信息隐藏在文字背后，给使用者带来不便，因而脱离地理信息对公路进行抽象， 势必使公路模型在实用性、准确性和完备性方面大大降低。因此，为了有效地掌 握公路资源，全面了解公路布局，公路数据应与地理信息联系起来。也就是说， 有关公路的路况、沿线环境、交通量等信息应能以图形方式显示。这样，既直观 形象，又清晰。g i s 技术实现了图形和数据的结合，以数据可视化的方式，提供一 种崭新的决策支持方法“1 。 1 2 路面管理系统的研究概况 路面管理系统是在国外完成公路网扩展，转向公路网维护的形势下应运而生 的。对它的研究始于7 0 年代初期的北美”。美国在经历了大规模的公路建设后， 面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，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，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( 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 ) 。 7 0 年代初期，美国和加拿大的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“1 ( 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) 。而在 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。而后，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了重视，养护和改建的投资比例也得到了增 加。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，成为人们关心的重点。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。现代管理方法在这一时期的重大发展为路面管理系统的 建立提供了理论基础，计算机技术的迅速发展则为之提供了高效率的工具。平整 度仪、弯沉仪、抗滑系数仪等一系列使用性能量测仪器的研制和改进，为数据采 集和路况评价，也即为路面管理决策提供了支持信息。世界银行等单位在路面状 况和车辆营运费之间建立了定量的关系，从而为计算效益，进行经济分析，选择 费用一效果最佳方案提供了可能性。上述各方面的进展都大大推动了路面管理系统 第一章绪论 的发展。 7 0 年代后期，美国和加拿大的许多州和省相继建立和实施了网级路面管理系 统。到8 0 年代中期，约有3 5 个州和省已经建成路面管理系统。其中，对后来路 面管理系统发展影响较大的有：1 9 7 8 年美国加利福尼亚州付诸实旌的路面管理系 统，该系统主要用于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，该系统结构功能等还不够完善：7 0 年代术美国陆军建筑工 程研究所开发完成p a v e r 系统，该系统能够提供路面状况信息，进行路况评价、 预测，确定目前和今后养护和改建的需要，选择可使资金得到最佳使用的养护改 建项目和对策方案等，是服务于路面管理的较好的系统，在该系统中首次提出用 扣分法来建立路面破损评价模型，该方法能够精确地计算和折算由多种损坏所导 致的路面总体损害程度，至今仍得到广泛应用；亚利桑那州路面管理系统在8 0 年 代初期建成并投入运营，这是一个供财政规划用的网级优化系统，该系统首次成 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况状态，不同时期路网内处 于各种状态的路面的比例定义为路网的使用性能，管理部门为路网使用性能设定 某种目标或标准，该系统的主要管理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“3 ；密里根州的路面管理系统，该系统提出了路面使 用性能的衰减曲线( 对数方程) ，并利用该方程和马尔可夫模型相结合，预测路面 的使用性能从而实现了养护费用的动态规划”1 ；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o 。