基于三维一体化公路病害检测方法的病害决策支持系统研究.docx
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基于三维一体化公路病害检测方法的病害决策支持系统研究
基于三维一体化公路病害检测方法的病害决策
支持系统研究
中国地质大学(北京)北京10083
[摘要]本文对基于三维一体化公路病害检测方法作以论述,并着重说明如何运用决策论和方法,建立公路病害决策支持系统,并结合GIS技术把路面、路基病害数据、公路地质环境数据库、路面结构强度数据库等通过里程桩号或GPS座标,以及空间分布参数关联起来,通过数据挖掘和空间分析,可直观、全面、三维立体化的解读病害成因,从而对公路病害的决策起到辅助作用。
关键词:
决策支持系统病害数据库公路地理信息系统方法库三维一体化
1概述
随着公路建设事业的不断发展,高等级公路的数量和质量也有了较大的体高,但是由于交通量的迅速增长,载重车辆轴重的加大,致使公路路面出现早期破坏情况较为普遍。
路面的缺陷和损坏,必然严重影响路面的正常适用和服务水平。
因此,必须对公路路面加强养护,提高技术水平,保持路面的完好、畅通。
如何快速、高效地查明病害产生的原因,并正确制定养护对策,合理分配养护资金,确定养护优先次序和养护工作计划,是高速公路日常养护检测的最重要的任务。
但目前公路病害的决策主要是由养护技术人员根据路面破损状况,结合他们实际的工作经验进行决策,这样就造成了人为主观因素的介入成分较大,不能合理、科学的制定相关方案、计划。
基于此,我们从工程实际应用的角度出发,运用系统工程的理论和方法,由高速公路路面破损与路基病害的相关性,提出了“由表及里、三维一体化”公路病害检测的病害决策支持系统,使公路病害的决策由定性化、半定量化进入到定量化的科学阶段。
2公路病害决策支持系统
公路病害决策支持系统是以公路病害数据库、公路数据库、专家知识库、方法库为基础。
公路病害数据库和公路数据库是决策的基础,专家知识库则保证了决策的水平,信息库、方法库保证了决策的领先水平。
公路数据库的内容与构建
公路数据库包括:
(1)公路设计施工数据库:
包括了路面、路基结构设计施工数据、沥青混凝土配合比、地基加固方式、公路设计使用寿命等。
(2)公路地质环境数据库:
公路所处的地质地段、单元气象水文条件、勘探施工期以及日常养护期间查明的工程地质条件等。
(3)交通量及轴载公布数据库:
通过实际调查得到的各段的交通量和车辆的单轴轴重数据。
路面病害数据库
(1)按规范要求将不同历史时段的路面病害数据分类管理
表2-1路面病害数据库表格形式
类别
长度
宽度
深度(高差)
原始图片
位置
桩号、GPS坐标
(2)路面病害的标准图谱
为了使路面病害的计算机图像识别结果更加科学合理,标准统一,应当建立公路路面病害的标准图谱。
标准图谱可按以下模式建立:
表2-2路面病害标准图谱格式
破损类型
面层破损状况指数
基层破损状况描述
病害原因
(3)路基病害数据库
根据本文的定义,路基的范畴包括了基层、底基层和岩土地基。
表2-3路基病害数据表
病害深度(m)
病害部位
病害描述
日期
位置
钻探、开挖资料
探地雷达探测资料
基层
桩号、GPS坐标
底基层
桩号、GPS坐标
岩土地基
桩号、GPS坐标
(4)路基病害探地雷达波形图库
如前文所述,路基病害探地雷达波形图库分为两类:
一是标准病害波形图库,服务于路基病害的探测分析。
二是定时探测的路基病害图库。
如下表所示:
表2-4路基病害探地雷达波形图库
日期
病害深度(m)
病害部位
病害图
病害描述
位置
探地雷达图
桩号、GPS坐标
公路专家知识库
本知识库储存以下专家知识:
(1)路面破损与路基病害模糊评价隶属函数
(2)路面破损、路面结构强度评价决策模型
(3)路基病害影响程度分析等
(4)路面破损与路基病害相关性评价
与公路病害决策相关的其他知识,专家知识获取的具体过程可分为实例分析和问卷调查两个部分。
公路病害决策方法库
决策方法库是储存针对不同路段、时间、不同类型公路病害,为达到某种决策目标时采取的方法。
本文分析论述以下三种公路病害决策方法:
公路病害类比法[HighwaydeasiAnalogyMethod]
H.D.A.M法的定义及应用条件
H.D.A.M法是实际工作中及其有效的一种决策法。
它是以各有关专家(组)的经验知识为基础,借鉴于类似公路病害(或同一公路类似病害)的有关资料,对决策项目的公路病害状况作出预测和判断的一种实用的公路病害决策方法。
