美國明尼蘇達州公路局的年度鋪面狀況報告

圖1、2020鋪面狀況年度報告封面(圖源:MnDOT

鋪面管理系統(Pavement Management System, PMS)的定義「指一套供不同管理階層用以決定最佳策略及維護不同鋪面適當服務性的系統,也就是以最佳化和最經濟的原則下,將鋪面養護和修復的各種工作有系統地排定時程順序的一套方法」。美國許多州公路局都已建制有完善的鋪面管理系統,本文藉由明尼蘇達州公路局(MnDOT)的年度鋪面狀況報告,略窺PMS的實際執行概況。PMS之概念可參「鋪面管理系統之過去、現在、與未來」。

MnDOT掌管的主幹道路網(Trunk Highway System),由不同齡期與成效的瀝青、水泥、及複合路面組成,2020年合計總哩程數約12,000英哩,其中12.7%為州際公路(Interstate)系統、40.6為其它國家公路(National Highway)系統、其它46.7%為非國道(Non-National Highway)系統。鋪面管理部門依規定每年對主幹道雙向車道的外車道量測平坦度、鋪面狀況及數位影像,換算成不同的成效量測值。採用的道路檢測車如圖2所示。該車裝有二部數位攝影機、一向右側拍攝路權,一正向前拍攝路面,尾端裝有3D雷射/相機紀錄鋪面破壞狀況,前保險桿處有雷射量平坦度量測及車轍量轍設備。檢測車擷取的數據,主要計算「行駛品質指標(Ride Quality Index, RQI)」及「路面狀況評分(Surface Rating, SR)」,輸入MnDOT的鋪面管理系統,則可預估「剩餘壽年(Remaining Service Life, RSL)」,除分析輸出整體路網的成效目標達成狀況,也提供做未來道路養護修復決策。


圖2、MnDOT採用的道路檢測車及軟硬體設備說明

RQI直譯為「行駛品質指標(Ride Quality Index)」,是指坐在車內行駛於道路上的舒適程度,主要關鍵在於路面的平坦度(smoothness);平坦度量測「車輪路徑上的斜率變異」實際上是指偏離平坦的程度,路面工程界較常用的平坦度英文字彙為roughness(糙度),不同的量測方法已可經由標準的數學模型換算成國際糙度指數(International Roughness Index, IRI),代表標準懸吊系統車輪行駛於受測路面每單位距離上下累積位移的量,單位為英吋/英哩,或公尺/公里;平坦度是客觀的物理性量測值,但行駛道路上的舒適度則是用路人主觀的評分,兩者的相關性則早在上個世紀的道路試驗中已建立完備。MnDOT將檢車測前方配置緃向輪廓雷射量測系統測得的IRI值換算為代表用路人行駛舒適度的RQI,大部份新鋪完成的路面RQI值超過4.0,若RQI降至2.5,則大多數用路人會覺得行駛不舒適應進行修復,代表行駛舒適度良好及不良的臨界值分別為RQI>3.0及RQI≤2.0。

MnDOT對主幹道路網中的州際公路、國家公路、及非國家公路制訂不同的達成目標,如表1所示,州際公路的目標是RQI>3.0的路段占總長的百分比需大於70,而RQI≤2.0的路段占總長的百分比需小於2;其它兩類道路的這兩個目標值則為65、4及60、10。

表1、MnDOT制定的主幹道路網行駛舒適度目標


2020年MnDOT的主幹線公路路面狀況報告中,列出的全州幹線公路行駛舒適度「良好」占比如圖3所示;州際公路、其它國道、及非國道三種等級公路的行駛舒適度良好的路段占比分別為87%、79.9%、及72.2%,都超過制定的目標值;從圖3展現的逐年趨勢可知主幹線公路的行駛舒適度呈現向上提昇的整體趨勢;圖2也展現出MnDOT的PMS具有的預估功能,依照該州規劃將於2021至2024年執行的「州運輸提昇計畫(State Transportation Improvement Program, STIP)」做為基礎,預估未來的幹線公路行駛舒適度變化。(圖中顯示若按STIP則未來行駛舒適度將有下降趨勢)


圖3、全州幹線公路行駛舒適度「良好」占比

全州幹線公路行駛舒適度「不良」占比則如圖4所示;州際公路、其它國道、及非國道三種等級公路的行駛舒適度不良的路段占比分別為0.3%、0.6%、及2.6%,也都低於制定的目標值,大體上也是逐年下降的趨勢;圖中亦顯示若按STIP則未來行駛舒適度不良的路段將有增加的趨勢。

圖4、全州幹線公路行駛舒適度「不良」占比

路面狀況評分(Surface Rating, SR)是指路面出現的裂縫、修補塊、和車轍變形等代表破壞退化或磨蝕等缺陷的表徵,不同的缺陷表徵及其嚴重程度可做為未來路面養護或修復需求的指引;MnDOT的SR範圍在0至4之間,愈高代表狀況愈佳,SR等於4.0的路面沒有缺陷,SR等於或低於2.5的路面則有必要進行修復甚至重建。

PQI直譯為「鋪面品質指標」,MnDOT將RQI與SR相乘後開根號得到PQI,也就是行駛品質指標與路面狀況評分的幾何平均數,是複合指標,綜合納入平坦度與路面開裂等缺陷。這個複合型指標主要是用來判定州公路系統的成效是否符合州政府審計單位的績效標準。MnDOT依照相關審計規定,幹線公路系統的平均PQI應大於等於3.0,而非幹線公路系統的平均PQI確定州公路系統應大於等於2.8。由圖5可知MnDOT的主幹道系統與非主幹道系統的平均PQI皆符合審計單位的規定,若按STIP則未來四年也都能符合規定。

圖5、MnDOT鋪面狀況年報中的平均鋪面品質指標

剩餘壽年(Remaining Service Life, RSL)是統計估算值,是將該段路面以往多年的RQI數據,以時間序列製成鋪面退化曲線,再用迴歸分析法求得RQI降至2.5的年限;MnDOT已建置有全州鋪面退化曲線模型,對數據量不足的路段則採用內定的模型估算RSL;在PMS中忠實紀錄路面養護及修復的各種活動,將可實證出哪些修復工法可使路面的 RSL大量增加,而哪些短期養護方法,例如修補塊,可能會在短時間內增加路面平整度,但對RSL 的增加有限。

2020年MnDOT的主幹線公路路面狀況報告中,列出歷年全州幹線公路平均剩餘壽年(Average Remaining Service Life, ARSL),如圖6所示。圖6顯示若未來沒有執行任何養護修復工作,州際公路、其它國道、及非國道三種道路系統的平均剩餘壽年分別為18.9年、12.3年、及9.7年;從歷年趨勢可知州際公路有較大的逐年提昇趨勢,而非國道則有昇有降。


圖6、歷年全州幹線公路平均剩餘壽年

MnDOT的這份報告中還列出全州8個分區路面狀況的比對,可以用來比較MnDOT管轄的不同道路養護單位的工作績效。這份年度報告是給一般公眾及高階管理人的路網級鋪面管理系統年度摘要,整個鋪面管理系統中有大量的數據,搭配預算需求及養護和修復(Maintenance & Rehabilitation, M&R)的規劃及成效統計,已可協助專業工程師判定M&R工作應如何執行?在那裹執行?及什麼時候執行?達到鋪面管理系統的最佳化目標。

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