我国与发达国家公路路面技术状况评价指标体系比较研究

贾国杰，杨碧宇，王俊喆，罗代松

（1.中国公路工程咨询集团公司，北京 100089；2.云南昭通昭阳绕城高速公路投资开发有限公司，云南 昭通 657000；3.交通运输部科学研究院，北京 100029）

0 引言

随着我国经济的快速发展，我国干线公路网日趋完善，截至2020年末，全国公路网总里程达519.81 万公里。随着越来越多的公路进入养护维修阶段，公路管理理念由原来的“重建轻养”逐渐转变为“‘建管养运’协调发展”。公路路面技术状况检测与评价是公路建设与养护管理中的关键性、基础性工作，它不仅对控制工程质量至关重要，而且还决定着公路资产管理及养护决策的科学化程度。英美等发达国家针对公路管理工作，在检测装备、技术标准、政策保障等方面已经积累了丰富经验，建立了以路面状况检测与评价为基础的公路资产管理体系。我国自“十五”以来，逐步开展了路面技术状况检测监测工作，提出并建立了我国的路况评价指标体系和行业标准，但在实际应用过程中，也发现了一些问题和不足。因此，深入研究并总结发达国家公路技术状况检测与评价方面的经验，对提升我国公路资产管理和养护决策工作的科学化水平，促进公路养护高质量发展具有重要的借鉴意义。

近年来，国内外学者围绕公路技术状况检测与评价开展了多方面的研究。为降低路况检测成本，Aydn 等[1]研发了一种使用智能手机加速度传感器和GPS 进行路面平整度状况监测的解决方案，通过实际道路检测数据，验证了在坑洞和减速带影响下准确评估道路平整情况的可行性。一些地区尝试利用配备摄像头模块的无人机（Unmanned Aerial Vehicle,UAV）进行路面病害信息采集。Ersoz 等[2]开发了一种基于无人机的路面裂缝识别系统，通过无人机拍摄图像获取水泥路面的裂缝特征，用于训练支持向量机（Support Vector Machine,SVM）模型，并通过温差变化较大路段的水泥混凝土路面对模型进行了验证，为监测水泥混凝土路面裂缝的变化提供了替代方案。近年来，图像识别和机器学习等技术广泛应用于路面病害检测和识别[3-4]。Zakeri等[5]针对裂缝病害的图像识别，系统梳理并总结出需要开展的五个阶段工作，即图像的预处理、分割、特征提取、特征选择、检测和分类。对不同算法加以优化以提升病害识别的准确性和运行速度是研究人员关注的重点[6-8]。为有效指导养护管理工作，基于路面技术状况指标的养护需求和优化方法也是重点研究方向。张艳红等[9]基于交通量及路况指标的资金优先级因子概念，建立了多年度规划条件下的“资金-目标”双优化法决策流程及资金排序优化方法，可辅助管理单位在养护资金与路况目标双重约束条件下进行养护决策优化，以实现最大化养护资金效益的目标。郑育彬等[10]基于路面使用性能提出了路面资产管理的通用框架，建立了路面养护修复需求评估优化模型，并以宾夕法尼亚州州际公路系统为例，分析了不同投资水平下路面养护和修复的结果，为公路管理部门提供了决策参考。

综上，国内外关于公路路面技术状况检测与评价的研究主要集中在以下3 个方面：一是以降本增效为目标的多样化数据采集方法的研究；二是图像识别和机器学习技术在路面病害识别和分类方面的应用研究；三是基于路面技术状况的养护需求分析和资金优化分配方法研究。上述研究均服务于路面检测工作或以路况评价数据为基础开展，然而针对路况评价标准本身的讨论较少，包括指标选择、指标权重合理性等。另外，由于标准的不断修订，目前行业内也缺少针对我国现行标准，特别是其中新增指标应用效果的研究。鉴于此，本文采用对比研究的方法，探讨我国现行标准与发达国家标准在评价指标选取、指标权重确定和综合评价模型建立等方面的差异，分析目前我国公路路面技术状况检测评价和新增指标应用工作存在的问题，并提出相关建议，以期为提升我国路面检测评价数据的准确性和养护管理科学化水平提供参考。