事实上几乎所有的公路病害分析中我们都采用了法,在一些技术文献中,养护报告中都采用了法,尽管EAM法是以定性分析和经验判定为主,但仍是一种重要的实用方法。
在进行公路病害类比时,首先应进行可比性分析。
评价可比性的指标可以用可比度来衡量。
可比性的分析首先是分析类比病害的评价因子或类比项。
根据类比病害中评价因子可否给出权重,可比度又可划分为两种类型:
一是评价因子无权重可比度问题,二是评价因子有权重可比度问题。
多目标决策问题
根据本文对公路病害决策系统的分析,表明公路病害的决策不是单一目标的决策,而是多目标决策。
多目标决策问题中的目标函数是一个向量函数,每个函数值对应的是平面上或空间中的一个点,所以多目标决策要比单目标问题复杂的多。
可以采取如下的多目标求解方法:
(1)化多目标为单目标
①线性加权和法
设一个决策问题有n个目标f1(x)、f2(x)…,fn(x),且都要求最小(大)时,可以先给每一个目标规定一个相应的权系数λ,然后给出一个新的目标函数:
(公式2-3-1)
使
达到最小(大)的解所对应的方案做为多目标决策问题的最优方案。
经过这样处理后就把一个多目标决策问题化为一个单目标决策问题了。
这种方法的问题是怎样才能得到符合客观实际的权系数。
权系数不同,最优化的结果也不相同。
合理的权系数用解析法确定往往有很多困难。
因此,实际中可以用专家法。
即由一批有经验的专家对如何确定权系数发表意见。
为了避免相互影响,采用回答调查表的方式,然后用统计的方法做出平均估算。
(公式2-3-2)
式中:
——第j格人对权系数
的估计;
m——参加评定的人数。
求出平均估值
后,再请专家们讨论这个平均估值的合理性。
②目标规划法
一般来说,如果一个决策问题有n个目标f1(x)、f2(x)…,fn(x),且都要求最小(大)值,对每一个目标f1(x)都预先规定了一个目标值(目的值)fi*,并希望所有目标与相应的目标值尽量接近,于是可作出一个新的目标函数
(公式2-3-3)
(2)分层序列法
分层序列法的思想是把目标按重要程度先排列一个队,然后按照这个队的次序逐个地求最优。
即首先对第一个目标求最优,找出所有的最优解组成的集合,记为R1。
然后在R1内对第二个目标求最优,找出所有最优解,记为R2,…。
依此类推,直到求出第N个目标的最优解Rn。
这个方法有解的前提是R1,R2,…,Rn等集合不是空集,同时R1,R2,…,Rn-1都不能只有一个元素,否则就很难继续找下去。
为了避免这种情况,可在求后一目标时,不必在前一目标的最优解组成的集合中找,而是在一个与最优解有宽容的集合中去找。
上述两类目标问题决策方法在实际使用时,都难免要掺入一些主观想法,为了避免和减轻这种缺陷,可以尽可能先把非劣解都找出来,然后让决策者自己去进一步挑选。
公路病害地理信息系统()辅助决策法
公路病害地理信息系统是在GIS基础平台上采用目前先进的公路管理决策理论、数据库技术,具有对空间和属性数据输入、存储、显示、查询、分析、输出等功能的信息系统。
利用GIS技术把路面、路基病害数据、公路设计施工数据库、公路地质环境数据库、交通量及轴载分布数据库、路面结构强度数据库等通过桩号或GPS座标、以及空间分布参数关联起来,通过数据挖掘和空间分析,可以直观、全面、三维化的解读病害症状,从而对公路病害的决策起到辅助作用。
结合公路管理目前的实际情况,系统结构采用基于互联网的B/S结构(浏览器端-服务器),这种结构满足了数据的集中管理和用户分散访问的要求。
系统在GIS平台ArcGIS的基础上进行二次开发,利用其桌面地图数据处理工具ArcMap、ArcCatalog进行基础道路地理信息数据的加工。
编程语言采用JAVA,与ArcIMS相结合进行信息的图形发布、显示和分析。
空间数据采用ArcSDE,主要用于地理信息数据的管理,关系数据库采用SQLServer2000,主要用于公路病害数据的管理。
系统逻辑模型和系统架构
公路病害地理信息系统主要分为路面病害、路基病害、公路设计施工数据等、网络地理信息系统四大部分,该系统预留与其他公路管理信息系统(MIS)、道路质量评价系统的接口,由于这里主要考虑公路病害地理信息系统,所以略去MIS和道路质量评价系统,
公路病害地理信息系统的架构如图2-1所示:
图2-1公路病害地理信息系统的架构如图
公路病害地理信息系统逻辑模型如图2-2所示:
功能模块划分
(1)数据管理功能
对路面、路基病害数据管理,包括数据的采集、录入、编辑、查询等;对病害图片及多媒体数据的管理;与国内外的高效检测设备实现智能数据通信传输。
