（管理科学与工程专业论文）高速公路养护管理系统分析与研究.pdf

摘要 摘要 高速公路作为一种通车流量大、设施完善、科技含量较高的现代化交通载体， 其快捷、安全和舒适的特点，在提高经济效益和社会效益的作用方面日益凸现。 随着高速公路通车里程的急剧增加和使用范围的迅速扩大，如何管好、养好高速 公路，充分发挥高速公路的经济效益和社会效益，切实保证高速公路建设高投入 应该产生的高回报，成为社会各界和有关部门愈来愈关心的问题。 由于高速公路的发展正面l 临着养护高潮，因此本论文有广泛的理论价值及实 际意义，实现了高速公路智能化养护决策，在一定程度上可以对今后的高速公路 养护起到推动作用，同时也为高速公路养护管理系统的开发提供了新思路。 本文主要通过与现有的养护管理系统进行综合比较，然后提出一些改进意见， 开展了以下研究工作： 1 、在道路的数据采集上提出尽量抛弃原始的人工采集方法，采用效率高的仪 器手段。例如路面的平整度采集采用国际流行的d y n a t e s t 5 0 5 1r s p 激光平整度测 试车、桥梁数据采集采用p d a 系统等，同时本文也分析并给出了现行设备采集的 数据与这些仪器采集的数据之间的对应关系，进一步验证了新仪器在数据采集上 的可靠性。 2 、路面与桥梁养护管理系统为本文研究的重点。因此在第三、四章里，本文 就这两大子系统进行详细分析。对比现行路面、桥梁管理系统的性能评价与性能 预测方面，给出本文的评价、预测方法与公式。例如在路面综合评价中，提出加 权几何平均值法和灰关联分析法；在桥梁综合评价方法中，提出模糊综合评价法 和层次分析法等。这些方法和公式的提出为本文的创新点，主要是基于对高速公 路定量、定性的评价原则。 3 、高速公路附属设施及绿化养护管理系统相对简单，但是涉及的养护单元很 多，例如路基、挡墙、涵洞等。本文限于篇幅对其只是简单介绍，并未深入研究， 但这些附属设施对高速公路养护管理系统也很重要，任何某单元出现问题都将直 接影响道路的通行质量。 4 、最后选取沥青路面养护管理系统作为案例，对全文提出的评价体系进行检 验，并利用v i s u a lb a s i c 编程语言对路面管理系统的三大模块进行编程运行，进 一步验证系统建立的可行性。 关键词：高速公路；评价；管理系统；模糊综合评价法；性能评价；性能预测 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee x p r e s s w a yi saw e l le q u i p p e da n dh i g ht e c h n o l o g i c a lc o n t e n tt r a f f i cc a r r i e r i t 。sr a p i d ，s a f ea n dc o m f o r t a b l ec h a r a c t e r i s t i ci ss h o w nd a yb yd a yo i li m p r o v i n g e c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee x p r e s s w a y , h o w t om a n a g ea n dm a i n t a i ni tb e c o m e sa p r o b l e mm o r ca n d m o f ec o n c e r n e db yt h er e l a t e d d e p a m u e n t b e c a u s eo ft h ed e v e l o p m e n to fe x p r e s sh i g h w a yi sc o n f r o n t e dw i t ht h ec u r i n g c l i m a x ，g ot h et h e s i sh a sb r o a dt h e o r yv a l u ea n dr e a l i t ym e a n i n g ，i tm a yr e a l i z et h e i n t e l l e c t u a l i z e de x p r e s sh i g h w a yc u r i n gd e c i s i o n - m a k i n ga n dc a np l a ya r r i v ea tp u s h r o l et oe x p r e s sh i g h w a yt h ed a y st oc o m ec u r i n gt oac e r t a i ne x t e n t ，a tt h es a m et i m e ，i t a l s op r o v i d et h en e wt r a i no ft h o u g h tt ot h ee x p l o i t a t i o nm a i n t a i n i n gm a n a g e m e n t s y s t e mo ft h ee x p r e s sh i g h w a y p a s s i n gt oc o m p a r ea v a