高速公路路面養護決策支持系統研究

徐敏亞+杜樹櫻

[摘 要] 近年來，伴隨著我國高速公路路網建設的日益完善，道路基礎設施建設也發生了以建設為主到養護為主的重大轉變。 借鑒國內外路面養護管理以及相關決策支持系統應用現狀，分析現狀中存在的問題，進一步明確系統用戶，分析用戶的需求，從而分別從系統架構，分級系統（項目級、網級）架構與功能，提出了一套高速公路路面養護管理決策支持系統。 該系統可以對路段、路網的性能進行評價，并且可以對其發展趨勢進行預測，根據不同需求制訂最優的養護策略，從而輔助決策者進行決策，進而實現養護資金的合理配置。

[關鍵詞] 高速公路；養護管理；決策支持系統

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 23. 086

[中圖分類號] TP315 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2017）23- 0171- 03

1 引 言

高速公路的日趨完善是公路交通現代化發展的重要表現之一。近年來，我國高速公路的基礎建設取得了很大的進展，然而，當高速公路的使用時間越來越長時，其路面狀況會漸漸地惡化，當路面損壞到一定水平以下時，便會嚴重影響車輛的出行質量。為了保障高速公路處于較高的服務水平，同時給駕駛人員提供一個安全、舒適、快速的通行環境，高速公路的運營管理單位需要采取及時、高效的養護措施。 高速公路路面的養護是一個持續性的工程，需依據高速公路性能的變化，制定或調整相應的養護策略，并且需持續投入相應的資金以確保養護策略的落實。依據高速公路的路面狀況，選擇經濟合理、技術可行及效果最優的養護策略，是制定道路養護計劃的基礎，也是高速公路路面養護管理信息系統的核心構成部分。

路面管理是通過制訂科學合理的養護策略，從而實現利潤最大以及使用壽命最長的方法。路面養護管理決策的主要研究內容是在有限的養護資金投入以及其他條件的限制下，制定最佳的養護對策，從而達到綜合效益最佳的目的，或者是在一些條件限制以及路面性能要求的約束下，選擇最佳的養護方法，使得養護的費用最小。一套科學合理的高速公路路面養護管理決策支持系統，可以對一般的高速公路養護管理模式進行改進，從而保障高速公路的高效率運行，滿足新時代的路面養護需求，并且可以對路面的使用性能進行評價以及預測，從而將有限的路面養護資金進行更加合理的分配。高速公路路面養護管理決策支持系統可以優化路面養護的策略，從而幫助決策者制定科學合理的路面養護方案，有效提升公路養護管理部門的工作效率。

本文擬通過國內外的研究現狀總結經驗，并在遵循整體性、先進性、規范性和實用性的總體設計思想基礎上，研究適用于我國高速公路的路面養護管理決策支持系統。

2 國內外發展研究動態

2.1 路面管理系統在國外的應用現狀

20世紀70年代初期，北美的一些學者最先提出了路面管理系統。 如今，美國、日本、英國、加拿大等國已經廣泛地設計和應用了路面管理系統。80年代，美國開始對高速公路的路面使用性能進行探索，其中最具代表性的是聯邦公路路產及使用性能研究（ NHIP5）和公路使用性能監測系統研究（ HPMS）。到了90年代，美國開始對高速公路經濟需求系統（HERS）進行研究。 1996年，美國各州公路與運輸工作者協會（ AASHTO， America Association of State Highway and Transportation Officials）和美國聯邦公路管理局（ FHWA， Federal Highway Administration）對公路管理進行了聯合研究，并且提出：在公路運輸系統中，對其進行養護和管理遠遠要比施工建設復雜的多，只有借助于合理的路面管理系統，才可以制定有效可行的策略， 從而實現科學分配有限資源的目的。

另外，國外也誕生了多種用于路面養護管理的系統，比如說用于對柔性路面進行養護管理的專家系統 PAMEX、加拿大安大略省交通運輸部的示范系統 PRESERVER以及側重于道路路面修復的路況專家系統 SCEPTRE等 。