1 我国与发达国家路面评价指标体系的对比分析

英美等发达国家公路基础设施建设较早，已进入大规模养护阶段，在公路养护技术标准方面积累了较多经验。20世纪60年代，美国各州公路工作者协会（American Association of State Highway Officials,AASHO）开展的道路研究试验项目——“The Road Test Program”，其最重要的成果之一就是提出了路面使用性能的评价方法，建立了路面评价模型[11]。随着公路检测和评价技术的广泛应用和发展，许多国家和国际机构先后建立了各自的路面评价模型，并进一步完善形成了针对公路基础设施技术状况评价的标准规范。本文的研究对象选取遵循以下原则：一是评价标准由交通运输主管部门制定或采用；二是评价体系中建立了综合评价指标，可进行比较分析；三是评价体系具有较强的代表性。

英国的路况检测评价工作根据采集指标和使用设备的不同可以分成3 类，分别是路面横向力测试调查（Sideway-force Coefficient Routine Investigation Machine,SCRIM）、行车流速路况调查（Traffic Speed Condition Survey,TRACS）和国家公路网表面状况调查（Surface Condition Assessment of the National Network of Roads,SCANNER）[12]。其中，SCRIM 调查只测量路面抗滑性能这一项指标，而TRACS 和SCANNER 调查均是采用多功能路况检测设备在正常车流速度下采集多项路况指标。TRACS 和SCANNER 的区别在于具体的检测指标不同，TRACS 调查方法未建立综合评价指标。日本主要模仿AASHO 建立了自身的公路现时服务水平指数（Present Serviceability Index,PSI）评价模型[13]。加拿大安大略省交通部是较早建立路面管理系统的省级交通主管部门，加拿大其他省份采用的指标体系多借鉴安大略省的经验[14]。美国联邦公路管理局（Federal Highway Administration,FHWA）中的一份研究报告针对美国18 个州所采用的路况调查指标进行了调研分析，结果显示纽约州采用的指标较为全面[15]，同时其综合指标计算方法同美国土木工程师协会（American Society of Civil Engineers,ASTM）标准[16]采用的方法思路一致，具有较强的代表性。鉴于此，本文最终选取了美国纽约州、英国SCANNER和加拿大安大略省的标准/指南作为对比研究的对象。

1.1 评价指标选取

不同国家（地区）的评价标准中针对路面使用性能的评价都主要包括路面损坏、路面平整情况、路面车辙、路面抗滑、路面纹理和结构强度等6 个方面。其中，路面车辙、抗滑和纹理分别采用车辙深度、横向力系数和构造深度指标进行表征，而对于路面损坏和路面平整情况，不同国家（地区）的标准选取了不同的指标进行评价。评价路面损坏状况可采用的具体指标包括路面破损率、路面裂缝率和路面损坏总体评价。评价路面平整情况可采用的具体指标包括国际平整度指数（International Roughness Index,IRI）、移动平均纵断面高程变化值和路面跳车。

如表1 所示，综合不同国家（地区）的评价标准可以看出，路面破损率、IRI 和车辙深度是路面使用性能评价最常采用的指标。我国现行《公路技术状况评定标准》（JTG 5210—2018）[17]中选取的评价指标涵盖了上述6 个方面，在本次研究的4 个国家（地区）标准中覆盖范围最为全面。中国、美国纽约州和英国SCANNER 评价标准中均考虑了车辙对路面技术状况的影响；中国、美国纽约州和加拿大安大略省标准中均采用IRI 来评估路面的行驶质量，中国还增加了路面跳车指标以反映路面的局部颠簸状况，而英国SCANNER 标准则定义了3m 和10m 的移动平均纵断面高程变化值参数以反映道路的平整情况。

