A Comprehensive Life Cycle Approach for Managing Pavement Systems

Abstract

Numa sociedade em que consciência pública sobre a protecção do ambiente é cada vez mais notória, e a disponibilidade de recursos naturais e de financiamento é limitada, as concessionárias rodoviárias e os decisores procuram, hoje, mais do que nunca, ferramentas que lhes possibilitem utilizar esses recursos de forma mais racional, tendo em conta factores ambientais e sociais juntamente com considerações económicas e técnicas. No entanto, as práticas tradicionalmente adoptadas pelas concessionárias rodoviárias no que diz respeito à gestão de pavimentos tem consistido essencialmente na aplicação de sistemas de Avaliação dos Custos do Ciclo de Vida (ACCV) com o objectivo de avaliar o valor económico de longo prazo de opções alternativas de investimento para novos projectos de construção, manutenção e reabilitação (M&R). Esta forma de apoio à tomada de decisão, em que nenhuma ou reduzida importância é dada às considerações ambientais, não é eficaz na promoção da sustentabilidade dos sistemas de pavimentos rodoviários. Nessa perspectiva, é evidente a necessidade urgente de Sistemas de Apoio à Decisão (SAD) para a gestão de pavimentos, que através da integração de abordagens complementares e multidisciplinares de ciclo de vida de pavimentos, permitam aos decisores contabilizar os efeitos cumulativos e de longo prazo das suas decisões e procedimentos, no que diz respeito à concretização dos objectivos e metas de sustentabilidade. Tal só será possível através da utilização de técnicas e ferramentas dotadas de uma capacidade de análise abrangente e com um âmbito alargado. Esta tese apresenta um SAD para optimizar a gestão de pavimentos ao nível de projecto que inclui várias abordagens de ciclo de vida de pavimentos, com uma natureza abrangente e autónoma, mas interligadas de forma lógica. Especificamente, os seguintes métodos de avaliação são apresentados: um modelo de Avaliação do Ciclo de Vida (ACV), um modelo de CCV, um modelo integrado de CCV-ACV, um modelo de optimização mono-objectivo do ciclo de vida e um modelo de optimização multiobjectivo do ciclo de vida. Inicialmente são desenvolvidos modelos individuais de ACV e CCV de pavimentos, que visam quantificar os impactes ambientais e os custos suportados pelas concessionárias rodoviárias e pelos utilizadores ao longo das seis fases do ciclo de vida de um pavimento rodoviário: extracção e produção de materiais; construção e M&R; transporte de materiais; gestão do tráfego nas zonas de trabalhos; utilização; e fim do ciclo de vida. Posteriormente, um modelo abrangente e integrado de CCV-ACV de pavimentos é desenvolvido, a fim de se melhorar a consistência das fronteiras do sistema do ciclo de vida de um pavimento, quando analisado concomitantemente dos pontos de vista ambiental e económico. Tendo em vista a melhoria progressiva da capacidade de análise do SAD, um modelo de optimização mono-objectivo do ciclo de vida é desenvolvido para lidar com o problema da selecção de estratégias de M&R dos pavimentos. A abordagem proposta assenta num modelo de optimização discreta e não-linear que é resolvido através de um algoritmo genético híbrido adaptativo (AGHA). O algoritmo desenvolvido possui dois mecanismos de aprendizagem dinâmica que tem como objectivos conduzir e combinar, de forma dinâmica, os processos de refinamento e exploração das soluções do problema. O novo AGHA é comparado com uma versão não híbrida do algoritmo genético através da aplicação dos algoritmos a vários casos de estudo. Por último, para melhorar a expectativa de realização simultânea dos objectivos ambientais e de custos, uma metodologia de optimização multi-objectivo do ciclo de vida é proposta. A metodologia possui três componentes: (1) um modelo de optimização multi-objectivo; (2) um modelo abrangente e integrado de CCV-ACV de pavimentos; e (3) um modelo de apoio à decisão. A metodologia de optimização multi-objectivo proposta é aplicada na identificação da estratégia óptima de M&R de um pavimento rodoviário flexível, que resulte no melhor compromisso entre os três objectivos seguintes: (1) minimização do valor actual dos CCV suportados pelas concessionárias rodoviárias; (2) minimização do valor actual dos CCV suportados pelos utilizadores; e (3) minimização dos impactes ambientais do ciclo de vida. Todas as abordagens de ciclo de vida de pavimentos são aplicadas a casos de estudo reais ou a casos de estudos académicos baseados nas práticas reais adoptadas pelas concessionárias rodoviárias, que visam não só o cumprimentos dos requisitos técnicos, mas também a melhoria da sustentabilidade dos pavimentos através da redução dos impactes ambientais e dos CCV suportados pelas concessionárias rodoviárias e pelos utilizadores. Os resultados mostram a utilidade das metodologias de ciclo de vida que integram o SAD como ferramentas viáveis para ajudar as concessionárias rodoviárias e os decisores a concretizar os objectivos e as metas económicas e ambientais cumulativas e de longo prazo.