，是相对比较综合、完善的系统，其开发采用分 阶段建立和实施的方法，如路面信息和需求系统( p i n s ，t 9 8 2 ) 、改建信息和优先 规划系统( r i p p s ，1 9 8 3 ) 及城市路面管理系统( m p m s ，1 9 8 8 ) ，城市路面管理系 统( m p m s ) 功能更完善，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。另外， 其他国家也陆续建立了路面管理系统，如丹麦的路面管理系统( 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 等) 。这一时期，路面 管理系统的开发与应用，极大地促进了路面管理系统的发展。 我国从1 9 8 4 年开始陆续引进了英国的b s m 路面评价系统o “，芬兰f p m s 路面管 理系统及世界银行h d m i i i 公路投资效益分析模型。“七五”期间在引进消化的基 础上，通过国家重点公关项目“干线公路路面评价养护系统成套技术”的研究， 第一章绪论 建立了我国的干线公路路面评价养护系统，即路面管理系统c p m s ( c h i n ap a v e m e n t m a n a g e m e n ts y s t e m ) 。 c p m s 是包括硬件设备和计算机软件系统的技术实体，它包括路面数据库及为 数据库提供数据信息的数据采集设备、网级系统( 用于了解路网质量、长期路面 性能、长期养护资金需求及战略养护标准和方案) 和项目级系统( 用于养护工程 项目设计及经济分析) 。c p m s 是一个复杂的决策系统，它涉及了道路工程、工程经 济、系统工程及计算机技术，是公路养护工程师路网评价、路况性能评价、养护 资金需求及养护资金优化分配的辅助决策工具。 我国其他许多科研院所和公路管理部门联合( 或单独) 也开发了各自的路面管 理系统，如同济大学和北京、广东公路管理局合作进行了路面管理系统的研究开 发工作，较系统地建立了沥青路面使用性能评价体系”，及确定了选择路面养护对 策的方法；同济大学的刘可博士在其研究的水泥混凝土路面管理系统中提出了水 泥混凝土路面使用性能的评价体系、养护对策模型和相应费用模型等，并采用马 尔可夫法预测了路面使用性能，分析了动态优化方法在路面养护资金的财政规划 中的应用，该系统软件己在浙江地区投入使用”1 ；四川省在1 9 9 5 年初步建成了沥青 路面管理系统；上海市建立了市政基础设施管理信息系统；深圳市于1 9 9 9 年开始 与澳大利亚合作，研究开发适合深圳市应用的路面管理系统。北京、河北、山东、 河南、和江西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。 综上所述，路面管理系统发展已有几十年的历史，国内外的研究学者都对其 发展做了很多有益的工作，尤其在国外，由于起步较早，不少优秀的系统已经投 入使用，但是随着新技术的不断发展，特别是地理信息系统在公路管理中的应用， 这无疑将是对以前数据管理方式和表现形式的又一次全新的变革，也必将促进路 面管理系统的跨越式发展。 1 ，3 路面使用性能评价方法的研究概况 由于路面使用性能评价在路面管理决策中起着重要作用，国内外的许多研究 部门在这方面都做了不少的工作，对进一步提高路面管理决策的科学性，推动路 面管理系统的发展起到了积极的作用。 上个世纪6 0 年代初期，美国的a a s h o 道路试验历经几年时间进行实际试验观 测，并成功的提出了世界上第一个路面使用性能评价模型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 ) ，p s i 模型对7 0 年代的公路养护管理技术，特别是路面管理系统 的发展有着深刻的影响。模型中包含了4 个基本道路参数，属于三种基本损坏，即 平整度、表面裂缝及车辙，但该评价模型更加强调了平整度对路面使用性能的影 响，从某种程度上可以说是道路使用者的评价模型。