交通基础设施多设施资产优化管理决策技术综述.pdf

No.22023上涵2 路1 6 3SHANGHAIGWAYS综交通基础设施多设施资产优化管理决策技术综述王子涵，彭坤，王联芳”，靳彦彪”，陈长1（1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海2 0 1 8 0 4；2.深圳市综合交通与市政工程设计研究总院有限公司，广东深圳51 8 0 1 9；3.河北省交通规划设计院，河北石家庄0 50 0 51）摘要：多设施资产优化管理是资产管理的核心部分。传统交通基础设施管理中，普遍强调对单一设施进行管理，忽略了整个交通基础设施的网络化、整体性特征，导致多设施资产优化管理水平不高。现梳理国内外基于交通基础设施的设施资产管理和多设施资产管理决策技术的相关研究成果，为多设施资产优化管理决策技术的后续发展和实际应用提供借鉴，进而更好地实现交通基础设施的有效管理，提升交通基础设施资产的价值。关键词：基础设施；资产管理；多设施0引言交通基础设施对国家经济发展和人民日常生活有着深远的影响，其建设、管理和养护的重要性不言而喻。通观各类交通基础设施的生命周期，建设阶段无论是在时间维度还是投资规模上，都比后续的运营养护阶段要小得多。因此，交通基础设施的养护管理成为了首要考虑的问题。传统的交通基础设施管理模式强调单一设施的管理，虽然为早期基础性研究的开展带来了便利,并提高了各类交通基础设施管理的专业化程度，但也造成了设施之间的人为分割，忽略了整个交通基础设施的网络化和整体性特征。这种模式只能实现设施的部分效益最大化，不能满足现代交通基础设施管理协同发展的需求，也不符合发展综合交通运输系统的要求。此外，单一基础设施的封闭式运营管理也会导致管理机构或人员在实践中缺乏全局视野，从而难以全面考虑设施的整体运营情况上述情况表明，传统的单一设施管理已经无法适应现代化交通基础设施管理的需求。资产管理的核心是优化!，多设施综合优化管理的理念与方法，正在成为交通基础设施资产管理新的发展趋势。因此近年来，国内外研究人员进行了一系列的探索和研究，以促进交通基础设施的管理由单一设施向多设施收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 8基金项目：河北省省级科技计划资助项目编号：2 0 3 1 0 8 0 2 D转变，并取得了一定的研究成果。本文旨在从设施资产管理的发展和多设施资产管理决策技术这两方面人手，归纳分析近年来国内外相关研究的成果，为多设施资产综合优化管理决策技术的后续发展和实际应用提供参考。1设施资产管理发展交通基础设施资产管理起源于对交通设施管理的研究，是交通基础设施管理领域的一个核心问题，在国家可持续发展中起着关键作用。基础设施资产管理需要对设施的整个生命周期和广泛的基础设施资产组合进行系统管理，确保不会浪费交通基础设施的初始公共投资，并保证这些基础设施能够持续健康地运营。近年来，气候变化、公共卫生危机和信息技术的进步，给交通基础设施管理带来了更多的风险和挑战。因此，合理高效的设施资产管理决策技术就变得尤为重要。20世纪7 0 年代，澳大利亚在“Austroads路面管理系统中，首次提出“资产管理”一词，把“资产管理”定义为对社会公共资产的合理利用与分配 2 。虽然“Aus-troads”只是一个传统的设施管理系统，其核心内容并没有什么实质性的提升，但其首次将“资产管理”的理念融人到设施管理中，为后续交通基础设施资产管理的发展奠定了基础。受此启发，美国也展开了对交通基础设施资产管理的相关研究。1 9 9 8 年，美国联邦公No.22023164上涵么路综SHANGHAIHIGHWAYS-路局（FHWA，Fe d e r a l H i g h w a y A d mi n i s t r a t i o n）成立了资产管理办公室，将交通基础设施视作为一项庞大的公共投资，通过对全美公路基础设施资产进行系统化管理，以期达到投资方案经济最大化的目的。FHWA于1 9 9 2 年1 2 月发布了资产管理初级读本（AssetMan-agementPrime）,对资产管理的概念、组成以及原则等基本内容进行了系统阐述。同时,其主张对交通基础设施进行资产评估，这是向设施“资产化”发展迈出的关键一步 3 。1 9 9 7 年,AASHTO也加人其中，展开了对资产管理首要任务和理论框架的研究。相较于FH-WA，A A SH T O 的研究更为笼统一些，且并未形成有效的资产管理技术与方法。除美国之外，其他国家也开展了一系列的相关研究。如加拿大运输协会在1 9 9 9年发布了资产管理入门，其中，将资产管理定义为：在资金限制条件下，对资产要素如技术、人员、信息等进行有效分配的过程。英国公路机构对交通基础设施的发展与养护，采用的是基于资产管理的方法。日本也展开了对桥梁资产管理的研究 4。国内自2 0 世纪8 0 年代以来，交通基础设施管理的理念和方法在不断地发展和成熟。如北京公路局的路面管理系统 5、交通厅运输部的CPMS6、上海市城市桥梁管理系统 7 、上海市公路设施管理系统 8 等。此外,众多专家学者也陆续对基础设施资产管理方面进行了许多深入的研究,得出了一系列具有前瞻性的结论。初秀民等 9 在对交通资产管理系统现状的研究中指出，公路交通资产管理技术的研究，需要从操作简便、智能化程度高的信息采集系统人手，并注重公路交通资产管理系统的标准化、集成化和网络化。熊辉等 1 0 在对路面管理理论与方法进行研究分析后指出，资产管理将成为设施管理发展的必然趋势，且公路资产管理在概念和功能上，已远远超过了路面管理。