Wskaźnik Stanu Nawierzchni (PCI) – wyjaśnienie

Ocena, a nie pomiar

Wskaźnik Stanu Nawierzchni (PCI) to liczba, której większość lotnisk używa do opisu stanu drogi startowej, a jednocześnie liczba najczęściej błędnie interpretowana. Odcinek o PCI 82 nie jest w 82 procentach tak wytrzymały, jak był nowy. Nie jest też w 18 procentach zużyty. Wskaźnik nie mówi nic bezpośrednio o tym, jakie obciążenie nawierzchnia wytrzyma jutro rano.

To, co TarmacView dostarcza w tym zakresie – przybliżony PCI dla każdego odcinka oraz uszeregowaną listę napraw – opisano na stronie oceny stanu nawierzchni .

Czym PCI faktycznie jest: wynikiem od 0 do 100, uzyskanym na podstawie tego, co przeszkolony obserwator widzi na powierzchni. Trzy dane wejściowe i tylko trzy. Rodzaj uszkodzenia, jego stopień oraz zasięg na ocenianym obszarze. Wszystko inne – grubość warstw, skład chemiczny lepiszcza, wilgoć w podbudowie – z założenia pozostaje poza wskaźnikiem.

Norma ASTM D5340-20 mówi o tym wprost w swoim punkcie dotyczącym znaczenia: „PCI nie może mierzyć nośności konstrukcyjnej, ani nie zapewnia bezpośredniego pomiaru odporności na poślizg czy nierówności”. Warto przeczytać to dwukrotnie, ponieważ znaczna część sporów budżetowych dotyczących nawierzchni, które widujemy, wynika z tego, że ktoś po cichu traktował PCI jako wskaźnik wytrzymałości.

Skąd pochodzi wskaźnik

PCI został opracowany przez Korpus Inżynieryjny Armii Stanów Zjednoczonych (US Army Corps of Engineers) przy finansowaniu Sił Powietrznych USA, a norma D5340 odnotowuje, że został później zweryfikowany i przyjęty przez FAA oraz Dowództwo Inżynieryjne Marynarki Wojennej USA. Jest to metoda dla lotnisk wojskowych, którą odziedziczyło lotnictwo cywilne, co tłumaczy zarówno jej prostotę, jak i trwałość.

Norma jest niezwykle szczera co do własnych podstaw. D5340 opisuje PCI jako „pomiar zbiorowej oceny inżynierów utrzymania nawierzchni”, odnoszący się bezpośrednio do potrzeb w zakresie utrzymania i napraw, a tylko pośrednio do integralności strukturalnej. Krzywe odliczeń (deduct curves) będące sercem metody nie zostały wyprowadzone z mechaniki. Powstały poprzez pytanie doświadczonych inżynierów, jak poważnie wygląda dane uszkodzenie przy danej gęstości, a następnie dopasowanie do tych odpowiedzi krzywych. Jest to uzasadniony sposób budowania wskaźnika. Nie jest to jednak pomiar nawierzchni i norma nie udaje inaczej.

Istnieją dwie normy i nie są one wymienne. ASTM D6433 dotyczy dróg i parkingów. ASTM D5340 dotyczy lotnisk i to tę normę stosuje się na lotnisku. Wersja lotniskowa zawiera rodzaje uszkodzeń występujące tylko na lotniskach – erozję spalinową w pobliżu progów, uszkodzenia spowodowane rozlanym paliwem na płytach postojowych, nagromadzenie gumy w strefie przyziemienia – a jej zakres wyraźnie obejmuje nawierzchnie porowate (porous friction courses) obok asfaltu i betonu z fugami. Okólnik FAA AC 150/5380-7B, dotyczący Programu Zarządzania Nawierzchnią Lotniskową (Airport Pavement Management Program), wskazuje D5340 jako obowiązującą metodę. Obecnie obowiązującym wydaniem jest D5340-24.

Jak skonstruowane jest badanie

Badanie PCI to nie spacer po drodze startowej z notatnikiem. Opiera się na określonej hierarchii i to właśnie ta hierarchia sprawia, że liczba jest porównywalna między latami.

Sieć nawierzchni dzieli się na gałęzie (branches), gdzie jedna droga startowa lub jedna droga kołowania stanowi jedną gałąź. Każda gałąź dzieli się na odcinki (sections) o wspólnej historii budowy, ruchu i konstrukcji. Odcinek jest poziomem raportowania. Kiedy ktoś mówi „droga startowa 09/27 ma PCI 71”, jest to wartość dla odcinka, a nie pomiar punktowy.

