مدیریت تجزیه و تحلیل روسازی شهر همیلتون ، ایالت تنسی ایالات متحده آمریکا، با استفاده از HDM –4 و HPMA
چکیده
بنا بر گزارش جامعه مهندسین عمران آمریکا جاده های تنسی در سال 2009، از نظر کیفیت به درجه (ب) تنزل یافتند که در درجه اول به دلیل کمبود بودجه کافی و احتمالا عدم استفاده مناسب از منابع مالی در دسترس بوده است. کمبود بودجه کافی برای مدیریت زیرساخت یک موضوع در بسیاری از ادارات دولتی حمل و نقل در ایالات متحده است. سیستم مدیریت روسازی (PMS ) نشان داده است که یک ابزار ضروری برای مدیریت مناسب از زیرساخت ها و بهره برداری صحیح از منابع مالی در دسترس می باشد. این مطالعه برای تعیین بهره برداری بهینه از منابع مالی موجود برای شهر همیلتون در تنسی، با استفاده از PMS متمرکز شده است. دو بسته های نرم افزاری، (HDM –4) و (HPMA )، برای ارزیابی شرایط روسازی موجود و پیش بینی شرایط آینده مورد استفاده قرار گرفت. برای تعیین روش نگهدارنده مقرون به صرفه مورد نیاز برای یک بخش خاص، و در نهایت به پیشنهاد استفاده بهینه از منابع مالی.
سیستم مدیریت روسازی برای چاتانوگا، تنسی
در ایالت تنسی به طور متوسط سالانه بودجه تعمیر و نگهداری روسازی از 60 میلیون دلار برای مسیرهای داخلی و 120 میلیون دلار برای مسیرهای ایالتی هزینه می شود. نیاز واقعی برای تعمیر و نگهداری روسازی سالانه 90 میلیون دلار برای برای مسیرهای داخلی و 120میلیون دلار برای مسیرهای ایالتی است. با توجه به تفاوت در مقدار واقعی مورد نیاز و مقدار متوسط دریافت شده توسط TDOT ، نیاز به تعیین یک روش برای اختصاص بودجه در دسترس لازم است. این مطالعه ، برای ارزیابی روش نگهداری مقرون به صرفه و همچنین توزیع مناسب بودجه می باشد. در این مطالعه سیستم مدیریت روسازی (PMS ) به عنوان یک ابزار برای رسیدن به اولویت بندی تعمیر و نگهداری جاده مورد استفاده قرار گرفت. PMS توسط اداره فدرال بزرگراه به عنوان “مجموعه ای از ابزارها یا روش های است که می تواند تصمیم گیرندگان را در پیدا کردن استراتژی مقرون به صرفه برای ارزیابی، و حفظ روسازی در یک وضعیت سرویس کمک نماید” شناخته می شود. PMS فرایندی برای کاهش زمان بین انتخاب یک پروژه و برنامه بهسازی می باشد برای اطمینان از برنامه مناسب جهت به حداکثر رساندن عمر عملکرد و کاهش هزینه های کلی چرخه عمر روسازی. جهت انتخاب روش تعمیر و نگهداری مقرون به صرفه، و استفاده بهینه از منابع مالی به عنوان ابزار PMS دو بسته های نرم افزاری HPMA و HDM –4 برای ارزیابی اهداف متعدد، مانند شرایط آینده روسازی مورد استفاده قرار گرفت .
سیستم مدیریت و توسعه بزرگراه (HDM –4)
سیستم مدیریت و توسعه بزرگراه (HDM –4) یک برنامه نرم افزار کامپیوتری است که توسط بانک جهانی به عنوان یک ابزار تصمیم گیری برای بررسی مهندسی و قابلیت های اقتصادی سرمایه گذاری در پروژه های جاده مورد استفاده قرار می گیرد. تجزیه و تحلیل برنامه در درجه اول با اولویت دادن به یک لیست طولانی از پروژه جاده های نامزد را به یک سال و یا برنامه کار چند سال تحت محدودیت های بودجه می باشد. تجزیه و تحلیل استراتژیک در کل شبکه راه را برای برنامه ریزی بودجه بلند مدت و یا برای بهینه سازی استراتژی های تعمیر و نگهداری (HDM ) انجام می شود. در تجزیه و تحلیل استراتژیک، تمام جاده ها با ویژگی های مشابه گروه بندی شده و ماتریس شبکه جاده با ویژگی های مشابه دسته بندی می شود.
