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路面檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)
近幾年來(lái),隨著交通基礎(chǔ)建設(shè)投資力度的加大,我國(guó)公路通車?yán)锍讨鹉昕焖僭鲩L(zhǎng)。截止到2006年底,全國(guó)公路通車總里程已達(dá)345萬(wàn)公里,其中高速公路達(dá)4 53萬(wàn)公里??梢灶A(yù)見,與我國(guó)公路建設(shè)的快速發(fā)展相對(duì)應(yīng),未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)大量的原有路面需要維修改造,以保持良好的路用性能。路面性能檢測(cè)是公路建設(shè)與管理中的關(guān)鍵性、基礎(chǔ)性技術(shù),它不僅對(duì)檢測(cè)和控制工程質(zhì)量至關(guān)重要,而且決定著路網(wǎng)養(yǎng)護(hù)決策的科學(xué)性,直接影響?zhàn)B護(hù)資金分配的合理性。
根據(jù)我國(guó)相關(guān)規(guī)范,舊路面檢測(cè)的主要指標(biāo)包括彎沉、平整度、摩擦系數(shù)、破損狀況等。此外,還可根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求加入車轍、厚度、基層完整性等指標(biāo)。傳統(tǒng)的檢測(cè)手段主要包括:(1)采用貝克曼梁彎沉儀,百分表,配合標(biāo)準(zhǔn)軸載黃河車,利用杠桿原理測(cè)試路表回彈彎沉;(2)采用3米直尺,測(cè)試路面縱向平整度、橫向斷面車轍狀況;(3)采用擺式摩擦系數(shù)儀,人工逐點(diǎn)測(cè)試路面摩擦系數(shù);(4)采用取芯機(jī),鉆取芯樣測(cè)試路面厚度,判斷芯樣完整性;(5)采用人工破損調(diào)查,了解路面破損狀況。這些早期測(cè)試方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力、影響交通,而且有些還要破壞路面結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)精度也難以得到可靠保證,因此,已經(jīng)在逐步被新型檢測(cè)設(shè)備所取代。下面重點(diǎn)介紹目前應(yīng)用較多的一些新型檢測(cè)技術(shù)。
路面彎沉檢測(cè)
彎沉作為路面檢測(cè)的重要指標(biāo),其檢測(cè)與分析技術(shù)發(fā)展十分迅速。自1 953年貝克曼(BenkeIman)發(fā)明梁式彎沉儀以來(lái),路面彎沉檢測(cè)設(shè)備已從靜力彎沉儀、穩(wěn)態(tài)動(dòng)力彎沉儀發(fā)展到脈沖式動(dòng)力彎沉儀,從單點(diǎn)大彎沉檢測(cè)發(fā)展到對(duì)路面彎沉盆的檢測(cè),并將僅局限于柔性路面意義上的彎沉概念,發(fā)展到剛性路面的結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì)分析中,路面結(jié)構(gòu)性能的評(píng)價(jià)也從路面整體強(qiáng)度評(píng)定發(fā)展到對(duì)路面各層剛度的反分析。
利用貝克曼梁法測(cè)定路面回彈彎沉值操作簡(jiǎn)便、應(yīng)用廣泛,但測(cè)試為人工操作,測(cè)試結(jié)果受人為因素影響較大,測(cè)速慢。自動(dòng)彎沉儀的基本工作原理與貝克曼梁原理相同,均采用簡(jiǎn)單的杠桿原理,測(cè)定車在檢測(cè)路段以一定速度行駛,將安裝在測(cè)試車前,后軸之間底盤下面的彎沉測(cè)定梁放到車輛底盤的前端,并支于地面保持不動(dòng),當(dāng)后軸雙輪隙通過測(cè)頭時(shí),彎沉通過位移傳感器等裝置被自動(dòng)記錄下來(lái),這時(shí),測(cè)定梁被拖動(dòng),以二倍的汽車速度拖到下一測(cè)點(diǎn),周而復(fù)始地向前連續(xù)測(cè)定,一般測(cè)試速度保持在1.5km/h-4 0km/h之間。