2.2 路面管理系統在國內的應用現狀

20世紀80年代初期，我國才開始對路面管理系統進行研究探索。1985年，遼寧省的營口地區在建設自己的路面管理系統時，引入了英國的用于對瀝青路面進行養護管理的系統。此后，北京、廣東、山東、河南、河北等地區的相關管理部門也都著手建設適合自己的路面養護管理系統，一些科研機構也都漸漸開始設立適用于自己的路面養護管理系統。交通部公路科學研究所的潘玉利博士從數據庫管理、路面性能評價、路面性能預估以及路面養護管理決策四個方面出發，建立了適用于我國的公路路面管理系統的基礎架構，并且在參照國外模型方法的基礎上，提出了一部分適用于我國道路狀況的系統模型。隨后，在對公路路面進行管理養護時，地理信息系統技術方法也在路面管理方面得到了一些應用。例如，廣東省在建立自己的高速公路數據庫管理系統時，增添了GIS子模塊，從而可以對一些簡單的文字和圖像進行查詢。此后，以孫立軍為主的科研團隊研發了基于 GIS的用于對城市道路進行管理的系統，該系統除了具備道路管理的基礎功能外，還可以實現基于 GIS的數據處理的可視化功能，極大的增加了系統的交互性能。

2.3 現狀問題與啟發

總體而言，路面管理系統經歷了幾十年的發展，已經有了比較大的進展，但是其依然存在一些缺陷，主要表現在以下幾個方面。

（1）在對路面信息管理方面存在不足，路面的數據指標主要還是路面表面幾何數據，缺乏對動態數據的管理。

（2）在對路面養護的方案進行決策時，主要還是依靠主觀的經驗判斷，缺乏科學合理的養護計劃，也沒有對路面的使用性能進行合理的評價。

（3）高速公路路面養護管理決策的規范性不高，沒有充分考慮分析路面養護過程中出現的不確定因素，也常常忽視了養護管理系統的經濟效益分析，從而不能合理分配有限的養護資金，決策方法也需要提升。endprint

3 系統用戶需求分析

3.1 系統用戶

本文提出的高速公路路面養護管理決策支持系統的系統用戶包括兩類：一類是管理者，另一類是使用者。

3.1.1 管理者

管理者主要是政府管理部門（例如交通廳、路政等相關部門），他們一般不會直接參與高速公路路面養護管理決策業務，他們的主要需求是信息共享，從而實現業務上的監管與協調。

3.1.2 使用者

使用者是指高速公路運營管理單位，負責高速公路日常運營的具體業務，是路面養護管理決策支持系統的直接使用者。根據其管理范圍的大小，高速公路使用者可以分成路段層管理單位和路網層管理單位。路段層管理單位主要負責某一條具體的高速公路的運營維護管理，而路網層管理單位則需要對各路段層管理單位的業務工作進行管理、監督與協調，對整個高速公路路網進行維護管理，以實現整體效益的最大化。 系統使用者需要根據不同的需求，并在實際的限制條件下，制定最優的養護策略，從而實現系統效益最大化。

3.2 用戶需求

3.2.1 數據需求

數據是路面養護管理決策支持系統滿足系統用戶需求的基礎，也是系統能夠正常運轉的動力，該系統所需要的數據主要包括以下幾部分。

3.2.1.1 靜態數據

（1）道路屬性信息。該類數據的信息主要是高速公路基本概況，包含路線的幾何信息、路線的屬性信息、路面結構信息、設計信息、橋梁隧道以及沿線設施。

（2）建設期高速公路路面結構及材料信息。該部分信息主要包括建設期路面結構層的厚度和混合料的類型信息、各結構的層原材料（如瀝青、 礦料、礦粉等）檢測信息、各結構層礦料級配信息和混合料實際試驗等。

（3）橋梁、隧道信息。橋梁信息主要有橋梁類型、橋梁名稱、起終點樁號、橋梁結構等，同時也包括每座橋具體的橋梁卡片靜態信息；隧道信息主要包括隧道的名稱、起終點的樁號、隧道的結構等。