i l a b l ec u r i n gm a n a g e m e n ts y s t e m ，t h et h e s i ss u g g e s t ss o m e i m p r o v i n gi d e aa n dc a r r yo u tt h ef o l l o w i n gs t u d i e s ： 1 、t h et h e s i ss u g g e s t st oa b a n d o np r i m i t i v em a n p o w e rm e t h o dt ot h ef u l la n da d o p t t h ee f f i c i e n ti n s t r u m e n tm e a n si nt h ec o l l e c t i n gr o a dd a t a 。f o ri n s t a n c e ，t h em a ds u r f a c e l e v e l l i n gd e g r e ea c q u i s i t i o na d o p tp o p u l a rl a s e ro fi n t e r n a t i o n a ll e v e l l i n gd e g r e et ot e s t v e h i c l ea n dt h eb r i d g ed a t ac o l l e c ta d o p tp d a s y s t e m s i m u l t a n e o u sm a i nb o d yo fa b o o kh a sa l s oa n a l y s e da n dh a sg i v e no u tt h ec o r r e s p o n d e n c er e l a t i o nb e t w e e nt h ed a t a t h a tc u r r e n t l yi ne f f e c te q u i p m e n tc o l l e c t sa n dt h ed a t at h a tt h e s ei n s t r u m e n t sc o l l e c t ，i t h a sv e r i f i e dl l e wi n s t r u m e n tr e l i a b i l i t yc o l l e c tg o i n ga h e a di nd a t a 2 、p r i o r i t yt h em a ds u r f a c ea n db r i d g ec u r i n gm a n a g e m e n ts y s t e ms t u d yf o rt h e m a i nb o d yo fab o o k o nt h eb a s i sc o m p a r i n gm a ds u r f a c ec u r r e n t l yi ne f f e c tw i t h b r i d g em a n a g e m e n ts y s t e m 。t h em a i nb o d yo f a b o o kh a v eg i v e nv a l u a t i o n ，f o r e c a s to u t m e t h o da n df o r m u l a f o re x a m p l e i n 枷s u r f a c eo v e r a l le v a l u a t i o n , i tb r i n g sf o r w a z d w e i g h t e dg e o m e t r ya v e r a g ev a l u el a wa n dd i s h e a r t e n e dc o r r e l a t i o na n a l y s i sl a w ；i n b r i d g eo v e r a l le v a l u a t i o nm e t h o d ，i tb r i n g sf o r w a r db l u r t e do v e r a l le v a l u a t i o nl a wa n d a r r a n g e m e n to fi d e a sa n a l y s i sl a we t c t h e s em e t h o d sa n dt h ef o n n u i a sa r ep o i n tb e i n g i n n o v a t i v eo ft h et h e s i s 3 、s u b s i d i a r yf a c i l i t i e so f e x p r e s sh i g h w a ya n dt h em a n a g e m e n ts y s t e ma f f o m s t i n g c u r i n ga r er e l a t i v e l ys i m p l e ，b u ti ti n c l u d e sm a n