Maximizing economic returns for large, publicly funded road infrastructure investments through improved economic, engineering and construction information management

Towles, Cordes (2017). Maximizing economic returns for large, publicly funded road infrastructure investments through improved economic, engineering and construction information management. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The objective of this thesis is to develop a framework to maximize economic returns for large road infrastructure projects in developing countries. The literature has outlined many of the numerous challenges in roads projects in developing countries from corruption, poor quality work, and cost and time overruns. This is confirmed, to various degrees, by recent field experience in developing countries in the delivery of roads projects. Incentives of both the donor agency and the road agency have contributed to this underperformance, with a mix of insufficient accountability for results. Some authors question the economic efficiency of roads investments in developing countries by donor agencies, pointing to some evidence indicating that the ex post economic returns are not matching up to the ex-ante economic returns promised, to the extent an economic analysis was performed.

The framework developed under this thesis attempts to align the incentives of the donor agency and road agency, while providing a higher degree of transparency and accountability into the investment decision making process, but also the engineering design and construction phase with a focus on the longer term sustainability of the road investment through increased adaption of modern pavement asset management techniques, graphical capabilities, engineering diagnosis, and statistical analysis.

The first part of the framework is the development of a fast-track road network assessment tool in MS Excel, using the HDM-4 approach to rapidly identify the most economically lucrative investments in a country to consider for further investment. This approach also allows the donor agency to validate the ability of the road agency to properly assess two prime elements of the pavement asset management system: the International Roughness Index (IRI) and Average Annual Daily Traffic (AADT); this is an important confirmation of the road agencies’ ability to properly maintain the pavement asset post investment.

The second part of this framework is the development of a graphic-based itinerary diagram approach to identify the cause(s) of deterioration and develop appropriate engineering solutions that minimize investment costs while maximizing economic returns. This framework is also built around the HDM-4 model to show the primary engineering elements driving the economic assessment, which provide the needed justification of the economic models, but also serve as a project implementation monitoring and evaluation tool that can be used at the end of the project to determine the ex post economic analysis.

The third and final part of the framework is the development of a Bayesian approach in coordination with the itinerary diagram approach to help road agencies determine the most probable cause(s) of deterioration on their road network. This will improve overall pavement design through empirical methods, but also improve the economic prioritization of the road network.

The Bayesian method is meant to improve the accuracy of the pavement management system through adaptive learning. Through the identification of the cause of deterioration on similar road families, the pavement management system will be able to forecast the most likely cause(s) of deterioration on similar roads families, which allows the road agency the ability to intervene through a more timely and economically efficient manner through the reduction of vehicle and road agency costs.

The objective of this part is to begin the development of the needed pavement design “know how” at the road agency to improve overall long-term sustainability of the road investments, which can improve long-term economic returns.

The primary recommendations of the thesis are to continue the refinement of each of these three parts, which have already been field-tested to various degrees, to optimize each element for further use and deployment.

Titre traduit

Maximiser les rendements économiques pour les grands investissements d'infrastructures routières à financement public à travers une meilleure gestion de l'information économique, de l'ingénierie et de la construction

Résumé traduit

L'objectif de cette thèse est d'élaborer un cadre pour maximiser la rentabilité économique des grands projets d'infrastructure routière dans les pays en développement. La littérature décrit bon nombre de défis dans les projets routiers dans les pays en développement allant de la corruption, à la qualité de la conception et de la mise en oeuvre, aux dépassements des coûts et du temps. Ceci est confirmé, à des degrés divers, par l'expérience récente sur le terrain dans les pays en développement dans la réalisation de projets routiers d’envergure. Le manqué d’incitatifs de la part des donateurs et des bailleurs de fonds ainsi que des administrations routières ont contribué à cette sous-performance, de concert avec le mélange d'imputabilité pour des résultats. Ces éléments ont donné lieu à plusieurs travaux qui réduisent significativement, voire remettent entièrement en question la rentabilité économique des investissements routiers dans les pays en développement par les organismes donateurs ou prêteurs avec les éléments de preuve montrant que les rendements économiques ex post ne correspondent pas aux rendements économiques ex ante promis, dans la mesure où une analyse économique était effectuée.