表1 不同国家（地区）路面性能评价指标

1.2 分项指标权重设置

本次研究的4 个国家（地区）的路面技术状况评价标准中，每种类型指标在各自评价标准中的权重系数如表2 所示。在权重系数设置方面，加拿大安大略省标准中的权重系数是根据历史数据通过回归分析法确定，其余各国（地区）评价标准中对不同指标类型均设置了固定的权重系数，系数大小根据路面类型或公路等级不同而有所差别。为便于对比，本文对中国标准中各项指标的权重采用高速公路的权重系数；在计算美国纽约州各项指标的权重时，错台和松散也被认为是路面病害，权重计入了路面损坏的类型中；英国SCANNER 标准中各类型指标权重的计算是在假设总得分为315分，纵断面指标和构造深度指标的最大值分别为80分和75分的情况下进行的。

表2 分项评价指标权重系数

表2 中的数据对比显示，中国和美国纽约州的评价标准均凸显出平整度和路面损坏在路面技术状况评价中的重要性。中国的评价标准中，这两项指标权重合计为0.75，纽约州的标准中特别是对混凝土路面的评价中两项指标权重之和达到了0.95；英国SCANNER 的评价标准主要关注路面损坏、平整度、车辙和构造深度，且各指标的权重系数分配相对均衡。

1.3 综合指标计算方法

1.3.1 中国

我国的《公路技术状况评定标准》（JTG 5210—2018）中，为了使各路段的路面状况有可比性而建立了路面技术状况指数（Pavement Maintenance Quality Index,PQI）作为综合评价指标，它是各分项评价指标的加权函数。PQI 的计算如式（1）[17]所示。标准中规定的综合评价指标和分项指标均采用百分制，100分代表路况水平最优，0分代表路况水平最差。

式中：PQI 为路面技术状况指数（Pavement Maintenance Quality Index）；PCI 为路面损坏状况指数（Pavement Surface Condition Index）；RQI为路面行驶质量指数（Pavement Riding Quality Index）；RDI 为路面车辙深度指数（Pavement Rutting Depth Index）；PBI 为路面跳车指数（Pavement Bumping Index）；PWI 为路面磨耗指数（Pavement Surface Wearing Index）；SRI为路面抗滑性能指数（Pavement Skidding Resistance Index）；ωPCI,ωRQI,ωRDI,ωPBI,ωPWI,ωSRI分别为PCI,RQI,RDI,PBI,PWI,SRI的权重系数。

1.3.2 加拿大安大略省

路面状况指数（Pavement Condition Index,PCI）是加拿大安大略省评价路面技术状况的综合指标，相当于中国标准中的PQI，其计算公式如下[18]：

式（2）～式（3）中：PCI为路面状况指数，取值范围为0～100，100代表完好的路面；DMI为破损状况指数（Distress Manifestation Index），取值范围为0～10，0 代表路面最坏状况，10 代表路面完好状况；IRI 为国际平整度指数；a,b,c是针对不同的路面类型，利用历史数据通过回归分析得出的系数；DMImax为路面破损状况最大值；Wi为病害权重系数；si为病害严重程度系数；di为病害密度系数。

1.3.3 美国纽约州

美国纽约州的路面技术状况综合评价指标与加拿大安大略省的一样被定义为路面状况指数（Pavement Condition Index,PCI）。其假设完好的路面评分结果为满分100 分，考虑路面损坏情况、平整度和车辙等因素的影响，设定相应的扣分值（见表3），PCI最终得分等于满分减去相应指标的扣分值。PCI 中每个因素的重要性由其被分配的最高扣除分数确定。

表3 不同路面类型指标最大扣分值[19]

