高速公路路面养护辅助决策系统

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摘要：针对高速公路养护部门的实际需要，设计基于地理信息系统(Geographical Information System，GIS)的高速公路路面养护辅助决策系统的体系结构，提出利用专家知识库实现辅助决策的概念模型，构建关键模型，给出系统开发方法和关键功能的实现过程， 为管理人员提供科学的路面养护维修决策支持.

关键词：高速公路；路面养护；决策支持系统；地理信息系统

中图分类号：U412.366.2;U418.6;C934文献标志码：A

Computer aided decision-making system on expressway pavement maintenance

HAO Yuan, XU Tiandong, SUN Lijun

(Key Lab. of Road & Traffic Eng. of Ministry of Edu., Tongji Univ., Shanghai 200092, China)

Abstract：With the requirements of expressway maintenance department, the system framework of computer aided decision-making system on expressway maintenance is designed based on Geographical Information System (GIS). The conceptual model is put forward to implement computer aided decision-making by using expert repository. The key model is also constructed. The development method and implementation process of key functions are introduced. It can provide scientific decision-making for managers to maintain expressway pavement.

Key words：expressway; pavement maintenance; decision-making system; geographical information system

0引言

随着我国经济的高速发展，高速公路的建设速度明显加快，里程数不断增加.道路交通量的猛增和车辆的日趋重型化导致路面损坏愈加迅速，承载能力衰减加剧，道路的服务水平也随之大幅下降，一些高速公路在运营过程中逐渐暴露出路面严重失养、养护资金分配不当等问题，同时高速公路使用者对舒适性和安全性等要求也越来越高，这引起公路管理部门的普遍关注，传统而陈旧的管理方法已无法满足现代高速公路运营管理的需要.在此背景下，研发通用的高速公路路面养护辅助决策系统原型具有十分重要的意义.

1系统体系结构设计

1.1影响决策的技术因素分析

在进行决策时管理人员要考虑两方面的因素：工程技术因素[1]和非工程技术因素.对于前者，系统能够给出较多的辅助分析信息；对于后者，任何系统实际上都无法给出满意的方案，只能由管理人员来决定.影响决策的工程技术因素[1，2]主要有：路面使用性能评价标准、路面对策确定原则、经济评价、优先次序排定原则、费用标准和决策水平等.

1.2系统体系结构设计

通过分析影响决策的技术因素，结合高速公路养护管理部门的实际需求，可以以空间数据库和属性数据库为基础，综合利用大量的专家知识、路面管理相关模型和推理机，通过智能用户接口辅助决策者决策.[3，4]系统的总体框架设计见图1，主要包括系统设定、信息输入、统计查询、计划决策、综合分析、显示查询、系统输出和数据维护等模块.系统在逻辑结构上由3部分组成：数据及原则、分析工具系统和解释输出系统等.

图 1系统总体框架(1)数据及原则由数据库和知识库组成：数据库存放大量的路面使用性能数据，包括各项路面损坏、路面平整度、路面弯沉、路面抗滑、路段交通量和路面结构组成数据等属性数据；知识库则包括路面损坏状况指数计算标准，路面使用性能评价标准，路面对策确定原则、路面各种排序原则、决策水平和道路定义以及交通量、弯沉、平整度标定方法等.通过对这一部分的调整，即可达到改变系统原则的目的.反复改变知识库，便可得出不同决策原则下的系统输出结果，从而为管理人员提供各种条件下的决策参考信息.(2)分析工具系统：包括路面使用性能评价分析、路面对策分析、本年度优先次序排序、预测分析、未来10年内各年度对策分析、经济分析、优先次序和优化及路段维修方案比选等.这些工具将根据管理人员所设定的标准和原则，对路面的各种使用性能进行分析，并将结果交给解释输出系统.(3)解释输出系统：包括屏幕输出、报表输出和专题图输出等3种输出功能.

1.3专家知识系统概念模型

任何路面养护问题的解决单靠理论分析是不够的，还必须借助于工程经验.本系统采用大量的经验知识，将经验知识与理论知识放在同等地位上，并采用专家系统技术处理这些技术.实践证明，采用“专家知识库―推理机―输出”的结构体系是最为实用和有效的软件体系，其概念模型见图2.

2系统关键模型建立

2.1评价模型

路面使用性能评价是依据所采集到的路面状况数据，对路面性能满足使用要求的程度作出判断.利用这一判断，可以了解道路的服务水平，判别道路内需要采取养护和改建措施的路段，为之选择相应的养护和改建对策，并作为项目优先排序的一项依据.采用行驶质量指数RQI，路面损坏状况指数PCI，弯沉L，侧向力系数SFC等表征路面的行驶质量，表面损坏状况，结构承载能力及抗滑能力等，进而评价路面的的使用性能.评价标准模型见图3.

2.2预测模型

预测模型见图4，包括路面状况指数PCI模型、行驶质量指数RQI模型、结构强度指数DEF模型等，用户可以选择不同路面结构层厚度和交通量等级等参数，右侧的图形区是相应的使用性能随使用年限的衰变速率.

2.3排序模型

决策优先次序是对确定对策的养护项目进行优先级别选择的准则.系统建立两类排序原则：按使用性能指标排序和按经济指标排序.

