Systémy hospodaření s vozovkou

Systémy hospodaření s vozovkou Denisa Plánková i Abstract: The paper describes the purpose and importance of using the pavement management systems (PMS), their basic operating principles and tools for achieving the set goals. There are also mentioned historical development and experience with the PMS from foreign countries. The others describe the outputs from selected road maintenance administrators in the Czech Republic which use the PMS. Keywords: Pavement Management System (PMS), deterioration model, pavement rating, road maintenance 1. Úvod Obecně lze systém hospodaření popsat jako snahu skloubit určité činnosti a práce (akce, stavby) k dosažení určité funkční úrovně silniční sítě, provozní způsobilosti a výkonnosti či jiného stanoveného cíle, při splnění stanovených lhůt a nákladů na uskutečnění daných činností a srovnat dosažené výsledky s plánovanými. První úspěšné praktické aplikace tohoto přístupu lze nalézt v 70. letech ve Spojených státech amerických, odkud se dále šířily. V porovnání s historií výstavby silnic a snahou o jejich údržbu se jedná o poměrně nový přístup. Systémy hospodaření zatím fungují pro jednotlivé dílčí oblasti (systém hospodaření se silničními mechanizmy, s vozovkami a dalším), konečným cílem však je, aby všechny činnosti v silničním a dálničním hospodářství byly spojeny v jeden všeobjímající celek. 2. Systém hospodaření s vozovkou Systém hospodaření s vozovkou je zaměřen na problematiku technického stavu vozovek a jejich údržbu. Většinou je tento systém považován za nejdůležitější z prostého důvodu: vyžaduje největší podíl z celkových finančních prostředků, které jsou alokovány na silniční síť. Hlavním cílem tohoto systému je uvést vozovku do žádoucího technického stavu a dále provádět racionální údržbu a obnovu s co nejmenším vynaložením finančních a materiálových prostředků a s co nejvyšším efektem při předem stanovené úrovni uspokojování uživatelů silnic, jež je definována strategickým cílem systému [1]. Podkladem pro kvalifikovaná rozhodnutí musí být podrobná znalost technického stavu vozovek. Je také potřeba vybrat správné technické a údržbové opatření, jež bude ekonomicky zdůvodnitelné, a zároveň odhadnout vývoj technického stavu do budoucna, aby mohla být údržba správně časově zařazena. i Ing. Denisa Plánková, Státní fond dopravní infrastruktury, Sokolovská 1955/278, 190 00 Praha; denisa.plankova@centrum.cz 1

Pro správnou funkčnost systému je potřeba znát poměrně podrobně technický stav vozovek v silniční síti v libovolných časových okamžicích a mít k dispozici procedury, které dokážou vybrat technicky správná a ekonomicky zdůvodnitelná údržbová opatření a zároveň dokážou odborně predikovat vývoj technického stavu do budoucna a volit tak správný časový okamžik a způsob údržbových opatření. Systém hospodaření s vozovkami se skládá ze 4 hlavních částí: diagnostika (měření, inventarizace poruch), vyhodnocení stavu vozovek, návrh obnovy vozovek (technologie, použití materiálu, konstrukce), technicko-ekonomické hodnocení opatření. Zjednodušený vývojový diagram struktury systému hospodaření s vozovkami je zobrazen níže (Obr. 1). Systémy hospodaření jsou zpravidla dvouúrovňové. Síťová úroveň slouží především pro dlouhodobé a průběžné sledování stavu sítě komunikací a jeho vývoje v čase a pro strategické plánování údržby a oprav. Detailnější projektová úroveň je zaměřena na návrhy údržby a oprav jednotlivých úseků na základě informací z diagnostických průzkumů a znalosti místních podmínek. VÝSTUPNÍ SESTAVY NEPROM. PARAMETRŮ VÝSTUPNÍ SESTAVY PROM. PARAMETRŮ GRAFICKÉ ZNÁZORNĚNÍ TRASY BÁZE DAT NEPROMĚNÉ PARAMETRY PROMĚNNÉ PARAMETRY DALŠÍ DATA EXPERTNÍ SYSTÉM BÁZE ZNALOSTÍ ROZHODOVACÍ PROCEDURA DATA UŽIVATELE (NIVELETA, UVEDENÍ DO PROVOZU, PROVEDENÉ OPRAVY) VÝSTUPNÍ SESTAVY TECHNOLOGIÍ ALTERNATIVY ÚDRŽBOVÝCH TECHNOLOGIÍ DIALOG PLÁN. PODKLADY TECHNOLOGIE SPOTŘEBY HMOT FIN. NÁKLADY GRAF. ZNÁZORNĚNÍ VÝSLEDNÝCH TECHNOLOGIÍ VČ. SPOTŘEBY HMOT A FIN. NÁKLADŮ Obr. 1 Zjednodušený vývojový diagram struktury systému [1] 2

