《路基路面工程》路面管理系统概述 - 专业技术人员继续教育培训 - 子非鱼职称培训论坛 ...

一、路面管理系统的基本概念
路面管理系统的概念于70年代最早起源于加拿大的路面养护管理工作。70年代以来美国、西欧、日本以及一些发展中国家和地区也根据各自的实际情况相继开发和实施了路面管理系统。我国对路面管理系统的研究开始于80年代中期。“七•无“和“八•无“期间，许多单位对路面管理系统进行了较广泛的研究和推广应用工作。
路面在使用过程中，其使用性能会因行车荷载和环境因素的不断作用而逐渐变坏。路面使用性能的恶化，将增加车辆的运行费用，包括泛油、轮胎和保修材料的消耗及行程时间等费用。因而，在路面使用期内，还需继续投入大量资金用以养护或改建，使之保持一定的使用性能。
路面管理是应用系统分析的方法，综合考虑技术、经济、社会和政治等方面的因素，协调各项路面管理活动。从道路有关数据的采集、整理和分析、到根据具体情况建立相关的数学模型，最后提出和编制相应的道路维修，养护乃至改建计划，并使计划得以实施的整个过程。
路面管理系统则是以路面管理为目的，运用计算机和现代管理科学等先进技术来实现管理的目标。其中，道路工程学是道路管理系统的基础。但整个系统则是道路工程学、管理科学、计算机科学三者有机的结合。它综合考虑了技术，经济，政治，环境等多方面的因素，使得整个管理过程系统化，科学化和现代化，为管理部门的决策人员提供了分析的方法和工具，并为管理部门提供了可靠的依据，积累了管理经验。系统的核心在于研究如何在有限的资源（资金，劳动力，材料，能源等）下以最低的消耗，提供并维持路面在预定使用期内具有足够的服务水平，也即在预定的标准和约束条件下，选用费用—效果最佳的方案。
路面管理系统可划分为网级管理和项目级管理两个层次，以分别适应不同管理层次的需求，两者具有不同的结构和功能。网级管理系统的范围，适用于一个地区（省、市）的公路网或一大批工程项目。主要任务是为管理部门在进行关键性的行政决策时提供相应的对策。网级管理的主要内容：
（1）分析路况——路网内路面的使用性能的评价及未来路况的发展变化预估；
（2）规划路网——根据路况分析确定路网内要进行养护和维修、改建的项目；
（3）优化排序——根据预定标准、约束条件决定项目的优先排序，制订维修计划；
（4）经济分析——路网达到不同预定的服务水平时，各年度所需要的养护管理资金。
（5）计划实施——根据上述分析结果，将资源进行分配，并积累实施计划后反馈回来的信息。
网级管理系统对路网进行系统地优化决策后，将提出路面养护项目清单。对于养护项目还段进行更详细的设计分析，提出各种可能的设计方案，优化比较得到一个技术可行、经济合理的最优方案。这便是路面管理系统项目管理的主要工作。因此项目级管理系统仅针对一个工程项目，它的主要任务是为管理部门，对某一工程进行技术决策时提供对策，以选择费用效益最佳的方案。项目级管理的主要内容：
（1）路面结构分析——对路面结构损坏情况进行分析和路面使用性能进行预估。
（2）寿命周期费用分析——针对各项目在路面寿命周期内所有费用（包括初建、养护、改建、用户费用等）进行分析。
（3）经济评价——根据实际需要，在现值法，年费用法，收益率法，效益——费用比法等诸多经济分析方法中选择合适的方法对各项目的分析结果进行评价。
（4）优化排序——把由网级管理系统得到的三方面目标：行动目标（采取哪一类养护、改建措施），费用目标（可分配到的最高投资额）和使用性能目标（预定期限内应具有的使用性能指标）作为约束条件，选择合适的优化模型以费用最少为目标进行优化，并选择最佳的方案。
（5）方案实施——实施最佳方案，并利用使用性能监测系统收集方案实施后，反馈的信息。
由上述分析可知，路面管理系统无论是网级还是项目级，均包含以下要素：
（1）道路使用性能状况日常检查和数据库管理系统——采集、存贮、处理、检索路面管理系统所需的各种数据。包括：路面、桥梁结构设计数据、施工数据、养护改建历史数据、使用性能状况数据、费用数据、交通环境数据等。数据的准确程度直接影响到路面管理系统的运行质量。因此，它是路面管理系统的核心。
（2）使用性能评价模型——依据采集来的数据，选择能反映道路设计结构特点、功能特点、服务特点、管理特点的指标，按照一定的标准进行评定，其结果是进行道路设施养护对策分析、需求分析以及项目优化排序的重要依据。
（3）养护对策模型——依据技术状况，综合考虑技术、材料、环境、经济等因素，选择技术上先进、经济上合理的对策方案。
（4）设施使用性能预估模型——从资源合理分配的角度出发，结合上述的各个模型考虑道路设施在寿命周期内的费用与效益情况，采用多目标决策和数学规划原理，将有限的道路养护维修资金合理分配到道路中去以尽可能提供最好服务水平的道路设施。它是进行项目规划和排序的重要依据之一。
实施路面管理系统的重要意义在于它帮助管理部门改善所要作出的决策，扩大了决策范围，为决策的效果及时提供反馈信息，以积累管理经验，并保证管理部门内部的协调一致。需要强调的是，路面管理系统只是一种辅助决策工具，它是专门为相关管理部门的决策提供依据和进行项目分析的工具，其本身并不进行决策。它的功能主要体现在以下几个方面：
（1）可通过检测手段采集到的客观资料来说明路面现状，以便能及时采取相应的措施来解决出现的和存在的问题；
（2）可迅速，及时的查询有关管理信息、数据、资料等，利用客观的数据来分析解决日常管理工作中所遇到的问题，提高决策的科学性和效率；
（3）可以利用具有一定可靠性的预估模型预测未来路面状况的发展变化及采取养护和改建措施的对策；
（4）申请投资时，可以用客观的数据作为依据，并可以论证不同投资水平对路段、路网状况和服务水平的影响；
（5）为合理、有效、科学地分配有限的资金和资源提供费用—效益最佳方案；
（6）可合理评价各种设计方案，为选择费用—效益最佳方案打下基础；
（7）利用采集到的数据，可考察、评价设计、施工乃至养护，改建工作的情况，为改善和更新不合理的设计、施工、养护方法提供客观，科学的依据。
（8）实施管理系统将带来管理方式和观念上更新。

