Advanced

Deterioration Models and Road Capital as Tools in Performance Contracts for Pavement Maintenance

Ekdahl, Peter LU (2000) In Bulletin vägbyggnad 12.
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

En omorganisation av det svenska Vägverket har medfört ett behov för dem att fungera som en professionell beställare enbart, utan utförande i egen regi. Det har naturligtvis också medfört en förändring i hur man hanterar upphandlingen av vägunderhåll.



En väghållares främsta uppgift är att underhålla befintliga anläggningar och se till at de fungerar som avsett. Den näst främsta uppgiften är att uppfylla trafikanternas behov och önskemål om nya och förbättrade vägar. Utöver detta har trafikanterna även som önskemål att transporterna kan företas till an så låg kostnad som möjligt



Mycket stora summor pengar spenderas på vägnätet och dessa investeringar borde... (More)
Popular Abstract in Swedish

En omorganisation av det svenska Vägverket har medfört ett behov för dem att fungera som en professionell beställare enbart, utan utförande i egen regi. Det har naturligtvis också medfört en förändring i hur man hanterar upphandlingen av vägunderhåll.



En väghållares främsta uppgift är att underhålla befintliga anläggningar och se till at de fungerar som avsett. Den näst främsta uppgiften är att uppfylla trafikanternas behov och önskemål om nya och förbättrade vägar. Utöver detta har trafikanterna även som önskemål att transporterna kan företas till an så låg kostnad som möjligt



Mycket stora summor pengar spenderas på vägnätet och dessa investeringar borde tveklöst bevaras efter bästa förmåga. En väghållares mål skall därför vara att sträva efter att upphandla vägunderhåll till lägsta möjliga årskostnad. Att använda funktionsentreprenader är ett sätt att uppnå detta mål eftersom de ger beställaren en bättre möjlighet att beskriva vad som egentligen önskas av produkten, med andra ord dess funktion. Om man definierar vägkapital så att dess bevarande är detsamma som en optimering av investerat kapital till en minimerad kostnad (både för användare och väghållare) så utgör detta att utmärkt verktyg för funktionsupphandlingar.



Vägverket använder sig idag av en rak avskrivning över 40 år för väginvesteringar. Eftersom en vägs värde för användaren är starkt beroende av dess tillstånd och funktion är det önskvärt att införa vägnätet som en tillståndsrelaterad tillgångspost i statens balansräkning. Uttrycket vägkapital har använts i Sverige i många och varierande sammanhang. Vanligtvis anger man att vägkapitalet skall bevaras, eller ökas, för att stimulera den allmänna ekonomin, men tyvärr finns det ingen klar definition av vägkapital.



De två främsta målen med denna studie:



1. Definiera vägkapital på två sätt: i/med hänsyn tagen till både företags- och samhällsekonomi och ii/ bara med hänsyn till företagsekonomi



2. Föreslå hur man kan använda begreppet vägkapital i funktionsupphandling av vägunderhåll (i enlighet med tidigare utförda studier) och hur vägkapital kan användas i bokföringen som en tillståndsrelaterad tillgångspost.



Studien har huvudsakligen tre hörnstenar, nämligen vägekonomi, funktionsupphandling samt nedbrytningsmodeller. En långsiktig hållbarhet kräver att man vet något om vägarnas framtida tillståndsutveckling. Av denna anledning är den tredje hörnstenen en utredning utvisande vilken precision man kan förvänta sig i nedbrytningsmodeller. En känslighetsanalys visar hur variation i indata påverkar den beräknade funktionstiden, samt vilka indata som har störst inverkan på densamma.



Funktionsentreprenader är lämpliga för vägunderhåll eftersom de gynnar en innovativ konstruktions- och byggprocess, samt lösningar som är beständiga. Tidigare svenska försök med entreprenadformen har använts som utgångspunkt i denna studie. Arbetet rör främst hur man definierar funktionskrav som motsvarar en optimering av vägens värde för samhället på lång sikt. För att definiera vägkapitalet krävs en uppfattning om hur man kombinerar och utvärderar både samhälls- och företagsekonomi. Tidigare erfarenheter och kunskap har utnyttjats i största möjliga utsträckning, vilket betyder att stora delar av studien baseras på litteraturstudier.



