路面管理系统在公路养护决策中的应用.docx
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路面管理系统在公路养护决策中的应用
第一节
养护专业道路桥梁检测的任务与路面管理系统在公路养护决策中的应用
1、概述
20世纪70年代初期，在经历了大规模的公路建设之后，突如其来的巨大公路养护需求、养护资金短缺和公众对快速安全出行要求的提高，使西方发达国家公路养护管理部门遇到了前所未有的新问题。
面对突然到来的大规模公路养护时代，西方国家投入巨大的人力、物力和财力，实施了系统的、科学的研究，开发了新的检测技术、检测装备、科学的决策理论、决策方法，基于全寿命的养护设计技术和新型养护材料，建立了现代养护决策制度体系。
通过新技术的广泛应用，
改变了传统的公路养护模式，缓解了公路养护的压力，使公路养护走上了可持续发展的道路。
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30多年后，国外遇到的问题在我国重现。
公路建设的快速发展，使我国公路养护里程迅速增长，与此同时重载交通和交通量的快速增长和快速出现的路面大中修养护需求，使我国公路养护管理部门承受了巨大的压力。
国外经验表明，大规模公路建设之后将是更大规模的公路养护。
这一规模在我国高速公路上表现得尤为突出，在已通车5万多公里的高速公路中，早期（1988"---"1993年）修建的公路已经基本达到了路面设计寿命，许多区间和路段需要实施大中修养护甚至改扩建工程。
根据预测，到“十一五”末，我国高速公路的养护速度将超过建设速度。
预测在不久的将来，高速公路的路面大中修养护里程将分别达到每年7000km和8000km，国省干线的发展趋势也是一样，并将长期维持在这一水平之上，每年的大中修养护里程将超过养护总里程的15％-20％。
为此，公路管理部门不得不面对长期、繁重的养护任务。
目前，我国在公路养护方面，无论是理念、模式、技术还是装备，都远远滞后于公路养护的需要，主要表现是：
（1）公路评价与养护决策以传统的经验方法为主，缺乏面向损坏、基于原因的养护计划性，由此造成大量的养护资金浪费；
（2）长期公路养护资金需求与养护费用投入缺乏科学的规划性；
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（3）公路养护管理缺乏科学的监管手段，路面技术状况的检测方法落后，关键指标人工检测；
（4）养护管理缺乏现代化的制度保障体系，新技术、新装各、新方法无法得到有效实施。
公路养护科学决策模式是我国公路养护管理的实际需要，也是公路发展的必然趋势。
通过现代公路养护决策模式研究与实施，将有力推进我国公路养护管理的科学化、现代化和规范化建设，改变以往的传统模式，促进公路养护的科技进步。
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2．路面管理系统的概念与背景
路面管理技术的研究始于70年代初期的北美。
美国在经历了大规模的公路建设后，面临着大量的、同时到来的路面养护工作。
为了准确地了解公路网的破坏状况，把有限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、标准和优化排序模型。
这种以计算机为工具的路面管理技术称为路面管理系统的内容得到了扩充，技术也初步成熟。
美国在AASHO（美国国家公路与运输协会标准）路面管理系统指南中，把PMS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的工具。
澳大利亚道路研究所把PMS定义成：
用于优化利用路面养护可用资源，包含信息采集、信息分析和方案决策的管理方法。
路面管理系统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、计算机等多方面技术，是与道路规划、设计、施工、养护、评价和研究各种活动相关的、协调的、综合统一的集合。
