1、GIS的路面管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫研究摘 要：路面管理系統(tǒng)(PMS)已經(jīng)成為道路管理部門養(yǎng)護規(guī)劃以及道路養(yǎng)護投資的重要分析工具。將組件式GIS應(yīng)用于路面管理系統(tǒng)是實現(xiàn)公路管理信息化、可視化和網(wǎng)絡(luò)化的有效手段。建立基于組件式GIS的路面管理系統(tǒng)，實現(xiàn)路面管理系統(tǒng)的可視化，路面管理系統(tǒng)的空間分析及養(yǎng)護方案決策，為各級養(yǎng)護管理部門提供及時、準(zhǔn)確的決策輔助信息，提高公路管理工作的效率，具有一定的社會效益和經(jīng)濟效益。關(guān)鍵詞：路面管理系統(tǒng)(PMS)；地理信息系統(tǒng)(GIS)；數(shù)據(jù)庫1.前言路面管理系統(tǒng)（Pavement Management System，PMS）是近20年來在道路工程界出現(xiàn)的一個新研究領(lǐng)域，它的研

2、究起源于美國和加拿大，最初針對的是路面的養(yǎng)護和改建。作為公路管理部門，應(yīng)該盡快建立起自己轄區(qū)內(nèi)的路面管理系統(tǒng)，運用現(xiàn)代管理科學(xué)的理論、系統(tǒng)的分析方法和計算機技術(shù)手段，為路面的養(yǎng)護、改建提供科學(xué)的數(shù)據(jù)和分析方法，以便有效地使用有限的資源，提供良好服務(wù)水平的路面，最終達到降低整個社會的交通運輸成本，節(jié)約社會資源的目的。隨著我國國民經(jīng)濟和公路交通事業(yè)的發(fā)展。交通量的迅猛增加，公路網(wǎng)的逐步完善，公路管理部門面臨的主要任務(wù)將從建設(shè)公路網(wǎng)轉(zhuǎn)向養(yǎng)護、改建、維護和改善現(xiàn)有公路網(wǎng)上，但是目前公路的管理水平還相對落后，許多工作還在使用傳統(tǒng)的手工管理，收集處理信息數(shù)據(jù)工作量非常大，耗費時間也非常長。因而必須把提高公

3、路的現(xiàn)代化養(yǎng)護管理水平提到日程上來。要想改變傳統(tǒng)的養(yǎng)護管理系統(tǒng)的不足，就必須借助先進的計算機技術(shù)來改進公路管理，實現(xiàn)公路管理的現(xiàn)代化、信息化和可視化。從20世紀(jì)70年代初期開始,路面管理系統(tǒng)已經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展。根據(jù)建立的模型和其功能目的的分析,路面管理系統(tǒng)的更新?lián)Q代經(jīng)歷了3個時期:第1代PMS基本上是一個路面數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),其功能和結(jié)構(gòu)都很簡單。第2代PMS在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,增加了路面使用性能評價、使用性能預(yù)測和決策分析,形成了較為完善的路面管理系統(tǒng)。但對高級技術(shù)管理人員來說,這類系統(tǒng)尚存在一些缺陷: 評價和決策原則(知識)與評價和決策過程是混為一體的,這樣不便于隨著時間推移而改進評價和決策

4、原則; 對于一個路網(wǎng)只能有一個標(biāo)準(zhǔn),缺少層次性; 系統(tǒng)無法方便的擴展即前向兼容和后向兼容性都較差。在改進上述缺點后的系統(tǒng)即為第3 代管理系統(tǒng)。目前,國際上路面管理系統(tǒng)的研究正處于第3代系統(tǒng)的研制階段。在管理系統(tǒng)自身體系不斷的改進和完善的同時,新技術(shù)、新理念的不斷涌現(xiàn)也為傳統(tǒng)的管理系統(tǒng)的革新拓寬了思路,而地理信息系統(tǒng)(Geography Information System,簡稱GIS)應(yīng)用于道路與交通運輸就是這種新一代的管理系統(tǒng)樣式之一。道路管理GIS系統(tǒng)是為道路管理和養(yǎng)護部門進行宏觀管理、分析決策、實時了解路網(wǎng)狀況等提供多要素、多層次、多功能的服務(wù)。它能及時、便捷地反映、更新道路各項信息,

