（道路与铁道工程专业论文）高速公路路面管理系统研究和设计.pdf

摘要 本文从路面管理系统的发展历史入手，总结了历年来影响围内路面管理系统 研究和开发的制约因素，提出了符合我国现实的高速公路路面管理系统的总体框 架，并重点对数据录入模块和g i s 图形化查询模块进行了阐述。然后针对高速 公路路面彳亍车和破损特点，提出了高速公路路面使用性能评价体系，一菇有六个 单项评价指标，分别为路面结构强度指数s s i 、路面行驶质量指数r o i 、路面抗 游性能指数s f c 、路面代表车辙深度d ，、路藤裂缝率q 和路蘑修 率五，和一 个综合评价指标，为路面质量指数p 0 i 。 根据我国高速公路历史数据缺乏豹实际情况，建立了参数囱适应l 受踪模型预 测高速公路路面使用性能，模型能够随着时间的推移和样本的扩大而自行修正动 态参数，使摸型预测值与实际蕊溺毽达到最大程度的遥近。在路面养护决策模块 中，采用了专家思想库和养护决策树模型。最后对系统数据库的数据分类、数据 关联以及傻溺和维护作了分析。 关键谲：舞速公路路面管理系统路匿使臻性能参数童适应跟踪模型 数据库评价预测决策 a b s 蕈r a c t b e g 嗌谢盘如k 渤r yo fp a v 。m 哪m a n a g e m e n ts y s t e m ( p m s ) ，也i s 龇s i s s u 舶删z e st h cf a c t o r sr e s t r i c t e di nm er e s e a r c ho fp m si nt h ec o u n t ma i l da d v a n c e s t l l em o 孤l 酶z e d 、瓶o l es 眦赶粉o f 嚣礤糟s s w a yp a v e m e 毪m a 主l a g e m e n 童s y s t c m ，m 髓 e x p a t i a t e s 龇m o d u l oo fd a t ae n t 耐n ga n dm em o 眦eo fg i sg m p 量l i c ss e 删吨i n 8 王l u s i o nt o 也ec h 瞍糙t e d s t i c so f 攮e 蠡s 豺e s s ne x p r e s s w a yp a v e m e n ta l l d 氇ev e 圭1 i c k o nt h ee x p r e s s w a y b r i n g sf o r w a r dt h ee v a l u a t i o ns y s t 锄o f m ee x p r e s s w a yp a v e m e n t p o r f o m l a n c c t h e r e a r e6m o r l o m i 舔e v a l u 斑i o ni 碰e x e s ，a sf o l l o w ss t n l c 缸r es t r e n 垂h i n m x ( s s i ) ，r j d eq 眦1 n yi n d e x ( r q i ) ，s i d e w a yf o r c ec o e m c i e n l ( s f c ) ，黜p r e s e n t a t i v er 酣i n g d e p l h ( d ，) r a t i o c r a c k m gi n d c x ( c t ) p a t c hr a 船( 上，) ，a n dm e r ei so n ec o 娜) o s 弧v e e v a l u a 士呈o ni n d c x ，8 sf o l l o w sp a v e m e n tq u a l 酊i n d e x ( p q i ) b 船c do nt h cf h c tt l l a t l em s t o r i c a ld a t ao fe x p r e s s w a yi si a c l ( i n gi no u rc o u n t 吼 b u i l d s1 kd y n a m i cp a r a m e t e r ss e 接a d a p t i n g8 n ds e l f - t r a c 虹n gp r c d i c t i o nm o d e lt o p r e d i c tm oe x p r e s s w a yp a v e n l e n tp e r f o n n a n c e t h em o d e lc a na u t o m a t i c a l l ym o d i 玲 t 如d y n a m i cp a r a m e t e r s a l o n gw i 搬m et i m ea n dw i t 量l 也ee x p e n s eo fs t y l e b o o k ，s o 也a t t h ep r e d i c 抛dv a l u ec a nf 砷e s t 印p r o a c ht h ea c t l l a lv a l u e i nt h em o