以a a s h o 的p s i 模型为范例， 第一章绪论 许多国家及地区相继建立了不同概念和含义的路面使用性能评价模型。日本道路 协会( 1 9 7 8 ) 模仿从s h o 的p s i 方法建立了日本的p s i 模型，此模型针对日本的道路 平整度相对较好的特点，比较重视裂缝和车辙的影响。另外，同本的饭岛等( 1 9 8 1 ) 也是在p s i 模型的基础上，建立了另外一个综合评价模型养护管理指数m c i ( m a i n t e n a n e ec o n t r o li n d e x ) ，此模型完全出于道路养护管理的需要，仅考虑了路面 平整度、裂缝程度及车辙对养护需求的影响，所以以上这两个模型都可看作是道 路管理者的模型。为了弥$ h m c i 不能从道路使用者角度进行评价的缺陷，桥本( 1 9 8 6 ) 提出了简单的线性舒适性指数r c i ( r i d i n gc o m f o r ti n d e x ) ，此模型注重了 平整度的影响评价，但其本身仍存在缺陷。同时，仿效a a s h o 的p s i 建立的模型还 有，加拿大的舒适性指数r c i ( r i d i n gc o m f o r ti n d e x ) ，日本运输省的路面处治 指数p r i ( p a v e m e n tr e h a b i l i t a t i o ni n d e x ) 。以上这些模型的共同特点是用回归 技术建立路况指标与专家评价的直接关系。”。但采用回归分析技术建立模型的突出 缺点就是回归系数的不可变性，难以用一套公式适应多种路面条件。导致必须用 足够多的模型来适应不同的路况，使用模型的可移植性大大降低，通用性受到限 制。应用专家法建模还有另外一种方法就是扣分法，是由美国空军工程研究实验 室开发的，该方法通过对路面各种损坏的明确定义，确定扣分值和单项重复修正 系数，精确计算由多种损坏导致的总体损坏程度。从理论上讲是比较严谨的，但 其难点在于扣分值和修正值不好确定。另外c h j u a n g ”1 用模糊数学方法提出了路 面破损指数u p d i ( u n i f i e dp a v e m e n td i s t r e s si n d e x ) ，它是首先从主观上判断 各种破损类型对路面使用性能的影响严重程度进行分级，然后再进行权数的主观 分级，最后利用模糊数学方法计算u p d i 。 在我国，这方面研究起步较晚，在借鉴国外方法和模型基础上，基本上建立 了适合我国路面状况的路面评价体系。由同济大学姚、孙“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”，该评价体系将路面使用性能 分为行驶质量、损坏状况和结构承载能力三个方面。损坏状况采用扣分法来计量， 并用路面状况指数p c i ( p a v e m e n tc o n d i t i o ni n d e x ) 来评价，同时该研究中成功 采用路面状态向量进行了路面使用性能综合评价，描述路面使用性能的四个分量 分别是：交通量、路面的使用性能、路面破损和结构承载能力。交通部公路科学 研究所的潘”1 等采用主客观结合的方法应用多元回归技术建立了一般公路路面使 用性能评价模型，认为路面使用性能的影响因素为平整度和路面破损。长沙交通 学院的何、张。等也建立了路面评价体系，将路面使用性能分为功能、结构和安全 三个方面：用平整度评价路面的行驶质量( 功能方面) ；用抗滑系数评价路面的安 全性；以路面横断变形、路面破损率和强度系数三个指标评价路面的结构状况。 同时采用路面现时服务指数p s i 来进行综合评价，考虑的因素包括平整度、路面 第一章绪论 6 横断变形和路面破损率。李、蒋“”1 应用模糊数学理论，提出了路面综合服务能力 指数c s i ，这个指数综合了交通量、弯沉、平整度及路况指数四个因素对使用性能 的影响，且通过模糊集合运算避开了难以确定的权重数值。随着新方法和新技术 的不断应用，路面性能评价方法和模型也不断丰富起来。如将遗传算法“、模糊 神经网络“、灰色理论0 1 等应用到路面性能综合评价中，很好的解决了非线性、模 糊性的问题，而且这些模型也取得了不错的效果，只是这些模型和方法还有待进 一步加以完善。 