6路面养护管理系统(PMS)

1、School of Transportation, Southeast University 东南大学交通学院东南大学交通学院六、路面养护管理系统六、路面养护管理系统(PMS)n路面管理系统的基本概念路面管理系统的基本概念n路面管理系统的数据库路面管理系统的数据库n路面损害的预测模型路面损害的预测模型n决定需求维修年和实施维修年决定需求维修年和实施维修年School of Transportation, Southeast University 东南大学交通学院东南大学交通学院数据采集数据采集 工程评加工程评加 方案选择方案选择重建重建 维修维修再生再生 罩面罩面LCCA 其他因素其他因素 选

2、择最选择最优方案优方案工程分析工程分析施工施工 性能检测性能检测1、路面管理系统的基本概念、路面管理系统的基本概念n路面的养护管理过程路面的养护管理过程School of Transportation, Southeast University 东南大学交通学院东南大学交通学院1、路面管理系统的基本概念、路面管理系统的基本概念n目的：目的：路面使用过程中，其使用性能会因行车荷载和环路面使用过程中，其使用性能会因行车荷载和环境因素的不断作用而境因素的不断作用而逐渐变坏逐渐变坏。路面使用性能的恶化，将路面使用性能的恶化，将增加增加车辆的车辆的运行费用运行费用，包括燃油、轮胎和保修材料的消耗以及行程

3、时间包括燃油、轮胎和保修材料的消耗以及行程时间等费用。等费用。在路面使用期内在路面使用期内，需，需继续投入大量资金继续投入大量资金以维护以维护（包括养护和改建）路面，使之保持一定的使用（包括养护和改建）路面，使之保持一定的使用性能。性能。School of Transportation, Southeast University 东南大学交通学院东南大学交通学院1、路面管理系统的基本概念、路面管理系统的基本概念n目标：目标：通常养护资金有限，不能对所有不满足使用性能通常养护资金有限，不能对所有不满足使用性能最低要求的路段进行及时养护或改建。需要考虑最低要求的路段进行及时养护或改建。需要考虑怎样

4、把怎样把有限的资金有限的资金分配到分配到最需要采取措施最需要采取措施并并能取能取得最佳效果得最佳效果的路段上，使现有的路网保持合理的的路段上，使现有的路网保持合理的服务水平。服务水平。n组成：组成：网级路面管理系统网级路面管理系统项目级路面管理系统项目级路面管理系统School of Transportation, Southeast University 东南大学交通学院东南大学交通学院1、路面管理系统的基本概念、路面管理系统的基本概念n网级路面管理系统网级路面管理系统网级路面管理系统的范围，包括一个地区（省、市）的网级路面管理系统的范围，包括一个地区（省、市）的公路网或一大批工程项目，它的

5、主要任务是为管理部门公路网或一大批工程项目，它的主要任务是为管理部门在进行关键性的行政决策时提供对策。它们包括：在进行关键性的行政决策时提供对策。它们包括：1路况分析路况分析路网内路面现有状况的分析和今后路网内路面现有状况的分析和今后路面状况变化的预估分折；路面状况变化的预估分折；2路网规划路网规划确定路网内需要养护、改建和新建确定路网内需要养护、改建和新建的项目；的项目；3计划安排计划安排这些项目应进行养护、改建和新建这些项目应进行养护、改建和新建的时间，各项目的优先排序；的时间，各项目的优先排序；4预算编制预算编制路网达到不同预定服务水平时，各路网达到不同预定服务水平时，各年度所需的投资额

6、；年度所需的投资额；5资源分配资源分配各行政区域或不同等级道路或养护、各行政区域或不同等级道路或养护、改建和新建之间的资源分配。改建和新建之间的资源分配。School of Transportation, Southeast University 东南大学交通学院东南大学交通学院1、路面管理系统的基本概念、路面管理系统的基本概念n项目级路面管理系统的基本要素项目级路面管理系统的基本要素School of Transportation, Southeast University 东南大学交通学院东南大学交通学院1、路面管理系统的基本概念、路面管理系统的基本概念n实施路面管理系统的收益实施路面管理

