我國與發達國家公路路面技術狀況評價指標體系比較研究

賈國杰，楊碧宇，王俊喆，羅代松

（1.中國公路工程咨詢集團公司，北京 100089；2.云南昭通昭陽繞城高速公路投資開發有限公司，云南 昭通 657000；3.交通運輸部科學研究院，北京 100029）

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，我國干線公路網日趨完善，截至2020年末，全國公路網總里程達519.81 萬公里。隨著越來越多的公路進入養護維修階段，公路管理理念由原來的“重建輕養”逐漸轉變為“‘建管養運’協調發展”。公路路面技術狀況檢測與評價是公路建設與養護管理中的關鍵性、基礎性工作，它不僅對控制工程質量至關重要，而且還決定著公路資產管理及養護決策的科學化程度。英美等發達國家針對公路管理工作，在檢測裝備、技術標準、政策保障等方面已經積累了豐富經驗，建立了以路面狀況檢測與評價為基礎的公路資產管理體系。我國自“十五”以來，逐步開展了路面技術狀況檢測監測工作，提出并建立了我國的路況評價指標體系和行業標準，但在實際應用過程中，也發現了一些問題和不足。因此，深入研究并總結發達國家公路技術狀況檢測與評價方面的經驗，對提升我國公路資產管理和養護決策工作的科學化水平，促進公路養護高質量發展具有重要的借鑒意義。

近年來，國內外學者圍繞公路技術狀況檢測與評價開展了多方面的研究。為降低路況檢測成本，Aydn 等[1]研發了一種使用智能手機加速度傳感器和GPS 進行路面平整度狀況監測的解決方案，通過實際道路檢測數據，驗證了在坑洞和減速帶影響下準確評估道路平整情況的可行性。一些地區嘗試利用配備攝像頭模塊的無人機（Unmanned Aerial Vehicle,UAV）進行路面病害信息采集。Ersoz 等[2]開發了一種基于無人機的路面裂縫識別系統，通過無人機拍攝圖像獲取水泥路面的裂縫特征，用于訓練支持向量機（Support Vector Machine,SVM）模型，并通過溫差變化較大路段的水泥混凝土路面對模型進行了驗證，為監測水泥混凝土路面裂縫的變化提供了替代方案。近年來，圖像識別和機器學習等技術廣泛應用于路面病害檢測和識別[3-4]。Zakeri等[5]針對裂縫病害的圖像識別，系統梳理并總結出需要開展的五個階段工作，即圖像的預處理、分割、特征提取、特征選擇、檢測和分類。對不同算法加以優化以提升病害識別的準確性和運行速度是研究人員關注的重點[6-8]。為有效指導養護管理工作，基于路面技術狀況指標的養護需求和優化方法也是重點研究方向。張艷紅等[9]基于交通量及路況指標的資金優先級因子概念，建立了多年度規劃條件下的“資金-目標”雙優化法決策流程及資金排序優化方法，可輔助管理單位在養護資金與路況目標雙重約束條件下進行養護決策優化，以實現最大化養護資金效益的目標。鄭育彬等[10]基于路面使用性能提出了路面資產管理的通用框架，建立了路面養護修復需求評估優化模型，并以賓夕法尼亞州州際公路系統為例，分析了不同投資水平下路面養護和修復的結果，為公路管理部門提供了決策參考。

綜上，國內外關于公路路面技術狀況檢測與評價的研究主要集中在以下3 個方面：一是以降本增效為目標的多樣化數據采集方法的研究；二是圖像識別和機器學習技術在路面病害識別和分類方面的應用研究；三是基于路面技術狀況的養護需求分析和資金優化分配方法研究。上述研究均服務于路面檢測工作或以路況評價數據為基礎開展，然而針對路況評價標準本身的討論較少，包括指標選擇、指標權重合理性等。另外，由于標準的不斷修訂，目前行業內也缺少針對我國現行標準，特別是其中新增指標應用效果的研究。鑒于此，本文采用對比研究的方法，探討我國現行標準與發達國家標準在評價指標選取、指標權重確定和綜合評價模型建立等方面的差異，分析目前我國公路路面技術狀況檢測評價和新增指標應用工作存在的問題，并提出相關建議，以期為提升我國路面檢測評價數據的準確性和養護管理科學化水平提供參考。

