Verfahren zur Bildung von homogenen Abschnitten der Strassenverkehrsanlage für das Erhaltungsmanagement Fahrbahnen

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: VSS2009/705

Schlüsselwörter (Deutsch)

Fahrbahnen, Erhaltungsmanagement, Management System von Fahrbahnen (PMS), homogene Erhaltungsabschnitte

Schlüsselwörter (Englisch)

Pavement management, Pavement Management System (PMS), homogenous sectioning, homogenous maintenance sections

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die Erkenntnisse aus dem Forschungspaket Massnahmenplanung im Erhaltungsmanagement Fahrbahnen zeigten einen Forschungsbedarf hinsichtlich eines Verfahrens zur Bildung von homogenen Erhaltungsabschnitten (Lindenmann, et al., 2009). Neben der in den VSS-Normen definierten zustandsunabhängigen, funktionalen Methode (Rafi, 1988; SN 640 908, 1999) erfolgt die Einteilung in Erhaltungsabschnitte bei Fahrbahnen in der Schweiz meistens durch eine ingenieurmässige Beurteilung aufgrund langjähriger Erfahrung.

Mit periodischen, netzweiten Zustandserfassungen wird ein hoher Kenntnisstand bezüglich des Fahrbahnzustands erreicht. Zudem erfolgt die langfristige Erhaltungsplanung heute immer häufiger strassenbetreiber- und nutzerorientiert. Die Einflüsse von entsprechenden standardisierten Erhaltungsmassnahmen bei Fahrbahnen sowie deren praxisnahen Baustellenlänge, d.h. Länge der einzelnen Standardmassnahme nur im Rahmen Fahrbahnen, auf die Baukosten wurden bis heute kaum untersucht. Diese sind jedoch für die Abschnittsbildung wichtige Kriterien und stellen damit eine entscheidende Randbedingung für die Bildung von homogenen Erhaltungsabschnitten dar. Dabei sind weiter die Einflüsse der Fahrbahnoberfläche, des Strassenaufbaus, der übrigen Strasseninfrastruktur (Brücken, Tunnel) und des Verkehrs auf die Wirtschaftlichkeit zu berücksichtigen.

Unter Verwendung von abschnittsbildenden Kriterien wird unter Berücksichtigung verschiedener Randbedingungen ein einfach handhabbarer Algorithmus zur Berechnung und Evaluation optimaler homogener Abschnittslängen zur Ausführung von standardisierten Erhaltungsmassnahmen entwickelt. Dieser wird anhand von Simulationsrechnungen unter Verwendungen von Praxisbeispielen geprüft und kalibriert.

Ziel dieser Forschung ist die Entwicklung eines praxisnahen Verfahrens zur Festlegung von homogenen Abschnitten für die Erhaltungsplanung von Fahrbahnen sowie das Aufzeigen der Anwendung auf verschiedene Strassennetze. Sie liefert Empfehlungen für die Anwendung in der Praxis in einem Leitfaden sowie einen Normentwurf in deutscher Sprache.

Insgesamt werden die Arbeiten in vier Meilensteinen gegliedert und in 24 Monaten durchgeführt

Kurzbeschreibung (Englisch)

The insights from the research package “Maintenance, Pavement Management of Road Infrastructure” revealed research needs regarding a procedure for the formation of homogeneous preservation sections (Lindenmann, et al., 2009). Besides the condition-independent, functional method defined in the VSS standards (Rafi, 1988; SN 640 908, 1999) the portioning of a road into preservation sections is mostly performed in Switzerland by engineer’s experience-based judgment.

Due to periodic, net wide condition data collection a high level of knowledge is reached concerning the pavement condition. In addition a long-term preservation planning often takes place today considering both agency and user aspects. Impact of the work zone lengths and respective pavement preservation actions on the construction costs were hardly investigated. These are however important criteria for the section formation and represent thereby a crucial factor for defining of the homogeneous preservation sections. Furthermore the influences of the pavement surface, the road structure, remaining road infrastructure (e. g. bridges, tunnels) and traffic composition on economic viability have to be considered.

Using section-forming criteria with consideration of different constraints a simply manageable algorithm is developed for the computation and evaluation of optimal homogeneous section lengths, which would undergo standardized preservation measures. This will be validated and calibrated by means of simulations on examples from practice.

A goal of this research is the development of a practical procedure for the definition of homogeneous sections for preservation planning of pavements and its application to different road nets. It provides recommendations for application in practice in form of guidelines as well as a draft of a norm in German.

The project is divided in four phases, each ending with a milestone and will be accomplished in 24 months.

Projektbeschreibung (Deutsch)

Ausgangslage und Problemstellung

Die langfristige Erhaltungsplanung im Bereich Fahrbahnen beruht auf der Grundlage der Zustandserfassung und –bewertung des zu unterhaltenden Strassennetzes. Dabei wird aufbauend auf den vorhandenen Zustandsdaten der Fahrbahnoberfläche, vergleichend mit den definierten baulichen sowie betrieblichen Anlagezielen und Berücksichtigung von Schadensprozessen, betrieblichen Anforderungen und finanziellen Randbedingungen eine wirtschaftlich optimale Massnahmenfolge (Handlungsszenario) gesucht.