落錘式彎沉儀(FWD)是脈沖式動(dòng)力彎沉儀的典型代表,其技術(shù)特點(diǎn)主要表現(xiàn)在:測(cè)速快,精度高,并較好地模擬了實(shí)際行車荷載對(duì)路面的動(dòng)力作用,已被許多國(guó)家廣泛地應(yīng)用到路面檢測(cè)和評(píng)價(jià)中。其主要原理如下:通過計(jì)算機(jī)控制下的液壓系統(tǒng)提升并釋放一重錘,從而對(duì)路面施加脈沖荷載,荷載大小通過改變錘重和提升高度調(diào)整,并通過剛性圓盤作用到路面上。路面的彎沉由5個(gè)~9個(gè)傳感器測(cè)定,這樣就能較準(zhǔn)確地反映彎沉盆的形狀,從而為路面模量反算提供基礎(chǔ)。有了模量,就能進(jìn)一步分析出路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力,應(yīng)變狀況,評(píng)價(jià)承載能力。自20世紀(jì)80年代以來(lái),F(xiàn)WD在上得到了廣泛的應(yīng)用,至今已有50多個(gè)國(guó)家和地區(qū)引進(jìn)了FWD。美國(guó)聯(lián)邦公路局經(jīng)過對(duì)比分析,確認(rèn)FWD是較理想的路面承載能力評(píng)定設(shè)備,并選為實(shí)施SHRP計(jì)劃中路面承載能力評(píng)定部分的重要設(shè)備。
目前,國(guó)內(nèi)外圍繞FWD開展的主要研究是穩(wěn)定可靠的模量反演技術(shù)。通過對(duì)FWD彎沉盆數(shù)據(jù)的分析,反演路面各結(jié)構(gòu)層的動(dòng)態(tài)模量,進(jìn)而判別承載硅力。國(guó)內(nèi)外對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)注重點(diǎn)是路面力學(xué)特性模擬,模量反分析的可靠性、反演結(jié)果的驗(yàn)證等。此外,F(xiàn)WD還可用于舊水泥混凝土路面板體脫空判定,接縫傳荷能力判定,路基施工過程中動(dòng)態(tài)監(jiān)控、路基沖擊壓實(shí)效果評(píng)價(jià)等多方面,應(yīng)用日趨廣泛。
除FWD之后,丹麥、美國(guó)等預(yù)期開發(fā)的新一代彎沉儀RWD(滾輪式彎成沉儀)正處于研究階段,它采用高頻激光掃描,能夠連續(xù)記錄行駛中測(cè)試車在路表產(chǎn)生的彎沉,其優(yōu)點(diǎn)是記錄了路面真實(shí)受力狀態(tài),測(cè)速遠(yuǎn)大于FWD,因此對(duì)交通的影響較小,是較為理想的彎沉檢測(cè)設(shè)備。
路面平整度檢測(cè)
路面平整度是路面評(píng)價(jià)及路面施工質(zhì)量驗(yàn)收中的一個(gè)重要指標(biāo),主要反映路面縱斷面曲線的平整性。當(dāng)路面縱斷面曲線相對(duì)平滑時(shí),則表示路面相對(duì)平整,行駛舒適性好,反之則表示平整度相對(duì)較差。路面平整度的檢測(cè)能為決策者提供重要的信息,使決策者能為路面的維修養(yǎng)護(hù)做出優(yōu)化決策。另一方面路面平整度的檢測(cè)能準(zhǔn)確地提供路面施工質(zhì)量的信息,為路面施工提供一個(gè)質(zhì)量評(píng)定的客觀指標(biāo)。
在20世紀(jì)70年代,平整度測(cè)量主要是水平儀、三米直尺等,精度低、速度慢。90年代后,平整度檢測(cè)手段逐步得到了提高,出現(xiàn)了連續(xù)式平整度儀、顛簸累積儀,激光斷面儀等一批新型檢測(cè)設(shè)備。