d u l eo fp a v e m e n t m 妇妇n a n c 8d e c i s i o n ，a d o p t st h ee x p e ni d e a s 如t a l ，a s ea n dt h em o d e lo fm a i n t e n a n c e d c c i s i o n 订e e a t l a s t ，a n a l y s e st h ec l a s s i f i c a t i o na i l dm er e l 越o n s h i po f 也ed 【诅mt h e s y s t e i md 撕b a s e ，t h c ne x p 蕊a t e s 也eu s ea n d 芏n 妇搀e n a n c eo ft h ed a l 如a s e k e yw o r d s 董印r c s s w a y p a v e m e n tm a i m e n 8 n c e 翠s t e mp a v e m e n tp e r f o r m a n c e t h ed y n a i n i cp 猢e t e r ss e l f a d a p t i n g 蛆ds e l f _ 仃a c h n gp r e d i c t i o nm o d e l d 菇e b a s ee v a l u a 蠹旺p 羚d i c t i o 珏d e c i s i 瓣 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：谬晓锛 加6 年月( ) 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：膏 导师签名： 堍够 冶榘 o f 年f 月6 日 彩年z 月善日 第一章绪论 1 1 路面管理系统的定义 路面是道路最重要的工程结构物。人们修建道路的目的就是为了使车辆能够 安全快捷地通过它到达目的地，而车辆只是行驶在路面上，不直接与道路其它部 分接触。当用户行驶在道路上时，他们能够感觉到的就是道路路面的使用性能， 他们不会去体会，也无法体会路基的压实度、桥梁的可靠度和边坡的稳定度等。 所以从某种意义上可以说道路的绝大部分其它设施和结构物都是为路面服务的， 确切的说，是为了路面能够更好地为用户服务。所以在整个道路的管理工作当中， 路面的管理工作是其重点和核心。路面状况的好坏将直接影响到车辆的行驶舒适 性和营运费用，也即直接影响到社会的经济效益。如何决策好路面投资的去向， 如何经营管理好路面这笔资产使之充分发挥出效益，具有十分重要的经济价值和 社会价值。 路面管理工作，包括规划、设计、施工、养护、路况监测和评价、研究等方 面。其主要内容和相互关系，如图1 1 所示。由此可见，路面管理是协调和控 制同路面有关的各项工作，其目的是使管理部门通过这一过程能有效地使用资源 ( 资金、劳力、机具设备、材料、能源等) ，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。 系统是相互制约、相互联系的有机整体，系统最显著的特点就是整体性，它 揭示了事物各要素之间最普遍的联系。管理系统皆为某种需要而建立起来的机 构，或称为管理活动。而路面管理系统则是通过运用系统分析的方法，综合考虑 技术、经济、社会和政治等方面的因素，协调各项路面管理工作，促使路面管理 过程系统化。它探讨如何运用现代管理科学的理论、系统分析的方法和计算机运 算手段，为路面工程各管理部门提供科学的分析工具和方法，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，作出科学的管理决策。美国a a s h t o 路面系统指南中对路面管理系统的定义为：用于决策者在公路评价养护中寻求投 资有效分配方案( c o s t e 雎c t ) 的工具“1 。 图卜1 路面管理的内容 1 2 路面管理系统的发展历史 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 美国州公路和运输工作者协会( a a s h l d ) 通过全国合作研究计划( n c h r p ) ， 发起了要在路面领域研究作出新突破的研究，以改善路面设计方法。其结果是， 在路面设计中引入了系统分析方法，并首次提出了路面设计系统的概念，开创了 路面管理系统研究的先河。 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( 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。1 9 7 1 年首次出现了路面管 理系统的术语。 以美国为代表，6 0 年代中期至7 0 年代末，一些发达国家已经建立了具有基 本功能的路面管理系统，网级路面管理系统的功能也已基本成型；7 0 年代末至 8 0 年代中，路面管理系统的研究发展较快，主要标志是：( 1 ) 测试技术日益先 进，逐步实现了自动化、高速化、精确化；( 2 ) 路况数据库日益完善，摄像技术 的使用使得路况数据更为直观、评价更为客观。