一 路面管理系统的数据库
路面管理系统涉及到路面的规划、设计、施工、评价和相关研究工作。因此，与上述工作相关的数据库就成为路面管理系统的核心（图18-1）。表18-1简要表示数据库所包含的各类数据以及在养护和修复中的应用。

图18-1  路面管理系统的核心——数据库
                                    路面数据类型及其内容                        表18-1

性能相关数据
  ⊙不平整度       R
  ⊙表面破损       R+M
  ⊙弯沉           R
  ⊙摩擦系数       R+M
  ⊙各层材料特性   R

历史相关数据
  ⊙养护历史       R+M
  ⊙施工历史       R+M
  ⊙交通量         R+M
  ⊙事故           R+M

政策相关数据
  ⊙财政预算       R+M
  ⊙可供选择的养护
和修复方案     R+M
       
几何相关数据
  ⊙断面尺寸                  R
  ⊙曲率                      R
  ⊙横坡                      R
  ⊙坡度                      R
  ⊙路肩                      R+M

环境相关数据
  ⊙排水                      R+M
  ⊙气候（温度、降雨量、冰冻）R

费用相关数据
  ⊙造价
  ⊙养护费用
  ⊙修复费用
  ⊙用户费用
注：R表示修复需求数据，M表示养护需求数据，R+M表示修复和养护需求数据。
    为了实现路面管理系统的目标，为路面养护和修复对策提供支持，施工和养护历史数据是非常重要的。不断收集起来的路面资料为开发、更新、评价在规划和设计中使用的路面模型提供了基础。施工和养护资料对于路面模型的开发至关重要。路面施工资料包括材料的质量信息，例如，混凝土的抗弯强度、沥青混凝土的密实度等等。路面养护资料包含所有影响使用的养护工作，例如封缝、补坑、表面剥落等等。高效的养护将使得使用周期大于设计周期成为可能。
使用性能评价的主要目的是确定路面结构现有状况。常用的四项关键测试可以用来确定路面状况。
1.        不平整度（与行车舒适性有关）；
2.        表面破碎；
3.        弯沉（与结构承载能力有关）；
4.        表面摩擦（与安全有关）。
    一个好的路面应该是行车舒适，结构可靠并且提供足够的摩擦以避免滑车事故。区别表面破碎、不平整度、结构能力与表面摩擦是十分重要的。破坏是路表的物理损坏，如坑洞、裂缝、和车辙等。不平整度是由路表外形变化引起的，并影响行车的舒适性。在主要考虑用户要求的前提下，不平整度是路面用户行车特性的主要影响因素。它限制了路面的可服务性或功能响应。结构能力是路面在不损坏的情况下承受荷载的能力，它也会受到严重的车辙或坑洞的影响。
上述四项指标和养护、用户费用一起可被看作为路面的输出参数，即它们是确定路面是否令人满意的变量。这些输出变量多数在设计阶段就应预测，并且在路面服务期间进行结束了。如果有足够的资金进行修复，则一个新的服务周期又开始了。
二  路面损坏的预测模型
为了估计路网中某些路段的服务年限，有必要预测路面评价指标的变化率，进而进行维护需求的分析和评价。图18-2说明了损坏预测模型的预测过程以及修复方案的比选。