Från studier om underhållsstrategier har framkommit att preventivt underhåll är den mest kostnadseffektiva strategin ur ett längre tidsperspektiv. Detta är i överensstämmelse med den övergripande iden i funktionsentreprenader, där ansvaret för vägens tillstånd och funktion till stor del är överförd till entreprenören genom att använda långa kontraktstider och genom att premiera lösningar som är hållbara till en låg årskostnad. Den särklassigt bästa långsiktiga strategin är ”area under the graph”-metoden, som innebär att ytan under en tillstånds/tid graf skall maximeras. Om man inkluderar kostnadsaspekten blir denna strategi istället ”area under a cost versus time graph”, där ytan då givetvis skall minimeras. Kostnadskomponenterna skall väljas med omsorg så att samhällets intressen tas tillvara. Om man gör detta blir den principiella definitionen av vägkapital en funktion av ytan under en kostnads/tid graf. Denna yta skall minimeras för att nå ett optimalt vägkapital.



Precis som i många existerande pavement management system (PMS) skall en underhållsoptimering baseras på en minimering av samhällskostnader till lägsta möjliga underhållskostnad. För underhållsplanering (och därmed även för definitionen av funktionskrav) behövs det inte något absolut värde på vägkapitalet. Endast den relativa skillnaden mellan olika alternativ är av intresse.



För bokföringsändamål skall vägkapital behandlas som en tillgång och bör därför definieras från en företagsekonomisk synvinkel. Att använda ett tillståndsrelaterat vägkapital gör dessutom det lättare att se effekten av olika underhållsstrategier och budgetnivåer. Vägens värde, vid valfri tidpunkt, kan definieras som investeringskostnaden minskat med den underhållskostnad som krävs för att återföra vägen till dess ursprungliga tillstånd (avskrivning baserat på tillståndsförsämring). Ett dylikt tillvägagångssätt kan användas på olika sätt, av vilka två rekommenderas. Den enklaste metoden beräknar underhållsbehovet (kostnaden) för generaliserade vägtyper baserat på vägytemätningar, utan detaljerade information om var i konstruktionen skadan härrör ifrån. Den andra metoden inkluderar effekten på olika materiallager (i vägkonstruktionen) från de skador som registrerats, vilket kräver en mer detaljerad kunskap om vägens uppbyggnad. Den enkla metoden är att föredra på vägnätsnivå, medan den senare metoden är mer lämplig för enstaka objekt eller mindre vägområden, men den kan även bli generaliserad till att gälla för större områden om man inför standardiserade vägtyper.



En av de viktigaste delarna när man bestämmer beständigheten av vägunderhåll är att kunna prediktera vägens nedbrytning. Modeller för detta finns i otaliga skepnader och det är viktigt att ha en god kunskap om deras funktion, egenskaper och uppbyggnad. Det bör poängteras att ingen nedbrytningsmodell ger ett deterministiskt svar på vägens funktionstid. Det man erhåller är en uppskattning som bäst beaktas i perspektivet av sannolikheten att svaret är korrekt. Denna risk och variation består i huvudsak av två delar:



1/ Variation i indata (från naturliga variationer och mätfel)



2/ Inkorrekta modeller (fel i modelleringen av materialpåkänningar och deras samband med vägskador)



Modellernas känslighet har i denna studie exemplifierats med analyser av två nedbrytningsmodeller (MMOPP och HDM-4). Analyserna visar att när all indata varierar samtidigt (som i det verkliga fallet med en väg) påverkar detta den beräknade funktionstiden med två år i genomsnitt (men så mycket som fem år i extrema fall). Den individuella analysen (variation av en indatavariabel åt gången) visar att beräkningen av funktionstiden kan förbättras avsevärt om man förbättrar precisionen i några enstaka, men extra viktiga, indata (till exempel axellast och väguppbyggnad). Variationen av enstaka indata kan påverka funktionstiden lika mycket som när all indata varieras samtidigt. Noteras bör att i känslighetsanalysen var sprickbildning avgörande för funktionstiden i samtliga fall och att definitionen av sprickor var olika för de två testade modellerna, vilket gör det svårt att jämföra resultaten. Den enda klara slutsatsen är att mer mekanistiska modeller ser ut att påverkas mer av en variation i indata än empiriska modeller. Det bör dock påpekas att en variation i indata borde ge en variation i det beräknade resultatet (funktionstiden). Det vill säga, en okänslig modell är inte detsamma som en bra modell.



