Dietmar Berthold, Andreas Großmann

• Eine der wichtigsten Grundlagen für die systematische Straßenerhaltung in Kommunen ist die Kenntnis des Straßenzustands und seiner zeitlichen Entwicklung. Im Rahmen des Erhaltungsmanagements wird in Deutschland der Zustand von Verkehrsflächen mittels periodisch durchgeführter Zustandserfassungen aufgenommen, die bspw. messtechnisch oder visuell erfolgen können. Im Ergebnis liegen Zustandsmerkmale auf sogenannten Auswerteabschnitten vor. Für die Aufstellung eines Bauprogramms sind daraus im ersten Schritt zustandshomogene Abschnitte zu bilden. Ziel des Forschungsprojektes war, ein praxisorientiertes, automatisch arbeitendes Verfahren zur Bildung zustandshomogener Abschnitte zu entwickeln (Segmentierungsverfahren) und damit ein Werkzeug zu schaffen, mit dessen Hilfe objektive Entscheidungen über die durchzuführenden Erhaltungsmaßnahmen unterstützt werden können. Da die Segmentierung jedoch ausschließlich auf den Zustandsdaten beruht, müssen bei der Aufstellung eines Bauprogramms regelmäßig von der jeweiligen Kommune noch eine Reihe weiterer praktischer Aspekte berücksichtigt werden, die zumeist Ortskenntnis erfordern. Insoweit ist das Resultat aus vorliegendem Verfahren als ein hilfreicher Baustein und objektiver erster Vorschlag für ein Bauprogramm zu betrachten. In einem ersten Schritt wurden aus der Literatur bekannte Segmentierungsverfahren analysiert. Dabei konnte insbesondere auch auf Erkenntnisse aus dem abgeschlossenen Projekt FE 29.0360/2014 „Verfahren zur Bildung und Beschreibung zustandshomogener Abschnitte und repräsentativer Kennzahlen für das Erhaltungsmanagement“ zurückgegriffen werden, in dem der Forschungsnehmer eine ähnliche Fragestellung bereits für Bundesfernstraßen betrachtet hatte. Darauf aufbauend wurde ein eigenes Segmentierungsverfahren entwickelt und erprobt, welches insbesondere eine grundlegend neue Herangehensweise an die Gesamtsegmentierung mehrerer Folgen von Zustandsmerkmalen beinhaltet. Die Verfahrensentwicklung und -verifikation wurde anhand der Netz- und Zustandsdaten von vier Beispielkommunen durchgeführt. Zu Beginn der Projektbearbeitung war es notwendig, eine eingehende Analyse der Daten hinsichtlich ihrer Konformität im Hinblick auf die Regelwerke durchzuführen, damit nachfolgend das Segmentierungsverfahren auf die jeweils gleiche Inputdatenstruktur aufsetzen konnte. Ein solcher Preprozessingschritt – vergleichbar mit dem Teilprojekt TP 0 bei der ZEB – ist generell zu empfehlen. Aus den so aufbereiteten Daten wurden Post-greSQL-Projektdatenbanken aufgebaut. Der Algorithmus zur Bildung zustandshomogener Abschnitte wurde in PostgreSQL entwickelt. Künftige Nutzer können das SQL-Script durch verschiedene Eingabeparameter, wie z. B. die Auswahl des Netzbereiches und die Mindestsegmentlänge, steuern. Das Verfahren segmentiert Abschnittsfolgen des Netzes fahrstreifenbezogen nach mehreren Zustandsmerkmalen, die auf Auswerteabschnitten fester Länge vorliegen. Die Abschnittsfolge wird dabei in Segmente eingeteilt, die möglichst zustandshomogen sind. Es wurde so konzipiert, dass die zu segmentierenden Zustandsmerkmale aus der Menge der verfügbaren Zustandswerte und Teilwerte frei wählbar sind. Jedem Segment werden als charakteristische Kennzahlen die Mittelwerte (oder andere Lageparameter wie der Median) der beteiligten Zustandswerte und eine Zustandsklasse zugeordnet. Darauf aufbauend kann jedem Segment eine Mängelklasse und eine geeignete Erhaltungsmaßnahme zugewiesen und damit Erhaltungsabschnitte abgeleitet werden. Es wurde ein neuer Algorithmus entwickelt, der Ideen verschiedener etablierter Verfahren aufgreift, aber letztendlich eine Eigenentwicklung darstellt. So wurde das Verfahren der kumulativen Summen mit dem Verfahren nach RÜBENSAM und SCHULZE verknüpft, die gefundenen Changepoints wurden mit einem Signifikanztest verifiziert und ggf. wieder eliminiert und das Kriterium der Mindestsegmentlänge wurde an geeigneter Stelle integriert. Zur initialen Glättung der Folge der Zustandsdaten wurde eine spezielle Glättungsmethode entwickelt. Eine komplett neue Herangehensweise wurde für die Gesamtsegmentierung mehrerer Folgen von Zustandsparametern gefunden. Die netzweit berechnete Segmentierung wurde durch zwei der beteiligten Beispielkommunen einer stichprobenhaften Prüfung unterzogen. Es zeigte sich, dass das Verfahren grundsätzlich korrekte und verwertbare Resultate liefert, die bei der Aufstellung eines Bauprogramms unterstützend eingesetzt werden können. Weitere Testrechnungen haben gezeigt, dass sich das Verfahren grundsätzlich auch für Straßen des überörtlichen Netzes eignet, da die Auswerteabschnittslänge (10 m/20 m/100 m) hier einen skalierbaren Faktor darstellt. Erweiterungen des Verfahrens bzgl. der Anzahl zu segmentierender Zustandsmerkmale sind möglich und für einen generellen Praxiseinsatz vermutlich auch notwendig. Diese Option sollte durch weitere umfängliche Beispielrechnungen und Vergleiche mit den Ergebnissen etablierter Verfahren verifiziert werden.