1.3.4 英国SCANNER

英国SCANNER 标准建立了道路状况指数（Road Condition Index,RCI）及其模型用于量化道路技术状况的评价。RCI 的计算主要考虑4 个分项指标，分别是：移动平均纵断面高程变化值、车辙深度、断面裂缝率和构造深度，并对各项指标赋予相应的分值，其中构造深度指标根据公路等级不同其分值也有所差异。以干线公路为例，其各分项指标最大取值分别为80,100,60,75，最大总得分为315（见表4）。RCI最终得分为各分项指标得分之和，RCI得分越高表示路况水平越差。

表4 RCI指数计算分项指标及分值（干线公路）[13]

不同国家（地区）标准在综合指标计算方面采用了不同的方法，总结起来可以归纳为：扣除法、相加法、加权法和公式法。中国标准中的PQI 采用加权法计算，各个分项指标分别被赋予不同的权重且权重系数之和为1；美国纽约州的标准采用扣除法，路面状况指数以100 为基准，考虑不同指标的影响从中扣除相应分数后得到最终评分；英国SCANNER 标准中不同指标根据具体情况对应不同的得分，相加得到最终评分，最高得分为315而不是常用的100，得分越高代表路况水平越差；加拿大安大略省的评价标准则是通过建立二元一次方程的公式，根据历史数据确定公式中参数的取值。上述由分项指标计算路面技术状况综合指标的方法具有代表性，涵盖了大多数国家（地区）或组织制定的标准指南使用的方法。

通过与这些发达国家（地区）同类标准的对比可以发现，我国现行标准中评价指标覆盖相对全面，分项指标权重系数和综合指标计算方法较为合理。

2 我国当前公路路面检测与评价工作存在的不足

（1）检测技术与破损率指标设定不适应

我国现行标准《公路技术状况评定标准》（JTG 5210—2018）使用路面综合破损率（Pavement Distress Ratio,DR）作为调查指标。英国SCANNER 标准在对路面损坏进行评价时采用的是裂缝率指标。美国纽约州在对损坏状况进行评价时则进一步划分为总体损坏状况和龟裂、错台等多种情况。我国的《公路路面技术状况自动化检测规程》（JTG/T E61—2014）[20]中也提出了路面裂缝率的概念。路面裂缝率和破损率的主要区别在于覆盖的病害类型范围不同。裂缝率计算的是龟裂、块状裂缝、横向裂缝等裂缝类病害面积，而破损率则是计算包括变形类等所有病害类型在内的总破损面积。上述两个标准对路面损坏指标定义的差异在实际路面自动化检测工作中并未引起足够的重视。

现阶段我国路网级的路面技术状况检测多采用自动化检测设备，通过高分辨率阵列相机连续采集路面图像，然后基于图像采用人工或自动化识别的方式开展路面病害识别同时计算损坏面积，进而计算出路面破损率。然而常规采集的二维图像不包括深度信息，后期开展病害识别时难以针对拥包、车辙等变形类病害进行有效识别，实际路面检测评定工作中采用的指标多为路面裂缝率（包括部分能够在图像中识别的病害）而非综合破损率，并不完全符合《公路技术状况评定标准》（JTG 5210—2018）的规定。

（2）标准对构造深度的定义不一致，易导致计算方法差异

根据评价和描述路面构造深度的计算模型，国际上衍生出很多不同的计算指标，主要有：断面深度（Profile Depth,PD）、断面平均深度（Mean Profile Depth,MPD）、估算构造深度（Estimated Texture Depth,ETD）以及传感器测量构造深度（Sensor Measured Texture Depth,SMTD）[21]。我国的《多功能路况快速检测设备》（GB/T 26764—2011）[22]和《公路路面技术状况自动化检测规程》（JTG/T E61—2014）[20]中也提出了路面构造深度的自动化检测方法，明确检测指标为SMTD 和MPD，并以附录形式给出两种指标的计算方法。上述标准均采用了“路面构造深度”和“断面平均构造深度”的中文概念以及对应的SMTD 和MPD 的英文简称并保持概念上的一致性。我国《公路技术状况评定标准》（JTG 5210—2018）中提出了PWI 指标并将其定义为路面磨耗率（Wearing Ratio,WR）的函数，而WR 是通过构造深度（Texture Depth,TD）计算得出的。标准中针对磨耗指标的计算，采用“路面构造深度”的中文表述，而其英文则采用MPD 作为简称，造成了一定程度上的概念混淆，从而可能导致实际评价过程中采用的构造深度计算模型和方法不一致。