Den valideringsanalys som utförts (med data från MnROAD-projektet i USA) visar vilken precision som är att förvänta i nedbrytningsmodellering med generaliserade kalibreringsfaktorer. Ingen hänsyn har då tagits till tillståndshistoriken for varje specifikt vägobjekt. Från validering erhölls ett fel i beräknad funktionstid motsvarande ungefär två år i de flesta fall (2 mm spårdjup över fem år), men så mycket som fem år i vissa extremfall.



Tillståndshistoriken utgör viktig information i en funktionsentreprenad. Den beräknade nedbrytningstakten i varje specifikt fall bör kalibreras mot dess uppmätta tillståndshistorik. Med denna justering av kalibreringsfaktorer kan funktionstiden beräknas med en uppskattad precision på cirka ett till två år. Detta relativt ”lilla” fel är lämpligt att utgöra den ”grå zon” inom varken entreprenör eller beställare kan lastas för avvikelser. Inte heller i detta fall kan någon jämförelse göras mellan de två provade modeller eftersom kalibreringen i princip baserats på spårdjup enbart. Förutom att modellerna använder olika definitioner på strukturell nedbrytning (sprickbildning) är spridningen i uppmätt IRI på MnROAD för liten för att kunna betraktas som ett tillräckligt kalibreringsunderlag.



En slutsats som kan dras från kalibreringen och modellvalideringen är att flertalet modeller verkar sakna väsentlig indata om materialegenskaper. Detta innebär att en enkel regressionsmodell kan uppvisa en lika bra överrensstämmelse mellan uppmätt och beräknad tillståndsutveckling som mer sofistikerade modeller. Om randvillkoren däremot förändras är en sådan regressionsmodell endast av liten nytta, medan de sofistikerade modellerna fortfarande kan användas med acceptabelt förtroende.



Trots de imperfektioner som finns i nerbrytningsmodeller skall deras användning ändå ses i perspektivet av att alternativet är att endast basera beslutsunderlaget på erfarenheter, åsikter och subjektiva bedömningar som varierar med person och tid.



Funktionsegenskaper är säkerhet, komfort och framkomlighet. Dessa variabler kan knappast mätas eller uppskattas objektivt och därför beskrivs de ofta med tillståndsparametrar såsom spårdjup, friktion och ojämnheter. Funktionskraven skall inte förväxlas med tekniska specifikationer, som till exempel bitumen- och stenkvalitet eller kornkurva. De senare är tekniska lösningar som bör reserveras för utföraren som en del i hans produktval. Den tekniska lösningen skall dock överlämnas till beställaren i samband med att kontraktsperioden närmar sig sitt slut och informationen behövs för planering av nästa åtgärd.



PM-system bör användas in underhållsoptimeringen. Varje prioriterad lösning är baserad på en viss tillståndsutveckling som sedan bör utgöra de funktionskrav som ställs i en funktionsentreprenad. Funktionskraven är därmed baserade på en minimering av samhällets kostnader för att uppfylla vissa funktionskrav, till lägsta möjliga utgift för väghållaren. Den beräknade tillståndsutvecklingen baseras på traditionell teknologi. Allt bättre än detta är att betrakta som en förbättring av produkter eller produktionsmetoder. Förutom funktionskrav i form av en nedbrytningshastighet bör det finnas fasta krav (gränsvärden) för att säkerställa trafiksäkerhet och ett gott arbetsutförande med avseende på vägskador som inte utvecklas eller predikteras gradvis. Funktionskraven skall därför vara av tre slag:



1/ Gränsvärden för skador som har en beräknad gradvis utveckling (t ex spår och IRI)



2/ Ett fast gränsvärde som inte får överskridas under kontraktsperioden. Gäller vägskador som är starkt relaterade till trafiksäkerheten (t ex friktion).



