路面管理系统

路面管理系统的研究状况及趋势读书报告公路路面管理系统（highwaypavement management system）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、路况性能分析、养护资金需求及养护资金优化分配的辅助决策工具，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。

按照交通部“十一五”交通建设发展规划，我国在2010年全国公路总里程将达到230 万。

公里，其中高速公路总里程将达到6.5万公里，国省干线公路将达到 45万公里。

届时，国家高速公路网骨架和国省干线公路网络将基本形成，我国公路部门工作的重点将实现实质性转移，即由现阶段的公路建设重点转向公路的维护管理。

路面管理系统的概念简单地讲，道路（尤其是路面）随着使用年限的增加，在交通、环境等因素的综合作用下会逐渐变坏，从而影响到道路的正常使用。

为了保证道路为车辆或行人提供快速、安全、经济、舒适的服务，道路管理部门需要以最低的资源消耗，提供并维持道路的使用性能处于合适的状态。

由于路面在道路工程的养护维修费用中占有相当的比例，因此如何对公路网内所有道路的路面使用性能进行检测、评价、预测，在合适的时机，选择合适的路段，采取有效的措施进行维修，从而达到花费最少、效果最好的目的，就构成了路面管理的主要内容。

值得一提的是，路面管理系统的服务对象是“各管理层的决策者”，即在决策过程中，终究是决策者决策，路面管理系统只帮助决策。

从路面管理系统概念的产生到现在已经有三十多年的历史，路面管理系统发展到今天，应用系统的理论体系已经趋于成熟，在国际上与国内的研究分别经过了不同的发展阶段。

一、国际研究状况诞生阶段路面管理系统的概念起源于六十年代的美国和加拿大。

最初的路面管理系统属于项目级的系统，本质上就是一个设计系统。

目标在于消除公路路面、线形以及道路容量等路网技术缺陷，提供优化的设计方案。

比较有代表性的系统有加拿大安大略省的OPAC 系统。

发展与成熟阶段从七十年代末期开始，美国、德国等一些发达国家的公路网建设已经基本完成，公路管理部门的注意力开始从扩展公路网和新建公路转向于通过养护和改建来改善和维护现有的路网。

网级的路面管理系统得到了蓬勃的发展，从系统体系和管理内容可以分成档案管理系统、专家系统、智能型决策支持系统这几个阶段。

二、国内研究状况国内对路面管理系统的研究起步较晚。

最早的路面管理系统是“七五”前期交通部公路研究所和英国合作，在辽宁营口移植的地区级路面管理系统。

“七五”期间，交通部公路研究所、同济大学承接了国家攻关项目“干线公路（省市级）沥青路面评价养护技术的开发”的研究工作。

后来同济大学又开展了沥青、水泥和砂石路面管理系统的研究工作，建立了沥青、水泥和砂石路面使用性能的预估模型体系，初步建立了路面管理系统的经济分析模型和参数，确立了系统优化的排序、线性规划和动态规划模型。

目前，北京、广东、上海、山东和浙江等地相继结合自身的实际情况建成了公路或者城市道路路面管理系统。

国内外研究趋势与热点路面管理系统不仅仅包括一个软件系统，还应当是与道路工程有关的各种活动的集合。

按照这种广义的定义，在当前国际与国内的路面管理研究领域，主要趋势集中在以下几个方面。

从路面管理拓展到设施管理国外的路面管理系统起步最早，发展也最为成熟。

自90 年代中后期开始，一些地区的管理部门都着手开始将独立的路面管理和桥梁设施管理结合在一起。

美国纽约州的公路管理部门从1987年开始着手考虑建立分别的管理系统来对公路和桥梁进行管理。

通用的参考系统、数据库和风格统一的界面，是系统集成需要重点考虑的要素，也是研究的重点。

国内的上海于90年代后期，也出于对各类不断增长的基础设施的集成、有效管理的需求，开始着手开展城市基础设施管理信息化研究。

①网级与项目级管理结合路面管理通常分为网级管理系统和项目级管理系统两个层次，在路面管理发展的阶段中分别称为当时的研究重心。

在近年来的研究中，出现了利用网级分析中的经济分析模型与项目级的设计结合的趋势。

英国伯明翰大学帮助在塞浦路斯、马来西亚和中国营口建立的路面管理系统都是采用了世界银行提出的HDM-III模型，这个模型实际上是一个网级的养护投资分析工具。

国内一些研究者也开始考虑并致力于将道路使用寿命周期内的经济分析与设计综合进行研究。

专家系统体系的改进随着新技术的发展，路面管理部门也同样需要采用新技术对路面管理系统进行升级。

八十年代开始，各个国家都建立了一批基于专家知识库的路面管理系统（KBES），在日常养护和大中修对策选择等方面得到了具体应用。

目前的研究集中在某一方面的专家知识改进与完善方面，在土木工程领域研究较为活跃的人工神经元网络和遗传算法的研究反映了这一趋势，在路面管理的应用主要针对的是优化路网以及桥梁的资金分配方案。