yc u r i n ge l e m e n t s t h et h e s i so n l y a b s t r a c t i n t r o d u c e st h e ms i m p l e l y b u tt h es y s t e mt h e s es u b s i d i a r yf a c i l i t i e si sa l s ov e r y i m p o r t a n tt oe x p n e s sh i g h w a y 4 、f i n a lt h et h e s i sc h o o s eb i t u m i n o u sp a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e mb e i n gc 批 s y s t e mc h e c k i n gt h ef u l lt e x tv a l u a t i o n , a n dt h et h e s i sm a k e su s eo fv i s u a lb a s i c ，t h r e e b i gm o d u l e so f m a n a g e m e n ts y s t e mo f t h er o a ds u r f a c ea l ec a r r i e do u tap r o g r m n m i n g k e yw o r d s ：e x p r e s s w a y ；a s s e s s m e n t ；m a n a g e m e n ts y s t e m ；f u z z yc o m p r e h e n s i v e a p p r o a c h p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ；p e r f o r m a n c ef o r e c a s t 重庆交通大学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。 重庆交通大学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。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部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。 指导教师签名耍伟 日期：纱7 年哆月2 ，驴日 一 埽 壁 月 氢 谚 签 年 渚了 作 口 刘 k 沏，_ 纩 位 期 挚 日 q 日 喀刀善 0 月 名1 7 签 口 者 年 作1 i姗q 赴 0 位 期 学 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文研究背景 1 1 1 高速公路养护管理的历史、现状及发展动态 高速公路的发展阶段及特点“】乜1 我国高速公路的发展大体上经历了3 个阶段： 第一阶段，大体在1 9 9 6 、1 9 9 7 年以前，交通部制定了“五纵七横”国道主干 线规划并付诸实施，为我国高速公路持续、快速发展奠定了基础。这个阶段的实 践总体上比较成功，路面上的主要问题以及人们研究的重点是防止半刚性基层引 起的反射裂缝。 第二阶段大体上是1 9 9 7 、1 9 9 8 - - 2 0 0 2 年，高速公路建设进入了快速发展时期， 年均通车里程超过2 ，4 8 5 4 8 英里。2 0 0 2 年年底，我国高速公路通车里程一举突破 2 5 万公里，位居世界第二位。这个阶段高速公路逐渐成网，交通量激增，这个阶 段人们片面地追求路面平整度，造成路面压实度不足，空隙率过大，产生了大量 被称为“水损坏”初期损坏现象，研究的重点是治水。 第三阶段大致是2 0 0 2 年至今，这个阶段的特点是超载普遍存在；人们为了减 少水损坏而采用了不同类型的密实型混合料，同时大大提高了路面的整体强度， 而出现的路面问题则主要是车辙。 高速公路养护管理系统的发展历史及现状。1 忉 高速公路养护管理系统是近2 0 年在我国公路界出现的一个新的领域。它运用 现代管理科学的理论系统分析的方法和计算机运算手段，为管理部门提供科学的 分析工具和方法，使有限的资源实现最佳配置。经过2 0 多年发展，高速公路养护 管理系统已从一个概念变为在许多国家实际运转的系统。由于高速公路养护管理 都主要集中在路面与桥梁的养护管理上，因此本研究主要从这两个系统进行分析 研究，现将国外的研究现状综述如下： 路面养护管理系统的研究起源于美国和加拿大，1 9 7 1 年首次出现了路面养护 管理系统i k s 的术语。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 网级路面养护管理系统，到8 0 年代中期，约有3 5 个州和省己建成或基本建成路 面管理系统。其中，较有代表性的有美国加利福尼亚州1 9 7 8 年建成的网级路面管 理系统。亚利桑那州1 9 8 0 年建成的供财政规划用的网级优化系统，美国陆军工兵 团1 9 8 3 年建成的军用机场和城市道路管理系统p a v e r 。 