数据库是公路病害地理信息系统的基础。
系统所需的各种路况数据以不同的方式采集后输入计算机,通过数据库加以处理和管理,为系统的决策分析提供所需要的数据。
图2-3以数据库为中心,描述了数据库与系统其他主要部分之间的关系,从而体现了数据管理的重要作用。
图2-3数据管理示意图
①公路病害数据的采集
公路病害数据的采集分为路基和路面两部分,路面病害数据的可以采用人工调查的方式进行,也可以如前文所述采用视频自动采集系统。
路基病害可以按前文所述的探地雷达探测,结合钻孔取芯试验检测法。
采集并处理完的数据通过数据录入模块录入关系数据库,为以后的数据分析和图形化显示做准备,数据录入既可以在局域网内通过基于C/S的录入界面输入数据,也可以通过互联网的浏览器端上传数据到服务器端。
②数据库备份及整理模块
备份数据:
保证数据备份目录指向的灵活性;
合并数据:
把各地区的备份数据汇总起来,保存在同一数据库中;
恢复数据:
用于恢复以前备份的文件;
清除数据:
用于清除多余的数据。
③指标计算模块
路段和区间的一些数据项是指需经过计算的指标,如路面破损、好路率、平整度、路面弯沉及路面抗滑性等。
系统应提供自动计算的功能。
④数据库接口模块
数据接口,包括“路况数据采集仪”数据,“道路平整度仪”数据,“横向力系数车”数据,“自动弯沉仪”数据的转入。
⑤多媒体图像管理模块
多媒体图像管理包括打开文件;路段号浏览、定位要显示前方图像的路段,在播放图像时显示相应路段信息。
(2)地理信息系统功能
地理信息系统的主要功能包括:
①基本的地图管理模块:
地图的基本功能(放大、缩小、移动、测量距离、显示地理坐标等)、动态桩号显示功能、地图图层管理、动态图层控制;
②数据查询模块:
公路属性数据和空间数据的交互查询、多媒体数据的查询;
③专题图分析模块:
对当前数据分析图层进行分析、依据公路属性数据的内容制作专题图;
④路面病害、路基病害结合电子地图进行关联分析,技术人员能够在查看路面病害的同时,查看同一位置或路段上路基是否存在缺陷,方便对病害的发生原因进行三维综合分析。
数据库建设
数据库建设分为空间数据库的建设和病害关系数据库的建设.
(1)空间数据库的建设
空间数据库采用ArcGIS的ArcSDE,ArcSDE借助于通用的关系数据库作为支撑,把各种道路地理信息数据入库,实现数据的规范化管理。
道路地理信息数据分为:
基础地形图数据和专题图数据。
基础地形图数据库由一定比例尺的行政界、水系、居民点分布等数字化地形图组成,专题图数据由道路中心线、收费站、报警电话、立交桥、服务区、隔离带、桥梁等专题图件组成。
空间数据库的结构可从垂直和水平两个方向分解。
①垂直方向:
空间数据的分层原则应完全独立于具体的应用模块,图上所有要素均按点、线、面分层,各层信息严格按信息分类编码体系规范化分类编码,这样点、线、面彻底分为不同的层,在今后的应用中按需要可以灵活的将若干层信息合并使用。
②水平方向:
ArcSDE可以通过索引图的方式提供连续式地理资料库,具有跨图操作图形库的能力,因此,在设计时,以地形图的标准分幅为一个基本图幅单元,建立空间数据库。
空间分析以路段范围各基本图幅的索引图为操作对象。
(2)病害数据库的建设
病害数据库主要分为路面病害和路基病害两部分,可再结合桥梁病害。
病害数据库采用SQLServer2000关系数据库,在设计各个表时,需要详细考虑每个字段命名的标准化和统一化,字段的类型和大小根据实际情况来确定,并为将来可能要遇到的情况预留一定的空白字段。
病害数据和电子地图的关联主要是通过公路里程桩号和GPS坐标,可以考据建立相应的索引,如病害类型等,以便提高数据查询时的效率。
(3)数据库建立
①图形数据库建立
a.采集图形数据:
图件经过规范化处理后,进行数字化工作,要素复杂的图件采用扫描输入,要素简单图件采用手工数字化的方式完成数字化,这部分工作可以通过ArcGIS的ArcMap来完成,处理完的数据以ShapeFile文件的形式存在。
b.采集属性编码:
输入每层信息的地理编码。
c.图形编辑:
检查并改正数字化错误,把ShapeFile导入ArcSDE,建立空间图形数据库。
②病害数据库建立
采用关系型数据库二维关系表的形式设计数据库结构,以地理编码为记录的基本单位,数据项为与地理编码相对应的各种数据。
③图形数据库和病害数据库的联接
ArcSDE为图形数据库和病害数据库的联接提供了联接和解除联接的命令。