同时，作为评价路面管理系统，“好”与“坏”的最终标准仍然是系统内部的使用性能评价以及预测模型，因此对于各种路面类型、气候条件和地区条件下的系统模型的研究一直是研究的热点。

②标准化与新技术平台计算机软件工业的发展对路面管理系统的发展起到了很大的推动作用。

近年来，地理信息系统（GIS）技术应用在交通运输领域形成了GIS 的专门分支GIS-T。

基于GIS 的管理系统基础工作是空间数据库的建立，即对管理对象进行数字化，完成基础地形图和属性联结。

这项工作耗时耗资巨大，而且需要周期性进行更新，因此而带来的空间数据标准的建立和数据共享以及相关的研究，成为路面管理的研究者和开发者关心的问题。

③数据采集技术路面管理的基础是道路动态使用现状数据的采集。

研制新的数据采集仪器设备和相关软件技术的研究，一直是国际与国内道路工程界比较前沿的方向。

其中，比较具有代表意义的有，利用模式识别技术进行路面损坏状况自动或半自动检测和交通数据采集，以及采用无破损检验技术进行路面结构探测和道路结构承载能力检测（代表有落锤式弯沉仪FWD ）以及相应的模量反算研究，还有道路平整度检测仪器（代表有澳大利亚ARRB 五激光平整度仪）。

对于各种检测设备在某一地的适用性，需要通过研究进行标定才能进行应用，同时这类仪器的数据与路面管理系统的数据通信研究，也始终是路面管理研究者需要解决的问题。

④体制与机构变革美国FHWA 在1999 年1 月份又成立了一个新的机构——核心事务处（Core Business Unit），由美国知名的经济学家、工程师、路面管理与桥梁管理的研究开发人员组成，以期建立新的概念与提供技术支持与咨询，适应公路领域动态的变化机制建设转向管理，公共所有与私人所有并存。