5、分析路網(wǎng)狀況, 對促進決策的科學(xué)化和管理現(xiàn)代化、提高工作的準(zhǔn)確性和實時性具有重要意義。 路面管理系統(tǒng)的功能或者說作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：利用路面使用性能評價模型，通過對路網(wǎng)使用性能評價，分析現(xiàn)有路網(wǎng)內(nèi)路面狀況及今后路面狀況變化，了解路網(wǎng)的基本狀況。利用速度預(yù)測模型，針對路網(wǎng)中不同的道路和交通條件，分析預(yù)測各路段的道路通行能力及車流速度，進行路網(wǎng)內(nèi)需養(yǎng)護、新建、改建項目的規(guī)劃。規(guī)定路網(wǎng)各級道路的養(yǎng)護標(biāo)準(zhǔn)，估計路網(wǎng)的養(yǎng)護需求，并對新建、改建項目進行優(yōu)先排序。分析年度內(nèi)路網(wǎng)達到不同預(yù)定服務(wù)水平時所需的最小投資額；利用優(yōu)化決策模型對各行政區(qū)域或不同等級道路或養(yǎng)護、新建、改建項目的資金進行優(yōu)化分配，

6、分析不同投資水平對路網(wǎng)使用性能的影響，確定最佳和合理的投資水平；敏感性及風(fēng)險性分析。在新建或改建可選方案間行分析比較，確定技術(shù)可行及經(jīng)濟效益最好的新建、改建方案?？傊访婀芾硐到y(tǒng)的作用給管理部門提供一個平臺，使其對道路的管理科學(xué)化、規(guī)范化、高效化，提高道路總體服務(wù)水平，節(jié)約整個社會的交通運輸成本。2 系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)及空間數(shù)據(jù)模型2.1 公路數(shù)據(jù)庫的建立2.1.1 公路數(shù)據(jù)庫設(shè)計和施工數(shù)據(jù)公路數(shù)據(jù)庫設(shè)計和施工數(shù)據(jù)主要包括道路等級、車道特性、道路幾何尺寸數(shù)據(jù)、路基概況、路面結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、所用材料以及性質(zhì)試驗結(jié)果、路基土性質(zhì)及試驗結(jié)果等資料，這些數(shù)據(jù)可以直接從道路建設(shè)設(shè)計文件中查到，但是在輸入公路數(shù)據(jù)庫

7、之前應(yīng)該到現(xiàn)場校對，保證數(shù)據(jù)真實、可靠。2.1.2 公路數(shù)據(jù)庫歷史資料數(shù)據(jù)公路歷史資料數(shù)據(jù)主要包括路面養(yǎng)護維修數(shù)據(jù)、交通量數(shù)據(jù)和交通事故等。交通量數(shù)據(jù)庫以區(qū)間為單位存儲有關(guān)交通量的數(shù)據(jù)。交通量數(shù)據(jù)可以分為兩類：1)交通量調(diào)查數(shù)據(jù)；2)交通量統(tǒng)計數(shù)據(jù)。2.1.3公路數(shù)據(jù)庫路面狀況數(shù)據(jù)路面狀況數(shù)據(jù)是編制道路養(yǎng)護和改建計劃的依據(jù)。通過對路面狀況數(shù)據(jù)的調(diào)查和分析，可以對路面狀況是否滿足目前的交通條件和使用要求進行判斷，并由此確定所轄路網(wǎng)內(nèi)需要采取養(yǎng)護和改建措施的路段和所需采取的措施。為實現(xiàn)這個目的，需要調(diào)查的路面狀況數(shù)據(jù)主要有路面平整度、路面損壞、結(jié)構(gòu)承載力和抗滑能力等方面。2.1.4 公路數(shù)據(jù)庫氣候