Der gemessene Zustand der Fahrbahnoberfläche sowie weitere Daten zur Beschreibung des Oberbaus weissen sowohl in Längs- als auch in Querrichtung in der Praxis eine grosse Streuung auf. Die in der Schweiz angewandte Praxis ist eine Aggregation der Zustandsmesswerte in Bewertungseinheiten von 100 m (vgl Abb. 1, links). Die Grösse der einzelnen Bewertungseinheiten ist jedoch für eine Festlegung von Erhaltungsmassnahmen zu klein. Aus diesem Grund besteht im Rahmen der Zustandserfassung und –bewertung der Fahrbahnoberfläche und den dabei anfallenden Daten in Intervallen für die Realisierung der Erhaltungsarbeiten die Notwendigkeit einer Zusammenfassung zu homogenen Abschnitten.

Zustandswerte der einzelnen erhobenen 100-m-Intervalle siehe Abbildung 1 unten

Zustandswerte der einzelnen gebildeten Erhaltungsab­schnitte (homogenen Abschnitte)

Abb. 1: Ergebnis der Bildung von Erhaltungsabschnitten (homogenen Abschnitte) auf Grundlage der Zustandserfassung und –bewertung (Fahrbahnen) von Autobahnen (Linder, 2006) (Beispiel)

Aus der Literatur ist bekannt (vgl. Kapitel Stand der Forschung), dass die Bildung von homogene Abschnitten oftmals nur aufgrund des momentanen Zustände der Fahrbahn bzw. des Fahrstreifens in Längsrichtung ohne Berücksichtigung der technisch plausiblen Massnahmen erfolgt. Ein solches Verfahren wird im weiteren Text als zustandsorientierte Abschnittsbildung bezeichnet (vgl. Abb. 2 links). Erfolgt eine Festlegung von Abschnitten ausgehend von den technisch plausiblen Massnahmen, wird dies im Folgenden mit massnahmenorientierter Abschnittbildung bezeichnet (vgl. Abb. 2 rechts).

Anlass der Forschungsarbeit

In der Schweiz existiert einerseits bisher ein zustandsunabhängiges, funktionales Verfahren zur Bildung von Erhaltungsabschnitten, welches auf der Grundlage einer Bewertung mit nachfrage- und angebotsorientierten Kriterien beruht (Rafi, 1988; SN 640 908, 1999). Dabei erfolgt zusätzlich eine subjektive Gewichtung der verschiedenen Kriterien. Andererseits werden in der Schweiz am häufigsten die Abschnitte aufgrund von Erfahrungen und äusseren Randbedingungen durch eine manuelle, ingenieurmässige Beurteilung festgelegt. Dies lässt sich für einzelne Strassenabschnitte lösen. Wächst jedoch die Komplexität der Verkehrsanlage, ist ein Verfahren zur systematischen Bearbeitung und Evaluation der homogenen Abschnitte gesucht.

Immer häufiger führen Strassenbetreiber eigene Strassendatenbanken, welche alle verfügbaren Informationen zum Strassennetz beinhalten (SN 640 909, 1990; GS MISTRA, 2009). Analysen aus der Literatur zeigen, dass u.U. auch eine dynamische Segmentierung von Nutzen für die Abschnittsbildung sein kann (Bennett, 2004).

Da die messtechnische Zustandserfassung auf den Nationalstrassen von Quer- und Längsebenheit sowie Griffigkeit unter Verkehr und die visuelle Erhebung der Oberflächenschäden meist fahrstreifenbezogen erfolgen muss, ist schon aus der belastungsabhängigen Schadensentwicklung (Schwerverkehr) die Abschnitts­bildung ebenfalls auf den Fahrstreifen zu beziehen. Je nach Datenlage und -struktur erfolgt dies in kantonalen und weiteren untergeordneten Strassennetzen meist fahrbahnbezogen, was ebenfalls zu berücksichtigen ist. Zweck der Forschungsarbeit

Mit dem Forschungsprojekt wird ein auf die Bedürfnisse der Erhaltungsplanung ausgelegtes, praxisnahes Verfahren zur Bildung von homogenen Abschnitten entwickelt. Dabei werden alle relevanten Kriterien bzw. Einfluss­faktoren je nach Art und Netzstruktur der Strassenverkehrsanlage, d.h. National- oder Kantonsstrassennetze berücksichtigt. Dies schliesst, neben den Eigenschaften der Fahr­bahn­oberfläche, dem Aufbau des Oberbaus und netzbedingten Randbedingungen, wie die Lage von Tunneln oder Brücken, die Kriterien bezüglich Wirtschaftlichkeit von Baustellenlängen, d. h. Länge der einzelnen Standardmassnahme nur im Rahmen Fahrbahnen, mit ein. Damit lässt sich eine Objektivierung der Planung von homogenen Erhaltungsabschnitten erzielen.