( 3 ) 各类模型的功能划分越来越 细，各种预测技术、决策技术、专家系统被纳入路面管理系统；( 4 ) 软件的数量 繁多，并日益商品化，可供地方公路部门选择和使用。1 9 8 1 年，美国联邦公路 管理局出版了p m c e e d i n g 一书，总结了开发和应用路面管理系统的1 3 个步骤。 1 9 9 1 年，美国国会通过地面运输联运及效率法案，规定各州必须开发路面管 理系统等6 个管理系统，自1 9 9 3 年起，路面管理系统成为公路管理部门申请联 邦资助的唯一依据。到9 0 年代初，全美5 0 个州及哥伦比亚特区都建成和实施了 某种路面管理系统。 同时，其它国家也陆续开展并建立了路面管理系统，如加拿大阿尔博达省的 路面信息和需求系统( p i n s ，1 9 8 3 ) ，丹麦路面管理系统( 1 9 8 0 ) ，英国运输和 道路研究所( t 也) 的公路养护评价系统( c h a r t ，1 9 8 0 ) 等。 早在1 9 6 9 年，世界银行就开展了公路养护方面的研究工作。1 9 7 1 年完成了 第一阶段研究，开发了一个概念性的框图和公路施工养护及车辆运营费用的第一 代模型。1 9 7 0 1 9 7 2 年，世界银行在肯尼亚、加勒比地区、巴西和印度先后完 成了四项主要的道路用户费用的研究。经过许多国家的实践和改进后，在这些经 验基础之上建立了第三版公路设计与养护标准模型( h d m i i i ) 。h d m i i i 己在世 界上很多国家的到了广泛的应用。它主要应用于：( 1 ) 单项目工程分析，如项目 的评估与评价、车辆运行费用计算等：( 2 ) 多项目分析及在资金约束下的工程施 工准备分析。 我国路面管理系统的研究起始于1 9 8 4 年。1 9 8 5 年首先在辽宁营口地区移植 了英国的沥青路面养护管理系统。“七五”期间，交通部公路研究所、同济大 学等单位开展了国家攻关项目“干线公路( 省、市级) 沥青路面评价养护系统技 术开发”的研究工作，开创了具有我国特色的路面养护管理系统研究方法和技术 理论体系。1 9 9 0 年前后，结合交通部“水泥混凝土路面修筑技术”研究课题， 同济大学、西安公路学院分别开展了“水泥混凝土路面养护管理系统研究”。而 后，北京、广东、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，上海、天津和北京等市的市政部门也开展了这方面 的研究工作。使得我国路面管理系统方面取得了较大的进展。 具不完全统计，到目前为止，国内存在的路面管理系统就超过了2 0 余种， 有5 0 余家单位拥有路面管理系统，但是实际能够正常使用的系统却相当少，这 里面有很多影响因素，将在第二章介绍。9 0 年代中期以后，由于国家实行扩张 性的财政政策，对基础设施特别是公路交通建设投入了大量的资金，困扰道路工 作者多年的资金问题得以缓解，再加上路面管理系统研究和应用中遇到的种种问 题，研究者们对路面管理系统研究的热忱大为降低了。 但是路面管理系统的研究不应当也不会停下来。我们必须清醒的认识到，随 着国家骨干公路网的建成，国家必然会压缩对公路的投资，公路的养护和管理肯 定会是今后我们工作和研究的重点。同时，路面管理系统的研究作为一项基础性 的工作，要有一个积累的过程，也必须走在实际的前面。如果我们现在不重视路 面管理系统的研究，不重视系统数据库的架设，一旦今后遇到棘手的养护问题， 又会再一次的“头痛医头，脚痛医脚”。当然，我们坚信，随着时代的进步和科 技的发展，影响路面管理系统研究和应用的各种问题都一定会得以解决，路面管 理系统也一定会在各级公路养护管理部门中成功的应用起来。 1 3 路面管理系统的组成 1 3 1 从功能上划分 路面管理系统从功能上划分为网级管理系统和项目级管理系统，它们分别适 应不同管理层次的需要，具有不同的功能和结构。 1 网级路面管理系统的范围，包括一个地区( 省、市) 的公路网或一大批工 程项目。它的主要任务是为管理部门在进行关键性的行政决策时提供对策。它的 功能包括： ( 1 ) 路况分析路网内路面现有状况的分析和今后路面状况变化的预估 分析。 ( 2 ) 路网规划确定路网内需要养护、改建和新建的项目。 ( 3 ) 计划安排这些项目应进行养护、改建和新建的时间，各项目的优 先排序。 ( 4 ) 预算编制路网达到不同预定服务水平时，各年度所需的投资额。 ( 5 ) 资源分配各行政区域或不同等级道路养护、改建和新建之间的资 源分配。 完整的网级路面管理系统提供在选定的分析期内不同养护计划的效益和费 用比较，使费用最小或效益最大变为可能。 2 项目级路面管理系统仅针对一个工程项目。它的任务是为管理部门对某一 工程进行技术决策提供对策，以选择费用一效果最佳方案，可实现以下功能： ( 1 ) 对具体路段路面状况进行评价； ( 2 ) 分析路面状况变化的原因； ( 3 ) 用技术或技术经济比较的方法确定具体路段的养护维修方案。 项目级管理系统依据网级管理系统所给定的约束条件，把与该计划项目有关 的设计、施工、养护和改建活动组织协调在一起进行详细的考虑。