信息内容

当前位置：首页 > 行业要闻

西部地区路网改造技术研究报告简本

来源：

发布时间：2010-10-10 04:55:37

点击量：5484

交通编号：

单位编号：40000217-9

分类号：U4

西部交通建设科技项目

合同号：2001 318 223 36

密级：内部

西部地区路网改造技术研究

The Research of Highway Network Rebuilding Techniques

In Western Areas

研究报告

(简本)

Research Report

交通部公路科学研究所

哈尔滨工业大学

重庆交通学院

吉林省天威信息工程公司

2004年3月

摘要：课题结合西部地区的经济、路网和交通状况开展了路网改造技术研究。以路网数据库为基础，建立了路网交通、抗灾、路况、桥梁等的技术评价指标体系。提出了公路网相对可达性，公路网车速利用度两个新评价指标，并对连通度指数计算公式进行了改进；提出了路网技术性能的评价标准的建议值；采用了以历年路网路段交通量为基础数据的趋势增长—概率分配法进行路网交通量预测的方法；提出了以路网路段交通、抗灾能力、路况等的综合评分为判别指标的路网改造关键路段的确定方法，采用了顺序动态0-1整数规划方法分别对交通改善、路况恢复和提高抗灾能力的投资进行了优化；提出了桥梁承载能力演变理论，将桥梁承载能力演变过程划分为耗散、衰变、溃损和提升四个阶段，概括了桥梁在使用期间承载能力的演变趋势和规律；建立了相应的材料时效强度水平计算模型，建立了针对不同构件截面形式和不同损伤形式的承载能力计算模型；建立了桥梁技术改造对策库、改造费用模型和方案模糊综合评判优选体系。建立了以GIS为平台的路网拓扑关系模型、路网分析模型、GIS缓冲区分析模型；开发了相应的软件分析系统并进行了软件系统集成。

Abstract: The research of highway network rebuilding techniques is finished by connecting with the condition of economy, highway network and traffic in western areas. And the multi-sub-item indexes of traffic, disaster degree, pavement condition and bridge are built based on highway network database management system. First, the research puts forward two new appraisable guide lines, relative accessibility of highway network and the point of running speed degree, improves the connect index formula, concludes rational criterion and forms a new traffic volume prognosis method, which is tendency increase and probability assignment method based on the historical traffic investigation. Second, the research puts forward confirming method of key road section of changing China’s west highway network considering highway network traffic capacity, the ability of resisting disasters, level of road status, importance in politics and economy as main indexes and adopts the model whose objective function is increment of road’s level of service with finite capital investment different to the traditional one. Third, the research proposes a ‘Bridge Capability Changing Theory’, which divides the changing life of bridge service into four periods as a dissipation period, a deterioration period, a destruction period and a promotion period, builds calculating models of material time-effect strengths, creates a bridge rehabilitation scheme bank for selection and sets up a judging and selecting system based on fussy mathematics. Fourth, the research builds up network topological relation model of the way, network analyses models on the way and analysis models in the buffering area based on GIS. At last, the research exploits applications of analysis system with all these production.

西部地区路网改造技术研究

研究报告简本

1.引言

西部大开发是党中央的一项重大战略决策，对整个中西部地区的未来前途和命运将产生深远的影响。西部大开发，交通要先行。在国家有限财力的大力投入下，尽快形成安全、畅通、快捷的现代运输公路网络，以促成西部经济的全面发展，是迫在眉睫的战略性任务。

为此，交通部在西部交通建设科技项目中安排了“西部地区路网改造技术的研究”课题。该课题由交通部公路科学研究所承担，与重庆交通学院、哈尔滨工业大学交通学院、吉林省天威信息工程公司等单位合作。经过全体课题组成员的2年多的共同努力，按期完成了此项科研任务。

路网改造技术所涉及的内容广泛，具有技术复杂、综合性强等特点，应该抓主要矛盾。根据2001年9月14日通过的可行性研究报告的评审意见，本课题的研究侧重于：采用国内外比较成熟的方法，构建路网的评价模型，分析对象为以西部地区的国省道路网为主的网级水平。

2.主要研究内容

经过课题组全体成员的共同努力，完成了路网信息数据库、路网的现状评价模型、交通适应性评价模型、关键路段的确定模型、桥梁适应性评价模型、投资控制策略分析模型、三维GIS表现模型、路网改造技术的软件集成系统等研究成果，形成了具有实用价值的西部地区路网改造决策的成套技术，其总体流程见图1。

路网桥梁

承载力评价

路网桥梁通行能力评价

路网桥梁

适应性评价

桥梁改造方案

评价标准集

路网信息采集

r(x)