路面管理系统是现代化养护决策技术的核心，目的是使管理部门通过这样一个平台能有效地使用资源（资金、劳力、机械设备、材料、能源等），以最低的资源消耗，提供并维持在预定使用期限内具有足够服务水平的路面。
3．路面管理系统发展现状
3．1国外发展现状
20世纪70年代北美洲公路发达国家首先提出了基于现代检测、评价与决策技术的路面管理系统概念。
路面管理系统概念一经提出，即被世界主要国家的公路管理部门、研究院所、学校、国际金融组织等机构采用。
其中，美国、英国、德国、法国、芬兰、新西兰、澳大利亚、南非、世界银行和亚洲银行等国家和金融机构为了提高公路管理水平和公路投资的使用效益，投入了大量资金和技术力量，重点研究了路面使用性能评价技术和评价标准、路面长期使用性能预测技术、基于系统工程理论的路面养护决策技术、公路养护资金优化分配技术、包含道路用户费用的养护投资效益分析技术、全寿命周期费用分析技术和路面大中修养护设计技术。
历时20余载，在关键技术研究的基础上，逐步完善和丰富了路面管理系统技术体系，建立了不同版本、适合不同公路管理体制和养护需求的路面管理系统，实现了公路评价、养护项目优先排序、路面使用性能预测、养护需求分析、资金优化分配和路面大中修养护全寿命周期设计的现代化、科学化和规范化。
在几乎全面推广应用的同时，各国也制订了相关的路面管理系统及配套检测技术的应用规范、标准和制度。
许多西方发达国家甚至通过立法，将基于路面管理系统评价与决策结果的公路养护规划与养护计划，作为“国会”每年一度的公路养护预算审批及养护资金使用效益评估的依据。
路面管理系统的推广应用有效提高了各国公路养护管理的水平和养护资金的使用效益，促进了公路养护管理的现代化、科学化、规范化建设，主要效益表
现在：
1．与路面管理系统配套的路面检测技术与装备的应用，使公路养护部门能够准确、客观和快速地掌握路面使用性能和公路技术状况的变化趋势；
2．路面管理系统的应用，使公路管理部门能够准确评估路面的技术状况，预测未来路面使用性能和公路养护需求，科学编制公路养护预算报告、年度养护计划和长期养护规划；
3．基于路面管理系统的养护分析报告，已经成为许多国家政府部门（如，国会、财政、审计等部门）年度财政预算审批和养护工程审计的基本依据；
4．有关现代化的管理制度、规范和标准的制订，促进了现代养护决策模式
的形成及普及；
5．路面管理系统带动了相关新技术的广泛应用，提高了管理水平、养护效率和养护资金的使用效益。
公路养护科学决策的主要技术是路面管理系统。
目前70％以上的国家和地区正在使用不同的路面管理系统。
这些系统的应用在很大程度上促进了公路检测护计划技术的进步。
为了对公路资产实施全面有效的科学管理，英国、芬兰、南非、澳大利亚等国家还研究开发了以路面管理系统为核心的、包含路基、桥隧构造物和沿线设施的公路资产管理系统（RoadsAssetsManagementSystera）。
在全面应用路面管理系统的同时，为了适应新的公路养护管理要求，西方发达国家对路面管理系统的模型、参数、标准、规范、装备、软件和政策进行了持续的研究。
许多国家，如英国公路署已经完成了第三代路面管理系统的开发。
在西方发达国家，路面管理系统已经是公路养护管理工作的重要组成部分，通过开发、推广和维护路面管理系统，来完成艰巨、复杂和年复一年的公路网检测、路况评定、养护分析、规划编制、计划制订和绩效评定等工作。
在今天看来，没有路面管理系统，完成上述如此复杂的任务不可想象，也正因为如此，路面管理系统的作用在西方国家才愈显突出。
3.2国内发展现状
我国第一次接触路面管理系统是1983年交通部组织实施的中国与英国政府间的科技合作项目。
引进了英国的BSM路面管理系统。
在辽宁营口市试点应用的基础上，结合当时国内公路养护管理的特点，基于BSM技术和构架，在1985年，研究开发了我国第一套具有中英混合技术的PMMS路面养护管理系统，并在福建龙岩和云南试点应用。