Im Bereich der Städte und Gemeinden wird die Abschnittsbildung nicht nur durch eine Vielzahl von Schnittstellen mit anderen Infrastruktursystemen, sondern zum Teil auch durch budgetäre oder politische Randbedingungen stark beeinflusst. In wie weit die Notwendigkeit und Möglichkeit besteht, in diesem Rahmen ein Verfahren zu entwickeln wird in diesem Forschungsprojekt ebenfalls analysiert. Forschungsansatz

Derzeit werden die folgende zwei Ansätze zur Bildung der homogenen Abschnitte in der Praxis favorisiert:

· Bildung von Abschnitten auf Grundlage der vorhandenen Zustandsdaten und deren prognostizierter Entwicklung

· Direkte Bestimmung von Massnahmen und Realisierungszeitpunkten für Abschnitte auf Grundlage der momentanen Zustandsbewertung für kurzfristige Zeiträume (3-5 Jahre)

Beide Ansätze liefern aus heutiger Sicht allein für sich keine optimale Lösung. Gerade bei zu grossen Streuungsbereichen verschiedener Zustandsindikatoren ergeben sich sehr kurze Erhaltungsab­schnitte. Eine zeitunabhängige Bestimmung von Massnahmen und deren Realisierungszeitpunkte ohne Berück­sichtigung der Zustandsentwicklung über einen langfristigen Betrachtungs­zeitraum führt zu Lösungen, welche einem wirtschaftlichen Optimum nicht genügen. Aus diesem Grund erscheint ein Ansatz zweck­mässig, welcher eine Kombination beider Verfahren berücksichtigt. Das heisst, es werden neben den anlagespezifischen Randbedingungen sowohl die zustandsbezogenen als auch die mass­nah­menbe­zogenen Aspekte berücksichtigt. Dadurch wird ermöglicht, die Resultate der zustandsorientierten sowie der massnahmenorientierten Verfahren zur Abschnittsbildung gegenüberzustellen sowie sie sinnvoll und zweckmässig zu verknüpfen. Es wird dabei ein redundantes Ergebnis angestrebt.

siehe Abbildung 2 unten.

Abb. 2: zeitliche Entwicklung und Unterschiede zwischen der zustandsorientierten und massnahmenorientierten Abschnittsbildung

Abb. 2 zeigt die Unterschiede zwischen einer zustands- und massnahmenorientierten Abschnittsbildung. Von grosser Bedeutung ist, dass die Veränderungen des Zustands über die Zeit (t₀, t₁, t₂) in beiden Verfahren Berücksichtigung findet. Bei der massnahmenorientierten Abschnittsbildung werden aus den jeweiligen Zustandsdaten der Bewertungseinheiten unter der Berücksichtigung von Anwendungsbereich, Wirksamkeit und Kosten von plausiblen Erhaltungsmassnahmen Abschnittslängen gebildet. In der zustandsorientierten Abschnittsbildung werden diverse statistische Grössen – z.B. die unterschiedlichen erhobenen Eigenschaften der Fahrbahnoberfläche – als Kriterium für die Abschnittsbildung mit verwendet.

In diesem Forschungsprojekt werden die Abschnitte auf der Grundlage von Lebenszyklusbetrachtungen ermittelt. Aufgrund der Zustandsdaten werden jene Fahrbahnabschnitte und die entsprechenden Massnahmen gesucht, welche die Lebenszykluskosten minimieren. Berücksichtigung finden hier nur die Betreiberkosten bei vorgegebenem Dienstleistungsniveau. Die Zielfunktion ist von Anfangspunkt, Länge und Massnahmentyp abhängig. Mathematisch handelt sich bei dieser Optimierungsaufgabe um ein ganzzahliges mathematisches Programm. Im Vordergrund steht dabei die Sensitivitätsanalyse in Bezug auf die verschiedenen Massnahmentypen.

Die entwickelten Verfahren werden im Sinn einer Prüfung und Kalibrierung einem umfangreichen Praxistest unterzogen. Dabei werden verschiedene Strassennetze in unterschiedlichen Praxisbeispielen berücksichtigt. Simulationsberechnungen dienen dann einerseits der Prüfung der Praxistauglichkeit des Verfahrens und der Plausibilität der Ergebnisse. Andererseits kann dadurch ebenfalls eine Prüfung der Sensitivität der relevanten Kriterien, welche je nach Strassennetz unterschiedlich Berücksichtigung finden, erfolgen. Die Ergebnisse werden in den Prozess der systematischen Erhaltungsplanung integriert und stehen somit nach Abschluss der Forschungsarbeit sofort für die Praxis in Form eines Werkzeuges zur Bildung von homogenen Abschnitten zur Verfügung.

Datenverfügbarkeit

Zustandsdaten der Nationalstrassen sind weitgehend vorhanden und bieten eine gute Grundlage zur Verwendung in diesem Forschungsprojekt. In Rahmes des Forschungspakets „Massnahmenplanung im EM von Fahrbahnen“ erfolgte unter anderem die Erarbeitung eines Katalogs von standardisierten Erhaltungsmassnahmen mit umfassenden Informationen zu Anwendung, Wirkungsweise und

Zugehörige Dokumente

• Abbildung 1.pdf [PDF] 179 kB
• Abbildung 2.pdf [PDF] 72 kB

Erwartete Erkenntnisse/ Nutzen, Nutzniesser (Deutsch)

In der Erhaltungsplanung auf Netzebene ist eine Bildung von homogenen Erhaltungsabschnitten bei Fahrbahnen notwendig. Die Forschungsarbeit liefert für verschiedene Strassennetze geeignete Verfahren zur Bildung von homogenen Abschnitten für die Erhaltungsplanung und schliesst damit eine vorhandene Lücke des Erhaltungsmanagements in der Schweiz. Dabei werden neben dem Zustand der Fahrbahnoberfläche auch technisch plausible Erhaltungsmassnahmen sowie weitere unterschiedliche Randbedingungen verschiedenartiger Strassennetze (Bund und Kantonen) berücksichtigt.