路网信息数据库

交通

适应性评价

路网抗灾能力

适应性评价

路网路况

适应性评价

数据库管理系统

路网结构

性能评价

路网运营

质量评价

路网改造方案

关键路段

（交通、路况、灾害）

评价结果输出

对策集

路网几何线形

适应性评价

评价标准集

关键路段投资优化

对策集

评价标准集

图-1 系统流程图

GIS与

路网分析

成果表达

2.1 路网管理数据库

路网改造技术与决策是以路网的实测数据为基础的。因此，要实现对路网现状的全面评价与未来发展趋势的预测，首先要建立路网信息数据库及其管理系统，数据库框架见图-2。为能充分利用公路普查(RDBMS)、桥梁管理系统(CBMS)、路面管理系统(CPMS)、路政管理系统(HAMS)等4个系统数据，建立了数据库之间的接口程序，最大限度地从上述4个系统的数据库中提取需要的数据。对于RDBMS、CBMS、CPMS、HAMS数据库中没有的数据，如灾害数据、桥梁现状数据、交通区域数据、经济发展数据、路网规划数据等，进行了数据库的扩充与实际数据的补充调查。

现状路网的总体评价包括路网的各种公路属性的分布统计，路网的交通、路基路面、桥梁的总体评价等，通过分析确定路网存在的主要问题及改造方向。

HAMS数据

RDBMS数据

CPMS数据

CBMS数据

路网数据库

路况数据类

桥梁数据类

抗灾数据类

交通分析数据类

路网交通

适应性评价

关键路段

分析

桥梁

适应分析

路网改造

投资分析

GIS应用

图-2 路网数据库框架

2.2 路网交通适应性

采用模糊评价的方法对路网的结构性能和运营质量进行评价，其中路网结构性能评价采用了路网综合密度、改进的路网连接度指数、铺装水平、相对可达性四个指标，路网运行质量评价采用了路网车速利用度、路网负荷度、路网里程拥挤率三个指标。鉴于目前西部地区国省道路网结构简单、交通量较小的特点，在交通量预测的过程中采用趋势增长和概率分配相结合的方法进行交通量预测。西部路网改造的重点应该在于路网结构的改造。根据对现状路网与远景路网的评价结果，可提出完善路网结构的建议方案，明确路网改造的方向。

评价指标中改进的路网连接度指数、相对可达性、路网车速利用度等三个指标为结合西部路网情况而提出的指标。通过对全国30多个大中小城市路网的计算，改进后的路网连接度指数（见公式1）具有较高的灵敏度。它从宏观上反映了一个网络的成熟程度，是公路网各节点连接程度和规模综合作用的结果，连接度指数值越大代表路网的连接情况越好。公路网相对可达性是指在评价区内从某一点出发通过公路交通抵达任一目的地的平均出行时间大小与公路网面积平方根的比值，相对可达性越小，表明路网联系程度越好。公路网车速利用度实际反映了路网设计速度水平与路网服务水平的关系，能比较好的体现运行质量的要求，即车速利用度越高，运行质量也就越好。

（公式1）

式中：

J --- 路网密连接度指数；

N --- 路网总的节点数，单位个；

r --- 评价区域面积，单位百平方公里；

M --- 路网总边数，单位个；

路网交通适应性评价指标权重表表1

结构评价指标	权重	运行质量评价指标	权重
公路网综合密度	0.4	公路网车速利用度	0.4
公路网连接度指数	0.2	公路网负荷度	0.4
公路网铺装水平	0.2	公路网里程拥挤率	0.2
公路网相对可达性	0.2
Σ	1	Σ	1

2.3 路网改造关键路段的确定

采用路段交通服务水平、抗灾能力、路况指数三大指标对路网各单元进行评价，将评价为次、差的路段提取出来，作为路网改造的关键路段。其中路段交通服务水平的评价包括路段代表车型的平均车速、交通容量比、路段几何线形等的评价。为了与抗灾、路况等方面的评价相协调，本课题将服务水平划分为A、B、C、D、E五个级别，采用交通部的最新研究成果计算路段的通行能力。路段抗灾能力的评价包括路基主体病害、抗洪能力、不良地质地段病害、气候环境灾害等10种威胁公路畅通与通行安全的灾害因素的评价，以灾害重现期作为评价指标之一。路况的评价则采用公路养护规范的方法。评价采用百分制，分优、良、中、次、差五个评级，建立了评价体系和评分的计算方法，根据调研的结果给出了评级分界建议值。由于在评级的边界存在一定的模糊性，因此，又建立了的模糊评价方法，采用了梯形的隶属度分布函数。两种评价方法所确定的关键路段，总体上具有一致性。