上述路面使用性能评价方法和模型不少己在各国或地区的路面管理系统中得 以应用，用于指导实际的道路养护工作，在推动路面管理科学化、现代化方面做 出了不少的贡献。但目前的模型不同程度上存在着缺陷和不足，需要不断的完善 和发展。路面使用性能评价体系的建立有着其复杂性，如不同的路面类型需要考 虑不同的路面性能影响因素，甚至同种路面类型因等级不同，评价时需考虑的路 面性能影响因素也不同，而以上模型大多是针对某一种路面类型建立的，应用不 免有其局限性。下面将具体建立分别适应于沥青路面、水泥路面、砂石路面三种 不同路面的路面性能评价体系。 1 4 地理信息系统的发展及应用情况 1 4 1 地理信息系统在我国的发展 地理信息系统( g e o g r a p h l e a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，即g i s ) 是2 0 世纪6 0 年代开始迅速发展起来的地理学研究技术。它是多种学科交叉的产物，是一种特 定而十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬件、软件系统的支持下，以地理 空间数据库为基础，采集、储存、管理、分析和描述整个或部分地球表面( 包括 大气层在内) 与空间和地理分布有关的数据，为地理研究和地理决策服务的空间 信息系统“。 我国地理信息系统的起步较晚，但发展较快、势头良好。大体可以分为下列 几个阶段3 ： 第一个阶段是准备阶段。7 0 年代初期我国开始在测量、制图和遥感领域应用 计算机技术。随着世界遥感技木的发展，我国于1 9 7 4 年开始引进美国陆地卫星图 像资料，开展了遥感图像处理和解译工作。1 9 7 6 年召开了第一次遥感技术规划会 议，形成了遥感技术实验和应用研究蓬勃发展的新局面。此后，开展了各种区域 性航空遥感试验，获得了大量多层次、多时相、多应用目标的综合地学信息。遥 感在地学各个领域中的推广应用，地学试验技术和理论研究的需要，以及地球科 学、环境科学研究向宏观和微观的战略发展，对地理信息系统的发展开辟了道路。 1 9 7 8 年国家计委在安徽黄山召开了全国第一届数据库学术讨论会。同年l o 月在浙 第一章绪论 江杭州召开了第一届环境遥感学术讨论会，在会上我国著名的地理学家、地图学 家陈述彭院士发出了在我国开展地理信息系统研究的倡议。从此，地理信息系统 研究的舆论准备、组织建设和可行性实验，在全国由点到面逐步地开展起来。 第二个阶段是试验起步阶段。进入8 0 年代之后，我国在地理信息系统的研究 和应用方面取得了实质性的发展。在理论探索、规范探讨、实验技术、软件开发、 系统建立、人才培养和区域性、专题性实验等方面都积累了经验，取得了突破和 进展。例如，在二滩、渡口地区建立了我国第一个信息系统模型以及全国范围的 空间数据库试验方案，建成了l ：1 0 0 万国土基础信息系统和全国土地信息系统， 1 ：4 0 0 万全国资源和环境信息系统，1 ：2 5 0 万水土保持信息系统。在专题性信息 系统试验研究方面，如黄土高原信息系统，洪水与灾情预报与分析系统、全国树 木资源与环境信息系统，矿产资源数据库等。用于辅助城市规划的各种小型信息 系统在城市建设和规划部门获得认可。 同时，信息系统规范化标准化的研究工作也有计划地开展。1 9 8 3 年11 月，国 家科委组建了资源与环境信息系统国家规范研究组，在充分调查分析国内外历史 和现状的基础上，于1 9 8 4 年提出了“资源与环境信息系统国家规范研究报告”。 上述各个方面卓有成效的工作，使我国逐步形成了自己的建立和发展地理信息系 统的技术路线、原则和政策，避免了一些盲目分散和过度集中的通病：使具有实 际效能的区域性地理信息系统和专业地理信息系统得到并行发展，还注意发展微 机地理信息系统以便于推广应用。 第三个阶段是发展阶段。从1 9 8 6 年到1 9 9 5 年前后，我国的地理信息系统事 业随着社会主义市场经济的发展走上全面、迅速发展的阶段。在此期间，全国许 多行业部门和部分省区积极发展各有特色的地理信息系统，在理论和应用研究、 人才培养等方面取得了丰硕的成果。