Durch ein systematisches, zustandsabhängiges Vorgehen, basierend auf einer Berücksichtigung weiterer Randbedingungen insbesondere der technisch plausiblen Massnahmen mittels Kombination von geeigneten Verfahren zur Bildung homogener Erhaltungsabschnitte von Strassennetzen, wird die Aussagekraft der langfristigen Planung auf Netzebene verbessert. Einerseits wird damit ein besseres Ergebnis der Zustandsprognose im Strassennetz erzielt. Andererseits wirkt sich im Anschluss eine zweckmässigere Wahl von Erhaltungsmassnahmen hinsichtlich ihres Kosten-Nutzen-Verhältnisses günstig auf die Erhaltungskosten aus.

Die Ergebnisse liefern eine Grundlage für die Optimierung der Kosten im Bereich der Massnahmenpla­nung von Fahrbahnen von unterschiedlichen Strassennetzen. Sie ermöglichen eine Effizienz­steigerung der Erhaltungsplanung durch eine wirklichkeitsnahe und praxisgerechte Ermittlung von homogenen Abschnitten im Bereich der Fahrbahnen. Damit stellen die Ergebnisse einen erheblichen Wert für die Allgemeinheit dar.

Für Planer in der Praxis des Erhaltungsmanagements steht damit auf Netzebene eine zweckmässige Methode zur Bildung von homogenen Erhaltungsabschnitten zur Verfügung.

Methoden (Deutsch)

Die Forschungsarbeit verläuft in 4 Forschungsphasen.

State of the Art

In dieser Forschungsphase erfolgt eine Analyse der bisherigen Forschung und Anwendung auf diesem Gebiet. In einem ersten Schritt werden auf der Grundlage einer internationalen Literaturrecherche die vorhanden Verfahren zusammengestellt und analysiert. Dabei wird auch eine Betrachtung hinsichtlich einer Zustands- oder Massnahmenorientierung durchgeführt. Im Anschluss erfolgt eine Evaluation und Bewertung der vorhandenen Verfahren. Am Ende erfolgt eine Zusammenstellung der Ergebnisse inklusive der Vor- und Nachteile der Verfahren in einer praxisgerechten mit Kurzbeispielen aufgearbeiteten Version. Dieser Katalog von vorhandenen Verfahren zur Bildung von homogenen Abschnitten stellt den ersten Meilenstein dar.

Festlegung von Kriterien

In der zweiten Forschungsphase werden die relevanten Kriterien aus Randbedingungen von verschiedenen Strassennetzen definiert. Dabei erfolgt zuerst eine Definition der relevanten Kriterien im Bereich der Fahrbahnen. Danach erfolgt eine Betrachtung der Wirtschaftlichkeit der verschiedenen standardisierten Erhaltungsmassnahmen. Dabei wird, neben der Analyse hinsichtlich unterschiedlicher Baustellenlängen,d.h. Längen der einzelnen Standardmassnahmen nur im Rahmen Fahrbahnen, der Fahrstreifen- und Fahrbahnbezug mit einbezogen. In einem weiteren Schritt erfolgt eine Analyse der fahrstreifenbezogenen Oberbau- und Zustandsdaten. Zuletzt werden die Ergebnisse in einem Kriterienkatalog zusammengestellt. Dieser zweite Meilenstein enthält alle für die Bildung von homogenen Abschnitten in der Erhaltungsplanung relevanten Kriterien.

Entwicklung von Verfahren

In der dritten Forschungsphase werden die Verfahren in Abhängigkeit der Bedürfnisse der verschiedenen Strassennetze entwickelt. Dabei wird zuerst die Methodik der Verfahren generiert. Danach erfolgt die Definition und Beschreibung der Verfahrensschritte. Abschliessend werden diese Verfahren in den systematischen Erhaltungsprozess eingegliedert. Diese Umsetzung der Verfahren für die praktische Anwendung stellt den dritten Meilenstein dar.