HDM -4 برای هر مورد از پروژه، با برنامه و یا تجزیه و تحلیل استراتژیک، انجام شرایط کل چرخه عمر و هزینه های یک دوره تجزیه و تحلیل تحت یک مجموعه مشخص شده از شرایط توسط کاربر را مشخص می نماید. مجموعه اصلی هزینه برای تجزیه و تحلیل چرخه عمر شامل هزینه های سرمایه گذاری، تعمیر و نگهداری، استهلاک خودرو، زمان سفر، و حوادث به عنوان یک گزینه می باشند. اثرات زیست محیطی، از جمله محاسبه مصرف انرژی و انتشار گازها توسط وسیله نقلیه در جریان هزینه گنجانده نشده است. بهترین گزینه برای هر بخش به حداکثر رساندن منافع اقتصادی برای کل شبکه در صورت محدود کردن منابع مالی می باشد.
مدیریت روسازی بزرگراه (HPMA )
(HPMA ) یک برنامه نرم افزاری توسعه یافته توسط مشاور Stantec می باشد که با استفاده از داده های شرایط روسازی از طریق مجموعه ای گسترده از مدل تجزیه و تحلیل برای تعیین وضعیت جاده ها و شبکه فعلی و آینده است. این نرم افزار به تعریف یک مجموعه از تعمیر و نگهداری و بهسازی (M & R ) کمک می کند تا اولویت های شبکه و بودجه برای M & R مشخص نماید HPMA برای تعیین کل نیازهای نگهداری مورد نیاز استفاده می شود. اگر این نیازها با فوریت ادا نگردند، این نیازهای در آینده بروز می یابند. متوسط روند عملکرد بر اساس شاخص صافی سطح رویه (PSI )، شاخص خرابی روسازی (PDI )، و شاخص کیفیت روسازی (PQI ) برای همه بخش ها مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد. روش نگهداری مورد نیاز برای هر بخش و زمان آن توسط HPMA بیان می گردد. کل هزینه مورد نیاز برای مراقبت از مجموع نیازهای نیز گنجانده شده است.
Input Data for HDM-4 and HPMA
داده های ورودی HDM –4 شامل نرخ سالانه ترافیک رشد، 1.8٪، انواع خودرو و تایر، تعداد محور، متوسط عمر خودرو و کیلومتر سالانه رانده می شود، اطلاعات در ناوگان (اتومبیل های مسافری، واحد، و تریلر تراکتور)، استفاده شده است که برای محاسبه هزینه های عملیاتی خودرو و عملکرد روسازی بیان می شود. دیگر داده های ورودی شامل ظرفیت روسازی، نوع آسفالت و ویژگی های،
سرعت؛ تاریخ تعمیر و نگهداری IRF ، تعداد ترافیک و هزینه های (واحد، آژانس و کاربر) می باشد . داده های ورودی HPMA شامل ویژگی های روسازی ، شدت خرابی سطح، تاریخچه تعمیر و نگهداری، اطلاعات ترافیک و استاندارد تعمیر و نگهداری ، واحد هزینه و بودجه در دسترس . می باشد.