Le cadre de référence développé dans cette thèse tente d'aligner les incitatifs de l'agence prêteuse ou donatrice aux incitatifs de l'administration routière, tout en assurant une plus grande transparence et une responsabilisation à rendre des comptes allant du processus décisionnel d’approbation d’un investissement de l’agence prêteuse ou donatrice, qui se doit a priori d’être rentable, aux phases de conception et de construction effectués sous l’égide de l’administration routière et qui visent à optimiser les coûts et les délais pour un niveau de qualité donné. Le cadre de référence traite ensuite de la durabilité de l'investissement routier grâce à une adaptation accrue des techniques modernes de gestion des actifs de chaussée, des capacités graphiques, du diagnostic technique de la cause détérioration et de l'analyse statistique de plusieurs variables simultanément.

La première partie du cadre de référence développé dans cette thèse porte sur le développement d'un outil d'évaluation rapide du réseau routier dans MS Excel en utilisant les résultats de centaines de simulations à l’aide du logiciel HDM-4 développé sous l’égide de la Banque Mondiale, afin d’identifier rapidement les investissements les plus économiquement lucratifs dans un pays où de nouveaux investissements sont envisagés.

Cette approche permet également aux bailleurs du fonds de valider la capacité de l'administration routière à évaluer correctement deux éléments principaux du système de gestion des actifs de chaussée, l'indice international de rugosité (IRI) et le trafic journalier moyen sur une base annuelle (TJMA); Il s'agit d'une confirmation importante de la capacité des administrations routières à maintenir correctement la valeur de l'investissement afin que tous les bénéfices envisagés puissent se réaliser.

La deuxième partie de ce cadre est le développement d'une approche graphique basée sur le concept des schémas itinéraires pour d’abord compiler sur une même plateforme toutes les données pertinentes afin de faciliter l’identification de la ou des causes de la détérioration et conséquemment développer des solutions d'ingénierie appropriées qui minimisent les coûts d'investissement tout en maximisant la rentabilité économique. Ce cadre est également construit autour du modèle HDM-4 pour faire ressortir les principales données d'ingénierie qui déterminent l'évaluation économique, mais aussi servir d'outil de suivi et d'évaluation de la mise en oeuvre du projet qui peut être utilisé à la fin du projet pour réaliser une analyse économique ex post.

La troisième et dernière partie du cadre de référence est le développement d'une approche bayésienne en coordination avec les schémas itinéraires pour aider les administrations routières à déterminer la ou les causes de détérioration la plus probable sur leur réseau routier afin d'optimiser le choix des interventions.

La méthode bayésienne a pour but d'améliorer la précision du volet diagnostic du système de gestion des chaussées par l'apprentissage adaptatif; En identifiant la cause de la deterioration sur des familles de routes similaires, le système de gestion des chaussées pourra prévoir la ou les causes de détérioration les plus probables sur des familles de routes similaires, ce qui permet à l'administration routière d'intervenir plus rapidement, réduisant les coûts d’exploitation des véhicules et les coûts d’entretien des agences routières.

L'objectif de cette partie est d’initier le développement d’un mécanisme d’apprentissage du savoir-faire en matière de conception/comportement des chaussées au sein de chaque administration routière pour améliorer la viabilité globale à long terme des investissements routiers, et par ricochet de leur rentabilité.

Les principales recommandations de la thèse sont de poursuivre le raffinement de chacune de ces trois parties, qui ont déjà été testées sur le terrain à divers degrés, afin d'optimiser chaque élément pour une utilisation et un déploiement plus généralisés.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 127-137.
Mots-clés libres:	Routes Conception et construction Aspect économique Pays en voie de développement. Services publics Taux de rendement. Investissements publics Pays en voie de développement Prise de décision. Chaussées Entretien et réparations Aspect économique Pays en voie de développement. Chaussées Dégradations Pays en voie de développement Évaluation. Chaussées Entretien et réparations Planification. Théorie de la décision bayésienne. cause, diagnostic, détérioration, test, financier, financement, corruption, HDM-4, réhabilitation, matériaux, mécanique des sols
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Assaf, Gabriel J.
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	03 août 2017 19:30
Dernière modification:	15 janv. 2018 20:19
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1916

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