1 我國與發達國家路面評價指標體系的對比分析

英美等發達國家公路基礎設施建設較早，已進入大規模養護階段，在公路養護技術標準方面積累了較多經驗。20世紀60年代，美國各州公路工作者協會（American Association of State Highway Officials,AASHO）開展的道路研究試驗項目——“The Road Test Program”，其最重要的成果之一就是提出了路面使用性能的評價方法，建立了路面評價模型[11]。隨著公路檢測和評價技術的廣泛應用和發展，許多國家和國際機構先后建立了各自的路面評價模型，并進一步完善形成了針對公路基礎設施技術狀況評價的標準規范。本文的研究對象選取遵循以下原則：一是評價標準由交通運輸主管部門制定或采用；二是評價體系中建立了綜合評價指標，可進行比較分析；三是評價體系具有較強的代表性。

英國的路況檢測評價工作根據采集指標和使用設備的不同可以分成3 類，分別是路面橫向力測試調查（Sideway-force Coefficient Routine Investigation Machine,SCRIM）、行車流速路況調查（Traffic Speed Condition Survey,TRACS）和國家公路網表面狀況調查（Surface Condition Assessment of the National Network of Roads,SCANNER）[12]。其中，SCRIM 調查只測量路面抗滑性能這一項指標，而TRACS 和SCANNER 調查均是采用多功能路況檢測設備在正常車流速度下采集多項路況指標。TRACS 和SCANNER 的區別在于具體的檢測指標不同，TRACS 調查方法未建立綜合評價指標。日本主要模仿AASHO 建立了自身的公路現時服務水平指數（Present Serviceability Index,PSI）評價模型[13]。加拿大安大略省交通部是較早建立路面管理系統的省級交通主管部門，加拿大其他省份采用的指標體系多借鑒安大略省的經驗[14]。美國聯邦公路管理局（Federal Highway Administration,FHWA）中的一份研究報告針對美國18 個州所采用的路況調查指標進行了調研分析，結果顯示紐約州采用的指標較為全面[15]，同時其綜合指標計算方法同美國土木工程師協會（American Society of Civil Engineers,ASTM）標準[16]采用的方法思路一致，具有較強的代表性。鑒于此，本文最終選取了美國紐約州、英國SCANNER和加拿大安大略省的標準/指南作為對比研究的對象。

1.1 評價指標選取

不同國家（地區）的評價標準中針對路面使用性能的評價都主要包括路面損壞、路面平整情況、路面車轍、路面抗滑、路面紋理和結構強度等6 個方面。其中，路面車轍、抗滑和紋理分別采用車轍深度、橫向力系數和構造深度指標進行表征，而對于路面損壞和路面平整情況，不同國家（地區）的標準選取了不同的指標進行評價。評價路面損壞狀況可采用的具體指標包括路面破損率、路面裂縫率和路面損壞總體評價。評價路面平整情況可采用的具體指標包括國際平整度指數（International Roughness Index,IRI）、移動平均縱斷面高程變化值和路面跳車。

如表1 所示，綜合不同國家（地區）的評價標準可以看出，路面破損率、IRI 和車轍深度是路面使用性能評價最常采用的指標。我國現行《公路技術狀況評定標準》（JTG 5210—2018）[17]中選取的評價指標涵蓋了上述6 個方面，在本次研究的4 個國家（地區）標準中覆蓋范圍最為全面。中國、美國紐約州和英國SCANNER 評價標準中均考慮了車轍對路面技術狀況的影響；中國、美國紐約州和加拿大安大略省標準中均采用IRI 來評估路面的行駛質量，中國還增加了路面跳車指標以反映路面的局部顛簸狀況，而英國SCANNER 標準則定義了3m 和10m 的移動平均縱斷面高程變化值參數以反映道路的平整情況。

