Dietmar Berthold, Andreas Großmann

• Die rechnergestützte systematische Straßenerhaltung beinhaltet in Deutschland als ersten Schritt die Bildung von fahrstreifenbezogenen, zustandshomogenen Abschnitten auf Basis der ZEB. Grundlage ist das Verfahren nach Rübensam/Schulze (RS) [33], welches allerdings einige methodische Schwächen aufweist. Im Forschungsprojekt waren alternative Segmentierungsverfahren zu untersuchen bzw. ein neues Verfahren zu erarbeiten. Neben der Berücksichtigung einer Mindestlänge für die Segmente sollte auch die Anwendung von Zustandsgrößen als Eingangsdaten anstelle von Zustandswerten analysiert werden. Das Projektziel bestand darin, eine Entscheidungsgrundlage für die Ablösung oder Modifikation des bestehenden Verfahrens nach RS zu liefern. Das Projekt wurde durch das Unternehmen LEHMANN + PARTNER GmbH (Erfurt) in den Jahren 2017 – 2019 bearbeitet. Auf Basis der Rasterrohdaten wurden Algorithmen entwickelt, welche die Zustandsgrößen auch für andere Auswerteraster (1 m, 10 m) als die ZEB üblichen 20 m bzw. 100 m bereitstellen. Die Berechnungsergebnisse wurden für ausgewählte Strecken und ZEB-Kampagnen tabellarisch aufbereitet. Auf Basis einer umfassenden Literaturrecherche wurden international verfügbare Segmentierungsverfahren untersucht. Nicht zielführende Verfahren wurden von den weiteren Betrachtungen ausgeschlossen. Die folgenden drei Verfahren wurden in C++ implementiert: - BAYES: Verfahren mit Bayes‘schem Ansatz (Thomas, 2003 ff.); - CBS: Verfahren Circular Binary Segmentation (Olshen et al., 2004 ff.); - RS: Verfahren nach Rübensam/Schulze (Rübensam/Schulze, 1996). Das Ziel bestand darin, die Messwertfolgen der einzelnen Zustandsparameter so zu segmentieren, dass die entstehenden Teilfolgen homogen bzgl. des Parameters sind. An die Einzelsegmentierung schloss sich ein Postprozessingschritt an, der die zustandshomogenen Abschnitte erstellt (Gesamtsegmentierung). Die Berechnungen wurden für ausgewählte ZEB-Kampagnen und -Strecken im Auswerteraster 20 m und 100 m auf ausgewählten Bundesfernstraßen durchgeführt. Zur Bestimmung einer alternativen Kennzahl für den charakteristischen Zustand des homogenen Abschnitts wurden Untersuchungen mit dem p-Quantil anstelle des bisherigen Mittelwertes durch-geführt. Die Bewertung der Ergebnisse und der Vergleich der Verfahren untereinander erfolgte durch Vorher-Nachher-Vergleiche nach Zustandsklassen, Berechnung von Gütewerten der Segmentierung und Finanzbedarfsprognosen für die Erhaltung. Es wurde eine hohe Anzahl an Berechnungsläufen durchgeführt, die sich aus der notwendigen Variation der Eingangsgrößen und Steuerparameter ergab. Die Berechnungen erfolgten mit projektbezogen erstellten Applikationen beim Forschungsnehmer. Auf dieser Grundlage sowie den theoretischen Aspekten und der Aufgabenstellung wurden folgende Erkenntnisse gewonnen und daraus Vorschläge erarbeitet: - Als Eingangsgrößen sollten die Zustandsgrößen verwendet werden. Somit wird der Einfluss der nichtlinearen Normierungsfunktionen eliminiert. - Die Auswerteabschnittslänge der ZEB (100 m / 20 m) erwies sich als grundsätzlich geeignet. Hinsichtlich dem Detaillierungsgrad (Lokalisierung von Schadensbereichen) ist jedoch ein durchgängiges Raster von 20 m zielführender. -Eine Vorabeinteilung des zu untersuchenden Netzes in Blöcke (linear zusammenhängende Strecken unter Berücksichtigung von Unterbrechungen, Bauweisenwechseln, Ortsdurchfahrten etc.) ist erforderlich. -Hinsichtlich der Bildung zustandshomogener Abschnitte wird ein hybrides Verfahren empfohlen. Für normalverteilte Zustandsgrößen (TP1, TP2) sollte das Verfahren CBS und für die TP3-Zustandsgrößen das Verfahren RS verwendet werden. Die Gesamtsegmentierung soll im Postprozessing erfolgen. -Als charakteristische Kennzahl für die auf Basis der Zustandsgrößen gebildeten zustandshomogenen Abschnitte ist der Mittelwert nach wie vor geeignet. Die p-Quantile stellen jedoch aufgrund ihrer Eigenschaft, robust gegenüber Ausreißern zu sein, eine Alternative dar. -Anstelle der Vorher-Nachher-Vergleiche sollten zur Bewertung eines Segmentierungsergebnisses die im Projekt vorgeschlagenen Gütewerte verwenden werden.