PMMS在研究过程中得到了英国海外开发署和项目执行单位伯明翰大学及英国运输研究所（TRL）等国际机构的支持，它的意义在于为我国通过国家科技攻关项目大规模研究路面管理系统提供了经验、培训了人才。
为全面研究路面管理系统新技术，1986年交通部科技司委托交通部公路科学研究（院）所主持研究了“七五”国家重点科技攻关项目“干线公路路面养护评价成套技术”，项目研究历时5年，50多位有经验的工程技术人员加入了研究和实验工作。
在实施“七五”国家重点科技攻关项目“干线公路路面养护评价成套技术”过程中，为了及时吸收国外的经验和新技术，1988年交通部科技司委托交通部公路科学研究（院）所，组织了世界银行HDM．III公路设计与养护模型在云南的引进与推广试点工作（1988-1990）。
出于同样的目的，1989年交通部公路司委托交通部公路科学研究（院）所，组织实施了芬兰路面管理系统在山东省济南市的引进与试点应用式作（1989-1990）。
通过深入的理论研究和大量的野外道路实验，在充分吸收国外新技术和成熟经验的基础上，交通部公路科学研究（院）所在项目参加单位的支持下，依托“七五”国家重点科技攻关项目“干线公路路面养护评价成套技术”，于1990年研究开发成功了具有我国自主知识产权的“干线公路路面管理系统（CPMS：
PavementManagementSystemforChinaHighways）”。
CPMS包含了对沥青、水泥和砂石路面的养护管理，主要作用是协助公路管理部门实施：
①路况评价分析（包括路面使用性能和交通量等各种道路因素的评价分析）；②养护需求分析（预测各年度的路面大中修养护费用和养护措施）；③养护投资分析（分析不同投资水平对路面使用性能的影响）；④养护资金优化分配；⑤公路养护计划编制。
为了推进我国公路养护管理现代化，1991年，交通部决定依托“八五”和“九五”国家重点新技术推广项目“干线公路路面管理系统（CPMS）推广应用”项目，利用10年的时间，在全国分二批、有计划地全面推广应用了路面管理系统（CPMS）成套技术。
从1983年开始，经过20多年的技术引进、关键技术攻关研究、自主技术开发和系统的推广应用，我国在公路检测、公路管理与养护技术方面取得了长足的发展。
研究成果覆盖了路面快速检测技术、检测装备、公路评价技术、养护决策技术和相关的标准规范。
4．路面管理系统组成及功能原理
综合的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、评价决策系统，综合演示分析系统4个部分组成，不同的组成部分有不同的作用，按照实现手段可将路面管理系统划分为路面管理硬件系统，和路面管理软件系统，其中，数据采集系统为硬件系统，后三个子系统为软件系统。
下图所示，为路面管理系统详细组成说明。
4.1数据采集系统
路面管理系统决策的依据是大量、精确的数据信息。
数据信息的取得依赖于高效、快速的检测设备。
数据采集设备和采集方法的研究在路面管理系统的应用
平整度检测设备
路面车辙检测设备
路面病害检测设备
路面弯沉检测设备
路面抗滑性能检测设备
硬件系统：
数据采集系统
路面管理系统
数据文件
数据库管理
路面管理系统
数据库管理系统
软件系统
路面使用性能评价系统
养护分析决策系统
评价决策系统
综合演示分析系统
养护分析GIS演示平台
专家核准
路面管理系统详细组成说明图
中占有很大的比重。
“十五”期间，路面数据采集以人工方式为主，对于路面病害，采用目测和简单工具丈量的方式记录；而对于车辙和平整度采用三米尺等方式测量。
传统的路面数据采集方式费时、费力、精度低、影响交通、危险性大，数据采集周期长，数据更新难以保证。
基于此，《公路技术状况评定标准》（JTGH20．2007）中强调，路面检测宜采用自动化的快速检测方法。
路面自动化检测设备的应用是路面管理系统的研发及推广的前提和保障。
