高速公路路面养护决策支持系统研究

徐敏亚+杜树樱

[摘 要] 近年来，伴随着我国高速公路路网建设的日益完善，道路基础设施建设也发生了以建设为主到养护为主的重大转变。 借鉴国内外路面养护管理以及相关决策支持系统应用现状，分析现状中存在的问题，进一步明确系统用户，分析用户的需求，从而分别从系统架构，分级系统（项目级、网级）架构与功能，提出了一套高速公路路面养护管理决策支持系统。 该系统可以对路段、路网的性能进行评价，并且可以对其发展趋势进行预测，根据不同需求制订最优的养护策略，从而辅助决策者进行决策，进而实现养护资金的合理配置。

[关键词] 高速公路；养护管理；决策支持系统

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

[中图分类号] TP315 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2017）23- 0171- 03

1 引 言

高速公路的日趋完善是公路交通现代化发展的重要表现之一。近年来，我国高速公路的基础建设取得了很大的进展，然而，当高速公路的使用时间越来越长时，其路面状况会渐渐地恶化，当路面损坏到一定水平以下时，便会严重影响车辆的出行质量。为了保障高速公路处于较高的服务水平，同时给驾驶人员提供一个安全、舒适、快速的通行环境，高速公路的运营管理单位需要采取及时、高效的养护措施。 高速公路路面的养护是一个持续性的工程，需依据高速公路性能的变化，制定或调整相应的养护策略，并且需持续投入相应的资金以确保养护策略的落实。依据高速公路的路面状况，选择经济合理、技术可行及效果最优的养护策略，是制定道路养护计划的基础，也是高速公路路面养护管理信息系统的核心构成部分。

路面管理是通过制订科学合理的养护策略，从而实现利润最大以及使用寿命最长的方法。路面养护管理决策的主要研究内容是在有限的养护资金投入以及其他条件的限制下，制定最佳的养护对策，从而达到综合效益最佳的目的，或者是在一些条件限制以及路面性能要求的约束下，选择最佳的养护方法，使得养护的费用最小。一套科学合理的高速公路路面养护管理决策支持系统，可以对一般的高速公路养护管理模式進行改进，从而保障高速公路的高效率运行，满足新时代的路面养护需求，并且可以对路面的使用性能进行评价以及预测，从而将有限的路面养护资金进行更加合理的分配。高速公路路面养护管理决策支持系统可以优化路面养护的策略，从而帮助决策者制定科学合理的路面养护方案，有效提升公路养护管理部门的工作效率。

本文拟通过国内外的研究现状总结经验，并在遵循整体性、先进性、规范性和实用性的总体设计思想基础上，研究适用于我国高速公路的路面养护管理决策支持系统。

2 国内外发展研究动态

2.1 路面管理系统在国外的应用现状

20世纪70年代初期，北美的一些学者最先提出了路面管理系统。 如今，美国、日本、英国、加拿大等国已经广泛地设计和应用了路面管理系统。80年代，美国开始对高速公路的路面使用性能进行探索，其中最具代表性的是联邦公路路产及使用性能研究（ NHIP5）和公路使用性能监测系统研究（ HPMS）。到了90年代，美国开始对高速公路经济需求系统（HERS）进行研究。 1996年，美国各州公路与运输工作者协会（ AASHTO， America Association of State Highway and Transportation Officials）和美国联邦公路管理局（ FHWA， Federal Highway Administration）对公路管理进行了联合研究，并且提出：在公路运输系统中，对其进行养护和管理远远要比施工建设复杂的多，只有借助于合理的路面管理系统，才可以制定有效可行的策略， 从而实现科学分配有限资源的目的。

另外，国外也诞生了多种用于路面养护管理的系统，比如说用于对柔性路面进行养护管理的专家系统 PAMEX、加拿大安大略省交通运输部的示范系统 PRESERVER以及侧重于道路路面修复的路况专家系统 SCEPTRE等 。