Validierung in einem Praxistest

In der vierten und letzten Forschungsphase werden die Ergebnisse und Erkenntnisse der Forschung einem umfangreichen Testverfahren unterzogen. Dabei erfolgt zuerst einer mathematischen Programmierung mit der Auswahl eines geeigneten Algorithmus und dann die Erstellung von verschiedenen Datenbankstrukturen, abgestimmt auf die unterschiedlichen Strassennetze gefolgt von einer Zuordnung von zum Teil realen wo notwendig fiktiven Datensätzen, welche die in der Praxis vorhandene oder angestrebte Datenlage widerspiegeln. Im Anschluss werden die erarbeiteten Verfahren durch verschiedene Simulationsläufe auf Sensibilität der Resultate infolge Variation der einzelnen Parameter getestet. Dabei wird auch die Sensitivität hinsichtlich der zustandsorientierten und massnahmenorientierten Abschnittsbildung umfangreich getestet. In einem zweiten Schritt erfolgt eine Auswertung und Analyse der Ergebnisse und daraus werden Folgerungen und Empfehlungen abgeleitet. Am Ende wird der Schlussbericht vervollständigt und ein Normentwurf in deutscher Sprache erarbeitet. Dies stellt im Forschungsprojekt den vierten Meilenstein dar.

Allgemeiner Stand der Forschung (Deutsch)

Schon 1986 (AASHTO, 1986) erfolgte die Veröffentlichung eines praktisch für die Massnahmenplanung einsetzbaren praxisorientierten Verfahrens zur Abschnittsbildung auf der Grundlage von Zustandsdaten der Fahrbahnoberfläche. Dabei handelt es sich um das Verfahren der kumulativen Summen (englisch: Cumulative Sum CUSUM oder Cumulative Difference Approach CDA), welches zum Teil in erweiterter Form heute noch Anwendung findet (FGSV, 2009). In diesem Verfahren wird die laufende, kumulative Abweichung des jeweiligen Messwertes von Zustandsdaten an einer Stelle oder eines Intervalls vom Mittelwert des Gesamtabschnittes angegeben. Eine Grenze zwischen zwei zu bildenden homogenen Abschnitten wird durch eine Änderung des Vorzeichens im Anstieg der kumulierten Summenkurve der Abweichung festgelegt (Thomas, 2004). Dies kann bei einem homogenen Datensatz von Zustandsdaten zu sehr kleinen Unterabschnitten führen, weshalb die einzelnen Abschnitte gegeneinander einem t-Signifikanztest unterzogen werden sollten (Ping, et al., 1999; FGSV, 2009). Im Jahr 1997 ergänzte Divinsky (Divinsky, et al., 1997; Divinsky und Livneh, 2001) dieses Verfahren durch einen vorherigen Glättungsfilter (gleitender Mittelwert) um die vorhanden Schwankungen der Messrohdaten des jeweiligen Zustands der Fahrbahnoberfläche auszugleichen (Thomas, 2004). Kennedy (Kennedy, et al., 2000) nutzte einen gewichteten Mittelwert im Zusammenhang mit dem Verfahren der kumulativen Summen (kumulative Fläche) für eine dynamische Segmentierung von Zustandsdaten. Eine sehr einfache Variante der kumulativen Summen entwickelte Misra (Misra und Das, 2003) durch die zusätzliche Nutzung von Entscheidungsbäumen (Thomas, 2005).

Thomas (Thomas, 2004; Thomas, 2005) nutzte für die Analyse von Ebenheitsmessungen einen Algorith­mus, welcher aufbauend auf einem statistischen Verfahren der Bayes'schen Netzwerke zur Identifikation von Beziehungen zwischen 2 Abschnitten mit Hilfe der Heuristik homogene Abschnitte bildet.

In Deutschland wird zur Bildung der homogenen Abschnitte aus den Zustandsdaten, welche in der Zwischenzeit nicht mehr als aggregierte Daten sondern auf der Stufe der Rohmessdaten abgespeichert werden (Nagel, et al., 2008), unter anderem das Verfahren des gleitenden Mittelwertes (Glättungsfilter) und dessen Absolutdifferenz zur Anwendung favorisiert. Dieses Verfahren wurde 1996 durch Rübensam (Rübensam und Schulze, 1996) entwickelt und legt auf der Grundlage einer zustandsunabhängigen Netzeinteilung durch Ordnungsdaten, Bestands- und Verkehrsdaten unter Anwendung des Glättungsfil­ters und der Absolutdifferenz zu den verschiedenen in Deutschland verwendeten Zustandswerten die homogenen Abschnitte fest. Die Zustandswerte sind in ihrem Bewertungsmassstab von 0 bis 5 den Indexwerten des Zustands der Schweiz vergleichbar. Durch eine Analyse der massgebenden Zustands­werte und Dringlichkeiten ergeben sich die resultierenden homogenen Abschnitte.

Ein weiterer in Deutschland entwickelter Algorithmus (Lindner, et al., 2002) bezieht sich auf die Aufbauda­ten. Dabei werden die über das gesamte Strassennetz sehr inhomogenen Aufbaudaten (Oberbau) für das Erhaltungsmanagement in homogene Abschnitte eingeteilt. Das Vorgehen gliedert sich dabei in 3 Schrit­te, einer vertikalen Schichtzusammenfassung sowie jeweils einer horizontalen Zusammenfassung in Fahrbahnquer- und längsrichtung.