表1 不同國家（地區）路面性能評價指標

1.2 分項指標權重設置

本次研究的4 個國家（地區）的路面技術狀況評價標準中，每種類型指標在各自評價標準中的權重系數如表2 所示。在權重系數設置方面，加拿大安大略省標準中的權重系數是根據歷史數據通過回歸分析法確定，其余各國（地區）評價標準中對不同指標類型均設置了固定的權重系數，系數大小根據路面類型或公路等級不同而有所差別。為便于對比，本文對中國標準中各項指標的權重采用高速公路的權重系數；在計算美國紐約州各項指標的權重時，錯臺和松散也被認為是路面病害，權重計入了路面損壞的類型中；英國SCANNER 標準中各類型指標權重的計算是在假設總得分為315分，縱斷面指標和構造深度指標的最大值分別為80分和75分的情況下進行的。

表2 分項評價指標權重系數

表2 中的數據對比顯示，中國和美國紐約州的評價標準均凸顯出平整度和路面損壞在路面技術狀況評價中的重要性。中國的評價標準中，這兩項指標權重合計為0.75，紐約州的標準中特別是對混凝土路面的評價中兩項指標權重之和達到了0.95；英國SCANNER 的評價標準主要關注路面損壞、平整度、車轍和構造深度，且各指標的權重系數分配相對均衡。

1.3 綜合指標計算方法

1.3.1 中國

我國的《公路技術狀況評定標準》（JTG 5210—2018）中，為了使各路段的路面狀況有可比性而建立了路面技術狀況指數（Pavement Maintenance Quality Index,PQI）作為綜合評價指標，它是各分項評價指標的加權函數。PQI 的計算如式（1）[17]所示。標準中規定的綜合評價指標和分項指標均采用百分制，100分代表路況水平最優，0分代表路況水平最差。

式中：PQI 為路面技術狀況指數（Pavement Maintenance Quality Index）；PCI 為路面損壞狀況指數（Pavement Surface Condition Index）；RQI為路面行駛質量指數（Pavement Riding Quality Index）；RDI 為路面車轍深度指數（Pavement Rutting Depth Index）；PBI 為路面跳車指數（Pavement Bumping Index）；PWI 為路面磨耗指數（Pavement Surface Wearing Index）；SRI為路面抗滑性能指數（Pavement Skidding Resistance Index）；ωPCI,ωRQI,ωRDI,ωPBI,ωPWI,ωSRI分別為PCI,RQI,RDI,PBI,PWI,SRI的權重系數。

1.3.2 加拿大安大略省

路面狀況指數（Pavement Condition Index,PCI）是加拿大安大略省評價路面技術狀況的綜合指標，相當于中國標準中的PQI，其計算公式如下[18]：

式（2）～式（3）中：PCI為路面狀況指數，取值范圍為0～100，100代表完好的路面；DMI為破損狀況指數（Distress Manifestation Index），取值范圍為0～10，0 代表路面最壞狀況，10 代表路面完好狀況；IRI 為國際平整度指數；a,b,c是針對不同的路面類型，利用歷史數據通過回歸分析得出的系數；DMImax為路面破損狀況最大值；Wi為病害權重系數；si為病害嚴重程度系數；di為病害密度系數。

1.3.3 美國紐約州

美國紐約州的路面技術狀況綜合評價指標與加拿大安大略省的一樣被定義為路面狀況指數（Pavement Condition Index,PCI）。其假設完好的路面評分結果為滿分100 分，考慮路面損壞情況、平整度和車轍等因素的影響，設定相應的扣分值（見表3），PCI最終得分等于滿分減去相應指標的扣分值。PCI 中每個因素的重要性由其被分配的最高扣除分數確定。

表3 不同路面類型指標最大扣分值[19]