图形数据库和属性数据库分开存放,只有在用到某一类病害信息时才将该图形数据库和属性数据库相联接。
病害地理信息系统的辅助决策功能
根据以上对病害地理信息系统的论述,可知()与病类比法、病害多目标决策法有如下关系:
图2-7病害地理信息决策系统与其它决策法关系图
在进行病害类比法决策分析时,和日常随机性病害养护决策时可同时利用进行辅助决策分析,而病害多目标决策的结果可以在系统中得到进一步的验证。
可以以下列项目或指标检索调用。
(1)空间位置:
里程桩号、GPS坐标、埋探
(2)病害类型:
路面破损:
纵裂
横裂
网裂等
路基病害
(3)相关性:
路面破损与路基病害的相关性
路面病害与潜在地质灾害的相关性
路面病害与其他构筑物的相关性
在查询某路段的路面路基病害时,除了在电子地图上显示该病害的位置外,还可以显示路面病害、路基病害的具体描述信息,与此相关的其他多媒体信息,如病害的图片、路基病害的钻孔取芯图片、探地雷达反射波图像、以及公路设计施工数据、公路地质环境数据等。
空间位置方面包括里程桩号、GPS坐标和埋探;病害类型方面包括路面破损、纵裂、横裂、网裂和路基病害;相关性方面包括路面破损与路基病害的相关性、路面病害与潜在地质灾害的相关性、路面病害与其他构筑物的相关性。
路面破损图片路基病害雷达探测图像
图2-8公路病害地理信息系统中路面破损与路基病害图像的对应显示
决策方法的综合应用与选择
本文论述了三种公路病害的决策方法:
病害类比法()、多目标决策分析法(MTD)、公路病害地理信息系统()辅助决策法。
这三种方法在决策中各有不同特点,在实际应用中往往是同时采用不止一种方法,即多种决策方法的综合——综合决策法SynthesizeDecision-makingMethod(SDM)。
根据决策问题的特点和拥有的资料情况可以选择不同的决策方式,也可以同时选用几种决策方法,综合分析,相互参照。
3公路病害决策支持系统的结构与流程
根据本文对公路病害“三维一体化”检测方法采集的数据,结合对公路病害系统特征的分析,利用建立的公路病害数据库、公路数据库、专家知识库、方法库。
利用综合决策法(SDM)建立公路病害计算机决策支持系统基本结构和流程图。
如图3-1。
根据高速公路“三维一体化”检测方法体系所采集的病害数据特点,分析路面破损、路基病害的分类和评价指标体系、空间分布、重要性次序等,选用公路病害多目标决策时首先应分层序地将多目标化为单目标。
(1)化多目标为单目标
将公路病害分为路面破损、路面病害、路面病害与路基病害的相关性三大类。
其中路面破损又可分为:
裂缝类、松散类、变形类。
路基病害又可分为:
基层、底基层的病害、岩土地基的病害或地质灾害。
路面破损与路基病害的相关性:
可以桩号、GPS坐标等空间位置的一致性程度来确定评价指标。
(2)对各种分类病害进行初步评价
利用各分类病害的评价指标分别对路面破损、路基病害进行评价。
评价出可能需要处理的单项病害(路面破损分:
轻、中、重三级)以及它们之间的相关性参数。
(3)目的规划法和理想点法的运用
对初步评价出的可能需要处理的病害,采用理想点法,通过专家知识库等确定出最优点fi0计算出最急需处理的病害LP(x)min。
输出结果为:
表3-1需处理的病害属性表
病害类型
LP(x)min
相关性病害
位置(桩号、GPS坐标)
对未初步评价为不是重度的病害,采用目的规划法,根据相关性参数确定目标值fi*,评价出需处理的病害M(x)min。
输出结果为:
表3-2需处理的病害属性表
病害类型
M(x)min
相关性病害
位置(桩号、GPS坐标)
(4)公路病害综合评价
应用计算机决策支持系统做出的决策结果,要与人工综合分析相结合才能更科学、全面。
因此应当充分利用公路病害地理信息系统()的空间可视化展示效果,以及公路病害历史数据库等。
最后由人工综合分析做出最终决策。
4结语
(1)本文提出的公路病害决策系统和交通部现行的路面质量评价体系之间的关系应当是路面质量整体评价与公路病害个体评价的关系,是路面质量评价系统的补充。
(2)公路病害地理信息系统应当在公路运营前就开始建立,将前期工程地质勘探资料和施工期间的潜在病害问题及时收录到系统中,不仅能够为公路病害的决策服务,还能够有效的预防重大的公路地质灾害的发生。
(3)公路病害决策支持系统是一个开放的系统,应当不断地更新调整才能使系统更加完善、科学。
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