Odcinki są następnie dzielone na jednostki próbkowe (sample units) – stałe, naniesione na mapę i ponumerowane fragmenty nawierzchni. W przypadku betonu jednostki liczone są jako ciągłe płyty, w przypadku asfaltu – jako prostokątny obszar. D5340 określa jednostkę asfaltową na 5000 ± 2000 stóp kwadratowych (ok. 465 ± 186 m²), a betonową na 20 ± 8 ciągłych płyt – wartości niezmienione od wydania z 1998 roku. Podawana czasem wartość 2500 ± 1000 stóp kwadratowych dla asfaltu pochodzi z normy D6433 dla dróg i parkingów, więc źródło cytujące ją dla drogi startowej myli obie normy. Zasada się nie zmienia. Jednostka próbkowa ma swoją tożsamość, więc kolejne badanie kontroluje ten sam obszar, a nie nowe, losowo wybrane miejsce.

Nie każda jednostka jest sprawdzana pieszo. Metoda dopuszcza próbkowanie statystyczne w obrębie odcinka, o wielkości zapewniającej określoną wiarygodność wartości dla odcinka, a nie pełny spis. Jest to kompromis między kompletnością a kosztem – warto o tym pamiętać, gdy PCI podawany jest z dokładnością do dwóch cyfr znaczących.

W obrębie jednostki osoba oceniająca rejestruje trzy rzeczy dla każdego znalezionego uszkodzenia: co to jest, jaki jest jego stopień (niski, średni lub wysoki) oraz jaki jest jego zasięg. Kryteria stopnia są specyficzne dla danego uszkodzenia i nie wszystkie są tego samego rodzaju. Stopień dla pęknięć podłużnych to przedział szerokości pęknięcia. Stopień dla koleinowania to głębokość. Stopień dla wykruszenia spoiny to wymiar uszkodzonej krawędzi. Ta różnorodność sprawia, że badanie wymaga przeszkolonego oceniającego, a nie listy kontrolnej, oraz że obrazy sprawdzają się lepiej w przypadku niektórych uszkodzeń niż innych.

Krok wartości odliczeń (deduct value) – prostym językiem

Każde zarejestrowane uszkodzenie jest przeliczane na gęstość – jego ilość podzielona przez powierzchnię jednostki próbkowej. Gęstość i stopień są następnie odczytywane z krzywej odliczeń dla danego rodzaju uszkodzenia, co daje wartość odliczenia (deduct value): punkty do odjęcia od idealnego 100.

Naturalnym następnym krokiem wydaje się zsumowanie wartości odliczeń i odjęcie ich od 100. Metoda tego nie robi, i to z dobrego powodu. Uszkodzenia nakładają się na siebie informacyjnie. Nawierzchnia już spękana siatkowo w koleinie nie jest dwa razy gorsza, jeśli jest tam również koleinowana, ponieważ oba uszkodzenia wskazują na tę samą podstawową usterkę. Proste dodawanie nadmiernie by ukarało, a w przypadku mocno uszkodzonej jednostki przekroczyłoby 100 i dało ujemny wskaźnik.

Dlatego norma wprowadza korektę. Policz wartości odliczeń powyżej 5 i nazwij to q. Zsumuj wszystkie w całkowitą wartość odliczeń (total deduct value). Odczytaj skorygowaną wartość odliczeń (corrected deduct value) z krzywej wybranej przez q. Następnie iteruj: weź najmniejszą wartość odliczeń wciąż powyżej 5, ustaw ją na 5, zmniejsz q o jeden, odczytaj ponownie. Zachowaj największą skorygowaną wartość uzyskaną w dowolnej iteracji. PCI dla tej jednostki to 100 minus ta wartość, a PCI odcinka to średnia z jednostek poddanych inspekcji.

Wynikają z tego dwie konsekwencje, które często zaskakują. Wskaźnik nie jest addytywny – jednostka, której suma wartości odliczeń wynosi 54, nie uzyskuje wyniku 46, tylko wyższy. Skala nie jest liniowa względem uszkodzeń: przejście z PCI 90 do 80 wymaga znacznie mniej nowych uszkodzeń niż z 40 do 30. Pięciopunktowa różnica między odcinkami to realna różnica w stanie, ale nie jest to pięć procent czegokolwiek.

Skala oceny

Zakres od 0 do 100 jest tradycyjnie odczytywany w siedmiu przedziałach. Okólnik AC 150/5380-7B podaje swoją wersję pod nagłówkiem „Przykładowe skale oceny PCI dla nawierzchni lotniskowych”. Przedziały są wspólnym słownictwem, a nie regulacyjną taryfą.