（3）路面磨耗指标评价结果对实际工作的指导性不强

我国《公路技术状况评定标准》（JTG 5210—2018）中的综合评价指标和分项评价指标均采用百分制，并按照得分划分为优（90～100）、良（80～90）、中（70～80）、次（60～70）、差（0～60）等5 个评价等级，实际工作中根据路面所处等级采取相应的养护措施。然而实践中普遍存在路面磨耗指标难以参照的问题。以某省高速公路路网路面技术状况评定结果为例（见图1），参与评定的路段总里程约为2 000km，路网路面技术状况评定的各分项指标除路面磨耗指数PWI 外得分均在90 分以上，评定等级均为“优”，而路面磨耗指数得分为83.4，评定等级为“良”，与其他各分项指标的差距明显。路网中大部分路段若根据路面损坏等指标判断，不需要进行养护，然而磨耗指标却偏低，给养护决策造成了困惑。路面磨耗指数通过测量路面构造深度，基于特定计算模型表征路表宏观纹理的状况，然而此项指标尚未建立与驾驶员主观行驶感受或安全性评价等方面的联系，同时与其他指标评价结果存在较大差异，使得磨耗指数对于实际养护管理工作的指导性不强。

图1 某省高速公路路网路面技术状况评价结果

（4）不同类型路面采用同样的等级评分标准不尽合理

随着新技术、新材料、新工艺、新设备的应用，采用不同路面类型和结构形式修建的公路越来越多，不同结构形式的路面其平整度、抗滑性能等不尽相同，不同区域的公路网组成结构差异明显。在加拿大和美国等国家的评价标准中针对不同的路面类型建立了针对性的路面损坏形式和等级评价标准[19,23]，然而我国现行标准中对各项指标的等级评定标准却是一样的。以路面平整度指标为例，实际检测过程中普遍存在同一路段相邻处的沥青路面和水泥路面的平整度评定结果相差悬殊（见图2），而实际表观路面状况差别并不明显，这种情况在山区路段的三四级公路中尤为明显。2018 年我国行业标准修订时虽然将水泥路面平整度的“优”等评价标准由原来的90分降低至88 分，但并未对其他等级的评价标准进行调整，也未对相应的计算模型进行修正。

图2 同一路段沥青路面和水泥路面平整度评定结果

3 对我国路面技术状况检测与评价工作的建议

（1）加强三维检测技术研发及其在路面技术状况检测中的应用

目前我国普遍采用的多功能路况检测系统主要通过采集二维图像，经人工或机器识别病害，实践中因采集的路面图像不包括深度信息而无法准确检测出拥包、车辙、沉陷等三维类病害的破损信息。随着信息技术的快速发展，利用高速三维扫描设备获取高精度的三维数字模型，进而计算路面破损数据的三维检测技术已成为路面检测技术发展的重要方向。以美国Pathway 公司为代表的设备厂商研发的路面状况数据采集系统利用高分辨率3D 摄像头，同时实时采集路面的3D 高程图像和高分辨率彩色图像，用于创建横向和纵向轮廓，包含高度信息的轮廓数据可进一步用于计算车辙、纹理，配合内置的经过训练的视觉识别算法，同步实现病害的识别和计算，相关设备在美国公路网检测中得到了大规模的应用。我国在三维检测技术方面也开展了研究，部分国内厂商研发了类似产品，但尚未大规模应用于实际检测工作中。因此，建议进一步加强激光高速扫描、海量数据存储及处理、各类病害特征提取等技术难题的攻关，推动三维检测技术在路面技术状况评价中的大规模工程化应用，增强对变形类病害的自动化检测识别能力，开展全断面综合破损率的计算，实现检测技术与标准的统一协调。

