基于建养一体化的高速公路养护管理系统研究
摘要：公路建设项目信息化解决方案是近年来公路行业兴起的一门结合计算机技术、公路建设特点和网络集成的交叉性、综合性新系统，它将公路建设项目管理的最新理念和方法与计算机技术、网络技术相结合，将地理分布在各地的项目信息及各种数据进行收集、汇总和存储，建立数据库管理系统，有效地对项目进行管理，并能以数字、图形等多种形式提供给管理者，以实现“三控两管一协调”的管理目标。通过使用计算机软件系统，依赖完善的计算机网络来提供一套规范化、自动化、科学化的工程项目管理模式，可以支持工程项目实施过程中涉及的管理部门、业主、监理、施工单位等内部业务及相关业务之间的各种业务交互，达到加速工程项目各种信息的流转速度，提高工作效率，强化工程项目管理的信息化水平，降低工程项目建设成本的目的。
关键词：高速公路，建养一体化，养护管理，数据系统
0 引言
随着我国高等级公路建设的迅猛发展，传统的、长期计划经济体制下的经验型养护运营管理模式，已不能适应其发展要求，目前暴露出的问题集中反映在以下几个方面：（1）养护管理体制不完善。（2）养护运行机制落后，“重建轻养”思想严重。（3）缺少养护定额与规范。（4）养护机械配套率不足，养护科技含量低。（5）养护管理人员总体素质普遍偏低。上述问题造成了我国高等级公路养护运营管理技术落后，严重制约了高等级公路安全、快捷、舒适、经济等性能的充分发挥，已形成我国公路事业发展的瓶颈。高速公路建养一体化是指在高速公路的生命周期内，针对高速公路产品的环境、费用、可用性等目标，对建设和养护业务数据进行历史地、空间地综合分析，为高速公路的建设、养护过程提供信息共享和决策支持。从而保证高速公路的环境的可持续发展、费用合理、高可用性等，提高高速公路建设和养护水平。因此，积极开展基于网络的高速公路养护运营管理系统研究是十分必要的。
1.养护运营管理系统的基本数据采集
高速公路网络化养护运营管理系统对于基础数据的总体要求及达到的目标如下：
(1)建立包括公路属性数据库、公路中心数据库以及公路养护业务数据库的公路养护管理数据库；
(2)建立基于公路养护数据库的查询体系，通过查询系统，不同授权的部门和公众可以有重点的了解全省公路的分类信息；
(3)建立基于公路养护管理数据库的养护日常管理体系，如报表管理、计划管理；
(4)建立基于公路养护管理数据库的辅助决策体系；
(5)建立基于公路养护管理数据库的信息社会化服务体系。
(6)建立包括监控指挥、通信、强电管理、照明管理、收费管理、办公管理、资产管理、设备管理的标准化运营管理体系。
2高速公路路面状况数据的评价
2.1交通数据采集
车辆荷载的作用，是使路面产生损坏的重要外界因素。为了分析路面损坏的原因和损坏的速率，建立使用性能与模型，估算经济效益，确定项目的优先序列等，需要采集路网内各路段的交通数据。交通数据包括日交通量、轴载组成和年平均增长率三方面内容，这些数据可以直接从各交通量观测站和轴载称重站取得。
2.2路面破损状况的调查及评价
路面结构的破损状况，反映了路面结构在行车和自然因素作用下保持完整性或完好的程度。新建或改建的路面，都需采取日常养护措施进行保养，以延缓路面损坏的出现；而在结构路面出现破损后，应及时采取相应的维修措施以减缓损坏的发展速度；但路面破坏状况恶化到一定程度后，便须采取改建或重建措施以恢复或提高其结构完好程度。因而，路面结构损坏的发生和发展同路面养护和改建工作密切联系。根据造成破损的原因、病害的严重程度和几何形状的不同，各国对路面破损有不同的分类方法。
损坏调查通常由两人调查小组沿线通过目测进行。调查人员鉴别调查路段上出现的损坏的类型和严重程度并丈量损坏范围后，记录在调查表格上。同一个路段上如出现多种损坏或多种严重程度，应分别计量和纪录。
高速公路和一级公路路面破损数据调查，宜采用先进快速的方法，其他等级公路可采用人工调查的方法。
2.3路面强度的调查及评价
路面强度（路面结构承载能力）是指在达到预定的损坏状况之前还能承受的行车荷载作用次数，或者还能使用的年数路面结构的承载能力同损坏状况有着内在联系。在使用过程中，路面的承载能力逐渐下降，与此同时损坏逐渐发展。承载能力低的路面结构，其损坏的发展速度迅速；承载能力接近于临界状态时，路面的损坏达严重状态，此时必须采取改建措施（设置加铺层）以恢复或提高其承载能力。