国外常用的道路自动化检测设备有加拿大Roadware、澳大利亚ARRB、美国Waylink等。
国内的有武大卓越RTM、交通部公路研究所CiCs、南京比奇等。
辽宁省公路勘测设计公司引进的路面自动化检测车配有高分辨率线阵路面图像采集系统、激光三维车辙测量系统、CCD前方景观测量系统、惯性补偿的激光平整度测距系统、GPS／DMI组合定位系统等传感器系统以及车载计算机、嵌入式集成多传感器同步控制单元等设备。
数据采集单元主要集成在车身外围，通过各类传感器、定位设备与同步控制器的结合来实现路面图像、路面车辙及变形、沿线道路设施、平整度及道路几何参数等数据同步采集、存储。
车载路面快速检测与测量系统
主控与集成定位控制系统
沿线设施检测系统
路面病害检测系统
车辙测量系统
平整度测量系统
数据处理与管理信息系统
路面自动化检测总体方案图
《公路技术状况评定标准》（JTGH20-2007）中规定，MQI（公路技术状况指数）包括路基、路面、桥隧构造物、沿线设施。
其中，最为重要的是路面使用性能（权重为0.70），包括路面损坏、道路平整度、路面车辙、路面抗滑性能和路面结构强度5项内容。
由于路面损坏、道路平整度、路面车辙、抗滑性能和路面结构强度等指标具有不同的值域，直接使用上述指标值不便于路面使用性能评定和公路养护管理，因此公路各项评定指标归结为有系列的、具有统一评价尺度（0-100）的评价模型。
沥青路面损坏分11类21项。
路面破损状况由路面损坏状况指数（PCI）指标反映。
PCI的计算通过路面表面各种类型的损坏加权累积计算。
我省公路以沥青路面为主，对于沥青路面，PCI计算公式如下：
DR——路面破损率，路面各种破损折合面积和与调查面积比（%）；Ai——第i类路面损坏的面积（m2）；
A——调查的路面面积（调查长度与有效路面宽度之积，m2）;
——第i类路面破损中破损的权重；
——沥青路面采用15.00，
——沥青路面采用0.412；
——包含损坏程度（轻、中、重）损坏类型总数，沥青路面21；
路面自动化检测车路面图像采集系统由线扫描CCD相机、GPS与车轮编码器组合定位模块、辅助光照明三个部分组成。
由辅助光照明系统消除环境光干扰，通过车身属部线扫描相机对路面进行高速连续拍摄，得到路面图像数据，检测数据可直接传输到计算机，通过车载计算机实时存储。
对路面图像采用自动识别结合人机对话方式判断病害类型、圈定病害范围。
对于现有快速采集设备（无论国内国外），对于路面裂缝等病害的自动识别都还处于较低水平，对于特殊情况下，能达到较好识别水平，但是对于绝大部分情况，需要人工干预。
路面损坏类型和数量通过自动识别和人工干预以后，处理结果直接存入路面数据库。
根据标准中规定的算法，通过报表系统可以直接生成路面破损状况指数PCI结果。
路面行驶质量指数（RQI）衡量车辆在道路上行驶的舒适程度及道路的平整度。
平整度不良影响乘车舒适性、降低汽车速度、加速车辆零部件损坏、增加车辆运营费用。
平整度从舒适性、车速、经济性和道路养护四个方面影响公路与行车质量。
——高等级公路和一级公路采用0.026，其他等级公路采用0.0185。
——高等级公路和一级公路采用0.65，其他等级公路采用0.58。
自动化检测车激光平整度测量系统由2个激光测距器和2个加速度计组成，分别安装于两后车轮前方，通过测量路面距离和加速度计采集的车辆颠簸情况得出路面纵断面各点的相对高程，测量精度为
。
根据检测结果进行分析，通过采用加速度计惯性补偿的国际平整度计算方法，计算国际平整度指数（IRI）（单位m/km）。
路面平整度检测数据通过报表系统，根据标准中规定的算法，直接生成检测路段的路面行驶质量指数RQI结果，并进行优良率统计。
车辙是沥青路面的结构性破坏之一，多见于分道行驶、面层结构较厚的高等级公路。
车辙导致行车的舒适性降低，雨天车辙的积水对行车的安全性威胁较大。
路面车辙用路面车辙深度指数（RDI）评价。