3.2.1.2 動態數據

（1）交通軸載數據。主要是各高速公路各斷面的交通流量情況、各高速公路的出入口收費站的稱重數據，并記錄車型、軸型。

（2）氣候環境數據。包括高速公路沿線經過縣市的氣候特征及其每天的環境氣候情況以及情況的統計。

（3）養護歷史數據。通常包括兩部分，一是日常養護數據，二是專項養護數據。

（4）路面性能數據。通常包含路面的平整度、路面車轍、抗滑性數據SFC、路面彎沉和路面的破損情況。

3.2.2 功能需求

為了滿足服務對象制定最優路面養護決策的直觀需求，該系統需要具備以下功能。

3.2.2.1 數據存儲、管理、處理與分析功能需求

高速公路路面養護管理決策支持系統匯聚的數據不僅數量龐大，而且類型也很復雜，因此該系統需要具備強大的數據存儲與管理能力。 原始數據無法直接應用，該系統需要通過多種方式對各類數據進行統一綜合分析，并要確保用戶能在龐大的路面數據庫中快速準確地獲取所要信息。

3.2.2.2 決策功能需求

該系統主要是輔助決策者制定科學合理的路面養護計劃，因此該系統應首先可以對路段、路網的性能進行評價，并對其發展趨勢做出預測。 系統要綜合考慮各種因素，提供未來分析年限內路面的最佳養護方案，從而實現輔助決策的目標。根據高速公路管理的不同需求，該系統要能夠自動生成各種報表，并且可以打印和輸出。

3.2.2.3 標準與系統維護功能需求

決策系統標準體制用于標準化系統的建立、運營及維護。 相關的標準可利用國家、行業既有的標準或者新建標準，合理的標準體系既可以是使系統規范化，也可以保障系統的開放性。

4 高速公路路面養護管理決策支持系統

4.1 系統總體架構

在我國大部分地區，高速公路的基礎建設通常是采用分段、分線的模式來建設運營的。 由于建設實施主體的不同，高速公路網內通常包含有多個運營主體，各個主體負責一段或幾段高速公路的運營管理， 這些運營主體即為路段層管理單位。 此外，在宏觀層面，對于一定范圍內的路網，存在專門的運營管理單位，對該范圍內各路段層管理單位的業務工作進行監督與協調，對整個高速公路路網進行運營、維護、管理，以實現整體利益的最優化，此即為路網層管理單位。

對于路網層管理單位，本文提出了路面網級養護管理決策支持系統，該系統的決策對象是整個道路路網，以實現系統整體效益的最大化為目標。 網級系統從宏觀方面對各項目級采集的養護數據進行統計和分析，對歷年路網內各高速公路的基本情況進行總體把控， 展示各年度各路段的工程量統計、養護經費的分配情況統計等，對路網養護投資配置和養護方案進行智能決策，從而使有限的路面養護資金得到合理的配置，為決策者進行關鍵性決策提供依據。 網級系統的數據都來源于項目級系統，并且能夠從整體上展現各項目級系統采集數據之間的差異，進而提升決策者的全局把控力，起到輔助決策的功能。

4.2 項目級系統

4.2.1 系統架構

該系統功能模塊包括了基礎信息、交通與環境、路面性能的評價及預測、養護歷史的分析、養護決策、統計報表、視頻監控和系統管理八個模塊。

4.2.2 功能設計

路面項目級養護管理決策支持系統側重于數據庫的建立、數據的多樣化瀏覽以及挖掘、各種數據的自身分析及交互分析以及養護決策輔助等功能。項目級系統集成了路面建設期信息、路面狀況信息、交通環境信息以及路面養護歷史信息，可以進行信息查詢、管理、交互分析和深入挖掘，對數據進行高效利用，從而實現了高速公路路面性能狀態評估、病害評價、數據挖掘、路面性能趨勢分析、路面養護規劃、決策以及路面養護技術的優化。項目級系統的具體功能介紹如下：endprint

（1）系統管理。主要是進行系統安全以及用戶權限的管理。 系統管理員可以根據不同部門的需求，建立、修改和刪除相關的用戶，并且可以根據需要賦予用戶查看、檢索和修改數據的不同權限。在該系統中，每一個用戶都有其相對獨立的文檔環境，不同的用戶在登錄各自的系統后可以依據其被分配的權限自動地進入到相對應的使用環境中。