三、存在的主要问题从以上的阐述中可以看出 ,路面管理系统不论在理论上还是在方法上均已日趋完善 ,许多国家和地区已经成功的开发并得以应用实施 ,创造了巨大的经济和社会效益.但纵观已应用的众多的路面管理系统 ,不难发现仍然存在诸多问题 ,需进一步改进和提高 ,现总结为以下几点 ,以供共同探讨:(1)从建立模型和其功能目的上分析 ,路面管理系统的更新换代经历了三个时期.第一代 PMS基本上是一个路面数据库系统 ,其功能和结构都很简单.在数据库系统的基础上 ,增加了路面使用性能评价、使用性能预测和决策子系统 ,形成了较为完善的路面管理系统 ,这个阶段可称为第二代 PMS.在第二代PMS 中 ,系统的决策方法既有经验性的 ,如路面对策选择时的决策树法和项目确定时的简单排序法 ,也有一些数学规划方法.尽管这种系统在一定程度上可以满足管理者目前的需求 ,包括编制年度计划或中长期计划. 但仍然存在些不足 ,总结为以下方面:①评价和决策原则(知识)与评价和决策的过程是混为一体的 ,这样不便于随着时间的推移而改进评价与决策原则;②系统的各环节只能提供一个符合现有政策和习惯的决策结果 ,随着经济水平和工艺水平的提高,一些高层次的管理人员非常关心今后的路面投资政策、路面设计思想或标准的合理性,现有系统无法提供这方面的比较信息;③设计的系统缺乏分析比较功能 ,试图用系统决策代替管理人员的决策.目前 ,国际上路面管理系统的研究正处于第三代系统的研制时期 ,将对上述不足进行改善.而基于地理信息系统(GIS)的路面管理系统就是这种新一代管理系统的样式之一.(2)已经得以应用的路面管理系统 ,不论繁简 ,都是根据各机构部门的具体情况和经验 ,为解决本部门的具体问题而设计开发的 ,每个系统的结构都不相同.另外由于各单位的管理体制、管理方法和管理状况各不相同 ,各个系统追求的管理目标也相应不同 ,即使有些相似 ,但由于各个单位的设备条件、经济条件等的限制 ,各个系统的参数、涉及范围及功能亦不相同.这必将造成多次重复开发 ,甚至做同样烦琐的工作 ,导致资源消耗浪费.典型的如 ,在路况数据采集系统中 ,各机构除了在检测仪器上的不统一 ,各自的检测方法亦不尽相同 ,导致各开发者很少在自己的系统中采用其他管理系统的数据去建模或检测模型. 国内的系统同样是存在各自为政、重复开发、缺乏合理引导的问题.信息共享、数据获取与更新机制和技术没有解决 ,许多必要的数据标准规范没有建立起来.一些管理系统产生上述问题 ,除数据采集手段落后的客观原因外 ,落后的系统开发水平、技术手段、管理体制和较低的应用水平等是主要原因.因此 ,重视对诸如路况数据检测的仪器设备和方法等加以规范化 ,不但能给以后建立路面管理系统提供可靠的数据保障 ,还能极大地减少重复的开发投入.(3)在路面使用性能评价模型建立及方法采用方面 ,如 ,AASHO 的 PSI (路面服务性能指数) ,日本的MCI (养护管理指数) ,美军的 PCI (路面状况指数) ,多采用主客观相结合的方法 ,就是利用仪器客观的量测路面的物理指标(平整度、车辙、损坏状况) ,同时组织有经验人员组成评分小组对之进行主观评分 ,通过采用回归技术建立两者的联系后形成使用性能的评价.这种方法往往带有较多的主观成份 ,而且如 ,损坏状况的优或差 ,行使质量的可接受或不可接受 ,结构承载力的足够或不足等 ,都不是很清晰明确的概念或定义 ,也没有很严格的分界线 ,不存在“非此即彼”的固定的对应关系 ,因此应用模糊集合理论进行使用性能评价是较为合适的 ,可以通过建立隶属函数更确切地反映养护专家们的意见和经验.另外文献提到的模糊神经网络法用于沥青路面使用性能的评价 ,其选用沥青路面的指标为:路面状况指数 PCI、路面强度系数 SSI、国际平整度IRI、路面抗滑系数 SFC作为神经网络的输入层 ,中间隐含层进行模糊化处理 ,输出层输出综合评价值 ,这种评价方法更好的处理了综合评价指标与影响因素之间复杂的关系 ,具有一定的应用价值.(4)比较以往成功应用的路面管理系统 ,在路面使用性能预测方面 ,大多采用了不同的预测方法.如 ,美军的 PAVER 系统、美国华盛顿州的系统等采用经验(回归)方法建立使用性能预测模型;美国亚利桑那州的系统、北京市公路沥青路面管理系统采用了概率模型法建立马尔可夫模型进行预测.经验(回归)方法虽然简单、易操作 ,但它的精度受到诸多因素如资料和数据的准确性、充分性等的影响 ,这种方法建立的模型很难反映环境因素与使用性能之间的复杂的关系.采用概率型模型法能够反映荷载、材料、环境和养护水平等因素的变异所导致的路面使用性能不确定的变化 ,但由于是对状态概率转移矩阵进行预测 ,不如对路况指标预测直观.随着许多新的预测方法的应用 ,如采用人工神经网络法预测路面使用性能,较好的克服了上述预测方法的不足 ,由于神经网络具有良好的非线性品质 ,具有在任意精度内逼近非线性映射的能力.通过对平整度、摩擦系数、强度破损三个指标的预测分析 ,与实际检测结果几乎一致 ,比较客观地反映路面的衰减规律.文献中采用灰色理论进行了路面使用性能预测 ,其根据灰色系统理论中的数列预测理论 ,针对高速公路沥青路面使用性能中的 3 项基本指标(路面平整度 IRI、路面回弹弯沉L 和横向力系数 SFC)建立了灰色预测模型 ,并采用绝对关联度分析模型的预测精度 ,通过将预测结果与路面实测数据的对比可知 ,该方法的预测结果较好的反映了路面使用的实际情况.