RD——车辙深度（mm）；
——车辙深度参数，采用20mm；
——车辙深度限值，采用35mm；
——模型参数，采用2.0;
——模型参数，采用4.0;
路面自动化检测车激光车辙测量系统由安装于车身后部的2套线激光发射器和车辙CCD相机组成，在同步控制器的触发控制下对道路变形进行测量。
通过对相机拍摄的线激光在路央上的形变情况进行取点分析可以检测出左右车辙深度等信息。
路面车辙采集数据通过报表系统，根据标准中规定的算法，直接生成路面车辙深度指数RDI结果，并进行优良率统计。
前方景同测量系统能够按一定距离间隔（10-100米）采集道路前方图像，图像清晰不失真，所有拍摄取图像可数字化存于大容量数字存储介质以供实时或后台软件处理，系统由两台逐行扫描彩色摄像机组成，相机分辨率为1392×1040。
可调查的道路设施包括交通标志牌、道路标线、隔离栅、绿化带、电线杆、护栏、桥梁、隧道等。
通过前方景观测量软件量测沿线设施几何尺寸。
从而统计得到沿线设施技术状况。
4.2数据库管理系统
路面管理系统是借助于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系统，数据库系统是这一系统的基础。
系统所需各种路况数据以不同的方式采集后输入计算机，通过数据库加以处理和管理，为系统的评价、决策提供所需的数据。
数据库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。
下图所示为数据库管理系统组成说明图：
公路里程桩定位参照系统
大地坐标定位参照系统
路网参照系统
静态数据库
系统基本数据库
决策数据库
数据文件
数据库管理系统
数据库管理：
数据的增、删、改、查等操作
数据库管理系统组成说明图
4．2．1路网参照系统
公路是路面管理系统的主要管理对象，本身具有典型的线性特征。
传统的公路管理通常采用里程桩作为公路的参照系统。
随着计算机的应用特别是GIS技术的普及，大地坐标定位参照系统也将被广泛使用。
公路里程桩定位参照系统
公路网是由若干条路线组成的。
每一条路线具有其特定的编号及沿着一定方向建立的、表示与路线起点距离的里程桩。
假定用线来表示公路，这就构成了公路里程桩定位参照系统。
由路线编号和里程桩所组成的数据与公路上的实际位置构成了一一对应的关系。
即路网中任意一条公路上的任意一点均可由其路线编号和里程桩进行定位。
同样，给定有效的路线编号和里程，路网上必有一点与之对应。
里程桩定位参照系统的最大优点是简单、直观、定位方便。
因此，在传统的公路管理中，一直将其作为公路定位参照系统。
这一参照系统的缺点是变更困难。
例如，某一条线路的某一部分经过改建实际里程发生了变化，若要准确地反映这一变化，就需要更改从里程变化点至终点的里程桩，对于长距离、夸省市的路线随时进行这种改变是十分困难的。
在实际管理中这种改变不是随时进行的，这就造成了在一定时期内局部里程桩的长链、短链和断链。
大地坐标定位参照系统
我们知道，空间中的任一点可用三维坐标精确描述。
三维大地坐标定位系统是三维坐标系统的形式之一。
应用三维大地坐标定位系统，地球表面的任一点，均可用这一点的经纬度坐标和高程来确定。
如果将公路看做是覆盖于地球表面具有一定特性的连续点构成的实体，就可以利用三维大地坐标定位系统精确地描述公路。
这样，路网中任一条路线上的任一点，可由这一点所处的经纬度坐标和高程来表示。
与经纬度数据变化的范围相比，高程的变化是十分微小的。
因此，大多数高程数据影响不大的场合，通常忽略高程而采用二维大地坐标定位系统。
对于公路设计来说，高程是十分重要的数据。
但在公路网管理中，根据所需要的数据精度要求，可采用二维大地坐标定位系统。
在路面管理系统中采用大地坐标定位作为参照系统的优点在于：
1）定位准确且不会因路线的一部分改线而影响其他部分的定位；
2）易于计算机的地图信息处理。
与里程桩定位系统相比，大地坐标定位参照系统的缺点是：
