基于GIS的省级高速公路路面管理系统框架研究

基于GIS的省级高速公路路面管理系统框架研究
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摘  要  基于GIS的省级高速公路路面管理系统是采用路面管理技术、交通地理信息系统技术和HDM-4模型建立的针对包括沥青路面和水泥混凝土路面在内的高速公路路面管理系统。本文以系统工程原理为指导思想，分析了基于GIS的省级高速公路路面管理系统各组成部分的建模方法以及他们在寿命周期成本模型框架中的相互关系。具体而言，本文分析了路面管理过程，引入了世界道路协会的HDM-4模型中信息质量等级的概念，并将交通地理信息系统GIS-T应用于路面管理系统中。
关键词  路面管理系统，系统分析，HDM-4模型，GIS，交通地理信息系统(GIS-T)
 

Abstract  GIS-based pavement management system for province-level freeway uses the technology of pavement management and geographic information system for transportation , the models of HDM-4 to build a freeway pavement management system for both asphalt pavement and concrete pavement. With the guidelines of system engineering principles, this paper analyses the modeling method of the components of the freeway pavement management system and their relationship in the framework of life cycle cost model. Specifically, this paper analyses pavement management process,introduces the concept of information quality level of the World Road Association’s HDM-4 model，applies the technology of geographic information system for transportation(GIS-T) in pavement management system.

Key words   pavement management system , system analysis, HDM-4 model, GIS ,geographic information system for transportation(GIS-T)

 

0 引言

  从90年代起，在国道主干线总体规划指导下，我国高速公路建设步伐不断加快，特别是近年来，每年建成的高速公路达数千公里。交通部综合规划司《2001年公路水路交通统计分析报告》全年新增通车里程3152公里，使全国高速公路总里程达19437公里，跃居世界第二位。将近两万公里的高速公路，是一笔巨大的社会资产，公路技术人员有必要研究如何更好地利用和管理这笔资产，定期对这笔资产进行评估，提出合理的养护方案，使其能够更好地发挥交通动脉的作用。由于公路数据的地理特性，而GIS在处理地理特性和空间分析上具有无法比拟的优势，因此，建立基于GIS的高速公路路面管理系统，是路面管理系统发展的必然趋势。基于GIS的省级高速公路路面管理系统是采用路面管理技术、交通地理信息系统技术和HDM-4模型建立的针对包括沥青路面和水泥混凝土路面在内的高速公路路面管理系统。本文以系统工程原理为指导思想，分析了基于GIS的省级高速公路路面管理系统各组成部分的建模方法以及他们在寿命周期成本模型框架中的相互关系。
1 信息质量等级

    Paterson和Scullion(1990)定义了信息质量等级概念(Information Quality Levels) IQL。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IQL概念使我们能够结构化道路管理信息，这样就能满足不同级别的决策需要，在收集和处理数据时也有多样性。

在道路管理中，通常使用五个级别，在表2-1中定义。

 

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图1-1 信息质量等级

 

表1-1  信息质量分级和描述

级别	描述
1	最详细级别的数据，可以作为其它测量方法和基础调查的参考基准，也可以使用在详细的场地调查和深入的问题诊断中，同时用于更高级别的项目设计。通常在特殊的场合下用在项目级中，不可能用于网络监控。
2	足够详细的数据，用来理解性的编程模型和标准的设计方法。用于规划时，只用于样本层。足够用来辨别不同技术方案，不同尺寸的材料所造成的性能和经济回报的差异。标准的项目级数据的收集方法。通常对网络级调查来说需要自动获取方法，用于网络级编程。需要可靠的技术支持和资源。
3	对规划模型足够详细，路网级的标准编程模型。对于项目级设计，适合很少的数据，以及低交通量的道路/桥梁设计方法。可以在网络级调查时通过半自动的方法或自动与人工结合的方法来收集。
4	目录、性能和工具的基本统计汇总，针对路网所有者和用户的利益。适合于最简单的规划和编程模型，对于项目来说，只适合采用标准设计方法的非常低交通量的道路。最简单，最基本的数据收集方法，完全人工或半自动，提供了直接但近似的测量，适合小的或缺少资源的结构。当然，统计数据也可以从更加详细的数据中计算得出。
5	将路面质量与其它尺度如结构承载能力，安全方面和交通拥挤结合起来――表示更高级别的信息，如“道路状况”。

 

2 交通地理信息系统

交通地理信息系统（Geographic Information System for Transportation），英文缩写为GIS-T，是综合处理空间信息和交通信息的计算机软、硬件系统。它是GIS技术在交通领域的发展，是GIS与多种交通信息分析和处理技术的集成。

交通地理信息系统的主要功能：

1) 基本功能

基本功能用于编辑、显示和测量图层，主要包括编辑、综合制图和测量等功能。编辑功能允许用户添加和删除点、线、面或改变它们的属性；综合制图功能可以灵活地制作和显示地图，分层输出专题地图，如交通规划图，国道图等，显示地理要素、技术数据，并可以放大缩小显示不同细节；测量功能用于测定地图上线段的长度或制定区域的面积。

2) 叠加功能

叠加功能允许多个图层在空间上比较地图的要素和属性，分为合成叠加和统计叠加。合成叠加得到的新图层，显示原图层的全部特征、彼此交叉的特征区域仅显示共同特征；统计叠加的目的是统计一种要素在另一种要素中的分布特征。