2.1. Vstupní parametry systému pro rozhodování Vstupní parametry systému jsou dvojího druhu proměnné a neproměnné. Neproměnné parametry jsou reprezentovány údaji, které se bez stavebního zásahu nemění a které jsou shromažďovány v Silniční databance. Jedná se o staničení (používá se uzlový lokalizační systém), šířkové uspořádání, prvky příčného profilu, směrové a výškové vedení trasy, příčný sklon, skladba konstrukce vozovky, druh podloží objekty a uspořádání křižovatek. V případě proměnných parametrů se jedná o parametry, které hodnotí technický stav vozovky z hlediska provozní způsobilosti a provozní výkonnosti. Hodnocení provozní způsobilosti reprezentují proměnné parametry drsnost, rovnost a poruchy (jiné než únavového charakteru). Hodnocení provozní výkonnosti reprezentují únosnost a poruchy únavového charakteru. Hodnocení technického stavu je založeno na mezních hodnotách jednotlivých proměnných parametrů. Jako příklad proměnných vstupních parametrů lze uvést úzké a široké trhliny, výtluky, hloubka vyjetých kolejí nebo podélné nerovnosti. 2.2. Báze znalostí Hlavní funkcí báze znalostí expertního systému je podpora rozhodování o údržbové technologii. Její součástí jsou mimo jiné: klasifikační stupnice proměnných parametrů, třídění poruch z hlediska jejich významu pro rozhodování o technologii údržby, datový soubor o údržbových technologiích, empirické teoretické modely o vývoji technického stavu konstrukce vozovek (tzv. degradační modely), modely pro stanovení výhledového stavu dopravního zatížení, matematické postupy pro výpočet provozní výkonnosti, zbytkové doby životnosti a návrhu zesílení, metody návrhu a posouzení konstrukce vozovky, další potřebné znalosti. 3. Vývoj systému hospodaření v podmínkách ČSFR a ČR Na konci 80. let minulého století vznikl v ČSFR první program, který se pokusil řešit vazbu mezi technickým stavem pozemní komunikace a údržbovými technologiemi, s názvem Prototypový expertní systém pro silniční hospodářství s využitím prázdného expertního systému EXSYS. Později byl EXSYS pro omezenost jeho možností v rozhodování opuštěn a byl vytvořen prototypový expertní systém PUMA pro silniční hospodářství. Bohužel se jej nepodařilo v té době naplnit potřebnými daty, ale posloužil jako předloha pro tvorbu dokonalejších verzí (vč. vícestupňového systému hospodaření). Popisu fungování systému PUMA, vstupním parametrům, bázi znalostí a její tvorby je v [1] věnován poměrně rozsáhlý prostor. ČSFR nebyla jediná, která se pokoušela využít nový a evidentně perspektivní směr v oblasti expertních systémů. V té době vznikly další expertní systémy SCEPTRE, PRESERVER, ROSE a další [2]. 3