项目级管理系 统可以对考虑设计、施工、养护和改建的各个方案的费用和效益进行比较，从中 得出可以在分析期内以最低的总费用提供需求的服务水平或效益的最佳对策方 案。 1 3 2 从物理结构上划分 路面管理系统的物理结构就是系统的载体，它可以划分成相互联系的三个部 分： 1 数据采集设备 路面管理系统的研究和应用需要大量的路面状况数据，这些数据的获得就要 依靠方便快捷的采集设备。离开了这些数据采集设备，路面管理系统就会变成无 源之水。数据采集设备不能狭义的认为就是检测设备，还应当包括原始数据处理 设备和与数据库的接口设备。 2 数据库 数据库是路面管理系统的基础，数据库接收并存储来自数据采集设备、人工 输入和其他应用系统的数据并向其他应用系统传送数据。软件系统通过从数据库 里面提取数据，进行路面的评价、预测和养护决策。本文将在第七章详细介绍数 据库的组成和数据种类。 3 软件系统 软件系统是路面管理系统的运算内核和表现形式。通过软件系统，用户可以 不仅可以很方便的查询路面使用性能的各项指标等动态数据，还可以查询与之相 关的路线的静态数据；通过软件系统，用户可以对任意路段路面使用性能作出评 价和预测；通过软件系统，用户可以得到科学的养护决策。 1 4 本文的主要研究内容 本文首先讨论路面管理系统的一般定义，研究路面管理系统的组成和功能， 介绍国内外路面管理系统的发展历史。 自我国开始研究路面管理系统以来，虽然取得了很大的成就，国内也开发了 不少的路面管理系统，但是鲜有成功应用的实例。本文第二章总结了历年来国内 研究和开发路面管理系统的状况，分析各种影响因素，并探讨今后研究和开发路 面管理系统的方法和建议。 第三章阐述高速公路路面管理系统的总体框架设计，把高速公路路面管理系 统划分成若干个模块，并分析每个模块的功能目标和组织结构。 第四章探讨适用于现阶段我国高速公路半刚性基层沥青路面的使用性能评 价方法，从高速公路沥青路面的破损特点出发，研究高速公路路面使用性能评价 指标体系和评价标准。 第五章针对现阶段高速公路路面使用性能历史数据不足的问题，研究如何利 用尽可能少的历史数据预测高速公路路面使用性能，并使预测值不断逼近实测 值。 第六章分析路面养护决策的目的和过程，并建立高速公路路面养护决策树模 型。 第七章分析高速公路路面管理系统数据库的总体结构，对数据库的数据进行 分类，阐述数据库的使用和维护方法。 6 第二章影响路面管理系统研究和开发的因素 2 1影响路面管理系统研究的因素 自上个世纪8 0 年代，我国开始路面管理系统研究以来，历经2 0 余年，取得 了很大的成就，关于路面管理系统研究的专著和论文有很多，国内也开发了不下 2 0 种路面管理系统，但是鲜有成功应用的实例，绝大部分路面养护决策还是停 留在头痛医头，脚痛医脚的落后状况。原因总结起来有： 2 1 1 对系统的研究重视程度不够，资金投入不足 路面管理系统的研究作为一项横向覆盖整个路面工程领域、纵向贯穿路面整 个寿命周期的课题，研究周期比较长，需要大量的人力物力的支持，特别是资金 的投入。但是现阶段，各级公路主管部门在科研工作中常常追求短期效益，对长 时间的路面管理系统研究缺乏耐心，而且当中“重建设，轻管理”的思想还是比 较严重，再加上前期c p m s 等路面管理系统应用的欠成功，使得各级公路主管 部门对路面管理系统缺乏信心，研究的积极性就更为不高了。 2 1 2 系统数据库未能建立和使用 由于以前路面检测设备的落后和计算机硬件设备的限制，各种反映路面使用 性能状况的历史数据都是以人工制作的纸张报表形式存储的，各级公路养护部门 又不注重这些历史数据的保存和积累，丢失的现象比较严重，再加上养护规范的 变更，新旧指标之间的转换需要花费大量的人工，使得储存路面使用性能数据的 系统数据库建立困难重重。 在我国，路面管理系统的研究和开发大多数情况下都是作为一项课题来研 究，研究人员为了显示课题研究成果的先进性和前沿性，往往会过分地看重系统 后期的预测模型和决策模型的研究，运用各种数学方法，把大量的时间和精力花 费在了这些模型的研究，而忽视了系统前期数据库的架设。国内从八十年代中期 至今，研究出了许多的关于预测和决策的理论和模型，如马尔可夫预测模型、半 马尔可夫预测模型、神经网络模型、模糊数学法、小波理论分析模型等等。但是 这些方法在实际的养护工作中却是很少被应用，一个原因是在这些模型的研究 中，本身用来建立模型以及检验模型所需要的可靠数据不足，缺乏必要的路面性 能实测数据。这一方面限制路面预测和决策建模技术的发展，另一方面即使建模 技术行之有效、理论分析合适恰当，还是会使得模型可靠性大为降低。另一个原 因是，这些的模型的运用都是要建立在庞大的历史数据基础上，由于系统数据库 没有很好的建立起来，失去了系统数据库的支持，这些方法都成了纸上谈兵。 2 1 3 路面普遍的早期破坏 由于国内高速公路路面普遍的早期破坏，相当一部分的公路路面在通车三四 年，甚至于两三年后就不得不进行罩面或大修。我国除了早期修建的京津塘、广 深珠等几条高速公路只需要进行表面层的再生或加铺罩面外，大多数高速公路基 本不到8 1 0 年，甚至更短的年限内就发生基层松散的结构性破坏，而需要大修 。