• In Germany, the computer-based systematic road maintenance entails the creation of traffic lane-related, homogeneous sections on the basis of the Road Monitoring and Assessment (Zustandserfassung und –bewertung - ZEB) as its first step. This currently occurs based on the method by Rübensam/Schulze (RS) [33], which exhibits a few methodological weaknesses. This research project consisted in the investigation of alternative segmentation methods or the development of a new method. The method should take into account a minimum segment length and should investigate the effect of using the measured road condition data as input instead of the data after standardization. The main goal of the project was to provide a decision-making basis for the replacement or modification of the existing method. The research project was processed by the LEHMANN + PARTNER GmbH (Erfurt) from 2017 to 2019. On the basis of the raw raster data, algorithms were developed to provide the condition data for other evaluation lengths (1 m, 10 m) than the usual 20 m and 100 m. The calculation results were prepared in tabular form for a couple of roads and ZEB campaigns. As far as the methods themselves are concerned, a lot of usual international methods were studied in an extensive literature research. The counterproductive methods were excluded from further consideration. The following three methods were implemented in C++: - BAYES: Method with a Bayesian approach (Thomas, 2003 ff.); - CBS: Circular binary segmentation method (Olshen et al., 2004 ff.); - RS: Method by Rübensam and Schulze (Rübensam/Schulze, 1996). The goal for each method was to segment each measured-value sequence of condition data in such a way that the resulting partial sequences turn out to be homogeneous. After this a separate post-pro-cessing step ensues to create the conditionhomogeneous sections in total. The calculations were done for some selected ZEB campaigns and roads in the 20 m and 100 m evaluation raster. To determine a reliable indicator for the characteristics of the homogeneous sections, investigations were conducted using the p-quantile instead of the previous arithmetic mean. The evaluation of the results and the comparison of the methods with each other took place by means of before/after comparisons by condition classes, calculation of quality values of the segmentation and financial requirement forecasts for the maintenance. A large number of analysis were performed, which resulted from the necessary variations of the input variables and control parameters. All calculations were done by self-developed software applications. The following facts were figured out: - The measured condition variables should be used as input data. Thus, the influence of the non-linear standardization function is eliminated. - The evaluation raster 100 m / 20 m is suitable for the method in principle. For special issues like a detailed damage localisation, an equidistant 20 m raster is more specific. - A prior division of the road network under investigation into blocks (linearly connected tracks taking into account interruptions, changes in road surface type, in urban/rural routes) is required. - It is recommended to use a hybrid method: The CBS method should be used for normal distributed condition data (TP1, TP2), while the RS method should be used for the TP3 data. Finally, the segmentation in total takes place in a post-processing step. - The arithmetic mean value is a suitable indicator for the characteristics of the homogeneous sections calculated from condition data without standardization. However, the p-quantiles represent an alternative because of their property of being robust to outliers. - Instead of the before/after comparisons by condition classes, the quality values of the segmentation proposed in the project should be used to evaluate a segmentation result. The results obtained with the recommended hybrid method are to be proved by further road network-wide calculations in which further influencing factors have to be considered (route characteristic, optimization of the control parameters, preprocessing procedure). Regardless of the objective of this research project, the idea should be pursued to apply well-known methods from other countries where the homogeneous sections are formed still much later in the PMS analysis process. This has among others the decisive advantage with regard to a historiography of the data. It is recommended to set a new segmentation method in Germany only after a follow-up research.