桥梁管理系统是最先发展于7 0 年代的美国，经历了从无到有，从简单到复杂， 第一章绪论 2 从单项数据处理到具有多数据、多知识的综合处理能力的专家系统阶段。从八十 年代以来随着计算机技术的飞跃发展它也得到了进一步的完善和深化并与c a d 集 成，成为管理部门办公自动化的一部分，并能辅助决策参与管理还为设计、施工 等其他部门提供必要的数据支持。 1 9 6 8 年，美国联邦公路总局研究开发了世界上第一个桥梁管理系统“国家桥 梁档案库( n b i ) ”，其软件基本上是一些数据文件形式，起初的功能也很简单，只 能完成一些数据保存、基本统计查询和简单报表输出等档案管理工作，属于管理 系统中的e d p 阶段，是第一代桥梁管理系统。该系统经过了近3 0 年的运行并不断 得到充实，改进和提高，目前已经成为记录、储存、更新和统计美国国家公路上 各项桥梁数据的国家桥梁数据系统；同时，还能为这些桥梁的使用性能作出评定， 对候选项目进行优先排序并为桥梁重建和维修计划提供辅助决策，目前的这套系 统已经具备了一个现代管理系统的基本功能。 在美国开发研究桥梁管理系统的同时，世界各国也都相续进行了这一方面的 开发研究工作，投入使用的系统有：日本道路公团桥梁管理系统、丹麦桥梁管理 系统、加拿大阿尔伯塔省桥梁管理系统等，其功能与前述基本相似。 我国高速公路养护管理系统发展动态 我国的高速公路管理特别是养护管理相对滞后。9 0 年代以前，公路管理部门 对这些公路的路面管理缺少系统的检测、评价和科学的养护决策管理。公路路面 的养护管理主要依靠对路面状况的定性了解和工程师的经验来进行。在决策过程 中，常常由于经验限制及缺少对路面破损和程度的定量掌握，使路面养护方案不 尽合理，由此造成了养护资金浪费、路面质量下降及使用者费用上升。 因此建立“高速公路路面管理系统”( p a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e mf o r e x p r e s s w a y ) ，加速公路管理现代化建设具有重要的现实意义。我国路面养护管理 系统的研究始于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。尔后，北京、广东、河北、山东、河南、四川、重庆、云南和江西等 省市的公路部门相继建立了省市级或地区级沥青路面养护管理系统。由于不同的 省市对高速公路路面系统有不同的要求，因此系统组成差别很大。 我国的桥梁管理系统研究及开发都还处于刚刚起步阶段，从8 0 年代以来，四 川省公路研究所、广东省桥梁研究所、交通部公路研究所及北京市公路管理局等 单位在借鉴国外经验的基础上，先后开发了四川省桥梁数据库管理系统、广东省 桥梁管理系统、北京市公路桥梁管理系统、河南省桥梁管理系统等多个具有各自 特色的桥梁管理系统。但这些系统都还处于试运行阶段，不仅模型参数的建立还 需要大量历史数据的积累加以分析才能得到，而且系统本身的层次也不够明确。 因此，这些系统都还有待进一步的发展与完善。 第一章绪论 1 1 2 存在的问题 目前，我国高速公路养护管理工作的方法及手段相对还很落后，与目前繁重 的管理工作很不相适应，也与现代科学的管理要求不相适应。具体表现在： 管理方式落后，缺乏科学的管理意识，不重视早期的病害检查，重建轻养， 把主要精力都放在损坏严重的道路桥梁上，难以做到防患于未然。缺乏科学、系 统、规范的管理方法必然会造成一定程度的人员和资金的浪费。 道路的定期检查工作无标准可循，没有将日常巡检、定期检查、道路特检 三级检查制度明确定义、分工。大部分的检查工作都停留在日常巡检上，对高速 公路的结构损伤和各种典型病害没有详尽的描述。 职工总体素质不适应高速公路养护科学化、现代化的要求。高速公路养护 管理人员专业技术水平普遍较低，专业技术人员的比例不足3 0 9 6 ，有待进一步培训。 养护管理在基础知识及计算机操作技能上都应该不断接受专业培训，使得每一个 管理者都能跟的上现代管理体制的要求。 大多数高速公路的养护管理还处于人工观测、人工养护、人工管理的状况， 养护生产的机械化水平较低，管理与决策过程中的计算机信息技术应用还很不普 及，部分路段虽然建立了桥梁管理系统和路面管理系统，但实际应用还不到位。 专业检测设备应适当添置，以提高检测质量，使得更多的损伤数据项能够从定性 描述转为量化描述，使数据更加真实、客观。 历史资料管理混乱，由于档案资料的长期人工管理，造成了资料不全，统 计方法不一，准确性差等管理缺陷；而工作量大，效率低，查询和检索都极其困 难也是人工管理所难以解决的问题。 投资决策方式落后，由于对投资项目没有一个全面、客观的评价数据，主 要是管理人员凭经验对实际情况的判定来安排投资计划，很难保证资金的合理分 配。 实施过程中缺少信息反馈。 1 2 研究的内容与思路 1 2 1 研究的内容 高速公路养护管理离不开养护管理系统的运用，但这应当以系统分析方法和 运筹学为基础。本文在对高速公路进行有效单元划分基础上，根据高速公路养护 管理系统理论与养护技术分析的要求，分成五章研究高速公路养护管理系统，其 中主要研究对象是路面和桥梁养护管理系统中的数据采集、现状评价和使用性能 第一章绪论 4 预测模块。