路面载荷作用下的弯沉值，可以反映路面结构的承载能力。路面的结构破坏可以是由于过量的竖向变形所造成，也可能是由于某一结构层的断裂破坏所造成。对于前者，采用最大弯沉值表征结构承载能力较合适；对于后者，则采用路表弯沉盆的曲率半径表征其承载能力更为合适。因而，理想的弯沉测定应包含最大弯沉值和弯沉盆。
不同路面结构具有不同的路表弯沉值。因而不能单独从最大弯沉值大小来判断路面结构得剩余寿命。同时，路面结构的承载能力会在使用过程中逐渐下降。反映在弯沉值变化上，则为路段的代表弯沉值随时间的增加而逐渐增长。随着弯值的增长，路面逐渐出现车辙变形和裂缝等损坏。定义某种程度损坏为临界状态，相应于这种损坏状态的路面弯沉值，即为路面结构的极限承载力。为此，要判断现有路面结构的承载能力（剩余寿命），除了由测定得到的弯沉值外，还须知道路面结构类型、路面损坏状况以及到调查测定时已承受的标准轴载作用次数。
2.4路面行驶质量的调查及评价
路面平整度可以定义为路面表面使行驶车辆出现振动的高程变化。路面不平整所引起的车辆振动，会对车辆磨损、燃油消耗、行车速度、路面损坏和交通等方面产生直接影响。由于评价带有个人主观性，为了避免随意性，乃提出了主客观性结合的评价方法。一方面邀请具有不同代表性的乘客，分别按个人的主观意见进行评价，而后汇总大家的评价，以平均评分值代表众人的评价。另一方面对各评价路段进行平整度量测。通过回归分析建立主观评分同客观两侧结果的相关关系。由此建立的评价模型，便可用来对路面行驶质量进行较统一的评价。
2.5路面抗滑性能的调查及评价
影响路面抗滑性能的因素有路面特性（细构造和粗构造）、路面潮湿程度和行车速度。路表面的细构造是指集料表面的粗糙度，它随车轮的反复磨耗作用而逐渐被磨光。通常采用石料磨光值（PSV）表征其抗磨光的性能。细构造在低速（30~50km/h以下）是对路面抗滑性能其主要作用。而高速是起主要作用的是粗构造。它是由路面外露集料间形成的构造，其功能是使车轮下的路表水迅速排出，以避免形成水膜。粗构造由构造深度表征其性能。
3养护运营管理系统子系统研究
3.1养护运营地理信息子系统
（1）系统功能范围
a.整合工程建设数据，建立适合运营维护需要的空间数据库；
b.工程建设数据和运营维护数据的空间查询；
c.基于空间信息的统计、分析；
d.高速公路专业信息图层控制；
e.基于WebGIS技术的电子地图网上浏览、查询；
f.基于高速公路界桩、里程的空间定位、查询；
g.专题图发布。
（2）系统具体模块
1）GIS导航模块
在地图上的路段、桥梁、涵洞等地理要素查询得到相应对象的数字、文档、图像及视频信息，由路段编号、桥梁编号等标识信息查询得到其空间方面的信息。单击导航图上公路线的任意一点，即能得到该点处的里程桩范围，并能对该里程范围内的各项公路数据进行定点查看与操作。
2）查询分析模块
实现查询道路交通流量分析、道路病害、水毁情况等公路基本数据以及路面状况指数PCI、行驶质量指数RQI、抗滑性能指数SRI等养护相关道路评价参数。
3）内部查询
实现养护主管单位领导、业务负责人随时随地进行查询和无纸化办公管理，同时内部与外部数据严格隔离，保证数据的安全。
4）公众查询
通过互联网实现向社会公众发布道路维修、限行等路况信息。
3.2养护管理子系统
养护管理子系统是利用自动化检测技术、信息技术系统工程技术和公路工程技术，对高速公路路产进行养护、管理与决策的集成系统。本系统着重管理高速公路有形资产：包括路基、边坡、中央隔离带、路面、路角、桥涵构造物、沿线设施（标志、标线、收费站作业面和养护工区）和道路环境（绿化、广告等）。主要分为：
（1）养护基础数据信息分子系统
1)外业调查模块：包括交通流量分析、日常巡护、道路病害、水毁情况等公路基本数据以及有关的图像、视频等多媒体信息的输入和建档。
2)档案管理模块：实现养护相关数据的分析、处理、归类、统计等综合管理，按需要生成各种相关信息。
3)数据维护模块：养护基础数据的分类管理、数据备份与还原、数据安全防护等。
（2）养护维修管理分子系统
1)合同管理模块：包括实现高速公路大中小修、新建、改建等养护工程项目的实时管理，提供工程项目登记、承包合同、协议等资料存档管理。
2)成本管理模块：包括养护预算的编制与计算，相关人工、材料、机械的价格和消耗分析以及其他相关费用的管理。