苏卫国等对公路基础设施资产管理进行了总结和概述，探讨了资产管理系统和寿命成本分析方法的实际应用。邹志云等 1 2 根据国外资产管理研究的现状，结合本国实际，提出了资产管理系统的总体设计，以及资产管理的目标和政策，最后建立了资产管理系统的框架体系。吴文娟等 1 3 分析总结了国外道路资产管理系统的相关资料，针对我国高速公路资产管理现状，提出了现阶段存在的一些问题,并指出了发展道路资产管理系统的重要性。陈尧 1 4 根据我国公路资产管理的发展现状，指出公路资产管理的发展，应结合未来智慧交通管理的需求，并充分利用先进的技术手段。2多设施资产管理决策技术随着实践经验和管理技术的不断发展，交通基础设施资产管理已从单一设施向多设施综合优化管理转变。多设施综合优化管理在管理理念和方法上具有单一设施管理不可比拟的优越性。其通过信息共享、资源管理和资源调度等决策过程，对交通运输系统内所有设施的养护管理活动进行全面系统的分析与优化，从而达到最大化利用有限资源的目的。近年来，许多专家学者致力于推进交通基础设施管理向多设施方面的转变，并对多设施资产综合优化管理进行了一系列具有前瞻性的研究。针对多设施资产综合优化管理的模型与框架，众多专家学者在自已的研究基础上，给出了不同的理解。陈长 1 5 对多设施综合优化管理进行了初步探索，提出了优化管理的总体方法，构建了优化管理的体系框架。他将总体方法分解为目标函数和约束条件两个方面，把规划期内的所有设施维修项目的最大总维修效益作为目标函数，总预算资金作为约束条件。受限于当时理论和实践的发展水平，并未考虑设施之间的协调性。模型最终可实现在总预算资金内，路面和桥梁的使用性能达到最优状态。此外，他还将总体框架分为以下几个步骤：先是数据采集、使用性能检测；而后是核心数据库存储；接着，利用采集的数据，对各类交通基础设施进行数据处理和分析；随后将最终的管理决策，通过计划、规划或其他成果形式输出；最后是具体项目的实施。在此基础上，周丹 1 6 从三个方面,对多设施综合优化管理进行了研究。首先是资产价值的评估。资产价值评估可完成“设施”向“资产”的转化，从而将不同类型设施的技术指标转化为统一的经济指标。同时，归纳提出了路面和桥梁设施的用户费用模型，建立了交通基础设施资产价值评估的具体方法和流程。接着是对多设施协同管理的研究。通过对单一设施间的依赖关系进行研究，明确了设施的空间依赖关系和性能依赖关系。最后是对多设施管理优化方法的研究，确保形成合理有效的决策方案。上述研究多集中在道路和桥梁基础设施上，而市政设施也是设施管理养护的重要部分。朱民强等 1 7 提出了市政多设施No.22023上海么缆1 6 5SHANGHAIHWAYS综综合优化管理的概念模型和总体框架，并将概念模型分为三个维度：各种交通基础设施、系统目标和系统功能。总体框架则划分为五个主要模块：数据采集、信息管理、系统综合优化分析、资金分配和管理、计划安排与报告。同时，结合单一设施管理系统的实际使用情况，考虑由单一设施管理向多设施综合优化管理转变的途径，提出从GIS软件系统、网络级层面和项目级层面等三个方面，将现有的单一设施管理系统集成并改造为资产管理系统。合理的模型与框架是完善多设施资产综合优化管理决策技术的前提，准确高效的模型求解方法才是关键。吴文娟等 1 8 针对基于资产性能最优与投资效益最大的路面和桥梁的综合优化管理模型，提出用遗传算法进行求解，并通过实际案例，证明了算法的可行性。同时，也提出了用蒙特卡罗随机模拟对决策方案进行风险分析，以提升管理部门决策的科学性与可靠性。但使用遗传算法缺乏创新性，且计算结果的准确性尚有待提升。此外，虽然使用蒙特卡罗随机模拟方法可对决策方案进行风险分析，但该方法存在概率误差以及计算繁琐等缺点。Bai等 1 9 提出了一种基于权衡的交通资产管理通用多目标优化框架，使用极值点非支配排序遗传算法II,对交通资产管理领域的多个目标进行权衡分析。然而，该模型方法没有考虑时间维度，而时间维度在基础设施后续养护管理的过程中非常重要。Kuhn等 2 0 将多设施优化方法分为自上而下和自下而上两种。自上而下的方法通过线性规划，将网级基础设施优化问题建模为马尔可夫决策过程，并对处于相同状态的设施进行综合考虑。虽然该方法的计算效率很高，但由于其维护决策并不针对所有单个设施，而是针对相同状态的设施进行的，因此仅适用于同质系统。由于自上而下方法固有的缺点，越来越多的专家学者开始关注自下而上的方法。自下而上的方法通常是一个两阶段的过程。首先是实现项目级的最优决策，然后在第二阶段，考虑设施之间的相互依赖性，并通过利用第一阶段的解来进行网级的优化。例如，Yeo等 2 1 考虑了多设施的预算分配问题，将优化问题分解为单一设施的马尔可夫决策过程，得到了第一阶段的最优决策和几个次优决策。然后，在预算约束下，第二阶段采用启发式算法，从第一阶段的决策中找到最佳维护组合。然而，该方法难以保证次优解的数量和质量，同时，计算过程也很繁琐。在此基础上,Furuya等 2 2 采用了类似的两阶段法,除了预算约束之外，还进一步考虑了规模经济和容量约束。由于三种相互依赖关系的复杂性，第二阶段使用蒙特卡罗模拟来获取规划期内的平均成本。该方法仍未能解决蒙特卡罗模拟存在的概率误差和计算繁琐等问题。Bryce等 2 3 通过对跨资产资源配置过程进行解构，提出了跨资产资源配置的两步概念方法，但没有给出可执行的数学表达式。Chen等 2 4 利用目标规划和整数规划优化技术，建立了多基础设施综合优化模型，并提出了一种交互式模糊线性加权最优阶算法。该算法先对所有目标分配模糊权重，然后采用两阶段法，求解综合加权单目标优化模型，最后采用最优阶法，选取最优解。