1.3.4 英國SCANNER

英國SCANNER 標準建立了道路狀況指數（Road Condition Index,RCI）及其模型用于量化道路技術狀況的評價。RCI 的計算主要考慮4 個分項指標，分別是：移動平均縱斷面高程變化值、車轍深度、斷面裂縫率和構造深度，并對各項指標賦予相應的分值，其中構造深度指標根據公路等級不同其分值也有所差異。以干線公路為例，其各分項指標最大取值分別為80,100,60,75，最大總得分為315（見表4）。RCI最終得分為各分項指標得分之和，RCI得分越高表示路況水平越差。

表4 RCI指數計算分項指標及分值（干線公路）[13]

不同國家（地區）標準在綜合指標計算方面采用了不同的方法，總結起來可以歸納為：扣除法、相加法、加權法和公式法。中國標準中的PQI 采用加權法計算，各個分項指標分別被賦予不同的權重且權重系數之和為1；美國紐約州的標準采用扣除法，路面狀況指數以100 為基準，考慮不同指標的影響從中扣除相應分數后得到最終評分；英國SCANNER 標準中不同指標根據具體情況對應不同的得分，相加得到最終評分，最高得分為315而不是常用的100，得分越高代表路況水平越差；加拿大安大略省的評價標準則是通過建立二元一次方程的公式，根據歷史數據確定公式中參數的取值。上述由分項指標計算路面技術狀況綜合指標的方法具有代表性，涵蓋了大多數國家（地區）或組織制定的標準指南使用的方法。

通過與這些發達國家（地區）同類標準的對比可以發現，我國現行標準中評價指標覆蓋相對全面，分項指標權重系數和綜合指標計算方法較為合理。

2 我國當前公路路面檢測與評價工作存在的不足

（1）檢測技術與破損率指標設定不適應

我國現行標準《公路技術狀況評定標準》（JTG 5210—2018）使用路面綜合破損率（Pavement Distress Ratio,DR）作為調查指標。英國SCANNER 標準在對路面損壞進行評價時采用的是裂縫率指標。美國紐約州在對損壞狀況進行評價時則進一步劃分為總體損壞狀況和龜裂、錯臺等多種情況。我國的《公路路面技術狀況自動化檢測規程》（JTG/T E61—2014）[20]中也提出了路面裂縫率的概念。路面裂縫率和破損率的主要區別在于覆蓋的病害類型范圍不同。裂縫率計算的是龜裂、塊狀裂縫、橫向裂縫等裂縫類病害面積，而破損率則是計算包括變形類等所有病害類型在內的總破損面積。上述兩個標準對路面損壞指標定義的差異在實際路面自動化檢測工作中并未引起足夠的重視。

現階段我國路網級的路面技術狀況檢測多采用自動化檢測設備，通過高分辨率陣列相機連續采集路面圖像，然后基于圖像采用人工或自動化識別的方式開展路面病害識別同時計算損壞面積，進而計算出路面破損率。然而常規采集的二維圖像不包括深度信息，后期開展病害識別時難以針對擁包、車轍等變形類病害進行有效識別，實際路面檢測評定工作中采用的指標多為路面裂縫率（包括部分能夠在圖像中識別的病害）而非綜合破損率，并不完全符合《公路技術狀況評定標準》（JTG 5210—2018）的規定。

（2）標準對構造深度的定義不一致，易導致計算方法差異

根據評價和描述路面構造深度的計算模型，國際上衍生出很多不同的計算指標，主要有：斷面深度（Profile Depth,PD）、斷面平均深度（Mean Profile Depth,MPD）、估算構造深度（Estimated Texture Depth,ETD）以及傳感器測量構造深度（Sensor Measured Texture Depth,SMTD）[21]。我國的《多功能路況快速檢測設備》（GB/T 26764—2011）[22]和《公路路面技術狀況自動化檢測規程》（JTG/T E61—2014）[20]中也提出了路面構造深度的自動化檢測方法，明確檢測指標為SMTD 和MPD，并以附錄形式給出兩種指標的計算方法。上述標準均采用了“路面構造深度”和“斷面平均構造深度”的中文概念以及對應的SMTD 和MPD 的英文簡稱并保持概念上的一致性。我國《公路技術狀況評定標準》（JTG 5210—2018）中提出了PWI 指標并將其定義為路面磨耗率（Wearing Ratio,WR）的函數，而WR 是通過構造深度（Texture Depth,TD）計算得出的。標準中針對磨耗指標的計算，采用“路面構造深度”的中文表述，而其英文則采用MPD 作為簡稱，造成了一定程度上的概念混淆，從而可能導致實際評價過程中采用的構造深度計算模型和方法不一致。