Die Erfahrungen in Deutschland zu den beiden Verfahren unter Berücksichtigung einerseits des Schichtenaufbaus und andererseits des Oberflächenzustands haben gezeigt, dass die so festgelegten homogenen Abschnitte den Homogenitätsanforderungen in einem weitem Mass genügen. Die Ergebnisse dieser Abschnittsbildung entsprachen jedoch nicht der gängigen Erhaltungspraxis, da die Länge von Erhaltungsabschnitten in diesen beiden Verfahren sekundär betrachtet wird. Im Jahr 2007 wurde aus diesem Grund in einer weiteren Forschungsarbeit (Kunze, et al., 2007) der Schwerpunkt auf die Bildung von homogenen Abschnitten mit für die Ausführungspraxis geeigneten Längen gelegt und die vorhanden Algorithmen durch eine Erweiterung unter Einbezug von übergeordneten Randbedingungen verknüpft. Anschliessend erfolgte die Einführung dieses zusätzlichen Verfahrens zur Bildung von homogenen Abschnitten in den Erhaltungsprozess. Die Eingangsgrössen der Zustandsdaten wurde ausserdem um die Möglichkeit erweitert, gemessenen oder visuell bestimmten Zustandsgrössen in die Abschnittsbildung mit einzubeziehen. Mit diesem kombinierten Verfahren konnte die Festlegung der homogenen Abschnitte in Deutschland verbessert werden.

El Gendy (El Gendy und Shalaby, 2005; El Gendy und Shalaby, 2008) stellte ein Verfahren zur Bildung von homogenen Abschnitten auf Grundlage von Zustandsdaten unter Nutzung eines Instruments aus dem Qualitätsmanagements vor. Die Qualitätsregelkarte (QRK, englisch: C-Chart) oder kurz Regelkarte bedient sich ähnlich wie Rübensam (Rübensam und Schulze, 1996) der Methodik der Absolutdifferenz, jedoch sind hier die Abschnittgrenzen nicht durch ein definiertes gleitendes Fester definiert sondern durch die jeweiligen Signifikanzgrenzen.

Der Bedarf an geeigneten Verfahren zur Segmentierung von Datensätzen ist nicht nur auf das Erhaltungsmanagement oder die Strassenverkehrsanlage (Koorey, 2009) beschränkt. So werden im Bereich des Projektmanagements ähnliche Algorithmen benötigt (Shtub und Raz, 1996; Shtub, 1997). Ebenfalls im Bereich der Bilderkennung werden homogene Cluster (Bildbereiche) eingesetzt (Nicolosi, et al., 2008).

Projektziele (Deutsch)

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erarbeitung eines Verfahrens, das eine praxisorientierte, wirt­schaftlich optimale Methode zur Bildung von homogenen Erhaltungsabschnitten bei Fahrbahnen dar­stellt unter Berücksichtigung von technisch plausiblen Erhaltungsmassnahmen. Dabei sind die Bedürf­nis­se unterschiedlicher Strassennetze des Bundes und der Kantone zu berücksichtigen. In wie weit eine Berücksichtigung der Strassennetzstrukturen von Städten und Gemeinden notwendig ist, wird ebenfalls in der Forschungsarbeit geprüft.

Projektziele (Englisch)

The objective of this project is a development of a suitable cost effective method for definition of homoge­nous sections of road pavements, which consider possible maintenance interventions. The requirements of different road nets on the level of federation and cantons will taken into account. It will be also investigate whether a special treatment of road nets in cities and communes is necessary.

Forschungsplan (Deutsch)

Die Forschungsarbeit erstreckt sich über 24 Monate und beinhaltet vier Meilensteine die jeweils am Ende einer Forschungsphase erreicht werden sollen. Der erste Meilenstein beinhaltet einen Katalog von ge­sammelten Verfahren zur Bildung von homogenen Abschnitten. Ein zweiter Meilenstein ist ein Kriterien­ka­talog mit allen für das Erhaltungsmanagement relevanten Kriterien hinsichtlich der zu berücksichtigen­den Randbedingungen, welche die Bildung von homogenen Abschnitten im Bereich der Fahrbahnen be­einflussen können. Der dritte Meilenstein stellt die Umsetzung der Verfahren angepasst auf die unter­schied­lichen Bedürfnisse von verschiedenen Strassennetzen und ein entsprechendes Normen­konzept in deutscher Sprache dar. Der abschliessende vierte Meilenstein enthält eine Prüfung der entwickelten Verfahren an einem Praxisbeispiel, den Schlussbericht und einem Normenentwurf in deutscher Sprache erfüllt.

Abb. 3: Zeitplanung des Forschungsprojekts siehe Abbildung 3 unten

Der in Abb. 3 gezeigte Arbeitsablauf basiert unter anderem auch auf der in der folgenden Abb. 4 dargestellten Zusammenstellung von Arbeitsstunden und Kosten des Forschungsprojekts.