7、系统的收益1可利用通过监测系统采集到的客观资料来说明路况的可利用通过监测系统采集到的客观资料来说明路况的现状，以便及时采取适当的措施改善路况。现状，以便及时采取适当的措施改善路况。2可利用具有一定可靠度的路面使用性能预估摸型，预可利用具有一定可靠度的路面使用性能预估摸型，预测各种养护和改建对策后效以及路网内路况今后的变化。测各种养护和改建对策后效以及路网内路况今后的变化。3申请投资时，可以用客观的数据作为依据，并可以论申请投资时，可以用客观的数据作为依据，并可以论证不同投资（预算）水平对路网络况和服务水平的影响。证不同投资（预算）水平对路网络况和服务水平的影响。4为合理地和有效地分配投资和其他

8、资源提供费用为合理地和有效地分配投资和其他资源提供费用-效效果最佳方案。果最佳方案。5可合理评价各种设计方案，选择费用可合理评价各种设计方案，选择费用-效果最佳方案。效果最佳方案。6利用监测系统采集到的数据，可考察和评价设计、施利用监测系统采集到的数据，可考察和评价设计、施工和养护工作，为改善和更新各种设计、施工和养护方工和养护工作，为改善和更新各种设计、施工和养护方法和规范提供依据。法和规范提供依据。School of Transportation, Southeast University 东南大学交通学院东南大学交通学院2、路面管理系统的数据库、路面管理系统的数据库n路面管理系统必须建立

9、在大量信息的基础上，路面管理系统必须建立在大量信息的基础上，以数据作为支承以数据作为支承 。因此，整个管理须包含一。因此，整个管理须包含一数据管理系统数据管理系统 。它由两部分组成：路况监测。它由两部分组成：路况监测（数据采集）系统和数据库（数据采集）系统和数据库 n路况监测：路况监测：定期采集路面使用性能参数和交通参数定期采集路面使用性能参数和交通参数 n数据库：数据库：设计和施工数据设计和施工数据养护和改建数据养护和改建数据路面使用性能数据路面使用性能数据其它其它 （环境、交通、单价等）（环境、交通、单价等）School of Transportation, Southeast Unive

10、rsity 东南大学交通学院东南大学交通学院3、路面损害的预测模型、路面损害的预测模型n路面在使用过程中，其使用性能会随时间或路面在使用过程中，其使用性能会随时间或行车荷载作用次数的增加而逐渐变坏。当损行车荷载作用次数的增加而逐渐变坏。当损坏达到某一预定标准时，路面就应该或需要坏达到某一预定标准时，路面就应该或需要采取采取措施措施以恢复和提高其使用性能。以恢复和提高其使用性能。WHEN? （时间）（时间） WHERE？（哪一段）？（哪一段）WHAT? （措施）（措施）n需要预先估计路面在采用新建、设加铺层或需要预先估计路面在采用新建、设加铺层或其它各种养护和改建对策后，其使用性能随其它各种养护

11、和改建对策后，其使用性能随时间或轴载作用次数的变化规律。时间或轴载作用次数的变化规律。 School of Transportation, Southeast University 东南大学交通学院东南大学交通学院3、路面损害的预测模型、路面损害的预测模型n项目级和网级管理系统的模型差异项目级和网级管理系统的模型差异项目级系统中，使用性能可以用单项的路面损坏项目级系统中，使用性能可以用单项的路面损坏(如开裂、车辙等如开裂、车辙等)指标予以定义；或者用行驶质指标予以定义；或者用行驶质量指数量指数(平整度平整度)、抗滑能力、路面状况指数、路、抗滑能力、路面状况指数、路面损坏率等定义。面损坏率等定义

12、。网级系统中，使用性能不仅用各个项目的状况和网级系统中，使用性能不仅用各个项目的状况和趋势表征，而且还用路网的总的状况以及各类型趋势表征，而且还用路网的总的状况以及各类型和各等级道路的使用性能水平表征。需要采用综和各等级道路的使用性能水平表征。需要采用综合性的指标合性的指标 School of Transportation, Southeast University 东南大学交通学院东南大学交通学院（1）使用性能模型的类型）使用性能模型的类型n二种基本类型：二种基本类型：确定型确定型基本反应模型基本反应模型结构性能模型结构性能模型功能性能模型功能性能模型使用寿命模型使用寿命模型概率型概率型残存