M. Procházka [1] v článku vydaném v roce 1991 uvádí jako příklad funkčního systému HDM III vytvořený americkým týmem odborníků. Díky tomuto systému lze analyzovat náklady na vozovku v celé době jejího technického života (životního cyklu), řídit údržbu vozovek aj. Tento model byl používán po více než dvě desetiletí vyspělými státy pro celou řadu aplikací: ekonomické posuzování silničních investic a údržby, rozbor doby životnosti vozovek, hospodaření s vozovkou nebo může sloužit jako studie pro rozdělování prostředků. První vícestupňový systém v našich podmínkách vznikl v roce 1990. Hlavním cílem systému bylo automatizovanými způsobem poskytovat data o silničních vozovkách jako podklad pro plánování, provádění, řízení a kontrolu údržby a oprav svěřené silniční sítě nebo její části na všech uvažovaných stupních systému [2]. Architektura systému počítala se třemi popř. čtyřmi stupni uživatelů (vrcholný celorepublikový, vyšší zemský nebo oblastní, základní okresní a dílčí střediska údržby). Důležitou součástí a zároveň racionálním jádrem celého systému byl expertní systém PUMA RW, který automaticky zabezpečoval rychlý výběr technicky korektních a ekonomicky zdůvodněných alternativ údržbových technologií. Neustálenost metod sběru dat (zavádění nových způsobů měření), jejich zpracování a vyhodnocování, systémové a významové chyby v databázi způsobily, že data poskytovaná silniční databankou v Ostravě nebyla natolik korektní, aby bylo možné systém doladit a umožnit automatizovanou funkci systému u uživatelů. Dnes se pro hodnocení ekonomické efektivnosti investičních projektů požívá jeho nástupce HDM-4, který je od roku 1993 vyvíjen na Univerzitě v Birminghamu ve spolupráci se Světovou bankou, Asijskou rozvojovou bankou, britským Ministerstvem pro zahraniční spolupráci, Švédskou silniční správou, Finskou silniční správou, Mezinárodní Americkou federací výrobců cementu a dalšími organizacemi. HDM-4 je používán v České republice pro hodnocení efektivnosti staveb v investičních záměrech se program HDM-4 používá s kalibrovanými daty pro ČR s označením Český systém hodnocení silnic (CSHS). 4. RoSy PMS - příklad používaného systému v České republice Jedním z nejpoužívanějších systému pro hospodaření s vozovkou v České republice je software RoSy PMS. Od roku 1997 byl tento systém používán ve všech 72 organizacích správy a údržby silnic pro průběžné sledování stavu silniční sítě. Do roku 2001 byl tento systém garantován ŘSD ČR, po přechodu silnic II. a III. třídy do vlastnictví krajů je způsob hospodaření s těmito komunikaci závislý pouze na dopravní politice a strategii jednotlivých krajů. V současné době tento systém používá 8 z 13 krajů ČR. Stejně jako ostatní systémy je i RoSy PMS založen na cyklicky se opakujícím sledu činností každého správce sítě pozemních komunikací (viz Obr. 2). Během tohoto cyklu se provádí rutinní činnosti, během kterých zároveň dochází ke sběru dat a jejich aktualizaci, vyhodnocování stavu vozovek, sestavování plánů oprav a údržby a realizace konkrétních opatření. 4

Aktualizace a sběr dat Realizace opatření Databáze správa dat Sestavení plánů údržby a oprav Klasifikace stavu vozovek 4.1. Báze znalostí Obr. 2 Roční cyklus systému hospodaření s vozovkou [3] Tento systém v sobě zahrnuje moduly pro sběr a zpracování dat, pro správu neproměnných a proměnných parametrů vozovek a pro výpočet plánů údržby a oprav a jejich technickoekonomickou optimalizaci. Databáze parametrů v sobě zahrnuje jak parametry nutné pro zpracování plánů údržby a oprav, tak dodatečné parametry reprezentující informace o silničním majetku. Neproměnné parametry sítě silnic jsou shromažďovány v Silniční databance, která je součástí ŘSD ČR. Tato data slouží k identifikaci a lokalizaci každé silnice v rámci uzlového lokalizačního systému a obsahují informace o délkovém a šířkovém uspořádání, které jsou pro práci systému hospodaření s vozovkou nezbytné. Proměnné parametry jsou sledovány a do systému vkládány správci silnic II. a III. třídy resp. jimi pověřenou organizací. Systém také umožňuje zobrazovat uložená data v digitální mapě. V souladu s principy fungování systému hospodaření s vozovkou i tento systém obsahuje degradační modely sledovaných proměnných parametrů a registry údržby a oprav. Výběr technicky správné varianty provedení opravy ovlivňuje i příčný profil vozovky - typ obrusné vrstvy, obrubníky, vyústění inženýrských sítí, které mohou vyloučit některé na první pohled vhodné technologie např. frézování nebo zvyšování nivelety. I tyto zpřesňující informace o jednotlivých komunikacích mohou být do systému vkládány a tím bude zajištěno zpřesnění návrhu technologie opravy. 4.2. Plán údržby a oprav Výpočet plánu údržby a oprav je prováděn v souladu s TP 87 Navrhování údržby a oprav vozovek. Jeho sestavení předchází sběr a zpracování poruch vozovek na dílčích úsecích se stejným charakterem porušení. Na vybraných úsecích je možné doplnit tato data o další parametry - únosnost, drsnost, nerovnost, které mají být při návrhu zohledněny. Samotný plán údržby a oprav má dvě úrovně: finanční plán a rozpočet, přičemž obě varianty jsou zpracovány na střednědobý výhled 10 let. Finanční plán představuje optimální opatření v čase, aniž by správce komunikace měl omezené finanční prostředky na realizaci oprav. Výpočet se provádí za použití ekonomických 5