Arbeitsschritte	Arbeitsstunden [h]					Total	Kosten
	IVT ETH			IMC
	AETH CHF 140.00	BETH CHF 120.00	CETH CHF 103.35	B CHF 180.00	D CHF 132.00	[h]	[CHF]
Phase 1 State of the Art MS1: Katalog von vorhandenen Verfahren zur Bildung von homogenen Abschnitten (zustands-/massnahmenorientiert)	8	15	91	15	70	199	25'000.00
a. Analyse der vorhandenen Verfahren auf Grundlage einer internationalen Literaturrecherche	2	5	26	5	23	61	7’503.10
b. Bewertung der vorhandenen Verfahren	2	5	30	5	24	66	8’048.50
c. Zusammenstellung der Ergebnisse mit Vor- und Nachteilen, praxisgerechte Darstellung mit Kurzbeispielen	4	5	35	5	23	72	8’713.25
Projektsitzungen/Kommunikation, Büromaterial							735.15
Phase 2 Festlegung von Kriterien MS2: Kriterienkatalog der Definitionen und Festlegung von Randbedingungen (zustands-/massnahmenorientiert)	34	40	71	34	41	220	30'000.00
d. Definition und der relevanten Kriterien im Bereich Fahrbahnen	10	10	17	10	12	59	7’740.95
e. Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen mit standardisierten Erhaltungsmassnahmen auf Grundlage der Ergebnisse des FP Massnahmenplanung (Gnehm, 2008; Jacot, 2008)	10	10	20	10	12	62	8’051.00
f. Ableitung von Kriterien für fahrstreifen-/fahrbahnbezogene Oberbau- und Zustandsdaten sowie technisch plausible Massnahmen bei verschiedenen Strassennetzen	10	10	17	10	12	59	7’740.95
g. Zusammenstellung der relevanter Kriterien	4	10	17	4	5	40	4’896.95
Projektsitzungen/Kommunikation, Büromaterial							1’570.15
Phase 3 Entwicklung von Verfahren MS3: Umsetzung der Verfahren auf verschiedene Strassennetze	49	101	192	90	69	501	65'000.00
h. Methodik der Verfahren	15	35	55	30	23	158	20’420.25
i. Definition und Beschreibung der Verfahrensschritte	14	30	72	30	23	169	21’437.20
j. Eingliederung in den systematischen Erhaltungsprozess	20	36	65	30	23	174	22’273.75
Projektsitzungen/Kommunikation, Büromaterial							868.80
Phase 4 Validierung in einem Praxistest MS4: Simulation, Prüfung an Praxisbeispiel, Schlussbericht, Normenentwurf	29	44	86	61	100	320	45'000.00
k. Mathematische Programmierung und Auswahl Algorithmus	2	2	8	15	32	60	8’402.80
l. Simulationsrechnungen und Sensitivitätsanalysen	2	8	17	11	32	70	9’200.95
m. Analyse der Ergebnisse, Folgerungen	15	20	23	20	20	98	13’117.05
n. Schlussberichterstattung	5	10	23	10	10	58	7’397.05
Einband des Schlussberichts							1’937.00
o. Normentwurf in deutscher Sprache	5	4	15	5	5	34	4’290.25
Projektsitzungen/Kommunikation, Büromaterial							654.90
Gesamtkredit Forschungsprojekt	120	200	440	200	280	1240	165'000.00

Abb. 4: Zusammenstellung von Arbeitsstunden und Kosten des Forschungsprojekts

Zugehörige Dokumente

• Abbildung 3.pdf [PDF] 142 kB

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Die erarbeiteten Kataloge von Verfahren und Kriterien stellen eine neue Grundlage zur Bildung von homogenen Abschnitten bei Fahrbahnen dar und geben den Fachleuten ein geeignetes Werkzeug zur Planung der Erhaltungsmassnahmen von Fahrbahnen.

Durch die Integrierung der Forschungsergebnisse in eine Norm des Erhaltungsmanagement werden die erarbeiteten Wegleitungen für die Praxis für alle Nutzergruppen zugänglich gemacht.

Berichtsnummer (Deutsch)

1497

Berichtsnummer (Englisch)

1497

Literatur (Deutsch)

AASHTO (1986) AASHTO guide for design of pavement structures, American Association of State Highway Officials (AASHTO), III-17-III-20 and Appendix J

Bennett, C. R. (2004) Sectioning of Road Data for Pavement Management, Vortrag, 6th International Conference on Managing Pavement, Brisbane (AUS), 19-24 October 2004

Divinsky, M. und M. Livneh (2001) Homogeneous Unit Delineation for Interpreting Dynamic Cone Penetrometer Measurements, Journal of Testing and Evaluation (JTE), 29 (5) 503-508

Divinsky, M., S. Nesechi und M. Livneh (1997) Development of a Road Roughness Profile Deliniation Procedure, Journal of Testing and Evaluation (JTE), 25 (4) pp. 445-450

El Gendy, A. und A. Shalaby (2005) DETECTING LOCALIZED ROUGHNESS USING DYNAMIC SEGMENTATION, Vortrag, 1st Annual Inter-University Symposium on Infrastructure Management (A.I.S.I.M.), Waterloo ON (C), August 6, 2005

El Gendy, A. und A. Shalaby (2008) USING QUALITY CONTROL CHARTS TO SEGMENT ROAD SURFACE CONDITION DATA, Vortrag, 7th International Conference on Managing Pavement Assets ICMPA, Calgary (C),

FGSV (2009) Arbeitspapier - Grundlagen zur Ermittlung homogener Abschnitte zur Bewertung der strukturellen Substanz von Strassenbefestigungen, FGSV-Nr. 431, Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, Köln