目前,路面平整度測(cè)試設(shè)備主要分為斷面類及反應(yīng)類兩大類。斷面類實(shí)際上是測(cè)定路面表面凹凸情況,如連續(xù)式平整度儀、激光斷面儀等。反應(yīng)類是司機(jī)和乘客直接感受到的平整度指標(biāo),因此,它實(shí)際上是舒適性能指標(biāo),如顛簸累積儀等,其原理是測(cè)試車以一定的速度在路面上行駛,由于路面不平整引起汽車激振,通過機(jī)械傳感器測(cè)量后軸同車廂之間的單向位移累積值VBI,VBI值越大,則行車越不舒適。由于VBl不是標(biāo)準(zhǔn)的平整度指標(biāo),因此,需通過標(biāo)定試驗(yàn)建立與斷面類設(shè)備平整度指數(shù)IRI值之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系予以標(biāo)定轉(zhuǎn)換。
總體而言,斷面類設(shè)備是目前國(guó)內(nèi)外平整度檢測(cè)發(fā)展的主要產(chǎn)品。早期產(chǎn)品為連續(xù)式平整度儀,其檢測(cè)原理很簡(jiǎn)單,即由間距為三米的前后輪作為支點(diǎn),架起平衡梁,而由一位移傳感器檢測(cè)出平衡梁中點(diǎn)至路面的垂直距離的變化量,然后換算成平整度標(biāo)準(zhǔn)差。連續(xù)式平整度儀由于測(cè)試速度較慢,正常測(cè)速在5km/h左右,主要用于施工過程中檢測(cè)。
激光斷面儀是目前應(yīng)用較多的斷面類測(cè)試設(shè)備,正常測(cè)速在80 km/h左右,具有測(cè)試速度快、精度高的特點(diǎn),可用于平整度等指標(biāo)的測(cè)試,其基本原理是利用激光傳感器測(cè)量車體到路面的距離,同時(shí)利用加速度計(jì)測(cè)量車體本身的豎向位移,從而得到路面縱斷面的剖面,然后利用該剖面實(shí)時(shí)計(jì)算平整度指數(shù)。圍繞激光斷面儀所展開的研究主要是測(cè)試的可重復(fù)性,可再現(xiàn)性。歐洲和美國(guó)均進(jìn)行過較大規(guī)模的可重復(fù)性和可再現(xiàn)性研究,在其所使用主流設(shè)備之間建立了相關(guān)關(guān)系。目前我國(guó)使用的激光斷面儀有多種品牌,這些設(shè)備已經(jīng)開始大量使用,但由于尚沒有進(jìn)行系統(tǒng)的可再現(xiàn)性研究,不同設(shè)備之間數(shù)據(jù)的可比性有待考察。
路面車轍檢測(cè)
車轍是指沿道路縱向在車輛集中位置處路面產(chǎn)生的帶狀凹槽,由于交通量的增長(zhǎng)、車輛渠化交通、持續(xù)高溫等因素的綜合影響,車轍已經(jīng)成為我國(guó)瀝青路面早期破壞中常見的一種路面病害。車轍對(duì)行車安全有重大影響,尤其是在雨后,易造成車輛橫向側(cè)滑引起交通事
故,因此,該指標(biāo)的檢測(cè)已經(jīng)得到了人們的普遍關(guān)注。
早期車轍測(cè)試主要采用3m直尺方法,優(yōu)點(diǎn)是成本較低、方便直觀,缺點(diǎn)是速度慢、效率低、影響交通。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù),超聲波技術(shù)、激光技術(shù)的快速發(fā)展,出現(xiàn)了超聲波車轍測(cè)試儀、激光斷面儀等新型車轍測(cè)試設(shè)備。其中,超聲波車轍測(cè)試儀一般由30個(gè)左右超聲波傳感器組成,傳感器之間間隔約100mm,測(cè)試寬度約3m。通過測(cè)量距路表距離描繪路面橫斷面,通過直尺分析來(lái)確定路面大車轍深度,其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低,可以沿橫向密布、斷面連續(xù)性好;缺點(diǎn)是單個(gè)傳感器精度低于激光傳感器,受外界影響大,只能垂直向下。激光斷面儀除測(cè)試平整度外,還可測(cè)試車轍,即通過橫向分布的5個(gè)~9個(gè)激光傳感器測(cè)試距離路面的高度,通過幾個(gè)測(cè)點(diǎn)高程模擬路面橫斷面從而可以快速計(jì)算車轍。