kritérií jednotlivých odpovídajících technologií opravy nebo údržby (obdobně jako u modelů HDM III a IV - poměr cena/výkon - C/B, návratnost investic - IRR, čistá aktuální hodnota - NPV) s přihlédnutím k významu úseku a na základě výsledků je vybrána jedna nejvhodnější. Finanční plán pak představuje skutečné potřeby údržby a oprav sítě včetně jejích cykličnosti (pokud je životnost opatření např. 4 roky, automaticky se zahrnou do desetiletého plánu další náklady, které bude potřeba vynaložit v pátém roce cyklu) a může správcům silnic sloužit jako podklad pro strategická rozhodnutí ohledně úvěrů, přípravě rozpočtu apod. Druhá úroveň rozpočet již počítá s vymezenými finančními prostředky a snaží se zoptimalizovat provedení jednotlivých opatření a hodnocením dopadů na silniční síť na základě návrhu technologií ve finančním plánu s ohledem na význam komunikace a stav vozovky. Při zařazování úseků do rozpočtu může dojít ke třem situacím: rozpočet dovoluje použití optimální technologie na vybraném úseků - tj. vhodný způsob opravy ve vhodný čas, rozpočet nedovoluje použití optimální technologie na vybraném úseku v optimálním roce, pak systém nahradí optimální technologii levnější variantou nebo přesune realizaci opravy do dalšího roku s tím, že do provedení opravy bude úsek označen jako rizikový, rozpočet nedovoluje použití optimální ani variantní technologie na vybraném úseku v žádném roce desetiletého výhledu, tento úsek se stává rizikovým po celé plánovací období, pro zařazení takového úseku do plánu oprav je zapotřebí navýšení rozpočtu nebo akceptace rizika. Kritériem pro hodnocení efektivity rozpočtu je potom stanovení celkové délky rizikových úseků, s rostoucí délkou rizikových úseků souvisí i vyčíslení průměrné životnosti silniční sítě. Pro stanovení minimální úrovně rozpočtových nákladů nutných k zastavení degradace silniční sítě je vhodné zpracovat více variant rozpočtu. Příklad výsledku výpočtu finančního plánu a rozpočtu pro Jihočeský kraj resp. SÚS Jihočeského kraje, který zpracovala firma PavEx v roce 2011 je uveden na Obr.3. Obr. 3 Rozložení nákladů během plánovacího období pro optimální a rozpočtovou variantu [4] Z dalších výpočtů (Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.. 4) při porovnání optimálního plánu a rozpočtu vyplývá, že optimálního hospodaření v rámci rozpočtových limitů bez zvyšující se degradace silniční sítě lze dosáhnout při částce cca 240 mil. Kč ročně. Při poloviční částce by se průměrná životnost povrchu vozovek po 10ti letech přiblížila k nulové hodnotě, hodnota 6

silniční sítě by klesla o 4,7 %, délka rizikových úseků, tedy úseků bez aktuálně nutné souvislé údržby a opravy by vzrostla více než čtyřnásobně. Obr. 4 Srovnání efektivnosti optimálního plánu a rozpočtu na silnice II. třídy [4] Přínos užívání systému hospodaření s vozovkou není patrná okamžitě, zpravidla se projeví po několika letech užívání, kdy správci silnic mohou díky sledování vývoje stavu silniční sítě posoudit efektivitu vynaložených finančních prostředků. 5. Systém hospodaření s vozovkou v SRN Zajištění vysoké kvality dat reprezentující stav vozovek, jejich aktuálnost a úplnost, stejně jako transparentnost rozdělené finančních prostředků na základě nastavených rozhodovacích procesů jsou jedním z nejdůležitějších strategických cílů německé správy silnic. 7