8、與環(huán)境數(shù)據(jù)公路路面結(jié)構(gòu)裸露在地表，直接受到自然因素的影響。實踐表明，很多路面受到自然力的破壞比遭受所施加車輪荷載的破壞更為嚴重。例如，溫度和濕度的變化引起路面材料和路基土壤的強度和剛度的增加或者減少。所以對于路面管理系統(tǒng)來說就必須重視氣候和環(huán)境數(shù)據(jù)的收集，相關(guān)氣候和環(huán)境數(shù)據(jù)可由公路所在地區(qū)的氣象部門提供。2.1.5 公路數(shù)據(jù)庫宏觀經(jīng)濟數(shù)據(jù)公路宏觀經(jīng)濟數(shù)據(jù)應(yīng)該包括道路修建各項工程費用、道路改建費用、以年度為單位記錄的道路維修費用以及用戶費用。2.2 GIS的空間數(shù)據(jù)模型GIS的數(shù)據(jù)模型是GIS系統(tǒng)中的基礎(chǔ)組成部分，GIS的數(shù)據(jù)分為空間數(shù)據(jù)(地理數(shù)據(jù))和屬性數(shù)據(jù)(非地理數(shù)據(jù))，他們分別有不同的特性

9、、存儲方法及表現(xiàn)方法。GIS中空間數(shù)據(jù)的單元是抽象化的點、線、面數(shù)據(jù)對象，其屬性數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容一般要比空間數(shù)據(jù)靈活，原因是其在很大程度上依賴于系統(tǒng)設(shè)計對屬性數(shù)據(jù)的內(nèi)容和處理要求。2.3 屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)的連接空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的關(guān)系可以通過空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的關(guān)鍵字如路線代碼相關(guān)聯(lián)，但同一路段有多重屬性，同一種屬性在路段上也不盡相同，無法直接將屬性表示的路段反映到圖上，數(shù)字化過程中無法確定屬性表的分段，為了使空間數(shù)據(jù)不出現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余，必須實現(xiàn)大地坐標(biāo)與里程樁定位相互轉(zhuǎn)換，應(yīng)用動態(tài)分段技術(shù)，實現(xiàn)圖形與屬性數(shù)據(jù)的雙向查詢和圖文顯示功能。 3. 將路面管理系統(tǒng)組建于GIS平臺的優(yōu)勢GIS是一種決策支

10、持系統(tǒng)，它以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，采用地理模型分析，適時提供多種空間的和動態(tài)的信息?；贕ls進行路面管理系統(tǒng)的開發(fā)，使道路的管理與道路的地理信息相結(jié)合，通過地理地圖信息的查詢，同時獲得道路空間信息和屬性信息，使管理更加直接、形象。道路除具有表征其集合、結(jié)構(gòu)、性能等特征的傳統(tǒng)屬性信息外，還具有表征其地理位置及其空間特性的空間屬性信息。GIS即可管理對象的位置又可管理對象的屬性，而且兩者是自動關(guān)聯(lián)的。由于公路數(shù)據(jù)所具有的地理特性，道路路面信息的管路應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)對傳統(tǒng)屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的同步處理，而傳統(tǒng)的路面管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)很難對其進行直觀性操作。依托GIS的圖庫和數(shù)據(jù)庫，就可以通過鼠標(biāo)實現(xiàn)信息的快速查

11、詢和分析處理。GIS的空間分析和統(tǒng)計運算功能，可以提供全局和細節(jié)的分析結(jié)果，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化，在處理地理特性和空間分析上具有無法比擬的優(yōu)勢。4. 路面使用性能評價模型4.1評價指標(biāo)體系的確定 建立合理、全面、科學(xué)的路面性能評價指標(biāo)體系是制定正確的養(yǎng)護方案的前提條件。所以在進行路面性能評價時，評價指標(biāo)的選擇至關(guān)重要。（1）目的性。選擇的指標(biāo)應(yīng)目的明確，能反映相關(guān)的內(nèi)容；（2）科學(xué)性。選擇的指標(biāo)要盡可能覆蓋評價的內(nèi)容，盡可能篩選能全面反映路面狀況的指標(biāo)，盡量避免不可比指標(biāo)或絕對指標(biāo)的簡單應(yīng)用；（3）操作性。評價方法和指標(biāo)應(yīng)結(jié)合國內(nèi)道路路面管理的具體情況，使評價指標(biāo)具有可測性或?qū)嵱眯?；?）客觀性。