近幾年來(lái),一種新的激光車轍掃描測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)開始研發(fā)并有樣機(jī)問世,該系統(tǒng)包含兩個(gè)斷面激光掃描器,能在m范圍內(nèi)采集1 280個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù),取樣率為25斷面/秒,在工程應(yīng)用上能更加真實(shí)地反映路面車轍的實(shí)際情況。系統(tǒng)不受溫度,濕度、路面顏色和平整度的影響,雨天也可測(cè)試。此外,激光車轍掃描測(cè)試系統(tǒng)具有很高的重復(fù)性以及度,測(cè)試高度的度為±1mm,預(yù)計(jì)此類產(chǎn)品將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
路面摩擦系數(shù)檢測(cè)
路面抗滑性能是路面使用性能的重要組成部分,直接影響到道路行車安全性。路面抗滑性能包括縱向和橫向兩個(gè)方面,縱向抗滑性能決定車輛在剎車時(shí)的滑行距離,對(duì)避免追尾交通事故的發(fā)生有直接的決定作用;橫向抗滑性能決定車輛的方向控制能力,對(duì)車輛彎道行駛安全性較為重要。近幾年來(lái),隨著人們安全意識(shí)的提高,路面抗滑性能已開始得到人們的普遍重視。然而,現(xiàn)階段我國(guó)規(guī)范常用的擺式摩擦系數(shù)儀在應(yīng)用于摩擦系數(shù)測(cè)試時(shí)尚存在不足之處,主要表現(xiàn)在影響道路交通,測(cè)試速度慢、效率低、操作者存在安全隱患等。
針對(duì)這種現(xiàn)狀,自動(dòng)化摩擦系數(shù)檢測(cè)設(shè)備近幾年來(lái)逐漸從英國(guó)、瑞典等國(guó)家引入我國(guó)。根據(jù)測(cè)試方法的不同,此種設(shè)備可分為三類.橫向力系數(shù)測(cè)試儀、剎車式摩擦系數(shù)測(cè)試儀、不*剎車式摩擦系數(shù)測(cè)試儀等。
橫向力系數(shù)測(cè)試儀在我國(guó)應(yīng)用廣泛,由于從國(guó)外引進(jìn)價(jià)格較高,20世紀(jì)90年代中期實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。該設(shè)備的基本原理是設(shè)定試驗(yàn)輪與行車方向成一定角度,橫向力與試驗(yàn)輪對(duì)路面荷載的比值即為橫向力系數(shù),反映車輛在路面上側(cè)滑的危險(xiǎn)性,正常測(cè)速約50km/h,剎車式摩擦系數(shù)測(cè)試儀是在行駛的過程中,每間隔的距離自動(dòng)對(duì)測(cè)試輪剎車,剎車期間測(cè)試輪在路面上滑動(dòng)。根據(jù)傳感器所記錄的
力,即可計(jì)算制動(dòng)力系數(shù)。該設(shè)備在美國(guó)是抗滑能力測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備之一,測(cè)試速度高可以達(dá)到110km/h。不*剎車式摩擦系數(shù)測(cè)試儀的測(cè)試輪和行駛輪之間,用不等直徑的同軸齒輪和鏈條連接,使得測(cè)試輪的滾動(dòng)線速度小于行駛輪的滾動(dòng)線速度。在正常測(cè)試時(shí)呈現(xiàn)連滾帶滑的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),根據(jù)力傳感器記錄的數(shù)據(jù)即可計(jì)算路面摩擦系數(shù)。該設(shè)備在路面上的測(cè)試速度為50km/h左右,在歐洲應(yīng)用較多,由于不是現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的采集設(shè)備,在進(jìn)行摩擦系數(shù)測(cè)試時(shí)需進(jìn)行與擺式儀或橫向力系數(shù)測(cè)試儀間的對(duì)比試驗(yàn),建立兩者之間的關(guān)系。
目前在路面抗滑能力測(cè)試方面仍主要采用擺式儀,橫向力系數(shù)儀已逐漸擁有了相當(dāng)多的用戶,剎車式和不*剎車式摩擦系數(shù)測(cè)試儀目前僅有少數(shù)用戶。可以預(yù)見,由于在安全性和精度方面的優(yōu)勢(shì),自動(dòng)化摩擦系數(shù)儀在我國(guó)將成為主流。