3/ Ett fast gränsvärde som inte får överskridas under kontraktsperioden. Gäller vägskador som är starkt relaterade till arbetsutförandet (t ex potthål och blödningar).



Underhållsoptimeringen bör prioritera projekt där det finns trafiksäkerhetsrisker före utfallet från den ekonomiska analysen.



Eftersom precisionen i beräknad nedbrytningshastighet är något osäker skall en ”grå zon” användas för reglering av den flexibla delen i ett betalningssystem (innehållande bonus/avdrag möjligheter). Denna zon motsvarar en viss skillnad mellan beräknad och verklig tillståndsutveckling. Inom zonen utgår varken bonus eller avdrag och storleken på zonen avgörs av precisionen i beräknad tillståndsutveckling, vilken kan fås från en kalibrerings- och valideringsanalys.



Funktionskontrakt baserade på vägkapital innebär ett flertal fördelar för samhälle, entreprenör och trafikant. Långa kontraktsperioder hjälper utföraren att få erfarenhetsåterföring på de valda tekniska lösningarna. Innovationer är belönade (genom bonussystemet) om de uppfyller funktionskraven, vilket säkerställer produktutveckling. Samhället får därmed en större nytta av sina investeringar, till en lägre kostnad för beställaren. Återkommande åtgärder med dålig beständighet motverkas genom att införa en ”väghyra” for reparationer utöver plan.



Ett anbud i en funktionsentreprenad skall i princip utgöras av ett fast pris för att uppfylla de ställda funktionskraven, med andra ord en årlig kostnad över den föreskrivna funktionstiden. Det är viktigt att endast använda väldefinierade funktionskrav som är mätbara med god precision. På så vis kan man undvika flertalet kontraktstvister.



Vid introduktionen av en ny kontraktsform är det vanligt att en ökad risk inkluderas i priset. Genom att inledningsvis dela på risken mellan beställare och utförare borde denna potentiella prisökning kunna undvikas. Allteftersom båda parter får erfarenhet av kontraktsformen bör det ske en prissänkning. Samhället får då mer nytta av vägnätet till en lägre kostnad. Dessutom borde en och samma principiella definition av vägkapital på alla beslutsnivåer (från budgetäskande till val av teknisk lösning) också utgöra en möjlighet till väsentliga besparingar för väghållaren. (Less)
Abstract
A reorganization of the Swedish National Road Administration (SNRA) has urged a demand to work as a professional agency only, without any work by direct labor. This structure has enforced a change in how to handle the pavement maintenance and performance contracts are being promoted since they encourage product development and sustainability. Furthermore, SNRA desires to use the road network as a condition-related asset in bookkeeping.



The study has two main objectives:



1. Define road capital in two ways: i/using both society and investment costs and ii/ using merely the investment costs



2. Suggest how to apply the term road capital in performance contracts for pavement maintenance... (More)
A reorganization of the Swedish National Road Administration (SNRA) has urged a demand to work as a professional agency only, without any work by direct labor. This structure has enforced a change in how to handle the pavement maintenance and performance contracts are being promoted since they encourage product development and sustainability. Furthermore, SNRA desires to use the road network as a condition-related asset in bookkeeping.



The study has two main objectives:



1. Define road capital in two ways: i/using both society and investment costs and ii/ using merely the investment costs



2. Suggest how to apply the term road capital in performance contracts for pavement maintenance (in appliance with previous studies of performance contracts), and suggest how road capital may be applicable in bookkeeping as a performance related asset for a road network.



The study is based on three cornerstones, namely road economy, performance contracts and deterioration models. Road economy and performance contracts have mainly been studied through literature reviews. The refinement lies in how to choose functional demands that reflect an optimization of a road’s value for society.



A long-term sustainability demands a conception of the future pavement performance, which is why the third cornerstone is a study showing the precision in performance prediction models. A sensitivity analysis show how a natural variation in input data may affect the deterioration rate and what types of input data that have greatest influence on the deterioration rate. A validation analysis (with data from the MnROAD-project in USA) displays the precision to expect in deterioration models.