然而，在设施数量较多和维护复杂的情况下,该方法的效果并不理想。因此,Shi等 2 5 提出了一种基于拉格朗日松弛法的多阶段方法，用于解决多个设施复杂维护的问题。该方法将拉格朗日松弛问题分解为多个马尔可夫决策过程问题，但维护决策通常会违反预算限制。第二阶段则采用拉格朗日修复启发式方法，将不可行的决策修复为可行的决策，从而进一步提高下界和上界的精度。然而，针对每个设施单独计算的最优维护策略，通常无法满足有限的维护预算，因此需要采用更便宜的维护方案以满足预算限制。3结语随着管理需求的增长和技术理论的发展，交通基础设施资产管理迎来了良好的发展机遇。交通基础设施具有网络化和整体性的特征，但传统的设施管理方法仅针对单一设施，缺乏对多设施的全盘考量，无法利用有限的资源来达到多设施的综合最佳配置。因此，专家学者开展了针对多设施优化管理的研究，包括创建多目标优化框架、对跨资产资源配置过程进行解构、运用各种优化技术等，建立了多基础设施综合优化模型、用户费用模型，以及交通基础设施资产价值评估的具体方法和流程等。多设施资产综合优化管理作为资产管理的核心部分，目前仍未形成成熟的可应用于实践的模型和方法。只有不断地深人研究多设施资产综合优化管理的方法和理论，并在实际设施管理中加以应用，才能真正发挥出其巨大的经济效益和社会效益。No.22023166上海么路综SHANGHAI HIGHWAYS-参考文献1 Lin Chen,Qiang Bai.Optimization in Decision Making in Infra-structure Asset Management:A Review J.Applied Sciences,2019,9(7):1380.2 Flew J.Strategy for improving asset management practice J.Australia,1997.3 FHWA.Asset Management PrimerR.1999.4 Ohnishi Hirofumi.Research Coordinate for Road Affairs,RoadDepartment,Asset Management for Road Facilities R.2002.5姚祖康.路面管理系统 M.北京：人民交通出版社,1 9 9 3.6潘玉利.路面管理系统原理 M.北京：人民交通出版社,1 9 9 8.7孙立军,杨阳,张小宁,等.上海市城市桥梁管理系统研究 J.华东公路，2 0 0 0(2):4.8毕艳祥,赵鸿铎,姚祖康,等.上海市公路设施管理系统的研究与开发 J.华东公路，2 0 0 0(3):3.9初秀民,付军,严新平.交通资产管理系统的研究现状与展望J.公路,2 0 0 3(1 2):8 8-9 2.10熊辉,史其信,潘先榜.路面管理理论与方法的研究进展及趋势 J.土木工程学报,2 0 0 4(0 1):6 5-6 9+7 3.11苏卫国,张肖宁.公路基础设施资产管理概述 J.公路,2 0 0 3(07):86-90.12邹志云，毛保华,郭志勇.公路交通资产管理系统框架研究J.华中科技大学学报(城市科学版),2 0 0 5(0 2):1 9-2 2+2 6.13吴文娟,赵伟.道路资产管理系统简介 J.中外公路,2 0 1 1,3 1(01):253-258.14陈尧.面向智慧交通的公路资产管理发展现状与趋势分析J.交通世界,2 0 2 1(1 8):1 6 2-1 6 3.15陈长.交通基础设施管理系统技术结构研究 D.上海:同济大学,2 0 0 5.16周丹.资产管理中的多设施综合优化管理研究 D.上海：同济大学,2 0 0 8.17朱民强,徐天东.市政多设施综合优化管理系统研究 J.城市道桥与防洪,2 0 0 8(1 0):3 4-3 7.18】吴文娟,沙爱民,姚辉宁,等.高速公路资产综合优化管理研究 J.公路交通科技,2 0 1 1,2 8(0 4):1 46-1 52.19 Qiang Bai,Samuel Labi,Kumares C.Sinha.Trade-Off Analy-sis for Multiobjective Optimization in Transportation AssetManagement by Generating Pareto Frontiers Using ExtremePoints Nondominated Sorting Genetic Algorithm IIJ.Jour-nal of Transportation Engineering,2012,138(6):798-808.20 Kenneth D.Kuhn,Samer M.Madanat.Model uncertainty andthe management of a system of infrastructure facilities J.Transportation research,Part C.Emerging technologies,2005,13C(5/6):391-404.21 Hwasoo Yeo,Yoonjin Yoon,Samer Madanat.Algorithms forbottom-up maintenance optimisation for heterogeneous infra-structure systems J.Structure and Infrastructure Engineer-ing,2013,9(4/6):317-328.22 Akitoshi Furuya,Samer Madanat.Accounting