In a society where the public awareness of environmental protection is increasing remarkably and the availability of resources and funding is limited, it is more vital than ever that highway agencies and decision-makers (DMs) seek new tools that enable them to make the best and most rational use of these resources, taking into account environmental and social factors, along with economic and technical considerations. However, the traditional practices adopted by highway agencies with regards to pavement management, have mostly consisted of employing life cycle costs analysis (LCCA) systems to evaluate the overall long-term economic efficiency of competing pavement design and maintenance and rehabilitation (M&R) activity alternatives. This way of supporting the decision-making process, as it relates to pavement management, in which little or no importance is given to environmental considerations, does not seem to be effective in advancing sustainability in pavement systems. In view of this, it is clear there is an urgent need for pavement management decision-support systems (DSSs), which, by integrating multi-disciplinary and complementary pavement life cycle approaches, will enable the DMs to properly account for, consider and assess the cumulative and long-term impacts of their decisions and practices regarding sustainability goals and targets. This can only be achieved by employing techniques and tools with a comprehensive and wide-scoped cradle-to-grave analysis capacity. This thesis presents a project-level optimization-based pavement management DSS, which includes several comprehensive stand-alone but logically interconnected pavement life cycle approaches. The following appraisal methods are presented: a life cycle assessment (LCA) model, a life cycle costs (LCC) model, an integrated LCCLCA model, a single-objective life cycle optimization model and a multi-objective life cycle optimization model. Initially, individual pavement LCA and LCC models are developed to quantify the environmental impacts and the costs incurred by highway agencies and road users throughout six pavement lifecycle phases: materials extraction and production, construction and M&R; transportation of materials; work zone (WZ) traffic management; usage; and end-of-life (EOL). Subsequently, a comprehensive and integrated pavement LCC-LCA model is developed, in order to improve the consistency between the system boundaries of the pavement life cycle when analyzed concomitantly from the economic and environmental viewpoints. In view of the progressive enhancement of the capability of analysis of the DSS, a single-objective life cycle optimization model is developed to tackle the pavement M&R strategy selection problem. The proposed approach relies on a non-linear discrete optimization model that is solved through an Adaptive Hybrid Genetic Algorithm (AHGA). The developed algorithm contains two dynamic learning mechanisms to adaptively guide and combine the exploration and exploitation search processes. The new AHGA is compared to a non-hybridized version of the GA by applying the algorithms to several case studies with the objective of determining the best pavement M&R strategy that minimizes the PV of the total M&R costs. Finally, to enhance the prospect of simultaneous accomplishment of both cost and environmental objectives, a multi-objective life cycle optimization methodology is proposed. The methodology contains three main components: (1) a multi-objective optimization (MOO) model; (2) a comprehensive and integrated pavement LCC-LCA model; and (3) a decision-support module. The proposed multi-objective optimization methodology is applied to determine the optimal M&R strategies for a flexible pavement section of a highway which yields the best tradeoff between the following three, often conflicting, objectives: (1) minimization of the PV of the total life cycle highway agency costs (LCHAC); (2) minimization of the PV of the life cycle road user costs (LCRUC); and (3) minimization of the life cycle environmental impacts (LCEI). All the pavement life cycle approaches are applied to either real or academic case studies based on highway agencies’ real practices, which, in addition to meeting the technical requirements, strive to enhance pavement sustainability by providing potential LCHAC and LCRUC savings and reduced environmental impacts. The results show the usefulness of the pavement life cycle-based methodologies integrating the DSS as viable tools to help highway agencies and DMs in making decisions that are more sustainable for meeting the cumulative and long-term economic and environmental goals and targets.