同时利用实例对高速公路路面的三大模块进行验证，确定其可行性。 第一章对高速公路养护管理系统与技术的研究背景、国内外现状和存在的问 题以及本文的研究意义、思路以及拟采用的研究方法进行了阐述。 第二章对道路养护管理系统理论基础进行了阐述，包括系统中的数据采集输 入系统、数据管理系统和数据分析优化系统。 第三、四章为本文的重点，针对目前最常用的路面与桥梁养护管理系统进行 结构功能分析和系统评价，着重分析了系统共有的三大功能模块。其中在引入已 有公式的基础上，运用回归分析方法推导出了路面与桥梁的使用性能预测模型公 式。 第五章简单介绍了高速公路养护管理系统中的附属设施及绿化管理系统。虽 然由于篇幅的限制本文并未就这两大系统作出详细的分析，但近几年随着人们对 高速公路通车质量的要求越来越高，这两部分也日益成熟。 第六章首先以京石高速公路逐州至徐水段为例，利用第三章的评价模块对该 段路的路面状况进行分析评价，验证本课题成果的可靠性。然后利用v i s u a l b a s i c 编程语言对路面管理系统的三大模块进行编程运行，进一步确定系统开发 的可行性。 第七章总结了本文的研究成果以及存在的不足，并展望系统未来的发展状况。 1 2 2 拟突破的难点 高速公路养护管理系统的建立涉及到很多的学科知识，例如数学与经济。本 文主要针对其中的路面与桥梁的养护管理系统共有的三大模块进行研究，在这两 个大方面存在以下难点； 一个既要符合国标规范又要具有数据校验功能的数据库应该包括的方面 以及如何建立； 路面管理系统综合评价法的确定、定量化； 路面管理系统中路面性能预测方法的选择； 桥梁管理系统中现状评价的模型建立； 模糊综合评价与层次分析在桥梁综合评价中的应用。 第二章高速公路养护管理系统理论基础 第二章高速公路养护管理系统理论基础 2 1 系统概述 高速公路养护管理系统就是通过应用系统分析方法和运筹学的方法，综合考 虑技术、经济、社会和政治等方面的因素，协调各项设施管理活动，促使设施管 理过程系统化。它是为管理部门的决策人提供分析的工具和方法，帮助他们考虑 和分析比较各项可能的对策，定量的预估各项对策的后效，在预定的标准和约束 条件的基础上，选用费用一效果最佳的方案。 高速公路养护管理系统的建立和实施，可以帮助管理部门改善所做出的决策 的效果，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。 养护管理对象包括高速公路路面、桥梁、隧道、交通工程设施、监控设施和 服务设施等，对各个对象建立养护管理系统的步骤和方法都是大体一致的，而且 高速公路养护管理的重点以及资金投向主要集中在路面与桥梁方面，因此本研究 将着重针对路面与桥梁的养护管理系统进行分析。 2 2 系统结构组成 高速公路养护管理系统根据系统研究分析的对象不同，一般可分为路面养护 管理系统、桥梁养护管理系统和附属设施养护管理系统、绿化养护管理系统几大 类，其中的路基、涵洞、交通设施等一般都包括在附属设施管理系统中，它们的 结构组成基本相同。由于采用计算机运行而且本着使高速公路养护尽可能数据化 的原则，本文以数据为基础进行分类。一般可以概括的分为数据采集系统、数据 库管理系统和数据分析系统三大块。 2 。2 1 数据采集系统 一般需要采集和输入管理和工程两大方面的数据。管理方面包括使用性能标 准和目标、政策约束条件、预算约束条件。工程方面包括设施损坏状况、养护维 修对策、使用性能预估模型和费用模型。 大量、准确的数据是系统决策的依据，因此对于数据信息的取得就显得非常 重要，这又依赖于高效、快速的检测设备。但是目前的条件又决定了有很多的养 护内容需要人为的观测、判断，这就很容易产生一种现象几种结论的怪状，特别 是对路面破损状况的确定上。有鉴于此，就迫切需要找到一种可行的方法，对各 种养护内容的病害从不同方面进行新的定量分类，用数据代替现象。因此就需要 第二章高速公路养护管理系统理论基础 6 利用现代那些高效、快速的检测设备，从原始数据采集上就力求准确。有的设备 可将采集到的数据直接传到系统，而有的数据就需要人工整理，最终输入系统保 存到数据库中。 2 2 2 数据管理系统。”“” 养护管理系统中所需要的所有数据都是存放在数据库中的，因此对数据的管 理实际上就是对数据库的管理。所以所建立的必须是一个系统、规范且具备可扩 展功能的数据库。它一般由参照系统、数据文件和数据管理组成。参照系统由各 类不同形式的编码组成，进行路段的划分，根据管理的需要把不同的数据存放在 不同的层次上，例如路面管理系统中，交通量数据可以存放在以区间为单位的层 次上，而弯沉则应存放在以路段为单位的层次上。数据文件一般分四大类，即静 态属性数据、设施状况数据、交通量和养护历史数据，其中设施状况数据即是存 放数据采集系统所输入的对象数据。数据管理则具有编辑打印、检索查询、统计、 分析等功能。 建立这样一个数据库，要以国标或部颁的相关规范为依据。为满足目前道路管 理和将来发展奠定基础。对公路技术属性数据指标集、指标项的组成与分类进行统 一规划。制定出完备的公路技术属性数据采集表，数据采集方法力求规范性好、 精度要求高、可操作性强。数据库应具备数据校验功能，需采集的公路技术属性 数据指标至少包括以下四个方面。 