for Network Ef-fects in Railway Asset ManagementJJ.Journal of Transpor-tation Engineering,2013,139(1):92-100.23 James Bryce,Gonzalo Rada,Samuel Van Hecke,et al.As-sessment of Resource Allocation and Tradeoff Analysis Ap-proaches in Transportation Asset Management J.Transpor-tation Research Record,2018,2672(44).24 Zhang Chen,Yuanlu Liang,Yangyang Wu,et al.Research onComprehensive Multi-Infrastructure Optimization in Trans-portation Asset Management:The Case of Roads and BridgesJ.Sustainability,2019,11(16):4430.25 Shi Y,Xiang Y,Xiao H,et al.Joint Optimization of BudgetAllocation and Maintenance Planning of Multi-facility Trans-portation Infrastructure Systems J.European Journal of Op-erational Research,2020,288(2).:JINChen,CAI Yang(167)span of the main bridge but also avoids large tonnage swivel construction,reducing engineering risks.This article focuses on the overalldesign,key node design,and landscape design of the bridge project.Key words:nterchange;overall design;landscape designSummary of Decision Techniques for Optimizing the Management of Multi facility Assets in Transportation InfrastructureWANG Zihan,Peng Kun,WANG Lianfang,JIN Yanbiao,CHEN Chang(163)Abstract:Multi facility asset optimization management is the core part of asset management.In traditional transportation infrastruc-ture management,there is a general emphasis on managing a single facility,ignoring the networked and holistic characteristics of theentire system,resulting in a low level of asset optimization management for multiple facilities.This article summarizes the relevant re-search on facility asset management and decision-making technology based on transportation infrastructure both domestically and in-ternationally,providing reference for the subsequent development and practical application of multi facility asset optimization manage-ment decision-making technology,in order to better achieve effective management and enhance the value of transportation infrastruc-tureassets.Key words:infrastructure;asset management;multiple facilitiesResearch Progress of Distributed Optical Fiber Strain Sensing Technology in Traffic Infrastructure MonitoringAbstract:The safety of transportation infrastructure is related to the safety of human life and property.Real time understanding of itshealth status is an important guarantee for the safety and reliability of transportation