路表破損狀況調(diào)查
路表破損狀況往往是道路使用者對(duì)于路面施工及養(yǎng)護(hù)質(zhì)量的直觀感受,因此,我國(guó)各級(jí)公路部門對(duì)路面破損狀況一向都比較重視。目前該項(xiàng)指標(biāo)主要還是依靠人工采集,除了主觀性大、效率低外,還存在很大的安全隱患。針對(duì)這種狀況,國(guó)內(nèi)部分單位近年來(lái)引進(jìn)了路表破損測(cè)試系統(tǒng),其基本原理是通過攝像系統(tǒng)連續(xù)采集路表圖像,然后通過后處理軟件自動(dòng)處理與人工判讀相結(jié)合識(shí)別,分類與統(tǒng)計(jì)路表破損。路表破損測(cè)試系統(tǒng)極大地提高了二作效率,避免了人工破損調(diào)查的危險(xiǎn)性隨著我國(guó)公路建設(shè)的快速發(fā)展,必將成為廣泛應(yīng)用的設(shè)備。
目前,路表破損測(cè)試系統(tǒng)主要有美國(guó)、加拿大等幾個(gè)國(guó)家的產(chǎn)品,由于進(jìn)口設(shè)備價(jià)格較昂貴,國(guó)內(nèi)也有少數(shù)單位進(jìn)行了自主研發(fā)并有早期產(chǎn)品投入使用。根據(jù)對(duì)此類產(chǎn)品的調(diào)查,存在的主要問題包括:(1)目前設(shè)備主要能識(shí)別裂縫類病害,對(duì)于擁包、沉陷等三維病害尚不能準(zhǔn)確識(shí)別;(2)后處理工作量較大,由于此類產(chǎn)品尚不能實(shí)現(xiàn)破損的自動(dòng)識(shí)別,誤判、漏判率較高,如易將距面污染判別為坑槽等,因此需由人工后期逐圖判讀,造成處理時(shí)間過長(zhǎng):(3)人為及天氣因素對(duì)于測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性有一定的影響,如不同天氣狀況下識(shí)別的效果均不一樣。針對(duì)這一問題,各設(shè)備商正在加以改進(jìn),重點(diǎn)是表面破損的自動(dòng)識(shí)別、歸類,減少誤判,漏判率,并自動(dòng)輸出路面破損率等指標(biāo)。
路面厚度、完整性檢測(cè)
目前,我國(guó)公路路面厚度測(cè)試主要采用取芯法來(lái)測(cè)定,同時(shí)通過人工觀察判定基層完整性狀況。隨著電磁波技術(shù)的發(fā)展,路面雷達(dá)已經(jīng)開始在國(guó)內(nèi)外嘗試使用,該技術(shù)結(jié)合了瞬態(tài)電磁場(chǎng)理論,時(shí)域測(cè)量技術(shù)、納秒脈沖源技術(shù)、超寬帶天線技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)等多門學(xué)科,主要原理是利用電磁波在路面結(jié)構(gòu)層中的傳播和反射,根據(jù)回波時(shí)間、波幅與波形,確定厚度,同時(shí)通過基層松散后介電常數(shù)的變化,判定基層松散率,從而了解基層完整性狀況。在此過程中,重點(diǎn)是對(duì)路面介質(zhì)介電特性進(jìn)行分析研究,由于雷達(dá)接收到的反射波是介質(zhì)介電特性的函數(shù),對(duì)路面雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)的解釋、判讀和反演都依賴于對(duì)介質(zhì)介電性能的分析,因此,介電特性的深入分析是目前雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。
路面雷達(dá)在工程中的應(yīng)用剛剛起步,目前國(guó)內(nèi)約有20臺(tái)左右,這些設(shè)備的品牌不同,主要產(chǎn)于美國(guó)和歐洲,但測(cè)試原理基本相同,測(cè)試頻率越高則精度越高,探測(cè)深度則越淺。路面雷達(dá)已成為路面無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的重要組成部分,并代表了路面結(jié)構(gòu)層厚度、壓實(shí)度,基層狀況、含水量、瀝青含量等檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。