12、在評價指標(biāo)值的確定中，應(yīng)盡量減少人為因素對評價對象本質(zhì)的影響，使所得的結(jié)果或數(shù)據(jù)客觀、可驗。根據(jù)以上原則確定的評價指標(biāo)體系如表1所示。其中，路面結(jié)構(gòu)使用性能質(zhì)量指數(shù)PQI(Pavmenat Quality Index)作為綜合評價指標(biāo)，指標(biāo)PQI的數(shù)值范圍為0100，其值越大，路況越好。4.2評價指標(biāo)計算模型和評價標(biāo)準(zhǔn)參照國內(nèi)外的研究經(jīng)驗，結(jié)合公路養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范JTJ07396)的規(guī)定建立本系統(tǒng)路面性能評價指標(biāo)的計算模型和評價標(biāo)準(zhǔn)見表2和表3。5.基于GIS路面管理系統(tǒng)的具體功能結(jié)合GIS的特性和路面管理系統(tǒng)的功能特性，基于GIS的路面管理系統(tǒng)的功能主要有以下幾個方面:（1）基本的地圖管理公路管

13、理部門可以借助于地圖進行公路管理。公路圖除包括行政區(qū)劃外、城市、村莊、鐵路及水系等一般信息外，還能特別包括與公路有關(guān)的信息，如公路名稱、走向、等級、里程等。應(yīng)用GIS獨具特色的地圖表現(xiàn)能力，將公路及相關(guān)信息可視化是GIS在公路管理應(yīng)用中的基本功能?；镜貓D管理操作包括地圖的數(shù)字化及修改、放大、縮小、漫游、圖層控制、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和地圖的輸出等。公路信息是變化的信息。各地每年都有大量的新建、改建的公路，利用GIS可以方便、迅速將這些變化反映在地圖上，形成新的公路圖。(2)專題圖管理專題圖管理是在基本地圖上，以不同的方式顯示屬性信息所形成的地圖。利用專題圖可以直觀了解屬性信息的基本情況，如道路等級圖、交

14、通量圖等。專題圖中的線劃圖可利用線餓寬度及顏色變化反映線的屬性數(shù)據(jù)。公路在地圖上是線形結(jié)構(gòu)，因此線劃圖在公路管理GIS中應(yīng)用廣泛?？梢岳貌煌伾木€表示路面的不同使用性能。同樣，可以用不同顏色和寬度的線描述路網(wǎng)交通量大小變化。(3)屬性數(shù)據(jù)管理路面管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)多數(shù)具有空間屬性，如線路編碼、交通量及路況數(shù)評價、預(yù)測及決策等結(jié)果。將這些數(shù)據(jù)進行地理編碼，建立地圖要素和數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，就可以方便地在地圖上顯示路面管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。由于路面管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)是GIS屬性數(shù)據(jù)的一部分，路面管路系統(tǒng)的數(shù)據(jù)理、分析、預(yù)測、決策等功能對于GIS來說，就是對其屬性數(shù)據(jù)的管理。(4)數(shù)據(jù)查詢在GIS應(yīng)用系統(tǒng)中，操作

15、者可以在地圖要素相關(guān)的數(shù)據(jù)庫中設(shè)定查詢條件，選定的數(shù)據(jù)在地圖上顯示出來。這是GIS中最具代表性的數(shù)據(jù)可視化功能。GIS的數(shù)據(jù)查詢是公路管理中常用的查詢方法。操作者可以通過數(shù)據(jù)查詢，了解數(shù)據(jù)所在位置。(5)空間查詢與數(shù)據(jù)查詢相反，空間查詢是通過空間范圍的選定查詢在次范圍內(nèi)所選相關(guān)信息餓屬性數(shù)據(jù)?？梢栽诘貓D上直接點擊要查詢的路段圖元，系統(tǒng)可以在數(shù)據(jù)庫對應(yīng)的路段信息展示出來。例如，確定據(jù)地點距離在50km以內(nèi)的路段，只要在屏幕上以該點為圓心畫一個50km半徑的圓，電子地圖就會顯示這一范圍內(nèi)所有的路段在地圖的位置及相關(guān)信息。(6)最佳路線選擇利用GIS的最佳路線選擇功能，可以解決從甲地出發(fā)到乙地，走那