13、曲线模型残存曲线模型马尔可夫（马尔可夫（Markov）模型）模型半马尔可夫模型半马尔可夫模型School of Transportation, Southeast University 东南大学交通学院东南大学交通学院（1）使用性能模型的类型）使用性能模型的类型n基本反应模型基本反应模型预估路面在荷载和气候因素作用下的基本反应，预估路面在荷载和气候因素作用下的基本反应，如弯沉、应力和应变等。如弯沉、应力和应变等。可通过经验法、力学法或力学可通过经验法、力学法或力学经验法，并通过经验法，并通过应用野外观测数据进行标定后建模。应用野外观测数据进行标定后建模。 n结构性能模型结构性能模型结构性能模型

14、既可以预估路面各种单项损坏，如结构性能模型既可以预估路面各种单项损坏，如开裂、车辙等；也可预估路面的综合损坏状况，开裂、车辙等；也可预估路面的综合损坏状况，如路面状况指数如路面状况指数PCI等。等。多采用力学多采用力学经验法或经验法建模。经验法或经验法建模。 School of Transportation, Southeast University 东南大学交通学院东南大学交通学院（1）使用性能模型的类型）使用性能模型的类型n功能性能模型功能性能模型功能性能模型用于预估路面行驶质量指数功能性能模型用于预估路面行驶质量指数RQI或或现时服务能力指数现时服务能力指数PSI、表面抗滑性等。这些指、

15、表面抗滑性等。这些指标同使用者的舒适性、安全性和经济性密切相关标同使用者的舒适性、安全性和经济性密切相关可采用力学可采用力学经验法或经验法建模经验法或经验法建模 n使用寿命模型使用寿命模型这类模型用于预估路面达到某预定损坏状况或服这类模型用于预估路面达到某预定损坏状况或服务水平时的使用寿命。务水平时的使用寿命。如选用轴载作用次数指标如选用轴载作用次数指标，则适用于设计路面的养护和改建方案；，则适用于设计路面的养护和改建方案；如选用如选用时间指标，则较多用于路面各种养护和改建方案时间指标，则较多用于路面各种养护和改建方案之间的经济评价。之间的经济评价。可分别采用力学可分别采用力学经验法和经验法建

16、模。经验法和经验法建模。 School of Transportation, Southeast University 东南大学交通学院东南大学交通学院（1）使用性能模型的类型）使用性能模型的类型n残存曲线模型残存曲线模型残存曲线是路网内已使残存曲线是路网内已使用若干年用若干年(或作用次数或作用次数)而而仍不需重大养护或改建仍不需重大养护或改建的路面的残存比例随时的路面的残存比例随时间的变化曲线。间的变化曲线。多用于设计路网内路面多用于设计路网内路面的养护和改建方案。的养护和改建方案。可以根据公路部门保存可以根据公路部门保存的有关路面修建、养护的有关路面修建、养护和改建活动的历史记录和改建活动

17、的历史记录，确定新建或改建后每，确定新建或改建后每年需养护或改建的路面年需养护或改建的路面的比例后得到。的比例后得到。 School of Transportation, Southeast University 东南大学交通学院东南大学交通学院（1）使用性能模型的类型）使用性能模型的类型n马尔可夫模型马尔可夫模型核心内容：状态转移矩阵核心内容：状态转移矩阵表示路网内一组具有相同属性表示路网内一组具有相同属性(结构、交通等级、使用结构、交通等级、使用年龄和环境因素等方面相同年龄和环境因素等方面相同)的路面，其使用性能指标的路面，其使用性能指标在预定时段内从某一状态转移到另一状态的概率。在预定时