پارامتر ها
پارامتر برای هر دو روش HDM –4 و HPMA نشان دهنده وضعیت آسفالت و نحوه نگهداری می باشد. در جدول 1، پارامترهای برای دسته بندی ناهمواری و یا کیفیت سواری بر حسب(متر/کیلومتر) و یا (اینچ / مایل) از روسازی ها مشخص شده است. پارامترهای خرابی سطح شامل تمام ترک خوردگی سازه، ترک خوردگی سازه ای، ترک خوردگی حرارتی عرضی، تعداد چاله ها، میزان شکستگی لبه. میانگین عمق شیار با توجه به هر شرایط مشخص (جدید، خوب، متوسط، ضعیف، بد). پارامترهای برای بافت سطح، که شامل عمق بافت و مقاومت ترمز ماشین، در جدول 1 نشان داده شده است. همچنین پارامترهای معیار شکست در هنگام استفاده از نرم افزار HDM –4 معرفی شده است. این پارامترها و مقادیر عملکرد آنها در بسته های نرم افزاری برای تصمیم گیری تعمیر و نگهداری استفاده می شود.
نتایج HDM –4
ناوگان خودرو مورد استفاده در HDM –4 شامل اتومبیل های سواری، کامیون دو محور، وتریلر (کامیون چند محور)، با متوسط سالانه ترافیک روزانه و نرخ رشد سالانه 1.8٪. دو بخش از جاده برای ارائه نتایج حاصل از تجزیه و تحلیل استفاده می شود . دو استراتژی تعمیر و نگهداری و بازسازی از جمله پوشش سطحی و روکش آسفالت، برای تجزیه و تحلیل مورد استفاده قرار گرفت. شکل 1 نشان می دهد که متوسط ناهمواری در قطعه I – 75، در صورت استفاده از پوشش سطحی درسال 2021، افزایش می یابد ، اما در صورت روکش آسفالت در منطقه (IRI <2.5) خوب قرار می گیرد. ناهمواری برای قطعه SR 319، که راهی درجه دو می باشد، نشان می دهد که اگر چه پوشش یا microsurfacing اعمال می شود، آن بخش از جاده در (= 2.0 IRI – 3.0) “خوب” باقی خواهد ماند. پس از اجرا HDM –4، مشاهده شد که سطوح آسیب دیده مشتمل بر ترک خوردگی، چاله ها، شکستگی لبه ، و … زمانی که (2 <IRI ≤ 3) قرار داده شده تعمیر و نگهداری باید استفاده شود. این محدودیت ناهمواری توسط TDOT به منظور جلوگیری از افزایش در هزینه های تعمیر و نگهداری برقرار می گردد. اگر چه، با توجه به جدول 1، این محدوده در شرایط خوب قرار می گیرد و روسازی در صورت عدم توجه در وضعیت بدی قرار می گیرند. اگر ناهمواری روسازی درمحدوده نسبتا خوب تاضعیف قرار گیرد و تعمیر آن هزینه را بشدت افزایش می دهد. بر اساس پارامترهای شرح داده شده در جدول 1، اگر در سال 2012 روکش جایگزین پوشش سطحی گردد روسازی در شرایط خوبی برای ده سال آینده باقی می ماند. پس از اجرای روکش سطحی در قطعه، SR 319 به نظر می رسد در شرایط خوبی قرار می گیرند و قطعه برای مقاومت ترمز و عمق بافت در سطح پذیرش قرار می گیرد. مقاومت ترمز 0.5 میزان قابل قبولی می باشد. همچنین برای عمق شیار، آن نیز در سال 2012 در منطقه خوب شرایط (2 میلی متر) است اما به آرامی منطقه ضعیف (5 میلی متر) در سال 2021 می رسد. ترک خوردگی سازه ای پیش بینی شده است نیز تا سال 2021 در شرایط خوب باقی می ماند . بر اساس نتایج شرایط روسازی، می توان نتیجه گرفت که پوشش سطحی ممکن است دارای هزینه کمترباشد با این حال، این گزینه تعمیر و نگهداری لزوما بهبود همه خرابی مانند عمق شیار نمی باشد. از سوی دیگر، با استفاده از یک روکش آسفالت شرایط جاده به طور قابل توجهی بهبود می بخشد که در آن ترک خوردگی سازه و عمق شیار در شرایط خوب در طول دوره تجزیه و تحلیل باقی مانده است. چند سال نتایج بهینه سازی تولید با استفاده از HDM –4 در جدول 2 نشان داده شده است. برای شناسایی بخشهایی که نیاز به توجه فوری تعمیر و نگهداری دارند از حداکثر ارزش فعلی خالص (NPV ) / هزینه استفاده شده است با استفاده از محدودیت بودجه ، نتایج بهینه سازی جهت در اولویت قرار دادن هر بخش جاده بر اساس نیاز به تعمیر و نگهداری قبل از بخش جاده دیگر مشخص می شود. بر اساس جدول شماره 2، در میان قطعات، I –124 M 33 1 (3.2 کیلومتر) نیاز به تعمیر و نگهداری فوری دارد.