16、條路線最近的問題。最佳路線選擇就是確定在給定條件下從甲地到乙地的最佳線路。對于給定條件，可以是多種選擇，如里程最短、油耗最小、等級限制、載重限制等。(7)緩沖區(qū)域分析例如，建一條高速公路會對沿線一定范圍內(nèi)的經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生影響，告訴公路的每個出口對此為中心的區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生影響，公路會對沿線環(huán)境產(chǎn)生影響等。GIS的緩沖區(qū)域分析可以輔助進行類似的分析工作。(8)空間關(guān)系分析各種地圖要素以不同圖層的形式由GIS進行管理。GIS中圖層與圖層之間的關(guān)系的分析成為空間關(guān)系分析。例如，河流和公路在GIS中作為不同的圖層，若分析某一河流對公路網(wǎng)的影響，則需要進行空間關(guān)系分析。(9)養(yǎng)護決策應(yīng)用VB語言編寫了基于

17、模糊優(yōu)化動態(tài)規(guī)劃的決策程序，通過此模塊用戶可以對對有關(guān)養(yǎng)護維修資料進行管理和查詢，也可根據(jù)用戶需求進行網(wǎng)級和項目級路面的養(yǎng)護決策。6 結(jié)語本文通過運用GIS平臺對路面管理系統(tǒng)進行了研究，建立了合理的軟件架構(gòu)，開發(fā)出了實用性的基于GIS的路面管理系統(tǒng)軟件?；贕IS的路面管理系統(tǒng)解決了原有路面管理系統(tǒng)(PMS)公路信息不直觀、不形象的缺點，系統(tǒng)使用ArcGIS軟件，解決了大地坐標(biāo)和里程樁號的一一對應(yīng)、動態(tài)分段等技術(shù)難題，實現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的有機結(jié)合，明確了人機分工，具備了輔助公路管理者分析和決策的功能。但系統(tǒng)應(yīng)用中也出現(xiàn)了很多不足，比如，網(wǎng)絡(luò)化的GIS路面管理系統(tǒng)，隨著功能的完善，應(yīng)考慮向

18、網(wǎng)絡(luò)版升級；路面的使用性能預(yù)測分析、養(yǎng)護對策經(jīng)濟分析等模塊有待于進一步完善。參考文獻：1 鄭淵，鄭健龍，周志剛等基于GIS的高速公路養(yǎng)護管理系統(tǒng)設(shè)計J公路與汽運，2004(3)：62642 曾沛霖路面管理系統(tǒng)的研究開發(fā)與推廣應(yīng)用J公路交通科技，199310(2)：453 孫立軍智能型路面管理系統(tǒng)D上海：同濟大學(xué)博士學(xué)位論文2OO14 馬京濤,孫立軍. 基于GIS的城市道路管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理綜合研究J. 中國公路學(xué)報5潘玉利，路面管理系統(tǒng)原理北京：人民交通出版社19986李偉建立公路瀝青路面管理數(shù)據(jù)庫的研究東北林業(yè)大學(xué)道路與鐵道工程碩士論文，2O06_37李偉，程培峰等GIS在路面管理方面應(yīng)用的研究森林工程，20061(1)8劉曉軍基于GIS技術(shù)的公路養(yǎng)護管理系統(tǒng)開發(fā)J中南公路工程，200328(4)9胡群芳公路路面結(jié)構(gòu)使用性能評價與預(yù)測研究D鄭州：鄭州大學(xué)，200310龐紅霞，趙顯宸，廉寶昌GIS在公路管理中的應(yīng)用J黑龍江交通科技，2002(6)：919311張曉華高速公路路面管理系統(tǒng)【D成都：西南交通大學(xué)200212王正君論公路養(yǎng)護管理的緊迫性和重要性J森林工程，2005，21(2)：313213蘭波路面評價系統(tǒng)D成都：