3) 动态分段功能

动态分段功能是将地图网络中的连线按特征分段，分段是动态进行的，与当前连线属性相对应。如果属性改变，则创建一组新的分段。

4) 地形分析功能

地形分析功能主要是通过数字地形模型（DTM）、以离散分布的点来模拟连续分布的地形、为道路设计创建三维地表模型，这在道路设计中是十分重要的。

5) 栅格显示功能

栅格显示功能使得GIS可以包含图片和其它影像，并可将对应的属性数据进行叠加分析，对图层更新。例如，通过添加桥梁、交叉口以及修正线形等新特征，对原有道路图层进行更新；对带状（或多边）图层进行叠加可以标出土地用途和其它属性。

6) 路径优化功能

最短路径分析模型，在运输需求分析中已应用多年，集成化的GIS-T具有该模型的功能，而无需与其它软件链接。

综上所述，空间分析是地理信息系统的核心；叠加分析、地形分析和路径优化等功能，为交通地理信息系统进行空间分析提供了强有力的工具和广阔的应用空间。

3  基于GIS的省级高速公路路面管理系统框架

3.1 分析框架

系统采用采用寿命周期成本分析框架作为经济分析的基本方法，整个系统是基于这个框架建立起来的。



图4-1  路面寿命周期成本分析框架

3.2 系统功能需求
1) 采集道路和交通信息

管养部门可以把每天公路上的交通信息进行记录，同时，将定期检查的路况信息输入到数据库中。这样，交通量的数据可以为交通控制，扩建、新建公路提供决策支持；路况信息可以为养护和维修工作提供决策支持。

2) 对路面状况作出评价

通过已经建立好的路面性能评价模型，对路面状况进行评价。

3) 制定路面养护策略，预测将来的路面性能

使用已经建立好的模型库，针对不同的路面破损情况，选择不同的路面养护策略。同时，对每种养护策略实施后的路面性能进行预测。

4) 进行经济分析，对需要养护的项目进行排序。

3.3 系统组成
系统由数据库、模型库、地理信息库三个部分组成。

 


 

 

 

 

 

图4-3  系统组成结构图

模型库可以引用已经建立好、正在使用、效果比较好的模型。在实施过程中，可以通过当地数据来校正。

3.4 系统的特点

本文提出的系统框架能够采集道路和交通信息、对路面状况作出评价、制定路面养护策略、预测将来的路面性能、进行经济分析，对需要养护的项目进行排序。整个系统框架在建立时就借鉴了国内外类似系统的优点，在构架上具有先进性。系统的先进性体现在：
1）直观性

采用GIS技术，对经过计算后不同PCI值的路段用不同的颜色在系统的GIS界面表示，使用者可以直观地得到该路段的路况评价；同时，使用动态分段技术，可以对道路属性进行组合查询，在GIS界面上将查询结果表示出来，为决策提供支持。

2）易扩展性

系统的框架和模型库是与数据分离的，很容易扩展，使用者可以根据需要，开发出新的模型，例如出现了一种新的路面类型，同样可以建立其性能预测模型。

3）自适应性

系统模型预测的准确性是随着数据量的增加而不断增加的，它可以对现有的模型进行修正，以更加符合实际情况。

4）数据的层次性

采用信息质量等级的概念，对要采集的数据进行定义和等级划分，以适应网络级和项目级不同的数据要求，同时减少不必要的数据采集工作。

4  结束语

本文建立了基于GIS的省级高速公路路面管理系统框架，在此基础上建立和实施路面管理系统，还需要进一步解决以下的问题：

(1) PMS提供的路面性能概率预测模型的可靠性。路面性能概率预测模型有很多，包括遗传算法、人工神经网络、统计分析、专家系统分析、灰色理论等，到底哪一种模型更符合实际情况，是需要后期工作比较辨别的。

(2) PMS推荐的养护和维修策略的可靠性。

(3) 确定路面性能参数的充分性。选取的评价路面性能的参数是否充分，能不能很好地反映路面性能。

(4) 量测方法的一致性。量测工具不一致，需要找出这些测量结果之间的联系，转化为一个统一的结果。

随着信息化建设在交通行业的深入进行，在全国范围内一定会建立基于GIS的路面管理系统。它可以大大提高管养部门的工作效率，缩短决策的周期，提高决策的准确性，从而为国家节省数以亿计的管养经费。

 

参 考 文 献：

[1] 潘玉利．路面管理系统原理．北京：人民交通出版社．1998

[2] 杨晓光．中国交通信息系统基本框架体系研究．公路交通科技，2000，17(10)：50-55

[3] 李晔，姚祖康．基于地理信息系统的公路设施空间数据库概念模型．中国公路学报．2000，13(7)：9-11

[4] William James Wilde, Steve Waalkes, Rob Harrison ,  Life Cycle Cost Analysis of Portland Cement Concrete Pavements , Center for Transportation Research，University of Texas at Austin,Texas，2001

[5] Henry G. R. Kerali ，Overview of HDM-4 ，THE HIGHWAY DEVELOPMENT AND MANAGEMENT SERIES，The World Road Association (PIARC)，2000

 

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