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1、GIS的路面管理系统数据库研究摘 要：路面管理系统(PMS)已经成为道路管理部门养护规划以及道路养护投资的重要分析工具。将组件式GIS应用于路面管理系统是实现公路管理信息化、可视化和网络化的有效手段。建立基于组件式GIS的路面管理系统，实现路面管理系统的可视化，路面管理系统的空间分析及养护方案决策，为各级养护管理部门提供及时、准确的决策辅助信息，提高公路管理工作的效率，具有一定的社会效益和经济效益。关键词：路面管理系统(PMS)；地理信息系统(GIS)；数据库1.前言路面管理系统（Pavement Management System，PMS）是近20年来在道路工程界出现的一个新研究领域，它的研
2、究起源于美国和加拿大，最初针对的是路面的养护和改建。作为公路管理部门，应该尽快建立起自己辖区内的路面管理系统，运用现代管理科学的理论、系统的分析方法和计算机技术手段，为路面的养护、改建提供科学的数据和分析方法，以便有效地使用有限的资源，提供良好服务水平的路面，最终达到降低整个社会的交通运输成本，节约社会资源的目的。随着我国国民经济和公路交通事业的发展。交通量的迅猛增加，公路网的逐步完善，公路管理部门面临的主要任务将从建设公路网转向养护、改建、维护和改善现有公路网上，但是目前公路的管理水平还相对落后，许多工作还在使用传统的手工管理，收集处理信息数据工作量非常大，耗费时间也非常长。因而必须把提高公
3、路的现代化养护管理水平提到日程上来。要想改变传统的养护管理系统的不足，就必须借助先进的计算机技术来改进公路管理，实现公路管理的现代化、信息化和可视化。从20世纪70年代初期开始,路面管理系统已经历了几十年的发展。根据建立的模型和其功能目的的分析,路面管理系统的更新换代经历了3个时期:第1代PMS基本上是一个路面数据库系统,其功能和结构都很简单。第2代PMS在数据库系统的基础上,增加了路面使用性能评价、使用性能预测和决策分析,形成了较为完善的路面管理系统。但对高级技术管理人员来说,这类系统尚存在一些缺陷: 评价和决策原则(知识)与评价和决策过程是混为一体的,这样不便于随着时间推移而改进评价和决策
4、原则; 对于一个路网只能有一个标准,缺少层次性; 系统无法方便的扩展即前向兼容和后向兼容性都较差。在改进上述缺点后的系统即为第3 代管理系统。目前,国际上路面管理系统的研究正处于第3代系统的研制阶段。在管理系统自身体系不断的改进和完善的同时,新技术、新理念的不断涌现也为传统的管理系统的革新拓宽了思路,而地理信息系统(Geography Information System,简称GIS)应用于道路与交通运输就是这种新一代的管理系统样式之一。道路管理GIS系统是为道路管理和养护部门进行宏观管理、分析决策、实时了解路网状况等提供多要素、多层次、多功能的服务。它能及时、便捷地反映、更新道路各项信息,
5、分析路网状况, 对促进决策的科学化和管理现代化、提高工作的准确性和实时性具有重要意义。 路面管理系统的功能或者说作用主要体现在以下几个方面：利用路面使用性能评价模型，通过对路网使用性能评价，分析现有路网内路面状况及今后路面状况变化，了解路网的基本状况。利用速度预测模型，针对路网中不同的道路和交通条件，分析预测各路段的道路通行能力及车流速度，进行路网内需养护、新建、改建项目的规划。规定路网各级道路的养护标准，估计路网的养护需求，并对新建、改建项目进行优先排序。分析年度内路网达到不同预定服务水平时所需的最小投资额；利用优化决策模型对各行政区域或不同等级道路或养护、新建、改建项目的资金进行优化分配，
6、分析不同投资水平对路网使用性能的影响，确定最佳和合理的投资水平；敏感性及风险性分析。在新建或改建可选方案间行分析比较，确定技术可行及经济效益最好的新建、改建方案。总之，路面管理系统的作用给管理部门提供一个平台，使其对道路的管理科学化、规范化、高效化，提高道路总体服务水平，节约整个社会的交通运输成本。2 系统所需数据及空间数据模型2.1 公路数据库的建立2.1.1 公路数据库设计和施工数据公路数据库设计和施工数据主要包括道路等级、车道特性、道路几何尺寸数据、路基概况、路面结构数据、所用材料以及性质试验结果、路基土性质及试验结果等资料，这些数据可以直接从道路建设设计文件中查到，但是在输入公路数据库