HPMA
گزارش ها در HPMA بر اساس PSI ، PDI و PQI داده می شود IRI و عمق شیار داده ها برای هر بخش جمع آوری می شوند با استفاده از یک وسیله نقلیه مجهز به سنسور لیزری، حداکثر طول در یک مایل در قطعه تعریف شوند. TDOT با استفاده از مدل های مختلف از جمله مدل شاخص خرابی، مدل شاخص ناهمواری، مدل شاخص کل (PQI ، PDI ، مدل PSI ) برای پیش بینی ناهمواری اقدام می نماید. سپس HPMA با استفاده از شاخص های مربوطه (PSI ، PDI ، و PQI )، به پیش بینی اقدام می نماید. اگر هیچ اطلاعات از سایت وجود ندارد، HPMA با استفاده از مدل های زوال به طور پیش فرض اقدام می نماید. شکل 2 عملکرد آسفالت با استفاده از شاخص PQI برای بخش خاصی از I –75 را نشان می دهد. منحنی زوال برای این بخش خاص عملکرد بخش را پیش بینی می کند. PQI طور متوسط برای سال خاص مشخص شده است. به عنوان مثال، به طور متوسط PQI برای I –75 در سال 2012 3.37 است. کیفیت روسازی رو به وخامت حدود 2.5 است و برای حفظ جاده بازگرداندن آن به حدود 4.0 کافی است. در سال 2012، بودجه 91،800،000 دلار برای پاسخ با تمام نیازهای مورد نیاز است. اگر همه بخش در سال 2012 تحت بهسازی قرار گیرند، پس از آن بخش باقی مانده که انتظار می رود در سال 2013 تکمیل شود تنها نیاز به 9.7 میلیون دلارخواهد داشت.
نتیجه گیری
در ارزیابی شرایط روسازیهای موجود و پیش بینی شرایط آینده
- نتایج حاصله با HDM-4، شرط روسازی برای I-75 و SR 319، می توان نتیجه گرفت که هزینه های پوشش سطحی کمتراست. با این حال، این گزینه تعمیر و نگهداری لزوما به بهبود همه پارامترها نمی انجامد.
- نتایج حاصله با HPMA نشان می دهد در صورتیکه عملکرد به شرایط PQI <2.5 برسد تعمیر و نگهداری مشخص اعمال می شود.
- برای تعیین روش مقرون به صرفه برای هر قطعه خاص می باید پیشنهادات با استفاده بهینه از منابع مالی باشد.
- با استفاده از HDM-4،و با توجه به محدودیت بودجه ، تجزیه و تحلیل بهینه سازی انجام شده است و هر بخش جاده است بر اساس حداکثر NPV / هزینه اولویت بندی می شود.
- با استفاده از HPMA، و با توجه به محدودیت بودجه به منظور اولویت بندی هر بخش حداکثر نسبت مقرون به صرفه و همچنین PQI، PDI، و ارزش PSI در نظر گرفته میشود
توصیه می شود که HPMAبا توجه به مقرون به صرفه بودن تجزیه و تحلیل بهینه سازی در جهت استفاده به اندازه کافی از بودجه در دسترس از این روش استفاده گردد.