Road capital for maintenance planing is defined as a minimization of the area under a cost/time graph over a pavement’s service life. Consequently, this is no absolute definition. Only the relative difference is of interest. Functional demands are determined by the deterioration rate inherent in every solution in maintenance optimization. For regulation of performance contracts there is a bonus/deduction system where the flexible part of the payment is defined by the difference in yearly costs between the actual measured case and what has been agreed on in the contract over the prescribed service life. The precision in performance prediction after calibration is in the range of on to two years, which may be considered as sufficient. For bookkeeping road capital has been defined as the investment cost decreased by the cost for needed maintenance due to deterioration. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Professor Mahoney, Joe, University of Washington, USA
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Teknik, pavement management system, performance contract, pavement maintenance, deterioration model, Technological sciences, road capital, Social sciences, Samhällsvetenskaper
in
Bulletin vägbyggnad
volume
12
pages
192 pages
publisher
Inger Myhren, Department of Technology and Society, Box 118, SE-221 00 Lund, Sweden,
defense location
Lund Institute of Technology, Civil Engineering
defense date
2000-04-28 10:15
external identifiers
  • other:ISRN: LUTVDG/(TVVB-1001) 1-191/2000
ISSN
1404-4331
ISBN
91-7874-049-5
language
English
LU publication?
yes
id
f3eb9703-775e-478d-8b77-53acd098b975 (old id 19672)
date added to LUP
2007-05-25 11:06:21
date last changed
2016-09-19 08:44:59
@phdthesis{f3eb9703-775e-478d-8b77-53acd098b975,
  abstract     = {A reorganization of the Swedish National Road Administration (SNRA) has urged a demand to work as a professional agency only, without any work by direct labor. This structure has enforced a change in how to handle the pavement maintenance and performance contracts are being promoted since they encourage product development and sustainability. Furthermore, SNRA desires to use the road network as a condition-related asset in bookkeeping.<br/><br>
<br/><br>
The study has two main objectives:<br/><br>
<br/><br>
1. Define road capital in two ways: i/using both society and investment costs and ii/ using merely the investment costs<br/><br>
<br/><br>
2. Suggest how to apply the term road capital in performance contracts for pavement maintenance (in appliance with previous studies of performance contracts), and suggest how road capital may be applicable in bookkeeping as a performance related asset for a road network.<br/><br>
<br/><br>
The study is based on three cornerstones, namely road economy, performance contracts and deterioration models. Road economy and performance contracts have mainly been studied through literature reviews. The refinement lies in how to choose functional demands that reflect an optimization of a road’s value for society.<br/><br>
<br/><br>
A long-term sustainability demands a conception of the future pavement performance, which is why the third cornerstone is a study showing the precision in performance prediction models. A sensitivity analysis show how a natural variation in input data may affect the deterioration rate and what types of input data that have greatest influence on the deterioration rate. A validation analysis (with data from the MnROAD-project in USA) displays the precision to expect in deterioration models.<br/><br>
<br/><br>
Road capital for maintenance planing is defined as a minimization of the area under a cost/time graph over a pavement’s service life. Consequently, this is no absolute definition. Only the relative difference is of interest. Functional demands are determined by the deterioration rate inherent in every solution in maintenance optimization. For regulation of performance contracts there is a bonus/deduction system where the flexible part of the payment is defined by the difference in yearly costs between the actual measured case and what has been agreed on in the contract over the prescribed service life. The precision in performance prediction after calibration is in the range of on to two years, which may be considered as sufficient. For bookkeeping road capital has been defined as the investment cost decreased by the cost for needed maintenance due to deterioration.},
  author       = {Ekdahl, Peter},
  isbn         = {91-7874-049-5},
  issn         = {1404-4331},
  keyword      = {Teknik,pavement management system,performance contract,pavement maintenance,deterioration model,Technological sciences,road capital,Social sciences,Samhällsvetenskaper},
  language     = {eng},
  pages        = {192},
  publisher    = {Inger Myhren, Department of Technology and Society, Box 118, SE-221 00 Lund, Sweden,},
  school       = {Lund University},
  series       = {Bulletin vägbyggnad},
  title        = {Deterioration Models and Road Capital as Tools in Performance Contracts for Pavement Maintenance},
  volume       = {12},
  year         = {2000},
}