7、之前应该到现场校对，保证数据真实、可靠。2.1.2 公路数据库历史资料数据公路历史资料数据主要包括路面养护维修数据、交通量数据和交通事故等。交通量数据库以区间为单位存储有关交通量的数据。交通量数据可以分为两类：1)交通量调查数据；2)交通量统计数据。2.1.3公路数据库路面状况数据路面状况数据是编制道路养护和改建计划的依据。通过对路面状况数据的调查和分析，可以对路面状况是否满足目前的交通条件和使用要求进行判断，并由此确定所辖路网内需要采取养护和改建措施的路段和所需采取的措施。为实现这个目的，需要调查的路面状况数据主要有路面平整度、路面损坏、结构承载力和抗滑能力等方面。2.1.4 公路数据库气候
8、与环境数据公路路面结构裸露在地表，直接受到自然因素的影响。实践表明，很多路面受到自然力的破坏比遭受所施加车轮荷载的破坏更为严重。例如，温度和湿度的变化引起路面材料和路基土壤的强度和刚度的增加或者减少。所以对于路面管理系统来说就必须重视气候和环境数据的收集，相关气候和环境数据可由公路所在地区的气象部门提供。2.1.5 公路数据库宏观经济数据公路宏观经济数据应该包括道路修建各项工程费用、道路改建费用、以年度为单位记录的道路维修费用以及用户费用。2.2 GIS的空间数据模型GIS的数据模型是GIS系统中的基础组成部分，GIS的数据分为空间数据(地理数据)和属性数据(非地理数据)，他们分别有不同的特性
9、、存储方法及表现方法。GIS中空间数据的单元是抽象化的点、线、面数据对象，其属性数据的具体内容一般要比空间数据灵活，原因是其在很大程度上依赖于系统设计对属性数据的内容和处理要求。2.3 属性数据与空间数据的连接空间数据与属性数据的关系可以通过空间数据和属性数据的关键字如路线代码相关联，但同一路段有多重属性，同一种属性在路段上也不尽相同，无法直接将属性表示的路段反映到图上，数字化过程中无法确定属性表的分段，为了使空间数据不出现数据冗余，必须实现大地坐标与里程桩定位相互转换，应用动态分段技术，实现图形与属性数据的双向查询和图文显示功能。 3. 将路面管理系统组建于GIS平台的优势GIS是一种决策支
10、持系统，它以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析，适时提供多种空间的和动态的信息。基于Gls进行路面管理系统的开发，使道路的管理与道路的地理信息相结合，通过地理地图信息的查询，同时获得道路空间信息和属性信息，使管理更加直接、形象。道路除具有表征其集合、结构、性能等特征的传统属性信息外，还具有表征其地理位置及其空间特性的空间属性信息。GIS即可管理对象的位置又可管理对象的属性，而且两者是自动关联的。由于公路数据所具有的地理特性，道路路面信息的管路应当实现对传统属性数据和空间数据的同步处理，而传统的路面管理数据库系统很难对其进行直观性操作。依托GIS的图库和数据库，就可以通过鼠标实现信息的快速查
11、询和分析处理。GIS的空间分析和统计运算功能，可以提供全局和细节的分析结果，实现数据的可视化，在处理地理特性和空间分析上具有无法比拟的优势。4. 路面使用性能评价模型4.1评价指标体系的确定 建立合理、全面、科学的路面性能评价指标体系是制定正确的养护方案的前提条件。所以在进行路面性能评价时，评价指标的选择至关重要。（1）目的性。选择的指标应目的明确，能反映相关的内容；（2）科学性。选择的指标要尽可能覆盖评价的内容，尽可能筛选能全面反映路面状况的指标，尽量避免不可比指标或绝对指标的简单应用；（3）操作性。评价方法和指标应结合国内道路路面管理的具体情况，使评价指标具有可测性或实用性；（4）客观性。
12、在评价指标值的确定中，应尽量减少人为因素对评价对象本质的影响，使所得的结果或数据客观、可验。根据以上原则确定的评价指标体系如表1所示。其中，路面结构使用性能质量指数PQI(Pavmenat Quality Index)作为综合评价指标，指标PQI的数值范围为0100，其值越大，路况越好。4.2评价指标计算模型和评价标准参照国内外的研究经验，结合公路养护技术规范JTJ07396)的规定建立本系统路面性能评价指标的计算模型和评价标准见表2和表3。5.基于GIS路面管理系统的具体功能结合GIS的特性和路面管理系统的功能特性，基于GIS的路面管理系统的功能主要有以下几个方面:（1）基本的地图管理公路管