（2）优化磨耗指标计算模型，充分发挥评价结果的指导作用

路面抗滑指标与其他指标相比所采用的检测设备原理不同，检测成本也相对较高。我国路况评价标准中，路面抗滑性能评价所采用的检测设备和计算方法均与英国SCRIM 一致。两国标准的不同之处在于，我国的行业标准将抗滑指标纳入了路面综合指标评价体系，而英国SCRIM 将其作为一项单独的检测指标。为了解决因抗滑指标数据采集困难和成本较高导致路网级路况综合评定效率不高的问题，我国在2018对行业标准进行修订时提出了路面磨耗指标替代抗滑指标参与路况综合评定的思路，其初衷是检测路面宏观纹理情况，将其作为一种辅助指标判定路面的抗滑性能。然而在实际的应用过程中，一方面，普遍存在车道中心线构造深度值小于左右侧轮迹带构造深度值的现象，导致磨耗指数的计算公式失去了实际意义；另一方面，能够按照公式正常计算得到的磨耗指数结果与其他指标的评价结果差距较大，也给后续养护管理工作造成了一定的困惑。路面技术状况评价的主要作用之一是为后续的养护措施选择提供指导，因此，需要进一步优化现行标准中磨耗指标的计算模型和公式，明确指标的物理意义以及同抗滑性能的区别与联系，实现与其他标准规范的统一协调和对实际养护管理工作的指导作用。

（3）完善不同路面类型技术状况等级评价标准

根据《公路技术状况评定标准》（JTG 5210—2018）计算得到的公路优良路率是多项公路发展规划中采用的约束性指标和公路管理工作的考核依据。例如，2021 年4 月财政部和交通运输部联合印发的“‘十四五’时期车辆购置税收入补助地方资金‘以奖代补’支持普通省道和农村公路实施方案”，明确提出将普通省道和农村公路的优良路率作为养护任务完成情况考核指标；四川省政府将普通国省道路面技术状况指数PQI 纳入民生工程考核事项，并建立了以公共财政投入为主、事权和支出责任相适应的体制机制，因此路段技术状况等级的确定对公路管理政策的制定和相关规划完成情况的评估具有重要意义。不同地区的路网组成和路面结构往往具有较大差异，同时受气候、天气等因素的影响，养护管理工作也呈现出不同的特点，各分项指标的评价应根据不同路面的特点，进一步优化完善计算模型，采取不同的等级评定标准，对不同路面各项性能作出客观、科学的判断，确定其技术状况等级。2018年我国行业标准修订时针对水泥路面平整度指标评级标准的修改也正是这一思想的体现。因此建议进一步研究论证其他指标，不断完善各项指标的等级评价标准。

4 结语

公路路面技术状况直接反映公路的使用性能，全面准确的技术状况检测评定对后续选择公路养护措施，保障行车安全和舒适性具有重要意义。本文以路面技术状况评价标准为切入点，通过分析我国现行标准与发达国家标准在评价指标选取、指标权重确定和综合评价模型建立等方面的差异，结合实际养护检测数据，探讨了我国公路路面技术状况检测评价工作存在的不足，特别是对我国现行标准中新增的路面磨耗指标的计算模型及其在养护决策中的应用进行了重点分析。研究认为，我国在路面技术状况检测评价方面应进一步加强三维检测技术的研发与应用，优化磨耗指标计算模型，完善等级评价标准。由于本研究主要对比分析的是路面技术状况检测评价方面的技术标准，并且选取的对象相对有限，所得结论具有一定的局限性。下一步可扩大研究对象范围，从检测装备、软件系统、制度保障等多方面着手，就促进我国公路养护管理工作的高质量发展提出更加系统的建议。