基于GIS的公路超限运输沥青路面结构验算系统的理论探究

作者简介：张碧琴（1957.1）女陕西富平教授E-mail：[e-mail]基于GIS的公路超限运输沥青路面结构验算系统的理论探究张碧琴1，马亚坤1，王莉2，毛治国1（1.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室陕西西安710064；2.中国市政工程华北设计研究院300074）摘要：本文通过分析相关资料，针对超限交通的特点，分析获得车辆超限作用下沥青路面轴载换算公式，并将其应用于超限作用下沥青路面验算系统。根据GIS(地理信息系统)的理论，考虑GIS与该验算系统相结合，并通过系统需求分析和总体设计，对“基于GIS的公路超限运输沥青路面结构验算系统”的开发进行理论探究。从而为道路的养护维修管理提供科学的决策依据。关键词：GIS；超限运输；路面结构验算；轴载换算TheoreticalInvestigationOnAsphaltPavementStructureunderOverloadingTransportationCheckingSystemBasedonGISZhangBiqin1，MaYakun1，WangLi2，MaoZhiguo1（1.KeyLaboratoryforSpecialAreaHighwayEngineeringofMinistryofEducationChang’anUniversity.Xi’an710064，China2.NorthChinaMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstitute,Tianjin，300074，China）Abstract:Anewaxialexchangeformulaforasphaltpavementstructureunderoverloadingtransportationisgotbyanalyzingrelateddata,connectedwiththecharacteristicsoftheoverloadtraffic.BasedonthetheoryofGISandcombinedwiththeanalysisofthesystemdemand,the“”isdiscussed.Thenewaxialexchangeformulawillbeusedinthissystem.Andthiswillhelptheadministratordepartmentstotakereasonablemeasurestoroadmaintenancetimely.Keywords:GIS;OverloadingTransportation;CheckingofAsphaltPavementStructure;AxialExchange。前言目前，大量的超过设计轴载标准的车辆在高速公路上行驶使得我国公路路面早期破坏严重。如何及时发现超限作用下对路面结构的影响，最合理、有效地使用有限的养护和改建资金及时对路面进行维修保养和专项修复，减少大修工程的频率，从而提供较高的路面服务水平是一个值得探寻的问题。公路养护管理的多数信息与空间位置有关，因此，有必要寻求一种有效的数据采集、存储、分析方法，使公路数据与地理信息联系起来，采用GIS技术将图形与数据结合，以数据可视化的方式，从宏观上为管理工作提供科学的依据。1超限作用轴载换算方法研究我国公路沥青路面设计规范以单轴100kN为标准轴载，单轴轴载≤130kN或双轴轴载≤220kN的车辆轴载可换算为标准轴载，以设计年限内的累积标准轴次进行路面结构设计。[1]研究表明，随着荷载的增加,沥青路面呈现出明显线性性质。图1和图2是分别采用线性和非线性分析方法计算得到的沥青路面弯沉、弯拉应力曲线,可以看出,随着轴重的增加,两者偏离增大,亦即考虑非线性因素路面的破坏大于按线弹性理论计算的结果,此界限可以轴重P=130kN为界。[2]图1弯沉图2弯拉应力我国现行公路沥青路面设计规范中给出的轴载换算公式，在弯沉等效时，式中n=4.35，验算半刚性基层层底拉应力时n=8.0。但这仅适用于单轴轴载≤130kN，双轴轴载≤220kN的交通条件。在重载情况下，随轴重的增加，n的取值将远大于规范规定的数值。nPPNN1221式中：P为轴重；N为轴载作用次数；n为系数。通过大量的理论计算和弯沉实测，得出在超载条件下，弯沉等效原则换算公式中的n取值范围为5.0～6.3，经计算超载时n=5.5。经过计算在超载作用下按基层层底拉应力等效原则，求得n值为8.8～9.0，当轴载大于130kN时，以基层拉应力等效时n=9.0[3]。由上述轴载换算方法研究，可得超载作用下沥青路面轴载换算公式为：弯沉等效：5.512135.4121PPnCCPPnCCNjkjjmiii弯拉等效：0.91210.8121PPnCCPPnCCNjkjjmiii其中，Pi为被换算车型的各级轴载（Pi＜130kN）；Pj为被换算车型的各级轴载（Pj≥130kN）；2GIS与公路超限运输的沥青路面结构验算系统的结合2.1GIS的主要理论地理信息系统GeographicalInformationSystem，简称GIS），是在计算机软硬件支持下，对整个或者部分地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统[4]。在地里信息系统中，按照空间数据的特征，可将其分为三种类型：空间特征数据、时间属性数据、专题性数据。地理信息系统的核心问题可归纳为五个方面的内容：位置、条件、变化趋势、模式和模型，依据这些问题，可以把GIS基本功能分为以下几个方面：[5]数据采集与输入、数据处理、数据存储与组织、空间查询与分析、图形显示与输出，正是由于GIS具备了这些基本功能，使其渗透到了各行各业的系统中，有着广泛的应用潜力，GIS的这些应用功能，如定位、空间分析、条件分析、可视化显示等均可综合应用于超限运输沥青路面结构验算系统。