由于沿海、沿江经济开发区的发展，土地的 有偿使用和外资的引进，急需地理信息系统为之服务，推动了地理信息系统的发 展。 14 2 地理信息系统的应用现状 随着地理信息系统( g i s ) 研究的不断深入和应用的不断推广，6 i $ 已经被成 功的运用到多个领域，同时各种g i $ 的商业软件更是处于百家争鸣的发展时期， 无论在应用功能方面，还是在二次开发的形式方面等，均是更加丰富和多样化。 尽管现存的地理信息系统软件很多，但对于它的研究应用，归纳概括起来有 二种情况：一是利用地理信息系统来处理用户的数据：二是在地理信息系统的基 础上，利用它的开发函数库，二次开发出用户专用的地理信息系统软件。目前已 成功地应用到了包括资源管理、自动制图、设施管理、城市和区域的规划、人口 和商业管理、交通运输、石油和天然气、教育、军事等九大类别的一百多个领域。 第一章绪论 8 在美国及发达国家，地理信息系统的应用遍及环境保护、资源保护、灾害预测、 投资评价、城市规划建设、政府管理等众多领域。近年来，随着我国经济建设的 迅速发展，加速了地理信息系统应用的进程，在城市规划管理、交通运输、测绘、 环保、农业、制图等领域发挥了重要的作用，取得了良好的经济效益和社会效益”。 有关地理信息系统在公路管理中的应用，在美国等西方发达国家研究较多， 如在美国国家公路联合研究计划( n c h r p ) 中己对“g i s 在路面管理中的应用”进 行了立项研究。“。在美国的一些州已经实现了以地理信息系统为平台的较完善的 公路管理系统，如伊利诺伊州交通厅以分阶段开发的路面管理与分析系统为背景 。，在其中引入地理信息系统，实现对州际公路等道路数据的管理：德克萨斯州 在已实施的路面管理系统中加入g i s 功能“，较好的完成了g i s 与p m s 的结合， 将g i s 技术作为管理平台对各种数据进行管理；同样像阿肯色、科罗拉多、康涅 狄格、佛罗罩达、夏威夷、爱荷华、缅因、新墨西哥、维吉尼亚等州均已将g i s 技术应用到了公路管理中n ，用来维护和操作大量的空间数据和属性数据，实时 提供并显示当前道路的交通状况、施工情况等，极大的丰富了管理手段，提高了 管理的效率，其中有些州将g p s 技术运用到数据采集方面，如收集道路中心线信 息或其相应的属性信息等，大大提高了数据的精确性。在国内已经有研究人员在 这方面进行了一些探索，如基于g i s 的广东省高速公路数据库管理系统“，朱新 实、赵圆圆等建立的公路地理信息系统”，由陕西省交通厅组织的地市级公路 数据库的研制与开发，并且最终成功完成了公路信息管理的公路地理信息系统 t r a n s - - g i s 的研制。，可以看出这些公路基本信息管理的软件完成的主要功能是 实现可视化、一些基本信息的查询功能，另外，由孙”主持的基于g i s 的城市道 路管理系统的建立，惠河高速公路管理信息系统的开发，河北省高速公路路面管 理系统的应用“”等。这些系统的成功运行，都为g i s 在公路管理领域的应用和推 广做出了不少贡献。但综合来看，各系统所用的g i s 软件类别和集成方式等各有 千秋，并且各系统实现的g i s 功能也有较大的差别，如广东省高速公路数据库系 统，其地理信息系统子模块，采用的开发平台是桌面地理信息系统m a p n f o ， m a p l n f o 的拓扑结构是基于传统的节点一弧段模型，没有动态分段功能，不能实现 真正意义上的动态分析路况数据的功能；而陕西省的公路数据库系统选择的g i s 平台是a r c i n f o6 1 ，此版本已经首先实现了动态分段功能，使得动态分段技术 在公路数据库开发中得以成功应用。本文进一步研究的目的在于寻求g i s 与系统 较方便的集成方式，并且尽可能的使g i s 管理信息更加丰富，与路面管理的各个 管理层次都进行有益的联系，充分发挥g i s 强大的图形及各种信息的显示处理功 能。 第一章绪论 9 1 5 本论文的主要工作 在过去的几十年发展中，路面管理系统研究和开发已经取得了长足的进步， 并在实际的应用中显示出较大的经济效益和社会效益。但其中仍然存在着诸多的 不足，需要做大量的工作进一步进行完善。