18、段内从某一状态转移到另一状态的概率。假设：假设：路面使用性能指标存在着有限个状态。路面使用性能指标存在着有限个状态。路面使用性能从某一状态转移到另一状态的概率只与路面使用性能从某一状态转移到另一状态的概率只与当前的状态有关，而与以前的状态无关当前的状态有关，而与以前的状态无关转移过程是静态的，亦即转移概率不随时间变化。在转移过程是静态的，亦即转移概率不随时间变化。在许多情况下，这许多情况下，这假设不能成立。假设不能成立。School of Transportation, Southeast University 东南大学交通学院东南大学交通学院（1）使用性能模型的类型）使用性能模型的类型n半马

19、尔可夫模型半马尔可夫模型除了假设转移过程仅在某一小时段内是静态的之除了假设转移过程仅在某一小时段内是静态的之外，在其它方面部和马尔可夫模型相同。外，在其它方面部和马尔可夫模型相同。由于它承认路面状况及气候和交通的变化都能引由于它承认路面状况及气候和交通的变化都能引起转移过程的改变，因此更吻合实际情况。起转移过程的改变，因此更吻合实际情况。School of Transportation, Southeast University 东南大学交通学院东南大学交通学院（2） 建模方法建模方法n一、确定型模型的建模方法一、确定型模型的建模方法在现有的路面管理系统中，较多采用确定型模型在现有的路面管理系

20、统中，较多采用确定型模型预估路面的基本反应预估路面的基本反应(应力、应变或位移等应力、应变或位移等)、结、结构性能、功能性能和使用寿命构性能、功能性能和使用寿命(以累计轴载作用以累计轴载作用次数或时间计次数或时间计)等。等。力学法力学法力学力学-经验法经验法经验经验(回归回归)法法School of Transportation, Southeast University 东南大学交通学院东南大学交通学院（2） 建模方法建模方法n二、概率型模型的建模方法二、概率型模型的建模方法确定型模型的缺点：确定型模型的缺点：影响路面使用性能变化的因素都具有不同程度的变异影响路面使用性能变化的因素都具有不同

21、程度的变异性，因而使用性能变化的速率是不确定的。显然，确性，因而使用性能变化的速率是不确定的。显然，确定型模型无法反映使用性能变化速率的这种不确定性定型模型无法反映使用性能变化速率的这种不确定性，因而并不能保证得到可靠预估。，因而并不能保证得到可靠预估。所以，有必要研究概率型模型的建模方法，以建立能所以，有必要研究概率型模型的建模方法，以建立能够表达使用性能不确定性变化的概率型模型，供路面够表达使用性能不确定性变化的概率型模型，供路面管理系统尤其是网级管理系统使用管理系统尤其是网级管理系统使用 概率型模型：概率型模型：残存曲线模型残存曲线模型马尔可夫模型（应用较多，较为完善）马尔可夫模型（应用

22、较多，较为完善）半马尔可夫模型半马尔可夫模型 School of Transportation, Southeast University 东南大学交通学院东南大学交通学院（3）建模的一般程序）建模的一般程序n1.明确模型的用途和预估目标明确模型的用途和预估目标n2.使用性能变量及其影响变量的选用原则使用性能变量及其影响变量的选用原则使用性能变量使用性能变量主要依据整个系统的考虑，同评价和优化二个子系统主要依据整个系统的考虑，同评价和优化二个子系统中所采用的相一致。中所采用的相一致。网级多用综合性指标；项目级多用单项指标。网级多用综合性指标；项目级多用单项指标。影响变量影响变量理论分析或实际经

23、验。理论分析或实际经验。n3.数据收集和预处理数据收集和预处理尽可能收集全。尽可能收集全。数据过滤，去伪存真。数据过滤，去伪存真。School of Transportation, Southeast University 东南大学交通学院东南大学交通学院（3）建模的一般程序）建模的一般程序n4.选择模型形式和模型结构选择模型形式和模型结构确定性模型：确定性模型：依据理论分析和工程经验，确定模型形式依据理论分析和工程经验，确定模型形式(如如指数形式、多项式等指数形式、多项式等)概率型模型：概率型模型：要根据路面使用性能的评价系统和公路部门要根据路面使用性能的评价系统和公路部门传统的评价习惯，确