Od počátku 90. let byl stav všech spolkových dálnic a silnic pravidelně sledován a vyhodnocován v rámci společného projektu spolkových zemí. Aktuální stav zhruba 100 000 pruho kilometrů je pravidelně monitorován každé 4 roky. Díky tomu je možné získat potřebná data pro hospodaření s vozovkou, monitorování a posouzení dlouhodobého vývoje stavu vozovky. Tato data jsou používána i pro další účely jako stanovení dlouhodbé prognózy požadavků, pro analýzu vhodnosti použitých materiálů a technologií ve vazbě na jednotlivé objekty, slouží jako základ pro definování a kalibraci predikčních modelů chování případně se uplatní při analýze příčin poškození. Všechny projekty zabývající se monitorováním stavu vozovek a jejich hodnocením (německy ZEB) na spolkových dálnicích a silnicích lze rozdělit do několika kroků: 1. získání údajů o silniční síti, 2. stanovení podélných a příčných nerovností, 3. stanovení přilnavosti povrchu, 4. vytvoření modelu povrchu vozovky a určení poškození povrchu, 5. posouzení stavu vozovky, statistická analýza a vizualizace výsledků, 6. zabezpeční kvality dat o stavu vozovek. Ke sdílení výsledků mezi jednotlivými zúčastněnými spolkovými zeměmi slouží on-line portal IT-ZEB Server. Na Obr. 5 je schematické znázornění jednotlivých kroků. Obr. 5 Srovnání Jednotlivé kroky v rámci metody ZEB [4] Důležitým rysem ZEB je kontinuita. Požadavek na zachování kontinuity se týká především způsobu měření, což umožňuje sledovat vývoj stavu vozovky v průběhu několika let. Toto sledování následně umožňuje posouzení dlouhodobého dopadu užití různých technologií a materiálů. Hlavním účelem ZEB je strategické plánování údržby v dlouhodobém horizontu 15-20 let. Pro uplatnění PMS musí být k dispozici kromě dat o stavu vozovky ještě aktuální data o konstrukci vozovky, údaje o intenzitách dopravy a historie prováděných údržbových pracích. Bez těchto podkladů nemohou být modely pro prognózu stavu vozovky použity. Pro většinu komunikací nižšího významu však nejsou dostupné kompletní údaje, a proto je PMS využíván ve většině spolkových zemí pouze pro dálnice. Pro operativní plánování údržby na 1-4 roky byl na konci devadesátých let v Bavorsku vyvinut KEB, program pro koordinovanou údržbu a výstavbu. KEB vychází ze standardu dat o stavu vozovky pro ZEB s drobnou úpravou ukazatelů. Modifikací ukazatelů vznik nový ukazatel "třída požadavku". Úseky o délce 100 m/20 m, které mají hodnotu "třídy požadavku" 8

v intervalu 1-5 vyžadují přednostní údržbu. Obr. 6 ukazuje modifikované ukazatele a způsob určení naléhavosti opravy úseku. Obr. 6 Určení třídy požadavku [5] Následně jsou jednotlivé úseky vyžadující údržbu agregovány do delších se stanovenou minimální délkou, např. 500 m. Tyto agregované úseky mohou obsahovat i určitý nízký podíl úseků v lepším stavu. Výsledky KEB se také používají pro rozdělování finančních prostředků na údržbu, přičemž jsou uvažovány tři hlavní kritéria: stav vozovky, plocha komunikace a intenzita dopravy s váhami 50 % resp. 25 % resp. 25 %. Metoda KEB je charakteristická vysokou transparentností a je dobrou vazbou mezi strategickou úrovní (odhad rozpočtu a hrubé vymezení úseků údržby) a operativní úrovní (konkretizace úseků údržby a určení způsobu údržby a oprav). Neustále se rozvíjí a to především díky tomu, že ho používá stále více nejen spolkových zemí, okresů a měst v Německu, ale i zahraniční správci komunikací např. v Polsku nebo ve Francii. Literatura [1] PROCHÁZKA, M. Systémy hospodaření s vozovkou jejich možnosti a meze. Silniční obzor. 1991-1994. roč. 52-55. ISSN 0322-7154 47 320 [2] TP 170. Navrhování vozovek pozemních komunikací. Ministerstvo dopravy České republiky. 2004. 100 s. Dostupné z http://www.pjpk.cz/tp%20170.pdf [3] PavEx Consulting, s r.o. Systém hospodaření s vozovkou RoSy PMS. Dostupné z http://www.pavex.cz/rosy-description.htm [4] PavEx Consulting, s r.o. Stav povrchu vozovek silnic II. třídy v Jihočeském kraji k 30. 11. 2011 [5] Heller, S.: Methods for pavement maintenance planning at operational level and distribution of maintenance funds among sub-networks. Routes-Roads 2015 - N 366. Str. 39-45 Zkrácené recenzní řízení provedl: Ing. Michal Radimský, Ph.D. 9