公路的基础技术数据 公路基础技术资料( 包括能够随时更新的图片录像资料) 有以下几个部分： 1 ) 公路概况类数据 包括：路线名称、编号、起止桩号、技术等、车道特征、平纵曲线、横断面 概况、路肩概、绿化概况、收费站及服务区的设置情况等。 2 ) 路基、路面类数据 包括：路基类型及宽度、防护形式、排水类型 边坡概况、路面类型、结构形式、路面宽度等。 3 ) 桥涵概况 包括：桥涵名称、编码、桩号位置、设计荷、跨径情况、上下部结构形式、 附属物概况等。 产业经济与管理 4 ) 沿线设施概况 包括：标线、标志、护栏、防眩设施、隔离栅、声屏障、地下管线、应急电 话、照明设施等。 第二章高速公路养护管理系统理论基础 7 5 ) 其他资料 如：隧道情况、沿线地形特征、地质情况、与其他重要道路的交叉情况等。 这些数据应该在高速公路管理系统建立之初即进行采集并录入系统。 公路现状数据 道路现状数据除了主要包括；高速公路养护质量指数( m q i ) 、路面养护质量指 数( p o i ) 、路基养护状况指数( s c i ) 、桥涵构造物养护状况指数( b c i ) 、沿线设施养 护状况指数( t c i ) 外，同时还应该包括路面状况指数( p c i ) 、道路行驶质量指数 ( r q i ) 、路面结构强度指数( p s s i ) 、路面抗滑性能指数( s r i ) 、道路的最新交通量 情况以及雨雪雾天气的道路通行情况等。 公路病害记录 数据库系统需能够随时、便捷、准确地录入并永久保存公路的病害记录。系 统要能实现对任何一个桩号的任何一个部位在任何一个时间发现的病害都能随时 记录并永久保存。这些部位至少包括：两侧的超车道、行车道、紧急停车带、标 线、护栏、标志、边坡、护坡道、排水沟、隔离栅以及中央分割带和路中、两侧 的绿化等；对于桥涵则应考虑墩台、帽梁、支座、上部承重构件、其他承重构件、 桥面铺装、伸缩缝、搭板、护栏、翼墙、护坡等。同时还应考虑上跨桥梁、互通 立交( 包括匝道、匝道桥、以及互通区内其他设施) 等。另外病害的记录最好采用 技术用语。力求准确描述出病害发生的时间、桩号、部位、病害类型、病窖数量 及严重程度等。 病害维修记录 系统也需要能随时录入并永久保存公路的病害维修记录；维修记录应该与病 害记录相对应。对于任何一个桩号的任何一个部位在任何一个时间的维修记录均 能够录入并永久保存：维修内容及工艺的描述也最好采用技术用语。并准确描 述维修的时间、桩号、部位、施工工艺及工程数量，对于需要封闭交通的维修项 目应注明维修段的封闭时间及交通控制情况。 2 2 3 数据分析优化系统嘲1 该部分是利用数据库中的数据，通过给出的实用性能标准和目标、政策约束 条件、预算约束条件和使用性能预估模型、费用模型，对设施状况进行性能评价， 从而编制年度计划和中长期规划： 评估现有设施单元性能，给出评价结果； 进行中长期单元养护需求分析，提供投资水平与设施单元状况关系，为公 路主管部门制定政策及向上级主管部门申请养护经费提供依据； 预测设施单元性能变化趋势； 第二章高速公路养护管理系统理论基础 对重点养护单元进行敏感性分析。分析养护时间、方案等对工程项目未来 质量、投资及使用者效益的影响，并提出最佳养护方案。 分析功能是道路管理系统的核心功能之一，通过养护实践和数据分析得出的 经验应该是对提高养护管理水平、养护生产效率与养护工程质量的最有力的支持。 所以在定制分析功能的时候要尽量放宽些，并充分考虑这一功能的可扩展性。例 如对道路病害的分析应包括以下一些内容：某个路段在某特定时间段内都发生过 什么类型的病害，病害程度及数量如何，某条路在某个时间段内哪种病害最为突 出，在本时间段内的发展趋势是怎样的，某种病害在特定道路上的发生、发展情 况如何，在特定交通或气候条件下的发展速度，某条路在运营几年后都发生了哪 些病害、发展趋势及程度如何等。 第三章路面养护管理系统分析 9 第三章路面养护管理系统分析 高速公路养护管理系统有几个大类，但是由于在实际养护过程中，养护资金 主要倾向于路面与桥梁，因此下面将专门对路面和桥梁养护管理系统进行研究讨 论。同时限于篇幅和时间，本文的管理系统分析并未涉及到系统最终的预决测模 块，即对于最终的养护决策并未包括。但这不表示该模块不重要，实际上前面的 评价、预测系统最终都体现在该部分，并最终使养护部门通过养护维修模块作出 养护对策。 3 1 路面状况数据采集 路面状况数据是确定道路养护和改建计划的依据。利用这些数据，可以判别 路面状况是否适应目前的交通和使用要求，并确定哪些路段需要采取养护和改建 措施，以及采取何种措施较为合适。路面管理决策的恰当与否，在很大程度上依 赖于能否及时而真实地采集到路面状况数据。 以往道路养护管理部门主要通过目测调查评定路面损坏的类型、严重程度和 范围，凭经验判断制定出养护计划。然而，个人的经验往往容易片面，即使对于 同一种路面状况，不同人员也常常会作出不一致的评价。因而好的评价决策系统 的路况数据采集应由各种测试仪器来完成，以便能客观地反映真实情况，从而避 免单纯依据野外目测人员的经验作出的管理决策。 路面状况数据采集是一项技术性很强的工作，它是路面管理系统的关键。从 使用角度来讲，路面状况数据主要可分为五个方面；功能性能、结构性能、结构 承载力、安全性和美观度。