24、定路况状态的划分和组成传统的评价习惯，确定路况状态的划分和组成 n5.建立模型及检验建立模型及检验按照各自模型的形式和结构，采用数学方法对模按照各自模型的形式和结构，采用数学方法对模型中的参数进行估计并进行假设检验，最终识别型中的参数进行估计并进行假设检验，最终识别和确认所建立的具体模型和确认所建立的具体模型 School of Transportation, Southeast University 东南大学交通学院东南大学交通学院（3）建模的一般程序）建模的一般程序n6.模型的标定模型的标定模型必须经标定后方能使用模型必须经标定后方能使用所建立的模型大都是通过分析路网长期积累为路况信所建立

25、的模型大都是通过分析路网长期积累为路况信息得到的，因而这些模型实质是平均模型，具有时空息得到的，因而这些模型实质是平均模型，具有时空平均意义；而对于某一特定路段而言，大多不能和模平均意义；而对于某一特定路段而言，大多不能和模型相吻合，应根据实际数据对模型进行修正型相吻合，应根据实际数据对模型进行修正所建模型只能反映过去的养护水平，而今后的养护水所建模型只能反映过去的养护水平，而今后的养护水平可能会有所变化，因此应根据养护水平的变化对平可能会有所变化，因此应根据养护水平的变化对模型进行修正模型进行修正路面在采取改建对策后，使用性能会产生突变，亦即路面在采取改建对策后，使用性能会产生突变，亦即使用

26、性能预估的起点将会变更，因此需要随之改变模使用性能预估的起点将会变更，因此需要随之改变模型的预估起点型的预估起点 School of Transportation, Southeast University 东南大学交通学院东南大学交通学院（4）典型的性能预估模型）典型的性能预估模型n路面结构设计方法中的疲劳方程路面结构设计方法中的疲劳方程美国沥青协会的沥青路面设计方法：美国沥青协会的沥青路面设计方法：根据室内小梁疲劳试验结果，并按根据室内小梁疲劳试验结果，并按AASHO试试验验路观测资料进行调整后得到轮迹带开裂量验验路观测资料进行调整后得到轮迹带开裂量为为10以下时沥青混凝土面层的疲劳方程以

27、下时沥青混凝土面层的疲劳方程 利用上述疲劳方程就可以按路面反应的实际利用上述疲劳方程就可以按路面反应的实际级位预估路面的使用寿命，或者预估路面使用级位预估路面的使用寿命，或者预估路面使用性能的衰变速率。然而，性能的衰变速率。然而，所能预估的仅为疲劳所能预估的仅为疲劳开裂这一种开裂这一种结构性能变量结构性能变量School of Transportation, Southeast University 东南大学交通学院东南大学交通学院（4）典型的性能预估模型）典型的性能预估模型n按反应级位预估功能性使用性能的方法按反应级位预估功能性使用性能的方法利用利用AASHO试验路现时服务能力指数试验路现时

28、服务能力指数(PSI)公式公式 通过结构分析可以确定路面疲劳开裂量、车辙深通过结构分析可以确定路面疲劳开裂量、车辙深度和纵坡方差随时间的变化，由此按式度和纵坡方差随时间的变化，由此按式(4-3)预估预估PSI的变坏速率的变坏速率重新整理重新整理AASHO试验路资料，确定相应的应力试验路资料，确定相应的应力和应变级位，然后同现时服务能力指数的变化相和应变级位，然后同现时服务能力指数的变化相关联，提出有关的预估方程（关联，提出有关的预估方程（P.Uilidtz，丹麦），丹麦）School of Transportation, Southeast University 东南大学交通学院东南大学交通学

29、院（4）典型的性能预估模型）典型的性能预估模型n经验法：美国空军经验法：美国空军PAVER管理系统管理系统采用路面状况指数采用路面状况指数PCI作为使用性能变量。作为使用性能变量。利用逐步同归分析方法，对分布在全国各地的利用逐步同归分析方法，对分布在全国各地的37个空军基地的道面状况进行分析后，整理得到个空军基地的道面状况进行分析后，整理得到PCI的预估方程。的预估方程。y路面建成或新近一次加铺后的年数；路面建成或新近一次加铺后的年数；yc路面建成后到新近一次加铺之间的年数；路面建成后到新近一次加铺之间的年数；as同路面总厚、路基同路面总厚、路基CBR值、当量单轮的接触面积和接触压力有值、当量