这些都是我们当初始料未及的，对于产生这些早期破坏的原因，存在许多争 论，也是路面工程研究的一个热点。但是有一点是肯定的，就是在高速公路沥青 路面建成之后，对于路面状况将如何变化，我们心中没有谱。 这就更使得这些预测和决策模型的应用雪上加霜。因为绝大多数的预测模型 都是假定路面的使用寿命能够达到或者接近路面的设计年限，而路面普遍的早期 破坏则使这些预测模型束手无策。决策模型是建立在预测模型基础上的，离开了 准确有效的预测，也就没有科学的路面养护决策了。 2 1 4 现行的路面使用性能评价系统有待改进 由于路面检测设备的落后，特别是对于路面破损的检测设备，使得检测效率 低下，很难对路面进行全面地检测，大多数情况下只能抽样进行检测。对检测人 员素质的依赖性也很大，很多时候依靠检测人员的主观判断，检测结果的可靠性 也就比较低、随意性比较大。 路面使用性能的评价方法也是有待改进的。对于许多路面养护工程师，还是 停留在“新三年，旧三年，缝缝补补又三年”的认识上，只把不良的修补当作一 种破坏形式，未把普通的修补当作一种破坏形式。普通的修补虽然不直接影响行 车的质量，但是它反映了路面曾经的破坏历史，对其周围路面的耐久度也是肯定 有不利的影响，还有碍路面的美观，影响驾驶员的驾驶心理。 在对高速公路沥青路面状况的评价中，也未考虑高速公路的行车特点。研究 3 表明，高速公路路面的破坏形式主要有三种：裂缝、车辙和修补，所以在高速公 路路面管理系统中，对于高速公路路面破损状况指标p c i 的评价中，也就应当只 考虑这三种破坏。当然，在路面状况检测的时候，肯定会检测出少量其它类型的 破损如坑槽、拥包等，因此就认为这些其它类型的破损也应该在p c i 的评价当中 得以体现，实际上公路沥青路面养护技术规范( j t j0 7 3 2 2 0 0 1 ) 和高速 公路养护质量检评标准( 试行) 也是这么规定的。但是，这些其它类型的破损 只是在路面检测的前后一小段时间存在，它们是不会持续存在较长时间的，因为 这些其它类型的破损对于行驶在高速公路路面上的时速达到1 2 0 l c r r l 1 1 的车辆是 极其危险的，日常的路况巡查员一旦发现这些破损，会马上对它们采取处治措施 的。如果我们在p c i 的评价中考虑这些破损的话，我们所得到的评价结果就只是 检测日期这一小段时间的路面破损状况，不能反映真实的路面使用性能状况，对 今后的路面状况也缺乏预见性。 2 2 影响路面管理系统开发的因素 影响路面管理系统开发的因素有很多，但是归结起来，不外乎有两个：一个 是“物”的因素，另一个是“人”的因素。 在路面管理系统的开发中，“物”的因素就是计算机硬件设备。在上个世纪， 计算机硬件设备的限制是制约系统开发的一个重要的因素。但是到了现在，随着 计算机硬件发展的突飞猛进，不断的推陈出新，无论是计算机c p u 的计算速度、 硬盘的存储空间、显卡的图像处理功能还是i n t e m e t 网络的普及，都已经完全能 够满足路面管理系统的运行。 在路面管理系统的开发中，涉及到三类人，用户、程序员和系统分析师。如 图2 1 所示，用户就是将来使用路面管理系统的单位或人；程序员编写系统的源 代码；而系统分析师负责收集用户的需求信息，研究系统的组成结构和功能，构 建系统的框架，从而指导程序员编写程序，并最后完成系统的测试。开发系统的 最终目的是为了用户的使用，系统的各项功能都是为了满足用户的需求，系统各 项功能要依靠程序员编写代码得以实现，而用户与程序员的沟通则是通过系统分 析师这个纽带。下面我们一一分析他们各自对系统开发的影响。 图2 1用户、程序员和系统分析师关系图 2 2 1 程序员的影晌因素 调 查 用 户 需 求 程序员是将系统分析师对用户需求的分析结果变成可用的软件实体，存在着 数据库设计、开发、测试等分工。程序员完全是按照设计来工作的，没有任何可 以偏差的地方，而现实往往不是这样的。程序员工作的唯一依据是系统分析师提 出的系统需求分析报告，如果这份需求分析报告的概念很模糊，边界定义不清， 那么就需要对这份需求分析报告进行澄清。软件开发过程中，需要咨询系统分析 师的时候，他们也不能够给出一个肯定的答复。只能等程序员完成了系统的开发、 测试之后，部署到客户那里，往往这个时候才发现很多问题，客户可能抱怨对他 们的业务理解的不够彻底，从而导致大量的返工。 2 2 2 用户的影响因素 用户的需求是系统开发的根本原因，用户的使用是系统开发的最终目标。用 户又分为单位用户、高级用户和初级用户。单位用户是指使用系统的单位，一般 为公路管理部门，如公路管理局，高速公路管理公司等：高级用户为单位用户的 领导和高工等养护决策人员i 初级用户为单位用户中工作在一线的一般养护工程 人员。 1 单位用户的影响因素 由于我国经济体制改革的深入，公路建设投资的多元化，再加上多年计划经 济遗留的条条框框的限制，使得我国公路管理部门的设置较为混乱，各自为政的 现象比较严重。特别是对于高速公路而言，这种现象就更为严重了，例如，在华 东某省，管理高速公路的机构就有四家：省高等级公路管理局、省公路管理局、 省公路开发总公司和某高速公路股份有限公司，它们都各自管理一条或多条高速 公路。