在本节中将着重分析数据的采集手段，同时在下一节 的路况评价中利用每项对应的评价指标公式阐述采集到的数据能产生的评价结 果。 3 1 1 平整度数据采集“”u 州刎 在路面诸多检查项目评定指标中，平整度占评定项目总分数的1 5 一2 0 ， 足见其重要地位。 路面平整度可定义为路面表面不平整导致行驶车辆出现振动的高度变化，它 是反映路面功能性能优劣的综合指标，平整度的调查指标为国际平整度指数 ( i r i ) ，对应的评价内容为行驶质量。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断面类测试和反应类测试两类。 断面类平整度测试方法是直接沿行驶车辆的轨迹量测路面表面的高程，得到 路表纵断面，再通过数学分析后采用某一综合性统计量表征平整度。属于这一类 第三章路面养护管理系统分析 l o 的具体测试方法的设备包括： 水准测量：水准仪，水准尺等： 梁式断面仪：t p p l 断面仪等： 惯性断面仪：g h r 类断面仪，a p l 断面仪等： 非接触式断面仪：激光断面仪，超声波断面仪，红外线断面仪等。 反应类平整度测试系统是通过一定的传感装置，测试车辆以一定速度驶经不 平整路面时悬挂系的竖向位移量，测试指标( 常为记数数值) 即对应于悬挂系位 移累积量。反应类测试设备主要有b p r 平整度仪、颠簸累积仪、p c a 仪、l l a y s 仪 和n 从s r a 平整度仪等。 我国以往用于路基路面现场平整度测试的方法主要有3 m 直尺法、连续式平整 度仪法和车载式颠簸累计仪法。3 m 直尺法过去曾得到广泛应用，但存在测试精度 低，速度慢，低头弯腰工作量大等缺点，目前应用场合多限于施工质量控制。8 轮 连续式平整度仪近年来应用较普遍，其测试速度一般为5 - - 1 2 k m h ，用于运营中的 高等级公路仍嫌不便，且测试结果受路表面破损状况影响较大，测试指标( 标准差 0 ) 也不能反映路表面较长波长( l o r e ) 的起伏。车载式颠簸累积仪属于反应类测 试设备，测试时行驶速度不宜超过4 0 k m h ，目前还存在测试结果再现性差的缺点。 为克服上述设备用于高等级公路测试时存在的不足，i 心i l t p p 引进丹麦产 d y n a t e s t 5 0 5 1r s p 激光平整度测试车，经性能考核后，将其选定为路面平整度数 据采集的主要设备。 d y n a t e s t s 0 5 1r s p 激光平整度测试车属断面类非接触式平整度测试设备，通 过安装在测试车上的激光发生器和集光器发射与吸收激光光束，并根据光时差原 理测定路表面的凹凸状况，测试的路面高程差结果经系统处理器计算后输出国际 平整度指数i r i 值。其主要性能指标如下： 高程测试精度：0 1 衄： 采样间距：0 i b m ： 测试速度：2 0 - 1 2 0 k m h ； 操作控制：便携式计算机程序控制。 对于d y n a t e s t s 0 5 1r s p 激光平整度测试车的工作性能以及不同设备的相关 性，可以通过下面的测试与目前常用的连续式平整度仪进行对比和标定。 选择许昌一漂河高速公路和郑州市郊某二级公路上的若干路段。连续式平整 度仪选用甩p y i i 型，测试时行驶速度为l o k m h ，每l o o m 输出0 值( 硼) ；d y n a t e s t 测试车测试速度9 0 陆h ，采样间距0 1 6 m ，经计算得到每i o o m 长路段的i r i 值。 经实测得到2 9 组有效的对比数据( 图3 1 ) 。经回归分析得到所测。与i r i 之间的 相关关系为： 第三章路面养护管理系统分析 1 1 0 = 0 3 0 3 8 i r i 目+ o 6 4 ( r = 0 9 7 4 9 ) 式中：o x l p y - i i 型平整度仪实测路面起伏的标准差( 衄) ： i r i 。一d y n a t e s t 5 0 5 1l i s p 激光平整度测试车实测路面i r i 值( m l k m ) 。 l o 童毒 0 。 ! 。腌 o ；0 口 吼住 乱张 戴斡0 秘倪期0 l 畦# t 们 图3 1o 与i r i 测试数据的回归分析 由以上测试及分析工作可见，d y n a t e s t 5 0 5 1r s p 激光平整度测试车的测试结 果现有测试方法所得测试结果有良好的相关性，这一结果保证了该设备用于路面 平整度数据采集和行驶质量评价的可靠性。 3 1 2 路面破损状况数据采集“”嘲 目前，路面破损数据大部分是采用人工配合检测车调查。人工检测效率低， 耗费大量时间，野外作业不安全。同时，检测结果受人为因素影响较大，难以对 路面破损进行客观和准确的评价。但是应该意识到在短期内不可能快速淘汰人工 调查法。因此，下面分别就这两种方法进行阐述。 人工调查方法 仔细察看路面上存在的损坏状况，正确区分病害类型和严重程度，丈量其损 坏面积，按病害类型及其严重程度，记入路面病害数据采集表，准确至平方米， 不规则形状的损坏面积计算时先按矩形面积计算。