2.2公路超限运输沥青路面结构验算系统的组成本系统的计算思路是：依托干线公路超限检测站动态磅系统数据库，提取公路的车辆交通流量及轴载数据，按照上文介绍的标准轴载换算方法得到标准轴载累计当量轴次，路面结构组成及结构参数依照原设计资料提供的数据，参照设计规范方法进行路面结构验算分析。主要验算现有道路的计算弯沉值是否满足容许弯沉值要求；半刚性基层材料的层底计算拉应力是否满足容许弯拉应力。本系统将以有组织的方式把同沥青路面结构验算有关的各个参数组合在一起，从采集处理和计算数据，到鉴别目前和今后的养护维修需要，系统是在各方面活动之间建立起联系和协调关系。以帮助管理部门及时了解现有路面结构状况，辅助决策，改善决策效果。该系统从功能上划分，有数据采集系统、数据库管理系统、路面结构验算分析系统三个组成部分。其中数据采集系统托于动态磅系统数据库，采集道路交通数据，包括昼夜断面交通流量、交通轴载数据、货车超载情况等；收集道路设计和施工方面数据，如道路等级、几何参数、路面结构和厚度、所用材料及其性质实验结果等；建立信息数据库。其中数据库管理系统是路面结构验算分析系统的基础。路面结构验算分析系统是借助于计算机技术进行道路结构验算、分析、养护预测和决策的计算机辅助决策系统。2.3GIS与超限运输沥青路面结构验算系统的结合基于GIS的道路路面结构验算系统使道路的管理与道路的地理信息相结合：依托GIS的图库和数据库可通过鼠标来实现对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，GIS的空间分析和统计运算功能还能为决策者提供全局和细节的分析结果，实现数据的可视化[6]。GIS可帮助沥青路面结构验算系统实现地图管理功能、专题图管理功能、属性数据管理功能、数据查询功能、空间查询功能、空间关系分析功能、最佳路线的选择功能。基于GIS的沥青路面结构验算系统将已有动态磅数据库作为数据源，经过整理后直接用于系统中的计算。该系统对空间数据的管理采用基于拓扑数据模型的文件管理方式；对属性数据的管理仍采用关系型数据库。属性数据和空间数据之间通过一定的方式建立联系。3系统需求分析与总体设计3.1数据需求分析数据需求分析是根据环境信息表达、展示、查询、分析和计算的特征，对所需的必备数据源进行分析的过程[7]。从整个沥青路面结构验算系统的计算以及相关因素处理的过程来看，所需要的数据可分为五类：①基础地理数据，对主要公路网布局图处理后，矢量化的地形数据。②路面信息数据包括路面结构信息数据，即原道路设计资料；断面交通资料数据：超限检测站动态磅称重系统及计重收费系统数据。③规范标准数据用于存储技术依据，不同类型的路面结构验算所需的不同标准及公式。系统将这些约束规范数据存储在Access表中，便于系统的利用及用户查询。④超限超载统计数据主要包括治超检测站点、计重收费站点地理位置、超限超载车辆类型、轴重超载情况统计、超限运输车辆起讫点等调查资料。⑤验算及分析结果数据是路面结构验算系统的最终结果，是对超限运输下路面结构验算计算结果和分析的表格及图形展示。3.2功能需求分析针对公路养护管理人员，在实际工作中期待实现快速决策和高效管理，需要系统为其提供整个公路网的快速直观显示、公路路面基本信息及交通量信息的即时维护与修改、公路基本信息显示及查询、公路超限超载信息统计分析、路面结构验算信息计算分析以及超限运输下路面结构养护维修预测等功能，以帮助他们做出科学的养护决策，尽最大可能地发挥现有养护资金的作用。基于GIS的路面结构验算系统拟实现的主要功能有：数据的管理和应用、路面信息资料查询处理、路面结构验算指标自动生成[8]。3.3系统总体设计设计的基本思路是：建立与主干线公路网紧密联系的沥青路面结构验算分析GIS系统；快速验算公路在现有交通下路面结构的承载能力，确定路面养护维修管理业务的要求，以便能够高效了解路面结构破坏信息、对路网信息可视化、管理及查询的平台，实现管理科学化决策。系统从结构上的主线为：数据采集和储存、数据处理、数据库建立、数据查询和分析、图形及表格的成果输出等过程。依据系统的功能需求分析，系统各个模块拟实现以下功能：[9]属性数据管理模块、空间数据管理模块、数据模型计算模块、数据查询模块、专题图生成模块、图表生成模块、系统数据库设计。综合比较目前流行数据库，本文选用关系型数据库Access数据库作为后台数据库管理系统。它提供了包括表、查询等7种对象用来建立数据库系统；为了将数据存储、查询、设计、报表生成等操作规范化，数据库提供了多种向导、生成器及模板。系统参照《公路数据库编目编码规则》将国道干线公路进行编码；采用集合的形式来设计属性数据库结构，包括专用代码表、路线、路面、计重收费站上报数据、公路交通量五个集合，在此基础上又细化形成子集，每个子集都对应着一个数据库表，来存储相关属性信息。系统相关联的有大量的属性数据库表，为保证这些数据的易用性和易维护性，这些数据表都采用相似的数据格式、结构数据录入完毕并且检查无误后，把数据存储到MicrosoftOfficeAccess2003数据库中，形成属性数据库。本系统是建立在ArcInfo9.3平台上，采用先进的Geodatabase空间数据模型。它是集成在ArcGIS中的，提供对本地数据的访问，是基于MicrosoftAccess数据库的，在安装ArcGIS的时候就更新了MicorsoftJet数据引擎，从而可以很方便的创建和更新Access数据库。系统中数据既包括空间数据也包含属性数据，由于系统需求分析中要求用户选择查询路段等图形对象时，能够将属性信息和空间信息同时显示，因而必须解决公路等对象的地理特征即空间数据及其属性的存储、显示、查询之间的关系。我们在属性数据表和空间数据表中建立了一个相关联的标识识别码（ID），根据识别码来判断空间数据和属性数据之间的关系。4系统中验算功能的实现基于GIS系统的公路超限运输沥青路面结构验算系统，建立路面基础信息数据库，并在对动态磅称重