infrastructure.This paper summarizes the classifi-cation of distributed optical fiber sensing technology.Based on the distributed optical fiber strain sensing technology,it analyzes andsummarizes the key technical issues such as optical fiber packaging,layout,coordination mechanism,data analysis,and focuses on itsengineering applications in roads,bridges,and tunnels.Finally,future study in related issues was previewed.Key words:transportation infrastructure;distributed optical fiber;strain monitoring;key problemEstablishment of a High-quality Municipal Facility Maintenance and Management Mode:-Abstract:The core area of Hongqiao Business District,as the venue for hosting the CIIE,has been constantly advancing to new levelsin the maintenance and management of municipal facilities under the guidance of the requirement of improving year by year.It hasbuilt a high-quality municipal facility maintenance model with integrated maintenance,professional operation,and high standard im-plementation,making due contributions to urban fine management and service guarantee for the CIE.The relevant experience can pro-vide reference for the management and maintenance work of similar projects.Key words:service requirements for the CIIE;maintenance and management of municipal facilities;innovative mode of high-qualitymaintenance and managementAnalysis of Construction Technology and Quality Defects of Bored Pile:Abstract:As an important foundation treatment method,bored pile is widely used in engineering construction.Based on the researchon the construction technology and quality control of bored pile,a systematic exploration and summary are conducted.Firstly,the basicconcept and classification of bored pile were introduced,and then the construction process was elaborated in detail.On this basis,thequality control is discussed.Finally,through case analysis,the feasibility and practicality of the proposed construction process andquality control of bored piles were further verified.Key words:bored pile;construction technology;quality control;case analysisWANG Guofeng(174)XUEYeye(177)First Published in 1982广告目次Sponsor:SRAB and SHTSChief Editor:WU QingfengAddress:25/F,NO.2,Lane 1040.Caoyang Road,Shanghai ChinaPost Code:200063 Telephone:[phone]E-mail:shglshts.orgChina Standard Serial Numbering:中远海运科技股份有限公司上海卡罗网络科技有限公司上海电科智能系统股份有限公司ISSN1007-0109CN31-1712/U封2封3封底