30、单轮的接触面积和接触压力有关的函数；关的函数；Ta沥青面层厚度（如有加铺层、则也包括其厚度）（沥青面层厚度（如有加铺层、则也包括其厚度）（in）；）；aa同沥青面层厚度、基层同沥青面层厚度、基层CBR值、当量单轮的接触面积和接触压值、当量单轮的接触面积和接触压力有关的函数力有关的函数 100(1.487/0.1430.656/1.23scaaPCIyayTaSchool of Transportation, Southeast University 东南大学交通学院东南大学交通学院（4）典型的性能预估模型）典型的性能预估模型n经验法：华盛顿州管理系统经验法：华盛顿州管理系统把平整度和路面损坏状

31、况二方面综合成一个评价把平整度和路面损坏状况二方面综合成一个评价指标指标R，作为使用性能变量。，作为使用性能变量。综合综合13年的观测资料，分别为不同类型的路面和年的观测资料，分别为不同类型的路面和养护或改建对策提出了综合使用性能指标养护或改建对策提出了综合使用性能指标R的预的预估模型估模型y年数年数 School of Transportation, Southeast University 东南大学交通学院东南大学交通学院4、 排序和优化方法排序和优化方法n网级管理决策中：网级管理决策中：项目规划项目规划规划期内，路网内哪些路段（或哪些项目）要采取改建措施规划期内，路网内哪些路段（或哪些项

32、目）要采取改建措施这些改建任务应安排在什么时候进行（时序安排）这些改建任务应安排在什么时候进行（时序安排）对这些需改建的路段或项目，宜采取什么对策对这些需改建的路段或项目，宜采取什么对策 财政规划财政规划保持路网内路面的使用性能在某一要求的水平上所需的投资水平保持路网内路面的使用性能在某一要求的水平上所需的投资水平资金在各行政区域和各类对策（新建、改建和养护）之间的最佳资金在各行政区域和各类对策（新建、改建和养护）之间的最佳分配分配由于公路部门资金短缺（预算受限制），道路使用者承担的费用由于公路部门资金短缺（预算受限制），道路使用者承担的费用将增长到什么程度将增长到什么程度项目级系统中项目级系

33、统中如何选择在分析期内最经济有效的养护和改建对策序列？如何选择在分析期内最经济有效的养护和改建对策序列？School of Transportation, Southeast University 东南大学交通学院东南大学交通学院4、 排序和优化方法排序和优化方法n排序和优化方法的几种类型排序和优化方法的几种类型根据路面使用性能参数进行排序根据路面使用性能参数进行排序现时服务能力指数（现时服务能力指数（PSI）、路面状况指数（）、路面状况指数（PCI）等）等以客观路况进行分等，使用迅速简便，但所得结果可以客观路况进行分等，使用迅速简便，但所得结果可能远非最优。能远非最优。根据经济分析参数进行排

34、序根据经济分析参数进行排序净现值、效益净现值、效益费用比、内部收益率等费用比、内部收益率等比较简便、分析结果较接近于最优。比较简便、分析结果较接近于最优。利用线性规划或整数规划模型利用线性规划或整数规划模型按总费用最小或效益最大进行优化按总费用最小或效益最大进行优化较复杂，可以得到最优的结果。较复杂，可以得到最优的结果。利用动态决策模型利用动态决策模型按总费用最小进行优化按总费用最小进行优化主要适用于财政规划主要适用于财政规划 School of Transportation, Southeast University 东南大学交通学院东南大学交通学院4、 排序和优化方法排序和优化方法n优化与排序方法的区别优化与排序方法的区别排序方法用于网级项目规划时，其决策实质上是一组项目决策的总排序方法用于网级项目规划时，其决策实质上是一组项目决策的总和。没有在对策选择时考虑项目之间的折衷和。没有在对策选择时考虑项目之间的折衷 优化方法则在分析时同时考虑路网内每个项目的对策方案和采取措优化方法则在分析时同时考