这些方法的采用必将进一步促进预测模型的发展 ,影响路面使用性能的诸如面层结构组合、交通荷载、环境因素、施工质量和养护水平等难以量化的因素 ,得以更为客观的反映 ,具有一定的应用价值.(5)我国的已开发并实施的路面管理系统适用于一般的等级公路是比较合适的.这主要是因为我国开发的系统 ,基本上以较多的低等级路网的管理为背景 ,因此 ,随着我国高等级公路的迅速发展 ,各公路管理部门将面临大量高等级公路的管理和维护 ,原来系统的不合适的地方将显露出来 ,主要表现在所用的路面使用性能的评价方法、预测模型不完全适用于高速公路路面管理 ,影响了路面养护对策决策的科学性.如在实际应用中 ,将高速公路上调查的数据直接代入养护规范上的公式 ,发现算得的路面状况指数和行驶质量指数均非常好 ,然而却与实际路况差别较大.这主要是因为高速公路交通状况有其自身的特点 ,诸如交通量大、车速高、重载交通多以及渠化交通现象严重等.而我国交通部推广的CPMS系统中路面状况指数( PCI)一项评价指标包含了全部破损类型 ,没有突出和区别裂缝和车辙等 ,不能反映高速公路路面破损特点 ,缺乏客观性 ,也是造成评价结果失真的原因.要解决上述问题 ,就要针对高速公路交通状况的特点 ,依据其性能影响因素(平整度、强度、破损率、车辙、抗滑性能)重新建立适应高速公路路面使用性能评价和预测模型.设想建立一个综合性强、覆盖面广的系统 ,既适应一般公路的管理 ,也可应用于高等级公路的管理 ,这样将会充分利用资源 ,节约开发资金.(6)目前我国众多路面管理系统开发者面临的棘手的问题就是用以建库、建立模型及检验模型所需的路面可靠数据严重不足 ,缺乏必要的路面性能实测数据的积累 ,有些系统即使有历史数据可用 ,但与系统的要求相差很远 ,导致无法使用.这样不但使一些行之有效的建模技术不能应用于管理系统中 ,还将影响已建成的模型的准确性 ,使模型的可靠性大为下降.缺乏数据支持 ,还将制约路面使用性能评价与预估建模技术的发展 ,一些新兴的评价预测方法 ,如人工神经网络预测法(需要大量的准确的历史数据进行模型训练) ,很难在路面管理系统中加以应用 ,阻碍了我国路面管理系统的发展.因此 ,需要把积累历史数据当作一项重要工作来抓 ,使之管理上制度化、操作上规范化 ,建立先进的路况数据采集系统 ,定期采集数据 ,进而积累大量有效的路面性能历史数据为路面管理系统的成功建立打下坚实基础.四、今后的发展方向道路管理与养护过程包括了需求分析 ,数据采集与分析 ,数据库建立 ,应用模型建立以及数据更新等;在此过程中 ,还要考虑各种自然或人文因素;但不论前者还是后者 ,都具有两种基本资料数据 ,一为空间数据 ,即事物在地理空间上的位置 ,一般以图形的形式表示 ,如地区交通路线图;一为属性数据 ,描述此现象的特征 ,由文字与数字组成 ,往往以表格的形式表示 ,如各类技术普查和统计报表.在传统的管理系统中 ,二者几乎是完全分开的 ,如果在对于管理范围内的设施不熟悉 ,数据更新又跟不上管理的需要 ,数据老化严重 ,而属性数据多是表格的情况下 ,非专业人员与经验丰富的工程师难以迅速判断数据与其代表的实际对象当前状况的一致程度.而图形总是直观的 ,无论是什么层次的人员 ,都能基于图形对空间事物和实地对象的属性按自己的理解与经验做出判断. 另外 ,传统的系统模型尽管处理属性数据的功能已日臻成熟与完善 ,但对于空间数据的处理还急待进一步发展 ,而新技术、新理念的不断涌现也为传统管理系统的革新拓宽了思路 ,更多的边缘学科相互融合使得管理系统的发展进入了一个全新的时代.地理信息系统(GIS)最大特点就是具有强大的空间数据处理能力 ,因此 ,基于 GIS平台的路面管理系统将是未来的重要发展方向之一.GIS是指在计算机硬件、软件系统的支持下 ,以地理空间数据库基础 ,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.目前已经广泛地应用于土地资源管理、环保、地质、城市规划、军事、气象等多个领域.路面管理系统中 GIS的主要功能路面管理系统中 GIS作为对道路进行形象化管理的工具 ,应该具备的主要功能包括: ①对道路等具有地理空间特征的数据进行输入、编辑、存储等; ②空间几何信息的任意放大 ,缩小及漫游等; ③建立空间数据与相应的道路其它属性数据的对应关系; ④实现空间几何数据和属性数据的动态交互查询; ⑤可以用图形信息动态显示道路不同时期路面状况及各种病害分布; ⑥动态显示道路不同时期哪些道路需作维修、采用何种维修改造方案及费用; ⑦具有基本的空间分析(叠加分析、缓冲分析等)功能; ⑧方便制作各种专题图 ,增强对数据潜在信息的挖掘能力.基于 GIS路面管理系统的结构根据路面管理系统要实现的功能和管理目标 ,综合应用地理信息系统(GIS)强大的空间数据处理能力 ,设计基于 GIS的路面管理系统的逻辑结构图见图1.为了实现公路管理的信息化、现代化和科学化 ,同时也使管理系统展现出图文并茂新景象 ,利用GIS的空间信息处理能力实现路面管理系统的可视化己成为一种趋势.更重要的是 ,基于 GIS的路面管理系统由于拥有非常直观的图形表示 ,使得在完成管理任务时比传统的管理系统更加便捷、高效.我国正处于大规模的建设阶段，但是同样出现了由社会融资建设的部分高速公路，而且在一些经济比较发达的城市如上海等地，管理机构与体制处于变革时期。