2.2 路面管理系统在国内的应用现状

20世纪80年代初期，我国才开始对路面管理系统进行研究探索。1985年，辽宁省的营口地区在建设自己的路面管理系统时，引入了英国的用于对沥青路面进行养护管理的系统。此后，北京、广东、山东、河南、河北等地区的相关管理部门也都着手建设适合自己的路面养护管理系统，一些科研机构也都渐渐开始设立适用于自己的路面养护管理系统。交通部公路科学研究所的潘玉利博士从数据库管理、路面性能评价、路面性能预估以及路面养护管理决策四个方面出发，建立了适用于我国的公路路面管理系统的基础架构，并且在参照国外模型方法的基础上，提出了一部分适用于我国道路状况的系统模型。随后，在对公路路面进行管理养护时，地理信息系统技术方法也在路面管理方面得到了一些应用。例如，广东省在建立自己的高速公路数据库管理系统时，增添了GIS子模块，从而可以对一些简单的文字和图像进行查询。此后，以孙立军为主的科研团队研发了基于 GIS的用于对城市道路进行管理的系统，该系统除了具备道路管理的基础功能外，还可以实现基于 GIS的数据处理的可视化功能，极大的增加了系统的交互性能。

2.3 现状问题与启发

总体而言，路面管理系统经历了几十年的发展，已经有了比较大的进展，但是其依然存在一些缺陷，主要表现在以下几个方面。

（1）在对路面信息管理方面存在不足，路面的数据指标主要还是路面表面几何数据，缺乏对动态数据的管理。

（2）在对路面养护的方案进行决策时，主要还是依靠主观的经验判断，缺乏科学合理的养护计划，也没有对路面的使用性能进行合理的评价。

（3）高速公路路面养护管理决策的规范性不高，没有充分考虑分析路面养护过程中出现的不确定因素，也常常忽视了养护管理系统的经济效益分析，从而不能合理分配有限的养护资金，决策方法也需要提升。endprint

3 系统用户需求分析

3.1 系统用户

本文提出的高速公路路面养护管理决策支持系统的系统用户包括两类：一类是管理者，另一类是使用者。

3.1.1 管理者

管理者主要是政府管理部门（例如交通厅、路政等相关部门），他们一般不会直接参与高速公路路面养护管理决策业务，他们的主要需求是信息共享，从而实现业务上的监管与协调。

3.1.2 使用者

使用者是指高速公路运营管理单位，负责高速公路日常运营的具体业务，是路面养护管理决策支持系统的直接使用者。根据其管理范围的大小，高速公路使用者可以分成路段层管理单位和路网层管理单位。路段层管理单位主要负责某一条具体的高速公路的运营维护管理，而路网层管理单位则需要对各路段层管理单位的业务工作进行管理、监督与协调，对整个高速公路路网进行维护管理，以实现整体效益的最大化。 系统使用者需要根据不同的需求，并在实际的限制条件下，制定最优的养护策略，从而实现系统效益最大化。

3.2 用户需求

3.2.1 数据需求

数据是路面养护管理决策支持系统满足系统用户需求的基础，也是系统能够正常运转的动力，该系统所需要的数据主要包括以下几部分。

3.2.1.1 静态数据

（1）道路属性信息。该类数据的信息主要是高速公路基本概况，包含路线的几何信息、路线的属性信息、路面结构信息、设计信息、桥梁隧道以及沿线设施。

（2）建设期高速公路路面结构及材料信息。该部分信息主要包括建设期路面结构层的厚度和混合料的类型信息、各结构的层原材料（如沥青、 矿料、矿粉等）检测信息、各结构层矿料级配信息和混合料实际试验等。

（3）桥梁、隧道信息。桥梁信息主要有桥梁类型、桥梁名称、起终点桩号、桥梁结构等，同时也包括每座桥具体的桥梁卡片静态信息；隧道信息主要包括隧道的名称、起终点的桩号、隧道的结构等。