3)质量管理模块：养护施工过程的质量检测和分项汇总评定，施工质量问题的处理管理、工程交竣工管理等。
4)施工管理模块：包括养护过程中的技术方案、施工组织计划，相关人工设备的安排及其他相关的管理。
5)计划管理模块：养护施工过程的质量检测和分项汇总评定，施工质量问题的处理管理、交竣工管理等。
（3）养护辅助决策分子系统
1)决策模型模块：包括路况评价分析模型库、养护需求模型库、养护投资效益分析模型库、费用优化模型库、养护维修方案模型库、工程专家库。
2)养护质量模块：计算公路路面状况指数PCI、道路行驶质量指数RQI、路面结构强度指数PSSI、路面抗滑性能指数SRI、路面综合状况指数PQI、路基养护状况指数SCI、桥涵构造物养护状况指数BCI及沿线设施养护状况指数等指标，实现养护状况综合评定指标MQI的计算并做出质量等级评定。
3)道路性能模块：包括破损率、弯沉、抗滑值、平整度、路基状况、桥涵构造物状况、沿线设施状况的计算及其数据的录入或导入，进行道路状况的评估。
4)养护决策模块：根据PCI、PSSI、RQI、SRI、PQI的评价结果确定养护措施及费用，提供基本方案、加强方案、经济方案、备选方案，并提供指标的发展趋势曲线。根据养护措施进行费用效果分析，将所有评价结果和养护措施及其费用汇总，供领导审核并做出审核批示。
5)养护计划模块：进行包括大、中、小修的养护计划的编制，并生成这些月、季度、年度计划报表和统计报表的数据，最终形成养护计划报告书。
3.3交通机电管理子系统
（1）监控指挥分子系统
该系统为全数字综合调度指挥系统。主要为交通指挥、管理决策提供全面的信息服务与决策依据，实现高速公路运营可视化管理，使高速公路正常、有序、高效地运行，提高高速公路经营效率，创造更大的社会经济效益。系统功能主要有监控中心计算机局域网络系统、视频信号传输与监视系统、监控软件系统、数据采集和显示控制回路系统和公众信息发布系统。
（2）通信分子系统
通信系统是实现高速公路现代化管理的基础平台，是高速公路收费、监控系统话音、数据和图像的传输通道。既满足高速公路管理和运营的要求，又要为向外提供服务留有扩展的余地，应具有适用性好、安全可靠性高、传输速率快、易于升级扩展的特点。系统功能主要有光纤数字传输系统、综合业务接入网系统、ATM/IP网络系统、语音交换系统和网管系统。
（3）强电管理分子系统
该系统为高速公路强电系统管理提供实用、简捷的管理工具，收集积累强电管理经验和数据，辅助决策和调度，规范强电管理制度和技术手段。它有着信息完整、提高效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势，是电力调度管理、处理应急不可缺少的工具。系统功能主要有用电信息管理、电力电缆管理、电力保障管理、维抢修调度管理、强电设备管理和强电管理数据积累。
（4）照明管理分子系统
该系统对高速公路沿线及相关附属区域的照明系统进行有效的管理控制，保障路段照明和收费站、补给站等区域的正常照明，通过各种检查记录及时预警故障高发线路、区域，为照明保障和维抢修提供决策支持。系统功能主要有照明电路检修、公路沿线路灯管理、收费站照明管理、高速公路照明维修管理、补给站照明管理、检修、维修、抢修记录分类归档和照明管理数据积累。
4小结
（1）介绍了养护运营管理系统基本数据要求与特点，分析了路面状况数据的采集与路用性能评价。
（2）高速公路网络化养护运营管理系统从公路养护运营管理的职能和实际情况出发，利用地理信息系统（GIS），建设公路养护运营信息系统，实现动态、可视化的管理各级单位，完成公路养护运营管理信息的采集、存储、分析和应用，为公路养护运营管理提供了信息及决策支持。
（3）高速公路网络化养护运营管理系统的子系统分别是养护运营地理信息子系统、高速公路三维可视化子系统、养护管理子系统、交通机电管理子系统、收费管理子系统、办公及资产管理子系统。
（4）通过本系统的应用，公路系统各级领导、部门可以通过互联网直观、方便的查询与公路养护运营相关的各类信息，制定科学有效的养护运营方案，提高公路行业工作效率和管理水平，实现科学化管理。
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