对于每一个单位用户，都会或多或少的拥有自己的管理方式和管理风格， 对系统具体的功能要求也会有所不同。这就使得系统分析师要针对不同的单位重 新进行细致的需求调查，这些调查可能会与系统分析师某些已有的经验发生矛盾 和冲突，增加系统分析师的工作量和工作难度。 2 高级用户的影响因素 随着我国从九十年代中期开始大规模公路建设，现今许多公路路面已经或将 要到达大修年限，再加上路面普遍的早期破坏。所以高级用户们最关心也最头疼 的问题是：怎样准确及时地掌握路况信息、如何科学评价路面状况、路面今后会 发生什么样的变化、什么时候对路面采取养护对策最有利以及采取什么样的对策 性价比最高。而这五个问题也是路面管理系统所要解决的最核心的问题。高级用 户带着这五个问题对路面管理系统的研究和开发提供人力和物力及资金上的资 助。 由于现今高级用户大多在三四十岁以上，他们当中的绝大多数人的计算机操 作水平不高。在系统运用的时候，系统的操作一旦繁琐和复杂，就会使他们感到 望而生畏，甚至会对系统产生抵触的心理，从而影响他们对系统的总体评价。所 以在系统的设计中应该尽量地考虑这些因素，要使系统的操作尽可能的“傻瓜”、 系统的界面尽可能的友好。 在路面管理系统开发完成后的初期运行阶段，系统总会有意想不到的漏洞和 b u g ，高级用户常常会因为这些漏洞和b u g 而放弃了对系统的使用，这是非常可 惜的。对任何一件软件产品，开发完成之后都不可能十全十美。强大如微软的 w i n d o w s 操作系统，也时常发现系统漏洞而需要升级。因此在在系统的初期运行 阶段，高级用户要提供机会让系统的进行全面的运行调试。 3 初级用户的影响因素 初级用户是在公路管理部门中从事一线养护工作的工程人员。他们负责路面 的日常路况巡查和小修保养，他们一般不参与养护决策，再加上他们知识水平的 有限，他们当中的绝大多数人不知路面管理系统为何物。因此，初级用户一般对 路面管理系统是缺乏热心的。可是，系统的开发和运用离不开他们，例如系统的 需求调查需要他们配合，静态数据需要他们录入，具体的报表需要他们提供，动 态数据的录入有时也需要他们去完成等等。 所以，一方面初级用户不知道系统的用处，不知道系统能够提高他们的工作 效率；而另一方面，系统的研究、开发和运用又需要他们大量的工作。自然而然， 他们会认为系统对他们来说只会是一种负担，在参与系统研究开发工作的时候出 现出工不出力的现象就不足为奇了。 2 2 3 系统分析师的影响因素 系统分析师负责收集用户的需求信息，研究系统的组成结构和功能，构建系 统的框架，从而指导程序员编写程序，并最后完成系统的测试。由此可以看出， 系统分析师必须具备路面工程和软件工程两个方面的知识，他在系统的开发中处 于核心的地位，他是联结用户与程序员的纽带，系统分析师工作的好坏，关系到 系统开发的成败。 系统分析师一旦开始路面管理系统的开发工作，首先要做的事情就是对用户 进行需求调查，这是系统开发中最基本的一项工作，也是最关键的一项工作。需 求就是系统分析师在开始构建系统之前必须要发现的东西，没有正确的需求，就 不可能设计并构造正确的产品。软件工程师s t e v em c c o n n e l l 的研究报告中指出， 在软件开发中，6 0 的错误源于不正确的需求，尽管系统开发者有机会消除这类 错误，但是他们往往选择赶紧构造错误的产品巧1 。这对于路面管理系统的开发来 说，也是常常存在这种情况的。 2 从已往开发路面管理系统的经验上看，系统分析师很少从用户中产生，也不 会从程序员中产生( 倒是系统分析师常常充当程序员的角色) 。担当系统分析师 的人大多是大学和科研机构的研究人员，他们一般不熟悉用户的工作。所以系统 分析师要深入公路养管单位进行全面而细致的实地需求调查，但是很多系统分析 师却不重视这些调查，往往走个过场而草草了事。回去之后，就按照自己的想法 闭门造车，最后等到系统运行阶段，却发现很多东西不切实际，与用户的需求发 生脱节。 当然，很多时候系统分析师意识到了需求调查的重要性，却往往得不到用户 的良好协助。高级用户在将路面管理系统的开发工作交给系统分析师之后，就不 自觉地成了甩手掌柜，没有指定专门的人员负责与系统分析师协调和沟通。于是 当系统分析师到达单位进行需求调查的时候，却找不到人来负责这件事情，没有 人专门陪同系统分析师进行需求调查的话，很多用户都会对系统分析师敬而远之 的，需求调查的工作就很难展开了。 用户的需求总是零零碎碎的，不能指望哪个用户能够提供系统全面的需求， 而且每个用户都可能有自己的独特的需求。由于用户特别是初级用户业务水平的 差别，他们要么表达不出自己的需求，要么自己也搞不清楚自己需求什么；由于 用户对路面管理系统的不同理解，针对同一条需求，甲用户可能要求这样做，乙 用户可能要求那样做。这都需要系统分析师把用户的需求汇总起来综合考虑。 系统开发完成之后，系统分析师还要对系统进行全面的测试，这是一个很重 要的环节。系统分析师应当对照设计任务书，逐项详细的检测系统是否达到了设 计的要求，并要与程序员一块努力发现和消除系统的漏洞和b u g 。 2 3 对今后研究和开发路面管理系统的建议 1 在路面管理系统的研究和开发中，实行由点到面、先近期目标后远期目标 的两步走战略。