图-3 关键评价指标分级图

2.4 桥梁适应性分析

针对桥梁在运营中通行能力和承载使用性能逐渐变化、衰退的过程，提出桥梁承载能力演变理论，将桥梁承载能力演变过程划分为耗散、衰变、溃损和加固提升四个阶段，较为全面地概括了桥梁在使用期间承载能力的演变趋势和规律。

P (承载力)

溃损阶段

耗散阶段 衰变阶段 提升阶段 T（时间）

图-5 桥梁承载力演变示意图

在桥梁承载能力耗散阶段，综合考虑持续荷载下混凝土徐变、龄期效应，重复荷载下混凝土和钢材疲劳损伤以及温度、湿度等多种非表观因素对承载能力演变的影响，建立了相应的材料时效强度水平计算模型。在桥梁承载能力衰变阶段，研究了混凝土开裂、老化、剥落以及钢筋锈蚀等多种表观损伤对桥梁承载能力衰退的影响关系，建立了针对不同构件截面形式和不同损伤形式的承载能力计算模型。归纳了桥梁承载能力溃损的形成条件和表现特征；为避免桥梁溃损带来的经济损失和社会影响，进行桥梁承载能力人为提升的技术改造方案生成和优选方法研究，建立了桥梁合理技改方案库、改造费用模型和方案模糊综合评判优选体系。面向实际应用进行了平面梁单元复合、超载大件车辆效应分析、结构静动态仿真等结构有限元分析理论和技术创新。

2.5 关键路段的投资决策方法

在对关键路段进行投资决策时，采用了逐年0-1整数规划方法，以交通服务水平的改善、路况水平的改善或路段灾害重现期的改善作为投资效果的评价指标。其中：关键路段的改造对策、费用模型可根据实际情况按分类原则确定；路况的使用性能预测模型采用了同济大学孙立军教授提出统一模型形式，其参数α、β可根据实地不同养护对策的使用状况的调查结果反推而得。路网改造关键路段的投资规划结果反映了一定投资规模下的路网服务水平的变化或一定服务水平要求下的投资规模需求，因此，可以成为路网改造关键路段的投资决策的依据。

关键路段数据库

路网最佳投资方案

改造对策的时空分布

项目规划

财政规划（投资需求和分配）

实施反馈

服务水平

评价模型

对策模型

费用模型

服务水平

目标

投资预算

服务水平

预估模型

关键路段整体质量分析

图-6 投资分配流程图

2.7 GIS分析系统

GIS以信息量大、表现直观著称。三维GIS更是以其逼真的表现手段展现实物的空间属性而备受青睐。由于技术难度高，课题对三维GIS的研究主要限于应用研究（二次开发）与探索性开发相结合。

1）路网拓扑关系的模型

路网拓扑关系是地理对象在空间位置上的相互关系，包括：网结构元素节点、弧段、面域之间的空间关系。路网拓扑关系包括拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含等，可以通过空间矢量数据库，实现对点实体、线实体、面实体等的拓扑运算。

2）适用于路网改造的GIS空间分析模型

本课题针对GIS空间分析能力，即拓扑分析、属性分析和拓扑与属性的联合分析能力，结合路网改造分析的模型特点，研究了适用于路网分析的GIS功能，包含：GIS查询功能、动态目标显示与跟踪功能、统计分析功能、分析决策功能等。

3）DEM模型生成三维地表曲面

采用三角网TIN和方格网GRID两种方法建立了DEM模型，进而生成三维地表曲面。

图7 路网的GIS表达图8 三维地形图

2.8 软件集成系统

以路网信息数据库为媒介，完成了路网改造分析技术的集成系统，为本课题研究成果的推广应用提供了有效的手段。

图9系统功能与组成

图5路网数据库管理功能图6路网交通适应性分析功能

图7路网改造关键路段分析功能图8路网桥梁适应性分析功能

图9路网改造投资分析功能图10 GIS与路网分析功能

3. 湖北省恩施州的路网改造分析

将课题的研究成果应用于湖北省恩施州的国省道路网改造分析。恩施州国省道总长为1571.65km，其中1381.802km为等级公路。虽然其国省道路网总体状态优良，但仍然存在着大量的不满足现行公路技术标准的路段和桥梁，有461.222公里被判定为路网改造的关键路段，261座桥梁中有93座的设计荷载与公路等级不匹配。现状路网结构性能评价为很不适应。按恩施州的经济增长速度为10%计算，以2010年路网结构达到适应状态为目标，需新建国省道565公里，改建418公里等外公路为二级公路，四级改二级150公里，三级改二级629公里。预计总投资为20亿元左右。外加新建规划的高速公路270公里需投资162亿元。