2.4路面养护决策树

路面养护决策树是根据路面结构能力、路面损坏状况、路面行驶质量、基层材料和交通量等影响路面的主要因素，针对高速公路的养护现状，采纳专家意见总结所得的一系列养护对策，在不同类型和不同组合的路面使用状况下，按一般养护水平、较低养护水平和较高养护水依次定义3种对策，分别作为备选.路面养护决策树见图5，相应的决策费用模型见图6.

3系统开发和关键功能实现

3.1系统开发

3.1.1开发方法

应用软件以Windows 2000或Windows XP为操作系统平台，采用VB 6.0集成MapObjects 2.0和Microsoft Office 2000进行软件开发.其中还使用美国ESRI公司的地理信息系统(Geographical Information System,GIS)专业软件――Arcview 3.2进行地理信息数据处理，并以“ActiveX”插件(MapObjects 2.0)作为VB中驱动地理信息数据的控件，通过编程实现GIS功能.系统开发的逻辑结构见图7.图 7系统开发逻辑结构3.1.2数据库的建立

(1)空间数据库的建立.空间数据是建立GIS的基础.空间数据库就是由GIS所管理的一张数字化地图，其中主要包括管理系统中各管理对象的地理位置和其他相关地理信息.空间数据库建立的过程是将管理对象的地理信息数字化后载入GIS的过程.系统中空间数据库[5]的建立是在香港路劲基建公司提供的高速公路的AutoCAD图形文件(*.dwg格式)基础上，根据需求进行图层划分，并把各图层的管理单元做成多个“块”，然后再把各专题图层通过GIS专业软件转换为MapObjects可识别的ShapeFile数据格式文件.

(2)属性数据库的建立.系统中的属性数据可分为路面状态信息和专家知识，路面状态信息主要包括路面外观尺寸和损坏状况等，而专家知识主要通过整理大量路面设计、施工和养护专家的经验，总结出科学的评价分析标准，作为对路面状况进行评价的依据.属性数据库的建立是把各属性数据分别存放在对应的数据表中，将相关数据表相互关联，并以一定的编号作为查询字段.

(3)空间数据库和属性数据库的连接.为了真正发挥GIS的功能，必须把已建成的空间数据库和属性数据库连接起来.[6]系统利用在空间数据库和属性数据库中设置的相同字段(如DINCODE)，以“虚连接”方式将空间数据库中的面域与属性数据库中的记录一一对应，这样就可以实现“图文互访”的功能.

3.2关键功能实现

3.2.1计划决策优化分析

根据道路状况作出近期养护计划以及中长期养护维修规划[7]，是管理部门需要进行的日常工作，也是路面辅助决策系统需要完成的核心功能之一.该养护计划在道路现状的评价基础上选择出已经达到使用寿命末期的道路集合，通过决策分析确定该集合内每个管理养护单元的养护维修对策.中长期养护规划，是在5或10年分析期内，以分析期初年道路现状作为基础，通过逐年使用性能预测，对分析期内每年达到使用寿命末期的道路确定养护对策和相应的建设费用.两者的对比及一般决策流程可以用图8和9描述.

3.2.2综合分析

综合分析主要包括费用影响分析、费用需求分析和中长期养护规划统计分析等.

费用影响分析模块用于路面中长期养护维修费用的优化配置分析，用户可以看到不同投资状况下路面的中长期性能变化趋势,并可以通过不断地调整资金分布达到投资和路面使用性能较为合理的组合，从而得到资金的较优配置和较为满意的路面服务水平.费用影响分析允许1次输入3种投资方案，系统将给出这3种投资方案影响下路面使用性能的变化趋势，界面见图10.

费用需求分析模块主要分析维持设定范围内路段的使用性能在一定服务水平之上的资金需求.分图

析结果将显示不同服务水平要求下资金的逐年分布情况.费用需求分析共提供两大类需求分析：第1类需求分析用于分析设定范围内所有路段的使用性能指标最低维持在某一要求水平之上所需要的养护维修资金；第2类需求分析则用于分析设定范围内所有路段的使用性能指标平均维持在某一水平之上所需要的养护维修资金.初始界面见图11.

4结论

根据高速公路养护管理部门的实际需要，设计并开发通用的基于GIS的高速公路路面养护辅助决策系统原型，实现信息管理，GIS，计划决策优化分析，费用需求分析，费用影响分析，综合统计分析和报表输出等功能，为管理人员提供科学的路面养护维修辅助决策工具.

参考文献：

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[2]孙立军, 徐天东, 陈长, 等. 香港路劲基建公司公路养护辅助决策系统研究报告[R]. 同济大学, 2004: 1-20.

[3]范明, 王宇. 油田财务决策支持系统的设计[J]. 计算机辅助工程, 2005, 14(1): 40-43.

[4]刘艳琴, 梁华. DSS的研究和实践[J]. 计算机辅助工程, 1998, 7(2): 34-36.

[5]徐天东, 孙立军, 郝媛, 等. 长益高速公路信息管理系统研究和开发[C]//第2届中国国际沥青大会, 2004: 141-146.

[6]马京涛, 孙立军. 基于GIS的城市道路管理系统的数据管理综合研究[J]. 中国公路学报, 2001, 14(S1): 54-58.

[7]FWA T F, CHAN W T, HOQUE K Z. Multiobjective optimization for pavement maintenance programming [J]. J Transportation Eng, 2000,

注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”