Często słyszy się, że PCI 70 jest progiem do wykonania nakładki na drodze startowej, a PCI 55 – progiem, przy którym zaczyna się mówić o odbudowie. Są to typowe praktyki FAA i powszechny domyślny próg w oprogramowaniu do zarządzania nawierzchnią. Nie są one jednak zapisane w AC 150/5380-7B jako wymóg, a w tekście okólnika nie pojawia się żaden liczbowy próg PCI.

To, co okólnik określa, to częstotliwość – i to w kierunku, który ludzie zwykle mylą. Lotniska objęte federalnymi zobowiązaniami muszą przeprowadzać szczegółową inspekcję nawierzchni lotniskowych co najmniej raz w roku. Jeśli badanie PCI jest przeprowadzane zgodnie z ASTM D5340, okólnik stwierdza, że częstotliwość tych szczegółowych inspekcji może zostać wydłużona do trzech lat. Prawidłowe badanie PCI daje dłuższy odstęp, a nie nakłada dodatkowego obowiązku. Odstęp od jednego do trzech lat, w zależności od natężenia ruchu i wieku nawierzchni, ze skróceniem do corocznego poniżej PCI 70, jest typowym schematem postępowania.

Do czego liczba jest przydatna, a na co nie odpowie

Ten ostatni wiersz to kolizja słownictwa, którą warto raz nazwać. Ocena stanu drogi startowej raportuje zanieczyszczenia – wodę, śnieg, breję i lód – na powierzchni w danej chwili, dla załogi lotniczej. Nie ma ona nic wspólnego z PCI i wygasa w ciągu kilku godzin.

Wyznaczanie PCI z obrazów

Norma D5340 jest już metodą wizualną. Nikt nie wierci rdzeni w drodze startowej, aby obliczyć PCI. Obrazy nie są więc zmianą kategorii, a jedynie punktu widzenia i tego, kto dokonuje klasyfikacji. Cztery luki pozostają realne.

Niektóre kryteria stopnia nie są wizualne. Przedział szerokości pęknięcia jest uchwytny dla kamery, jeśli rozdzielczość terenowa na to pozwala. Głębokość koleiny wymaga zrekonstruowanej powierzchni. To, czy uszczelniacz jest wciąż związany z krawędzią pęknięcia, jest odczuciem dotykowym i żaden czujnik tego nie odtworzy.

Oceniający jest częścią metody. D5340 zakłada przeszkoloną osobę stosującą katalog uszkodzeń. Model detekcji nie jest tą osobą, niezależnie od tego, jak dobrze działa, a raport sugerujący inaczej jest przesadą.

Logika próbkowania ulega odwróceniu. Skan obejmuje całą powierzchnię, a nie statystycznie wybrany podzbiór. Większe pokrycie to lepsza informacja, ale liczba z pełnego pokrycia nie jest statystyką opisaną w klauzuli dotyczącej próbkowania w normie, więc nie powinna być przedstawiana jako ta sama wartość.

Detektory przeszacowują znajome rzeczy. Osady gumy, ślady po frezowaniu, cień na spoiny i stary uszczelniacz są odczytywane jako uszkodzenia, dopóki model nie zostanie sprawdzony na danej nawierzchni.

Dlatego publikujemy przybliżony PCI – ocenę stanu z zapisanymi danymi wejściowymi i ograniczeniami – a nie certyfikowany wskaźnik. Jest on powtarzalny, georeferencyjny (dzięki czemu tegoroczny wynik można porównać z zeszłorocznym na tym samym obszarze) i na tyle tani, aby można go było wykonywać często. Jego zadaniem jest wskazać certyfikowanemu badaniu, gdzie spędzić czas, oraz wychwycić odcinek, który ulegnie pogorszeniu między tymi badaniami.

Nasz skan powierzchni drogi startowej opiera się na tym podziale pracy i jest wykonywany podczas tej samej wizyty, co kontrola świateł i podejścia, co było argumentem, który przedstawiliśmy w artykule ile faktycznie kosztuje inspekcja PAPI .

PCI jest dobrze skonstruowanym, uczciwym, celowo wąskim narzędziem. Rankinguje powierzchnie, śledzi je w czasie i zamienia obchód w pozycję budżetową. Zapytaj go o wytrzymałość, o to, co jest pod płytą, lub o stan drogi startowej w danej chwili, a nie odpowie, ponieważ nigdy nie został do tego stworzony.