3.2.1.2 动态数据

（1）交通轴载数据。主要是各高速公路各断面的交通流量情况、各高速公路的出入口收費站的称重数据，并记录车型、轴型。

（2）气候环境数据。包括高速公路沿线经过县市的气候特征及其每天的环境气候情况以及情况的统计。

（3）养护历史数据。通常包括两部分，一是日常养护数据，二是专项养护数据。

（4）路面性能数据。通常包含路面的平整度、路面车辙、抗滑性数据SFC、路面弯沉和路面的破损情况。

3.2.2 功能需求

为了满足服务对象制定最优路面养护决策的直观需求，该系统需要具备以下功能。

3.2.2.1 数据存储、管理、处理与分析功能需求

高速公路路面养护管理决策支持系统汇聚的数据不仅数量庞大，而且类型也很复杂，因此该系统需要具备强大的数据存储与管理能力。 原始数据无法直接应用，该系统需要通过多种方式对各类数据进行统一综合分析，并要确保用户能在庞大的路面数据库中快速准确地获取所要信息。

3.2.2.2 决策功能需求

该系统主要是辅助决策者制定科学合理的路面养护计划，因此该系统应首先可以对路段、路网的性能进行评价，并对其发展趋势做出预测。 系统要综合考虑各种因素，提供未来分析年限内路面的最佳养护方案，从而实现辅助决策的目标。根据高速公路管理的不同需求，该系统要能够自动生成各种报表，并且可以打印和输出。

3.2.2.3 标准与系统维护功能需求

决策系统标准体制用于标准化系统的建立、运营及维护。 相关的标准可利用国家、行业既有的标准或者新建标准，合理的标准体系既可以是使系统规范化，也可以保障系统的开放性。

4 高速公路路面养护管理决策支持系统

4.1 系统总体架构

在我国大部分地区，高速公路的基础建设通常是采用分段、分线的模式来建设运营的。 由于建设实施主体的不同，高速公路网内通常包含有多个运营主体，各个主体负责一段或几段高速公路的运营管理， 这些运营主体即为路段层管理单位。 此外，在宏观层面，对于一定范围内的路网，存在专门的运营管理单位，对该范围内各路段层管理单位的业务工作进行监督与协调，对整个高速公路路网进行运营、维护、管理，以实现整体利益的最优化，此即为路网层管理单位。

对于路网层管理单位，本文提出了路面网级养护管理决策支持系统，该系统的决策对象是整个道路路网，以实现系统整体效益的最大化为目标。 网级系统从宏观方面对各项目级采集的养护数据进行统计和分析，对历年路网内各高速公路的基本情况进行总体把控， 展示各年度各路段的工程量统计、养护经费的分配情况统计等，对路网养护投资配置和养护方案进行智能决策，从而使有限的路面养护资金得到合理的配置，为决策者进行关键性决策提供依据。 网级系统的数据都来源于项目级系统，并且能够从整体上展现各项目级系统采集数据之间的差异，进而提升决策者的全局把控力，起到辅助决策的功能。

4.2 项目级系统

4.2.1 系统架构

该系统功能模块包括了基础信息、交通与环境、路面性能的评价及预测、养护历史的分析、养护决策、统计报表、视频监控和系统管理八个模块。

4.2.2 功能设计

路面项目级养护管理决策支持系统侧重于数据库的建立、数据的多样化浏览以及挖掘、各种数据的自身分析及交互分析以及养护决策辅助等功能。项目级系统集成了路面建设期信息、路面状况信息、交通环境信息以及路面养护历史信息，可以进行信息查询、管理、交互分析和深入挖掘，对数据进行高效利用，从而实现了高速公路路面性能状态评估、病害评价、数据挖掘、路面性能趋势分析、路面养护规划、决策以及路面养护技术的优化。项目级系统的具体功能介绍如下：endprint

（1）系统管理。主要是进行系统安全以及用户权限的管理。 系统管理员可以根据不同部门的需求，建立、修改和删除相关的用户，并且可以根据需要赋予用户查看、检索和修改数据的不同权限。在该系统中，每一个用户都有其相对独立的文档环境，不同的用户在登录各自的系统后可以依据其被分配的权限自动地进入到相对应的使用环境中。