第一步，在条件成熟的地方，先行搭建项目级的系统数据库，将 路面使用性能数据导入数据库中，实现方便快捷的查询功能，让公路管理部门能 够及时准确的掌握路况信息。第二步，利用这些成功的经验辐射到其它地方，实 现地区级和省级的网级系统数据库，等到数据库充实之后，再着重研究系统的预 测和决策模块，进而实现真正的网级路面管理系统。 2 在路面管理系统的研究中，前期要着重研究路面使用性能状况的评价，使 得路面使用性能的评价更加科学，更能反映路面的真实状况。 3 由于在现阶段，路面使用性能的预测模型和路面养护决策模型的成功实际 应用，不是轻易能够实现的事情，还需要一个漫长的摸索过程，所以在路面管理 系统的研究和开发中，要扩展和完善路面管理系统其它模块功能，如查询模块、 图形化查询模块以及报表处理模块。努力使用户能够感受到路面管理系统带来的 自动化的方便，从而让系统能够应用起来，让系统的数据库能够建立起来。 4 在系统的研究和开发中，系统分析师应该充分地与用户特别是高级用户良 好地沟通。一方面要当用户的学生，通过学习用户的工作过程，掌握用户的需求， 不要等到系统软件编写的时候，甚至于用户使用系统的时候才发现用户的需求； 另一方面，又要当用户的老师，努力向用户展示自己的研究和开发成果，争取用 户对系统研究和开发的支持。 5 用则立，不用则废。路面管理系统作为一种新生事物，用户定要坚持对 它的使用，发现问题要及时通知系统分析师对系统进行修改和升级，不要因为这 样或那样的问题，而放弃了对系统的使用。 2 4 开发高速公路路面管理系统的意义 国外发达国家研究路面管理系统的初衷是为了改善路面设计，所以最初的研 究重点是项目级的路面管理系统。而后，由于公路网的建成，公路管理部门的注 意力转向了通过养护、改建、维护和改善现有路网，养护和改建工作得到了重视， 所以路面管理系统研究的重点便由项目级路面管理系统转向建立和实施网级路 面管理系统。 而我国引入和研究路面管理系统的目的是为了加强养护工作，所以最初我国 开发和建立的路面管理系统几乎都是清一色的网级路面管理系统，而且大多是针 对低等级的公路路面。但是，网级路面管理系统的建设毕竟更为复杂系统过程， 公路管理人员对路面管理系统的认识和接受，需要一个相当长的熟悉和适应过 程，再加上开发和运用上的种种问题，最终很少又坚持运用下来的系统。 所以，作者认为，还是应当先从研究和开发项目级路面管理系统入手，先使 项目级的路面管理系统在公路管理单位运用起来，让更多的管理人员熟悉和认可 路面管理系统，等到条件成熟之后，进而构建网级的路面管理系统。而高速公路 路面管理系统则具有其独特的优势。 由于我国的高速公路管理体制，几乎每一条高速公路都是由一个独立法人自 负盈亏的高速公路公司管理，所以，高速公路路面管理系统是天然的项目级路面 管理系统。而且几乎所有的高速公路都是收费经营的，所以这些高速公路公司一 般资金比较充裕，对路面管理系统也相对比较重视，愿意对路面管理系统的研究 提供资助。高速公路的管理人员大多比较年轻，计算机操作水平相对更高，易于 接受路面管理系统，将有利于路面管理系统的应用。 所以先从项目级的高速公路路面管理系统入手，进而研究和开发网级路面管 理系统，是一条比较可行的道路。 第三章高速公路路面管理系统设计 3 1 系统的网络结构 我国现行的高速公路大多采用三级的管理体制，见图3 1 图3 1鬲速公路管理结构图 可见，在高速公路的养护管理工作中，需要使用路面管理系统的机构有很多。 总公司、分公司以及它们下属的各个养护段，都需要安装和运行高速公路路面管 理系统，所以高速公路路面管理系统不能只是局限于单机运行，它必须是一款网 络版的软件。总公司、分公司及其下属的各个养护段之间通过计算机网络传递数 据信息。 针对高速公路的这种管理体制，确定系统的网络结构，采用c s 架构，主要 分为两部分，一部分是服务端程序，一部分是客户端程序。服务端程序将驻留在 总公司管理局的服务器中，主要是数据库服务器。客户端程序可以不分级别、 位置进行分布，通过内部局域网和因特网实现最终的互联，见图3 2 。 这里要注意解决一个问题客户端与服务器的分工，也就是说什么工作应 该在服务器上集中处理，什么工作可以在各个客户端处理；什么资料应该存储在 服务器上，什么资料则必须存储在客户端上。 6 月 务 器 客 户 端 养护所 图3 2 系统网络结构图 3 2 系统总体设计 路面管理系统的建立和实施，是一个长久的过程，可能需要花费好几年的 时间，需要投入大量经费、人力和设备。为适应路面管理系统的这种分阶段建立 和实施，系统宜采用模块结构。每一个模块相应于一个可区分的发展阶段。依次 建立和应用各个模块，可使系统不断扩大其功能，达到不同的发展阶段。而每个 模块都有独立的分析结果输出，可付诸应用，每个模块都以前一个或多个模块的 分析或结果为基础增加新的分析而建成。 一共可以划分成为十个模块：系统管理模块：数据库模块；数据录入模块； 普通查询模块；图形化查询模块；评价模块；预测模块：专家思想库模块；决策 模块；报表处理模块。它们的总体结构和相互之间的关系见图3 3 。其中，数据 库模块、评价模块、预测模块、专家思想库模块和决策模块将在后面几章作更为 详细的介绍。 