（2）數據管理。該系統與高速公路實際養護管理工作緊密結合，并且建立了路基、路面、橋涵等全面、靈活、專業的路面數據庫，先進成熟的軟件技術又能對數據庫的穩定性、安全性、有效性和可擴展性進行保障， 從而對路面養護工程所涉及的各類靜態數據與動態數據進行集成化的規范管理。 同時，該系統整合了設計、施工、運營、氣候和養護的數據，實現了數據的統一性和高度共享，可以便于數據的深入查詢與分析。數據管理這一部分內容主要包含基礎數據的管理、靜態數據的管理和動態數據的管理。

（3）信息查詢：該系統提供了強大的數據查詢分析功能，可以自動生成以及展示各類形象直觀的圖片、表格等，信息處理的效率得到提高，從而實現數據的科學利用。同時，該系統也可以讓管理人員及時掌握路面的狀況和變化情況，從而制定科學合理的應對措施。

（4）數據統計分析：該系統可以將所有路面的基礎數據、性能數據、養護數據和交通軸載數據進行綜合統一分析，并且可以采用先進的數據處理與優化技術，從而確保用戶可以在龐大的數據庫中快速精確地得到所需要的對應信息。 可以通過對交通量軸載狀況的分析、對道路技術狀況的評價、對路面技術狀況各項指標的分析與評價以及對道路技術情況的評估來了解公路的基本狀況， 以便于路面養護管理者來確定該道路養護需求。

（5）優化決策模塊。該系統可以綜合考慮經濟因素、預算條件、路面性能現狀、路面性能的衰退曲線、期望的路面性能指標值和分析年限等條件，通過數據、模型、挖掘等的有機結合，來提供整個分析期內路面的養護維修方案，輔助道路養護負責人進行路面養護決策，并且可以自動生成年度路面養護評估報告。

（6）統計報表。該系統可以根據高速公路日常管理的不同需求來制定不同的統計報表，從而給路面養護管理者的工作帶來便利。部報表主要是針對《公路技術狀況評定標準》制定的報表，分析報表主要是根據高速公路日常工作管理需求及研究制定的報表。該系統可以自動從數據庫中調取和統計各種數據，從而生成相應的報表，并且還提供打印、輸出的功能。

（7）數據更新維護。該系統的信息維護組件可以對信息查詢的結果進行相應的維護。 信息維護主要是在信息查詢結果的二維表格里面，通過添加、導入、修改和刪除數據庫中表格數據的方式來實現的，刪除數據功能模塊只有在具備系統管理員權限的情況下才可以使用。

4.3 網級系統

4.3.1 系統架構

該系統包括系統首頁、路網基礎信息、交通與環境、路面性能評價及預測、養護歷史、養護決策、統計報表和系統管理八個模塊。

4.3.2 功能設計

路面網級養護管理決策支持系統以各項目級系統為基礎，通過路面各類數據的整合， 從而實現對路網狀況、路網通車里程等基礎信息的查詢，對路網交通與環境數據、路面性能數據和養護歷史數據進行查詢與分析，從而對路網養護投資與養護方案進行科學決策，合理配置養護資金。

網級系統的功能除了上述提到的項目級系統的功能外，還具備GIS地圖查詢的功能。網級系統是在GIS平臺的基礎上，整合了空間數據、屬性數據、養護數據、路況數據和圖像視頻等各類數據，所以可以進行高速公路路面養護的可視化管理。 比如說，可以實現屬性數據的查詢功能、并且可以瀏覽路面破損圖片、路況視頻信息等， 這樣可以方便路面養護管理者及時掌握路面的現狀狀況，有效地減少了現場調查的工作量。

5 結 論

關于高速公路路面養護管理決策，本文從用戶角度出發，針對不同的用戶，分別提出了項目級系統和網級系統， 滿足了他們在不同的要求及限制條件下，制定最優養護計劃的需求，實現了系統輔助決策的功能，從而幫助決策者合理地制訂養護決策及規劃。該系統的建設可以對以后各地開展高速公路路面養護管理決策起到啟發和借鑒的作用。

主要參考文獻

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[2]何賞璐，冉斌，張健，等.省域高速公路網運營與服務信息化平臺研究[J].交通運輸工程與信息學報，2015，13（2）：50-57.endprint