（2）数据管理。该系统与高速公路实际养护管理工作紧密结合，并且建立了路基、路面、桥涵等全面、灵活、专业的路面数据库，先进成熟的软件技术又能对数据库的稳定性、安全性、有效性和可扩展性进行保障， 从而对路面养护工程所涉及的各类静态数据与动态数据进行集成化的规范管理。 同时，该系统整合了设计、施工、运营、气候和养护的数据，实现了数据的统一性和高度共享，可以便于数据的深入查询与分析。数据管理这一部分内容主要包含基础数据的管理、静态数据的管理和动态数据的管理。

（3）信息查询：该系统提供了强大的数据查询分析功能，可以自动生成以及展示各类形象直观的图片、表格等，信息处理的效率得到提高，从而实现数据的科学利用。同时，该系统也可以让管理人员及时掌握路面的状况和变化情况，从而制定科学合理的应对措施。

（4）数据统计分析：该系统可以将所有路面的基础数据、性能数据、养护数据和交通轴载数据进行综合统一分析，并且可以采用先进的数据处理与优化技术，从而确保用户可以在庞大的数据库中快速精确地得到所需要的对应信息。 可以通过对交通量轴载状况的分析、对道路技术状况的评价、对路面技术状况各项指标的分析与评价以及对道路技术情况的评估来了解公路的基本状况， 以便于路面养护管理者来确定该道路养护需求。

（5）优化决策模块。该系统可以综合考虑经济因素、预算条件、路面性能现状、路面性能的衰退曲线、期望的路面性能指标值和分析年限等条件，通过数据、模型、挖掘等的有机结合，来提供整个分析期内路面的养护维修方案，辅助道路养护负责人进行路面养护决策，并且可以自动生成年度路面养护评估报告。

（6）统计报表。该系统可以根据高速公路日常管理的不同需求来制定不同的统计报表，从而给路面养护管理者的工作带来便利。部报表主要是针对《公路技术状况评定标准》制定的报表，分析报表主要是根据高速公路日常工作管理需求及研究制定的报表。该系统可以自动从数据库中调取和统计各种数据，从而生成相应的报表，并且还提供打印、输出的功能。

（7）數据更新维护。该系统的信息维护组件可以对信息查询的结果进行相应的维护。 信息维护主要是在信息查询结果的二维表格里面，通过添加、导入、修改和删除数据库中表格数据的方式来实现的，删除数据功能模块只有在具备系统管理员权限的情况下才可以使用。

4.3 网级系统

4.3.1 系统架构

该系统包括系统首页、路网基础信息、交通与环境、路面性能评价及预测、养护历史、养护决策、统计报表和系统管理八个模块。

4.3.2 功能设计

路面网级养护管理决策支持系统以各项目级系统为基础，通过路面各类数据的整合， 从而实现对路网状况、路网通车里程等基础信息的查询，对路网交通与环境数据、路面性能数据和养护历史数据进行查询与分析，从而对路网养护投资与养护方案进行科学决策，合理配置养护资金。

网级系统的功能除了上述提到的项目级系统的功能外，还具备GIS地图查询的功能。网级系统是在GIS平台的基础上，整合了空间数据、属性数据、养护数据、路况数据和图像视频等各类数据，所以可以进行高速公路路面养护的可视化管理。 比如说，可以实现属性数据的查询功能、并且可以浏览路面破损图片、路况视频信息等， 这样可以方便路面养护管理者及时掌握路面的现状状况，有效地减少了现场调查的工作量。

5 结 论

关于高速公路路面养护管理决策，本文从用户角度出发，针对不同的用户，分别提出了项目级系统和网级系统， 满足了他们在不同的要求及限制条件下，制定最优养护计划的需求，实现了系统辅助决策的功能，从而帮助决策者合理地制订养护决策及规划。该系统的建设可以对以后各地开展高速公路路面养护管理决策起到启发和借鉴的作用。

主要参考文献

[1]熊辉，史其信，潘先榜.路面管理理论与方法的研究进展及趋势[J].土木工程学报，2004，37（1）：65-69.

[2]何赏璐，冉斌，张健，等.省域高速公路网运营与服务信息化平台研究[J].交通运输工程与信息学报，2015，13（2）：50-57.endprint