目前路面雷達(dá)在瀝青混凝土面層厚度檢測(cè)上的精度約為3%,在結(jié)構(gòu)層完整性如水泥混凝土板體脫空判定,基層松散判定等方面的研究仍有待于進(jìn)一步深化。對(duì)路面其它重要性能指標(biāo)如壓實(shí)度、空隙率,含水量,瀝青含量等的研究也還處于探索階段,尚未在工程中廣泛應(yīng)用。此外,由于實(shí)際情況往往難以客觀判定,可采用不同的檢測(cè)方法來(lái)相互印證,例如采用落錘式彎沉儀和路用雷達(dá)聯(lián)合探測(cè)板塊脫空情況、基層承載能力狀況,從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)層中存在的隱患,掌握道路的內(nèi)在質(zhì)量和使用壽命,指導(dǎo)道路的養(yǎng)護(hù)維修。
路面雷達(dá)的應(yīng)用,除了雷達(dá)天線本身的精度外,后處理軟件也非常關(guān)鍵,可以說(shuō),設(shè)備提供了檢測(cè)的手段,而軟件決定了應(yīng)用的廣度和深度,應(yīng)當(dāng)引起國(guó)內(nèi)用戶足夠的重視。各雷達(dá)廠家都有配套的后處理軟件,另外也有一些專業(yè)性研究所開發(fā)的更為專業(yè)的后處理軟件,尤其以美國(guó)和芬蘭的研究較深入。
可以認(rèn)為,未來(lái)路面雷達(dá)技術(shù)推廣應(yīng)用的速度主要取決于實(shí)用軟件的開發(fā)速度及深度。
整體而言,新型檢測(cè)設(shè)備近幾年來(lái)不斷涌現(xiàn),為我們提供了更豐富的信息,因此,如何更好地利用自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)評(píng)價(jià)路面使用性能,提出合理的維修方案,將是下一階段檢測(cè)設(shè)備用戶關(guān)注的重點(diǎn)。
路面檢測(cè)技術(shù)的總體趨勢(shì)是由人工檢測(cè)向自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)發(fā)展,由破損類檢測(cè)向無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展,由低速度、低精度向高速度、高精度發(fā)展。近幾年,自動(dòng)化路面無(wú)損檢測(cè)設(shè)備越來(lái)越多,與此對(duì)應(yīng)的,圍繞自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備所開展的研究也將在深度上得到提高。綜合而言,路面檢測(cè)技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展方向如下;(1)*無(wú)損測(cè)試設(shè)備用戶越來(lái)越多,并逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)組裝及國(guó)產(chǎn)化;(2)圍繞測(cè)試技術(shù)所展開的研究將逐步深化,尤其是評(píng)價(jià)技術(shù),并通過相關(guān)實(shí)用軟件的市場(chǎng)化來(lái)推廣;(3)利用多種無(wú)損檢測(cè)設(shè)備測(cè)試結(jié)果對(duì)路面狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)技術(shù)路線決策;(4)各種檢測(cè)數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入路面管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)信息化管理。