• One of the most important basic factors for systematic road maintenance in municipalities is knowledge of the road condition and its change over time. Within the framework of maintenance management, the condition of traffic areas in Germany is recorded by means of periodic condition surveys, which can be carried out e.g. by measurement or visually. As a result, condition data is available on so-called evaluation sections. In the first step, condition-homogeneous sections are to be formed from these for the preparation of a construction programme. The aim of the research project was to develop a practical automatically operating procedure for the formation of condition-homogeneous sections (segmentation procedure) and thus to create a tool with the help of which objective decisions regarding the maintenance measures to be carried out can be supported. However, since segmentation is based exclusively on condition data, several other practical aspects must usually be considered by the respective municipality when drawing up a construction programme which usually requires local knowledge. Thus, the result of the present procedure should be regarded as a helpful building block and an objective initial proposal for a construction programme. Initially, segmentation methods known from the literature were analysed. In particular, it was possible to draw on findings from the completed project FE 29.0360/2014 ˮProcedures for the generation and description of condition-homogeneous sections and representative indicators for maintenance managementˮ, in which the research-contractor had already considered a similar issue for federal trunk roads. Based on this, a segmentation procedure was developed and tested which in particular contains a fundamentally new approach to the total segmentation of more than one sequence of condition data. The procedure development and verification was carried out on the basis of the network and condition data of four sample municipalities. At the beginning of the project, it was necessary to carry out a detailed analysis of the data with regard to its conformity with the technical rulebooks, so that the segmentation procedure could subsequently be based on the same input data structure. Such a pre-processing step – comparable to the sub-project TP 0 at the ZEB – is generally recommended. In the next step, PostgreSQL project databases were built from the data prepared in this way. The algorithm for forming condition-homogeneous segments was developed in PostgreSQL. Future users can control the SQL script by various input parameters such as the selection of the network region and the minimum segment length. The procedure segments section sequences of the network according to several condition data sets which are available on evaluation sections of fixed length. The section sequence is split into segments that are as homogeneous as possible in terms of condition data. It was designed in such a way such that the condition data to be segmented can be freely selected from the set of available condition values. The average values (or other statistic position parameters such as the median) of the condition values involved and a condition class are assigned to each segment as characteristic indicators. Based on this, a damage class and a suitable maintenance measure can be assigned to each segment and thus maintenance sections can be derived. A new algorithm was developed that takes up ideas from various established procedures but ultimately represents a proprietary development. The method of cumulative sums was linked with the method according to RÜBENSAM and SCHULZE. The changepoints identified were verified with a significance test, eliminated if necessary and the criterion of the minimum segment length was integrated at a suitable place. A special smoothing method was developed for the initial smoothing of the condition data sequence. A completely new approach was found for the total segmentation of more than one sequence of condition data. The network-wide calculated segmentation was randomly tested by two of the participating sample municipalities. It turned out that the procedure delivers correct and usable results that can be used to support the preparation of a construction programme. Further test calculations have shown that the procedure is in principle also suitable for roads of the inter-urban network, since the evaluation section length (10m/20m/100m) represents a scalable factor in the procedure. Extensions of the procedure with regard to the number of condition data sequences to be segmented are possible and presumably also necessary for a general practical usability. This option should be verified by further comprehensive example calculations and comparisons with the results of established procedures.