（3）路面磨耗指標評價結果對實際工作的指導性不強

我國《公路技術狀況評定標準》（JTG 5210—2018）中的綜合評價指標和分項評價指標均采用百分制，并按照得分劃分為優（90～100）、良（80～90）、中（70～80）、次（60～70）、差（0～60）等5 個評價等級，實際工作中根據路面所處等級采取相應的養護措施。然而實踐中普遍存在路面磨耗指標難以參照的問題。以某省高速公路路網路面技術狀況評定結果為例（見圖1），參與評定的路段總里程約為2 000km，路網路面技術狀況評定的各分項指標除路面磨耗指數PWI 外得分均在90 分以上，評定等級均為“優”，而路面磨耗指數得分為83.4，評定等級為“良”，與其他各分項指標的差距明顯。路網中大部分路段若根據路面損壞等指標判斷，不需要進行養護，然而磨耗指標卻偏低，給養護決策造成了困惑。路面磨耗指數通過測量路面構造深度，基于特定計算模型表征路表宏觀紋理的狀況，然而此項指標尚未建立與駕駛員主觀行駛感受或安全性評價等方面的聯系，同時與其他指標評價結果存在較大差異，使得磨耗指數對于實際養護管理工作的指導性不強。

圖1 某省高速公路路網路面技術狀況評價結果

（4）不同類型路面采用同樣的等級評分標準不盡合理

隨著新技術、新材料、新工藝、新設備的應用，采用不同路面類型和結構形式修建的公路越來越多，不同結構形式的路面其平整度、抗滑性能等不盡相同，不同區域的公路網組成結構差異明顯。在加拿大和美國等國家的評價標準中針對不同的路面類型建立了針對性的路面損壞形式和等級評價標準[19,23]，然而我國現行標準中對各項指標的等級評定標準卻是一樣的。以路面平整度指標為例，實際檢測過程中普遍存在同一路段相鄰處的瀝青路面和水泥路面的平整度評定結果相差懸殊（見圖2），而實際表觀路面狀況差別并不明顯，這種情況在山區路段的三四級公路中尤為明顯。2018 年我國行業標準修訂時雖然將水泥路面平整度的“優”等評價標準由原來的90分降低至88 分，但并未對其他等級的評價標準進行調整，也未對相應的計算模型進行修正。

圖2 同一路段瀝青路面和水泥路面平整度評定結果

3 對我國路面技術狀況檢測與評價工作的建議

（1）加強三維檢測技術研發及其在路面技術狀況檢測中的應用

目前我國普遍采用的多功能路況檢測系統主要通過采集二維圖像，經人工或機器識別病害，實踐中因采集的路面圖像不包括深度信息而無法準確檢測出擁包、車轍、沉陷等三維類病害的破損信息。隨著信息技術的快速發展，利用高速三維掃描設備獲取高精度的三維數字模型，進而計算路面破損數據的三維檢測技術已成為路面檢測技術發展的重要方向。以美國Pathway 公司為代表的設備廠商研發的路面狀況數據采集系統利用高分辨率3D 攝像頭，同時實時采集路面的3D 高程圖像和高分辨率彩色圖像，用于創建橫向和縱向輪廓，包含高度信息的輪廓數據可進一步用于計算車轍、紋理，配合內置的經過訓練的視覺識別算法，同步實現病害的識別和計算，相關設備在美國公路網檢測中得到了大規模的應用。我國在三維檢測技術方面也開展了研究，部分國內廠商研發了類似產品，但尚未大規模應用于實際檢測工作中。因此，建議進一步加強激光高速掃描、海量數據存儲及處理、各類病害特征提取等技術難題的攻關，推動三維檢測技術在路面技術狀況評價中的大規模工程化應用，增強對變形類病害的自動化檢測識別能力，開展全斷面綜合破損率的計算，實現檢測技術與標準的統一協調。