任何一种系统，都必须包含有三个部分：输入部分，输出部分和内部处理部 分，以保证系统的开放性、整体性和目的性。在高速公路路面管理系统中：系统 管理模块和数据录入模块属于系统的输入部分，系统依靠输入部分接受外界信 息：普通查询模块、图形化查询模块和报表处理模块属于系统的输出部分，系统 依靠输出部分给外界提供信息；评价模块、预测模块和决策模块属于系统的内部 运算部分。r l 一一ji 一一j 图3 3 系统总体结构图 3 3 系统管理模块 针对我国高速公路三级的管理体制，制定高速公路路面管理系统的三级系统管 理模块。系统管理功能通过系统管理员进行操作，系统管理员有三种级别：总公司 管理员、分公司管理员和养护所管理员，他们有各自不同的权限。如图3 4 所示。 总公司管理员是最高级别的管理员，拥有三个管理权限，单位管理、路线管 理和用户管理：分公司管理员和养护所管理员为低级别的管理员，只拥有用户管 理权限。 图3 4 系统管理结构图 33 1 单位管理 单位管理是针对总公司下属单位，通过单位管理，总公司管理员可以添加新 的单位，修改已经存在的单位的信息、各单位的上下级关系，以及设定和修改各 下属单位的系统管理员的帐号。如图3 5 所示： 3 3 2 路线管理 路线管理是针对总公司所属路线，通过路线管理，总公司管理员可以添加新 的路线、修改已经存在的路线的信息。如图3 6 所示： 图3 5 单位管理 图3 6 路线管理 1 9 3 3 3 用户管理 用户就是使用高速公路路面管理系统的人员，用户具有两种属性，一个是操 作属性，代表该用户是否具有查询、录入、审核、打印等操作权限；另一个是级 别属性，代表该用户操作的范围。各个级别的管理员管理相应级别的用户，总公 司管理员管理总公司用户，分公司管理员管理分公司用户，而养护所管理员管理 养护所用户。通过用户管理，管理员可以增加、修改和删除用户信息，以及设定 用户在使用系统时的操作属性。如图3 7 所示： 图3 7 用户管理图 3 4 数据库模块 高速公路路面的养护管理是一项非常复杂的活动，需要综合运用路面专业知 识、系统工程、管理科学的方法处理与路面活动有关的问题，从而使路面养护的 技术、经济和管理等活动能够有机结合并实施有效控制。所以高速公路路面管理 系统必须是一个开放性的动态管理系统，它建立在大量信息的基础上，以数据作 为支撑，数据是该系统的基本元素，这样才使系统提出的养护对策具有客观性和 针对性。实现高速公路路面管理系统的前提就是要保证各种数据信息能够在基层 养护部门和上层公路管理机构之间进行实时的交换和传递。现代计算机技术的发 展为这一要求提供了先进的数据处理技术数据库。 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 3 5 数据录入模块 图3 9 数据录入模块结构图 2 1 3 5 1 数据自动化导入子模块 在现今高速公路路面使用性能检测中，绝大多数都是采用自动化的检测设 备，如弯沉检测车、横向力系数检测车、激光平整度仪等，这些检测设备检测出 来的结果都是具有固定报表格式的电子文档。于是，我们开发数据自动化导入子 模块，利用它将这些数据通过数据接口自动地导入系统数据库中。数据自动化导 入子模块是数据录入模块的重点，因为这些自动化检测设各检测出的动态数据量 特别大，占了系统数据厍的绝大部分。 数据自动化导入子模块的设计思想是：提供全面的人工干预功能，尽量减小 人工干预的可能，人工干预最好放在系统外执行。所以采用了两步导入的机制。 首先将原始设备文件转换成e x c e l 文档，见图3 一1 0 ，这样用户可以通过转换过来 的e x c e i 文档对检测信息进行必要的修改；然后再将e x c e l 文档导入系统数据库 中，见图3 一1 1 。 图3 1 0 设备文件转换成e x c e l 文档 图3 - 1 1e x c e i 文档导入系统数据库 3 5 2 数据交换子模块 利用数据交换子模块，可以使高速公路路面管理系统数据库与其它系统，如 全国公路数据库、桥梁管理系统等交换一些共用的静态数据，见图3 一1 2 。 图3 1 2 数据交换子模块 3 5 3 手工录入子模块 当然还有许多静态数据和某些动态数据则需要通过手工录入子模块录入系 统数据库中，如个别损坏数据、路面养护历史数据以及专家思想等，见图3 1 3 。 瀵粼 i 摹轼l，。 。0 ；4 一。7 。 ： = 耻竹：巴竺! j 蹦：乒薄；* i 3 m 。巴j目 。! * f q 协。，l t 蛐 ：雹! 硝 = _ 巨二 早舳t 叵二。鬟 _ ”。1 科t “i 唑：e t 一瞬。r 蛹：巨丑- r 。i ；。誊 8 ，m - 一l ：p 卧 “ 锻 一r ：；1 三矗 m一- ! 、一 一 - u 制，￥蚧i “# 黪。鲤自删# 女黜幽* 粼g b a 0 0 t 目缝瓣g 口e g 勰 。茹1 i + _ 积q 孵嚣慕 鬣蠢 i 自m a _ l “h 。“i 二。 韭 j # 二v j ，一，。：一j 。： t ；立+ ? 。一? ”。，! k o o a 一， 一： i o r m j ：i 螭10 ：眷蠢。一毒硝；网器蠹。_ h 搬“”q ：t o r