Gnehm, V. (2008) Forschungspaket Massnahmenplanung im EM von Fahrbahnen, Standardisierte Erhaltungsmassnahmen, Schriftenreihe, 1235, Schlussbericht VSS 2004/711, Bundesamt für Strassen, UVEK, Bern

GS MISTRA (2009), MISTRA Public, Bundesamt für Strassen ASTRA, https://portal.mistra.ch/, 11.11.2009

Jacot, A. (2008) Bedeutung Oberflächenzustand und Tragfähigkeit sowie gegenseitige Beziehung für Gebrauchs- und Substanzwert, Schriftenreihe, 1246, Schlussbericht VSS 2004/713, Bundesamt für Strassen, UVEK, Bern

Kennedy, J., A. Shalaby und R. Van Cauwenberghe (2000) Dynamic segmentation of pavement condition data, Vortrag, Annual conference of the Canadian Society for Civil Engineering CSCE, London, ON (C), 07.-10.06.2000

Koorey, G. (2009) Road Data Aggregation and Sectioning Considerations for Crash Analysis, Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 2103 (-1) 61-68

Kunze, A., J. Rübensam, F. Schulze und D. Staroste (2007) Erarbeitung eines Verfahrens zur Bildung von Erhaltungsabschnitte für das Erhaltungsmanagement (PMS) auf Basis von Zustands- und Aufbaudaten, Forschung Strassenbau und Strassenverkehrstechik, Heft 972, Bau- und Wohnungswesen Bundesministerium für Verkehr, Bonn

Lindenmann, H. P., F. Schiffmann und F. Baumgartner (2009) Massnahmenplanung im Erhaltungsmanagement Fahrbahnen; Synthesebericht, Schriftenreihe, 1259, Schlussbericht VSS 2004/710, Bundesamt für Strassen, UVEK, Bern

Linder, T. (2006) Die Zustandserfassung und –bewertung als Grundlage für die optimierte Erhaltung in Bayern, Vortrag, AIPCR-Jahreskonferenz „Strassen Strassen-Erhaltungsmanagement", Zürich, November 2006

Lindner, S., J. Rübensam, F. Schulze und D. Staroste (2002) Algorithmen zur Ermittlung repräsentativer Befestigungsaufbauten für die Erhaltungsplanung, Forschung Strassenbau und Strassenverkehrstechik, Heft 836, Bau- und Wohnungswesen Bundesministerium für Verkehr, Bonn

Misra, R. und A. Das (2003) Identification of Homogeneous Sections from Road Data, International Journal of Pavement Engineering, 4 (4) 229 - 233

Nagel, M., G. Maerschalk und B. Schneider (2008) Variabilitätsuntersuchung der Rohdaten zur Stabilisierung der Ableitung abschnittsbezogener Zustandsgrößen für die Bewertung der Fahrbahnbefestigungen der Bundesfernstraßen, Projekt-Nr. 29.0178/2007/BMVBS, Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, Oelsnitz/München

Nicolosi, V., M. D’Apuzzo, B. Festa und L. Mancini (2008) ANALYSIS OF URBAN PAVEMENT SURFACE PROFILES ORIENTED TO ENVIRONMENTAL PERFORMANCE INDICATORS, Vortrag, 3rd European Conference on Pavement and Asset Management EPAM3, Coimbra (P), 7.-9. Juli 2008

Ping, W., Z. Yang, L. Gan und B. Dietrich (1999) Development of Procedure for Automated Segmentation of Pavement Rut Data, Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 1655 (-1) 65-73

Rafi, A. (1988) Entwicklung einer Methodik zur Dringlichkeitsreihung von Erhaltungsmassnahmen der Strassen, Schriftenreihe, 152, Schlussbericht VSS FA 17/87, Bundesamt für Strassen, UVEK, Bern

Rübensam, J. und F. Schulze (1996) Entwicklung einer Methodik zur zweckmässigen Zusammenfassung massnahmenbedürftiger Abschnitte der BAB-Betriebsstrecken auf der Grundlage von Zustands- und Bestandsdaten, Forschung Strassenbau und Strassenverkehrstechik, Heft 736, Bau- und Wohnungswesen Bundesministerium für Verkehr, Bonn

Shtub, A. (1997) Project segmentation--a tool for project management, International Journal of Project Management, 15 (1) 15-19

Shtub, A. und T. Raz (1996) Optimal segmentation of projects -- Schedule and cost considerations, European Journal of Operational Research, 95 (2) 278-283

SN 640 908 (1999) Erhaltungsmanagement (EM), Bewertung von Strassenabschnitten im Netz – Funktionelle Bewertung, Schweizerischer Verband der Strassen- und Verkehrsfachleute (VSS), Zürich

SN 640 909 (1990) Strassendatenbanken: Grundlagen, Schweizerischer Verband der Strassen- und Verkehrsfachleute (VSS), Zürich

Thomas, F. (2004) Generating homogeneous road sections based on surface measurements: available methods, Vortrag, 2nd European Pavement and Asset Management Conference EPAM2, Berlin (D), 21-23 March 2004

Thomas, F. (2005) Automated Road Segmentation Using a Bayesian Algorithm, Journal of Transportation Engineering, 131 (8) 591-598