（2）優化磨耗指標計算模型，充分發揮評價結果的指導作用

路面抗滑指標與其他指標相比所采用的檢測設備原理不同，檢測成本也相對較高。我國路況評價標準中，路面抗滑性能評價所采用的檢測設備和計算方法均與英國SCRIM 一致。兩國標準的不同之處在于，我國的行業標準將抗滑指標納入了路面綜合指標評價體系，而英國SCRIM 將其作為一項單獨的檢測指標。為了解決因抗滑指標數據采集困難和成本較高導致路網級路況綜合評定效率不高的問題，我國在2018對行業標準進行修訂時提出了路面磨耗指標替代抗滑指標參與路況綜合評定的思路，其初衷是檢測路面宏觀紋理情況，將其作為一種輔助指標判定路面的抗滑性能。然而在實際的應用過程中，一方面，普遍存在車道中心線構造深度值小于左右側輪跡帶構造深度值的現象，導致磨耗指數的計算公式失去了實際意義；另一方面，能夠按照公式正常計算得到的磨耗指數結果與其他指標的評價結果差距較大，也給后續養護管理工作造成了一定的困惑。路面技術狀況評價的主要作用之一是為后續的養護措施選擇提供指導，因此，需要進一步優化現行標準中磨耗指標的計算模型和公式，明確指標的物理意義以及同抗滑性能的區別與聯系，實現與其他標準規范的統一協調和對實際養護管理工作的指導作用。

（3）完善不同路面類型技術狀況等級評價標準

根據《公路技術狀況評定標準》（JTG 5210—2018）計算得到的公路優良路率是多項公路發展規劃中采用的約束性指標和公路管理工作的考核依據。例如，2021 年4 月財政部和交通運輸部聯合印發的“‘十四五’時期車輛購置稅收入補助地方資金‘以獎代補’支持普通省道和農村公路實施方案”，明確提出將普通省道和農村公路的優良路率作為養護任務完成情況考核指標；四川省政府將普通國省道路面技術狀況指數PQI 納入民生工程考核事項，并建立了以公共財政投入為主、事權和支出責任相適應的體制機制，因此路段技術狀況等級的確定對公路管理政策的制定和相關規劃完成情況的評估具有重要意義。不同地區的路網組成和路面結構往往具有較大差異，同時受氣候、天氣等因素的影響，養護管理工作也呈現出不同的特點，各分項指標的評價應根據不同路面的特點，進一步優化完善計算模型，采取不同的等級評定標準，對不同路面各項性能作出客觀、科學的判斷，確定其技術狀況等級。2018年我國行業標準修訂時針對水泥路面平整度指標評級標準的修改也正是這一思想的體現。因此建議進一步研究論證其他指標，不斷完善各項指標的等級評價標準。

4 結語

公路路面技術狀況直接反映公路的使用性能，全面準確的技術狀況檢測評定對后續選擇公路養護措施，保障行車安全和舒適性具有重要意義。本文以路面技術狀況評價標準為切入點，通過分析我國現行標準與發達國家標準在評價指標選取、指標權重確定和綜合評價模型建立等方面的差異，結合實際養護檢測數據，探討了我國公路路面技術狀況檢測評價工作存在的不足，特別是對我國現行標準中新增的路面磨耗指標的計算模型及其在養護決策中的應用進行了重點分析。研究認為，我國在路面技術狀況檢測評價方面應進一步加強三維檢測技術的研發與應用，優化磨耗指標計算模型，完善等級評價標準。由于本研究主要對比分析的是路面技術狀況檢測評價方面的技術標準，并且選取的對象相對有限，所得結論具有一定的局限性。下一步可擴大研究對象范圍，從檢測裝備、軟件系統、制度保障等多方面著手，就促進我國公路養護管理工作的高質量發展提出更加系統的建議。