图18-2  路面使用性能预测模型及改建对策选择

为了建立路面损坏预测模型，必须具备以下基本条件：
（1）满足要求的数据库；
（2）包含影响路面损坏的所有重要因素；
（3）认真选择能代表实际情况的预测模型的形式；
（4）合理评价模型精度的标准。
路面预测模型可分为两种基本类型：确定型和概率型。确定型模型可以用于结构基本响应的确定等。根据不同的工作目的，常用的模型又可分为以下四类：
（1）纯力学模型，通常是结构响应类模型，如应力、应变和弯沉等。
（2）力学经验模型，如通过回归方程建立路面响应参数与实测的结构性或功能性损坏（如弯沉和不平整度）的关系。
（3）回归模型，由观察或实测得到的结构性或功能怀的相关变量与一个或多个独立变量，如路基强度、轴载分布、路面厚度及其材料特性和环境因素以及它们之间的相互作用的关系。
（4）主观模型，用转移过程模型“捕捉”经验，如开发损坏预测模型。
方程（18-1）是力学经验模型用于预测路面不平整度的一个示例。该方程研究了63个沥青路面试验段，把线弹性作为路面材料的一个基本的本构关系，计算了包括路表弯沉、沥青层底部的水平张力、应变，路基上部的承载压力和应变。通过回归分析建立了这些响应与路面开裂的关系。该方程的相关系数R2=0.54，标准误差为15.4。

  CR= ?8.70-0.258HST•logN+1.006•10-7HST                         （18-1）
式中  CR —路面开裂的百分比；
      HST—沥青层底部水平拉应力（10N/cm2）；
        N—累积当量单轴荷载（ESAL）。
直接回归模型适合于需要长期数据库的情况，如超过25年用于开发路面损坏模型的相关数据，如路面的不平整度、表面破损、交通、弯沉等其他因素。方程（18-2）是美国有关部门利用直接回归方法，以常规粒料为研究对象得到的乘车舒适性指数（RCI）的回归方程。回归方程的相关系数是0.84，标准误差为0.38。
    RCI=-5.998+6.870•ln(RCIB)-0.162•ln(AGE2+1)+0.185•AGE-0.084•AGE•
         ln(RCIB)-0.093•?AGE                                       （18-2）
式中  RCI — 某年的乘车舒适性指数；
      RCIB— 先前的RCI；
      ΔAGE — 龄期（年）；
      AGE—分段龄期，可分别取1，2，3，4。
三  决定需求维修年和实施维修车
在拥有足够资金的前提下，改建已达到最大容许破坏程度的路段的年份就是实施维修年，此时维修需求年和实施维修年是一致的。但是如果资金不足，特别是路网中其它路段享有更高的优先权时，实施维修年将被推迟。相反，某些特殊路段，如交通荷载较重的路段，将需要提前实施维修年，这能产生显著的经济效益。图18-3简要给出实施维修年随需求维修年而变化的概念。
另一种改变需求维修年及可能的实施维修年的方法是改变最低容许路面损坏程度标准。目标是把实施维修年限制在一个比较实用和经济的范围内。例如，边疆提前实施维修年对于已经出现某些破坏的路面被认为仅仅是起到预防性养护的作用。另一方面，过分推迟实施维修年将可能耗费日益增长的过量的维修费用。同样，它也会限制原本可行的设加铺层或重建的方案。

损坏预测模型的可靠性会影响到需求年和实施维修年的正确确定。因此，损坏预测模型应根据实际情况进行定期修正。预测年限也应控制在一定的时间范围内，以便预测模型能与交通量等相关变量保持较好的一致性。