我们若以破坏率作为它的衡量 指标，可得到计算公式如下： 破坏率= 裂缝面积+ 1 5 ( 变形面积+ 表面损坏面积) 总面积 其中： 裂缝面积= 龟裂+ 不规则裂缝( 反射裂缝等) + o 3 ( 纵向裂缝+ 横向裂缝) 永久变形面积= 沉陷面积+ 隆起面积+ 波浪面积 表面损坏面积= 泛油面积+ 松散面积+ 坑槽面积+ 磨光面积+ 露骨面积 路况数据综合检测车调查方法 第三章路面养护管理系统分析 该方法就是利用多功能、高效率的路况数据采集设备对路面的破损状况进行 动态、实时获取，然后采用图像处理技术对获得的路面图像进行处理，定量分析 路面破损状况，如裂缝等。但由于图像处理技术在处理路面破损图像时尚无法完 全得出可靠的分析，在评价路面破损状况时，技术人员常用人工阅读的方式对路 面图像进行评价，产生定量或定性的指标。路面破损数据采集就是运用其中包括 的路面损坏图像系统进行测定，它的工作原理就是高速摄像系统在正常行车速度 下实时采集路面数字图像，利用图像处理软件，采集人员通过人工方式对各种损 坏进行鉴别、分析、分类和计算。因此这种方法需要采集人员具备一定的知识水 平，同时这种方法也可以避免人工由于素质的差别造成调查的不真实性。 开发路面破损检测系统首要问题是采用何种传感器技术获取路面破损数据。 有关文献中总结出几种检测路面破损的方法：( a ) 视觉图像检测方法；( b ) 路面轮 廓检测法；( c ) 超声波方法。由于路面轮廓检测仪和超声波检测设备的分辨率和动 态响应范围较小，限制了其在路面破损检测上的应用。因此，视觉图像检测是目 前路面破损检测最为可行的方法。路面破损图像识别，是通过c c d 摄像机拍摄路面 图像，经过数字化处理后，利用计算机视觉技术识别路面破损。我国在这方面的 研究基本上是空白，近年来有些单位己开始了研究，如郑州大学等该系统主要 包括： 装载车及附属装置子系统：承载其它设备，提供图像采集予系统及辅助照 明设备、计算机、距离传感器等的驱动电源。 图像采集予系统：路面图像适时采集和图像的数字化处理。 路面破损定位子系统：利用g p s 获取路面破损的位置信息。 数据处理子系统：计算机、数据处理软件等。 但由于本文篇幅有限同时要真正探讨该系统需要想当高的物理及摄像知识， 因此本文只是简单介绍。但是可以预见该方法应该是今后采用的主要方法，也不 排除其完全代替人工调查的可能性。 3 1 3 路面承载能力检测儿矧 路面承载能力即结构强度( s s i ) ，对应的评价内容为路面强度对路面承载 能力进行评价，最常见的方法是现场测定路面弯沉。弯沉测试方法总的发展趋势 是测试时对路面的加载方式愈来愈接近路面承受行车荷载的实际情况。弯沉测试 技术的发展大致经历了三个阶段：1 ) 静力弯沉测试：2 ) 稳态动力弯沉检测：3 ) 脉冲 动力弯沉测试。 b e n k e l m a n 梁式弯沉仪( 简称b b ) 自5 0 年代中期开始得到了广泛应用，是目前 最常见的静力弯沉测试设备，我国公路部门通常采用该设备的测定指标进行路面 第三章路面养护管理系统分析 设计和路面养护评价。为了提高弯沉测定的精度、效率和使测定加载方式更接近 于车辆荷载情况，人们又陆续发明了自动弯沉仪、稳态动力弯沉仪和脉冲动力弯 沉仪。其中，7 0 年代开发的落锤式弯沉仪( f a l l i n gw e i g h td e f l e c t o m e t e r 简称 f w d ) 作为脉冲动力弯沉测试设备的代表，受到了人们的广泛关注和重视。国际上 自7 0 年代以来对( f w d ) 进行了大量的研究工作，耳前已有5 0 多个国家和地区开展 了f w d 测试方法的规范化、标准化工作，并将其广泛应用于道路和机场的质量检 测评价。目前国外正在研究滚动式弯沉仪( r d d - r o l l i n gd y n a m i cd e f l e c t o m e t e r ) ， 但开发的技术难度较大，至今尚未见到成熟的产品面世。 采用f w d 测定路面动力弯沉时，通过计算机控制下的液压系统提升并释放一 重锤，作用于弹簧或橡胶垫，通过承载板( 直径3 0 c m ) 将近似半正弦的脉冲荷载传 递到道路表面，荷载大小通过改变锤重( 5 0 - 3 0 0 k g ) 和提升高度( 4 - 4 0 c m ) 可在较大 范围内( 1 5 i ( n 一1 2 5 k n ) 调整。荷载脉冲持续时间0 0 2 一o 0 4 5 s 。利用沿荷载轴线而 置5 - 9 个传感器( 位移型或速度型) 可以量测动荷载作用下路表面动态弯沉曲线， 较准确地反映弯沉盆的形状。 由于f w d 较好地模拟了行车荷载的作用，并能够快速、安全、准确地采集到 大量的路面受荷变形信息，目前已成为路面弯沉测试和结构性能评价的理想工具。 国际l t p p 项目采用f w d 取代b e n k e l m a n 梁，用于2 0 0 0 多个的试验路段的检测和 分析。 鉴于我国以往对路面承载力建立的评价标准采用b e n k e l m a n 梁测定的静态弯 沉指标，为使新的测试方法保持与原有标准的衔接性，有必要对f w d 和b e n k e l m a n 梁测定的弯沉指标进行对比研究。 选择郑州一洛阳高速公路的8 个路段进行路面弯沉对比试验，各路段长度为 8 5 岫一1 9 0 0 m 不等，路面结构为：4 c m 中粒式沥青混凝土+ 5 c m 粗粒式沥青混凝土+ 6 c m