13、理部门可以借助于地图进行公路管理。公路图除包括行政区划外、城市、村庄、铁路及水系等一般信息外，还能特别包括与公路有关的信息，如公路名称、走向、等级、里程等。应用GIS独具特色的地图表现能力，将公路及相关信息可视化是GIS在公路管理应用中的基本功能。基本地图管理操作包括地图的数字化及修改、放大、缩小、漫游、图层控制、坐标转换和地图的输出等。公路信息是变化的信息。各地每年都有大量的新建、改建的公路，利用GIS可以方便、迅速将这些变化反映在地图上，形成新的公路图。(2)专题图管理专题图管理是在基本地图上，以不同的方式显示属性信息所形成的地图。利用专题图可以直观了解属性信息的基本情况，如道路等级图、交
14、通量图等。专题图中的线划图可利用线饿宽度及颜色变化反映线的属性数据。公路在地图上是线形结构，因此线划图在公路管理GIS中应用广泛。可以利用不同颜色的线表示路面的不同使用性能。同样，可以用不同颜色和宽度的线描述路网交通量大小变化。(3)属性数据管理路面管理系统中的数据多数具有空间属性，如线路编码、交通量及路况数评价、预测及决策等结果。将这些数据进行地理编码，建立地图要素和数据之间的关系，就可以方便地在地图上显示路面管理系统的数据。由于路面管理系统数据是GIS属性数据的一部分，路面管路系统的数据理、分析、预测、决策等功能对于GIS来说，就是对其属性数据的管理。(4)数据查询在GIS应用系统中，操作
15、者可以在地图要素相关的数据库中设定查询条件，选定的数据在地图上显示出来。这是GIS中最具代表性的数据可视化功能。GIS的数据查询是公路管理中常用的查询方法。操作者可以通过数据查询，了解数据所在位置。(5)空间查询与数据查询相反，空间查询是通过空间范围的选定查询在次范围内所选相关信息饿属性数据。可以在地图上直接点击要查询的路段图元，系统可以在数据库对应的路段信息展示出来。例如，确定据地点距离在50km以内的路段，只要在屏幕上以该点为圆心画一个50km半径的圆，电子地图就会显示这一范围内所有的路段在地图的位置及相关信息。(6)最佳路线选择利用GIS的最佳路线选择功能，可以解决从甲地出发到乙地，走那
16、条路线最近的问题。最佳路线选择就是确定在给定条件下从甲地到乙地的最佳线路。对于给定条件，可以是多种选择，如里程最短、油耗最小、等级限制、载重限制等。(7)缓冲区域分析例如，建一条高速公路会对沿线一定范围内的经济发展产生影响，告诉公路的每个出口对此为中心的区域经济发展产生影响，公路会对沿线环境产生影响等。GIS的缓冲区域分析可以辅助进行类似的分析工作。(8)空间关系分析各种地图要素以不同图层的形式由GIS进行管理。GIS中图层与图层之间的关系的分析成为空间关系分析。例如，河流和公路在GIS中作为不同的图层，若分析某一河流对公路网的影响，则需要进行空间关系分析。(9)养护决策应用VB语言编写了基于
17、模糊优化动态规划的决策程序，通过此模块用户可以对对有关养护维修资料进行管理和查询，也可根据用户需求进行网级和项目级路面的养护决策。6 结语本文通过运用GIS平台对路面管理系统进行了研究，建立了合理的软件架构，开发出了实用性的基于GIS的路面管理系统软件。基于GIS的路面管理系统解决了原有路面管理系统(PMS)公路信息不直观、不形象的缺点，系统使用ArcGIS软件，解决了大地坐标和里程桩号的一一对应、动态分段等技术难题，实现了空间数据和属性数据的有机结合，明确了人机分工，具备了辅助公路管理者分析和决策的功能。但系统应用中也出现了很多不足，比如，网络化的GIS路面管理系统，随着功能的完善，应考虑向
18、网络版升级；路面的使用性能预测分析、养护对策经济分析等模块有待于进一步完善。参考文献：1 郑渊，郑健龙，周志刚等基于GIS的高速公路养护管理系统设计J公路与汽运，2004(3)：62642 曾沛霖路面管理系统的研究开发与推广应用J公路交通科技，199310(2)：453 孙立军智能型路面管理系统D上海：同济大学博士学位论文2OO14 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5潘玉利，路面管理系统原理北京：人民交通出版社19986李伟建立公路沥青路面管理数据库的研究东北林业大学道路与铁道工程硕士论文，2O06_37李伟，程培峰等GIS在路面管理方面应用的
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