1）数据采集困难，精度要求高，成本高，工作量大。
2）与习惯的管理方式不一致。
4．2．2数据文件
路面管理系统是以公路信息数据为基础的管理系统，完善的数据文件结构关系是系统功能实现与系统稳定的保证，通常数据库系统涉及大量的数据信息，组织数据文件，建立以下数据库：
静态数据库
一次采集和输入后，除特殊情况不改变的数据存储在静态数据库中，它们包括路线编码（路线名称、路线起点、路线终点、路线长度、路线走向），政区编码（政区编码与名称），养管单位编码（养管单位编码与名称），区间编码（区间划分、区间编码、技术等级），路段编码（路段划分、路段编码、路段起点、终点、长度、路面宽度、路基宽度、路肩宽度、车道类型、路面等级、面层结构编码、面层结构类型、基层结构编码、土基结构编码）。
以上数据编码及命名依据《公路路线命名编号和编码规则命名和编号规则》（GB917.1-89），《公路路线命名编号和编码规则国家单线公路路线名称和编号》（GB917.2-89），《中华人民共和国行政区划代码》（GB2260—88），《公路管理养护单位代码编制规则》（JT0022—90），《公路路面等级与面层类型代码》（GB920-89）等相关规范标准制定。
系统基本数据库系统基本数据库包括交通量数据、病害、平整度、车辙、弯沉、处治历史等数据，其中使用性能评价指标类数据以百米为单位存储在基本数据库中。
决策数据库
在决策数据库中存储技术状况评价划分阀值、养护决策数据阀值、养护处治后技术状况指标增长值、指标的衰减值、养护措施及造价、养护分析预测年数等有关系统决策、分析的阀值数据。
4．2．3数据库管理
路面管理系统是管理大量公路信息的系统，在路面管理系统的建立和使用过程中，都需要随时对其中数据进行增加、删除、修改和查找等操作，这些操作统称为数据库管理。
数据库管理的实现，有两种方法，分别是：
直接在数据库上操作和通过程序操作数据库。
4．3评价决策系统
系统以《公路技术状况评定标准》（JTGH20—2007）等相关规范为依据，按照数据库组织结构，分析统计采集数据，计算评价指标，将评价结果导入数据库。
再根据评价结果对路段、区间、路线和路网进行养护分析决策，实现养护需求分析、养护性质分析、养护方案分析、养护造价预算分析及养护预测分析。
4．3．1路面使用性能评价系统
4．3．1．1路面使用性能评价指标
在《公路技术状况评定标准》（JTGH20—2007）中，公路技术状况评价包括对路面、路基、桥隧构造物和沿线设施的技术状况进行评价。
路面和桥隧构造物是重点，路基和沿线设施次之。
路面是重中之重
对路面和评价指就是路面使用性能评价。
路面使用性能是一个覆盖面很宽的技术术语，泛指路面的各种技术行为。
比较一致的看法是：
路面的使用性能包括5个方面，即损坏状况、行驶质量、结构承载能力、行驶安全性和外观，所以，通常的路面评价方法都是根据这几个方面进行设计。
一般而言，评价指标分为综合性指标和单一性指标两大类。
综合性指标是对路面使用性能的综合测度，它可以综合地表征路面使用性能的复杂内涵。
单一性征路面使用性能各组成部分的详细情况。
国外评价指标
20世纪60年代初期，美国实施了AASHO（美国国家公路与运输协会标准）道路试验，提出了路面使用（服务）性能评价指标PSl（PrescentSeriviceabilitvIndex），建立了PSI路面评价模型。
PSI评价模型的建立标志世界范围路面使用性能评价技术研究的开始。
在随后的20多年里，随着检测技术的进步、装备水平的提高和路面管理系统（PMS：
PavementManagementSystem）的深入研究及广泛应用，许多国家（包括加拿大、英国、芬兰、法国、日本）和国际机构（世界银行）先后提出了不同的路面评价指标，建立了不同的路面评价模型，其中包括加拿大的行驶舒适性指数
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