本论文通过对路面管理系统国内外发 展现状的研究，深入的分析其存在的问题，就此提出相应的改进措施，并将其在 实际开发的路面管理系统中得以应用。 本文拟主要在以下方面做些工作： ( 1j 首先用系统的观点，对要开发的路面管理系统做较全面的分析，根据用 户的实际功能需求，设计出基于g i s 路面管理系统的总体框架，并详细规划要实 现的主要功能，划分子模块，以待进一步编程加以实现。 ( 2 ) 在用户需求分析的基础上，根据数据库的设计原理，设计出公路数据库 子系统，并通过可视化编程语言m i c r o s o f tv i s u a b a s i c6 0 及数据库管理软件 a c c e s s 对数据库子系统界面设计、数据绑定等加以编程实现。完成对路面管理所 需数据的输入、存储、查询及打印报表等相关管理操作。同时对公路属性数据的 分类、编码等及空间数据的组织做了具体的阐述。 ( 3 ) 将地理信息系统( o i s ) 应用到公路管理中。通过g i s 与传统路面管理 系统的集成，充分发挥g i s 处理图形数据的强大能力，实现公路空间数据和属性 数据的动态交互查询和显示、空间数据的分析及按公路属性数据制作各种专题图 等，改变传统的路面信息管理方式，引进路面管理的新技术，使其展现出图文并 茂的新景象。 ( 4 ) 路面使用性能评价方法的研究。具体介绍应用单项指标对路面使用性能 进行评价的方法、指标及评价标准等，针对目前评价方法中存在的一些不足，提 出用b p 神经网络进行路面使用性能综合评价的新方法，将其编程加以实现，通过 学习样本训练后，用于路面综合性能评价。 ( 5 ) 通过可视化编程语言m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 0 对设计的路面管理 系统部分功能加以实现，使其能够在实际的路面管理中得以应用。系统界面设计 友好，易于操作。 1 6 研究技术路线 本论文拟采用的研究技术路线如图1 1 所示。 第一章绪论 图11 论文研究技术路线 第五章基于g i s 路面管理系统的总体框架设计 第二章基于gs 路面管理系统的总体框架设计 路面管理系统已逐渐成为公路管理现代化、科学化的重要工具，它运用现代 管理科学、系统分析、工程理论和计算机科学等技术，为公路管理部门提供高效 的管理服务，以便有效地使用有限的资源，提供具有足够服务水平的路面，做出 科学的管理决策。可见，路面管理系统涉及的技术层面较深，系统结构复杂，因 此，系统的总体框架设计作为系统开发的重要环节，其结构设计的好坏将直接决 定系统运行的质量。基于g i s 的路面管理系统总体框架结构与传统的系统结构有 着截然的不同，它涉及到如何将新兴的地理信息系统技术集成应用到传统的系统 当中，充分发挥g i s 强大的图形管理功能，改变传统的单一文本信息管理方式。 本章下面将对基于g i s 路面管理系统的总体框架结构做详细的介绍。 2 1 系统设计原则和功能要求 2 1 1 系统设计原则 路面管理系统本质上属于管理信息系统( m i s ) 的范畴，系统设计除遵循管理 信息系统的一般设计原则外，还要考虑系统本身的特点，与一般的管理信息系统 相比，基于g i s 的路面管理系统具有很强的专业性，因此，考虑的设计原则如下： 子系统独立原则：遵循功能独立的原则，进行划分子系统，这些子系统通过通 讯系统实现信息的共享；模块化原则：各子系统由若干个模块组成，各模块实 现特定的单一功能，通过对模块的组合，可以完成子系统的功能；开放性原则： 子系统的各模块可以和系统的其它子系统进行信息的交换，也可以和路面管理系 统的其它子系统进行信息交换；智能化设计原则：路面管理系统的核心子系统 是专家系统，通过专家系统可以解决现有路面养护管理决策不科学、不合理的问 题。除上述原则外，系统设计还应考虑容错性、稳定性、可靠性等原则”。 2 2 2 系统功能要求 路面管理系统通过对采集的路面性能历史数据和实时交通状况数据进行管 理，利用评价模型和预测模型等进行分析和辅助决策，从而合理地分配有限的养 护资金，确定最佳养护对策和实施时间等。基于以上考虑，系统的功能要求应包 括以下几个方面：建立公路数据库子系统对公路数据( 包括属性数据和空间数 据) 进行管理，便于积累历年的路况数据；