基于物元模型的吐－烏－大高等級公路路面使用性能綜合評價分析

趙雅晴，李志農(nóng)，楊三強

路面使用性能的綜合評價［1］是路面預防性養(yǎng)護及公路管理部門優(yōu)化決策的重要依據(jù)。針對目前路面狀況等級評價方法中存在的主觀影響因素過多和二次賦值等問題，提出了一種基于物元模型［2］的路面狀況等級綜合評價方法。該模型將檢測得到的路面破損狀況、行駛質(zhì)量指數(shù)、車轍深度指數(shù)及結(jié)構(gòu)強度指數(shù)進行多指標關(guān)聯(lián)函數(shù)分析［3－10］，與規(guī)范的單項性能指標加乘計算評價方法相比，關(guān)聯(lián)函數(shù)的應用使得路況的多指標評定更為精細化，物元模型也避免了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在進行網(wǎng)絡(luò)訓練時出現(xiàn)某一誤差范圍內(nèi)停滯不前的現(xiàn)象。該模型能較真實地反映道路狀況的評定結(jié)果，為路面管理養(yǎng)護提供依據(jù)。

1 路面使用性能綜合評價的概述

路面使用性能評價包括路面破損、結(jié)構(gòu)強度、平整度、車轍及抗滑性能，本研究擬采用公路技術(shù)狀況評定標準推薦的瀝青路面狀況評價指標，主要包括路面損壞狀況指數(shù)（PCI）、路面行駛質(zhì)量指數(shù)（RQI）、路面車轍深度指數(shù)（RDI）、路面抗滑性能指數(shù)（SRI）以及路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)（PSSI），分為優(yōu)、良、中、次及差5個等級。根據(jù)規(guī)范《公路技術(shù)狀況評定標準》（JTG H20－2007），吐烏大高等級公路路面使用性能指數(shù)為：

規(guī)范中的路面性能評價方法只是對4項指標進行簡單的加乘計算，沒有考慮指標之間的關(guān)聯(lián)性。當路面結(jié)構(gòu)強度不足時，其他一系列病害相繼出現(xiàn)。而物元模型運用了關(guān)聯(lián)函數(shù)，考慮了各指標之間的關(guān)聯(lián)性，在路面性能綜合評價中運用較為合理。

2 物元模型的構(gòu)建

2.1 建立物元矩陣

選出事物的不同特征并確定其量值，構(gòu)建基本物元矩陣R0，則

式中：P0為事物的某項待評特征；Ci為待評事物的第i項特征，i＝1，2，…，n；Xi為關(guān)于Ci的量值。

2.2 確定經(jīng)典域

式中：N0j為所劃分的第j個路面使用性能等級，j＝1～5分別表示路面性能等級為優(yōu)、良、中、次及差；Ci為路面性能的各分項指標，i＝1～4分別為路面狀況指數(shù)PCI、行駛質(zhì)量指數(shù)RQI、車轍深度指數(shù)RDI及路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)PSSI4項路面使用性能等級特征指標；X0ji為N0j關(guān)于Ci所規(guī)定的量值范圍，即路面使用性能等級關(guān)于對應特征指標所取的數(shù)值范圍。

2.3 確定節(jié)域

式中：P為路面性能等級的全體；Ci為路面性能等級全體的特征指標；Xpi＝〈api，bpi〉為P 關(guān)于Ci所取的量值范圍即節(jié)域，Xpi取值范圍包括X0ji路面性能不同等級的量值范圍。

2.4 確定待評物元

路面狀況的待評物元等級是將所需評價的道路檢測數(shù)據(jù)或分析后的分項指標數(shù)據(jù)用物元R0表示。

式中：p0為待評的路面性能等級；xi為p0關(guān)于Ci所取的量值，即待評路面評估其路面性能所得的具體數(shù)值。

2.5 層次分析法確定各指標的權(quán)重

采用層次分析法，確定各單項指標的權(quán)重，構(gòu)造判斷矩陣A。a1，a2，a3和a4分別為路面狀況指數(shù)PCI、行駛質(zhì)量RQI、車轍深度RDI及結(jié)構(gòu)強度PSSI。aij表示ai對aj的相對重要性數(shù)值。若元素i與元素j的重要性之比為aij，那么元素j與元素i重要性之比為。按表1列出的判斷矩陣標度對重要性賦值。

表1 判斷矩陣標度及其含義Table 1 Judgment matrix scale and its meaning

根據(jù)專家評定，確定路面狀況評價指標權(quán)重。路面破損狀況與行駛質(zhì)量相比，前者稍重要，因此a12＝3。路面結(jié)構(gòu)強度是路面狀況評價的重要指標。路面結(jié)構(gòu)強度不足，會引起路面破損和車轍等病害，因此，路面結(jié)構(gòu)強度比破損狀況、行駛質(zhì)量及車轍稍重要，如：a14＝1／2，a24＝1／2，a34＝1／3。路面狀況評價指標權(quán)重判斷矩陣和指標計算見表2。

表2 路面狀況評價指標權(quán)重判斷矩陣和指標計算Table 2 Pavement conditions to determine the weighing values for assessment index matrix and index calculation

Wi＝（0.24 0.17 0.10 0.49）為所求的特征向量。判斷矩陣的特征根為：

平均隨機一致性指標R.I.見表3。

表3 平均隨機一致性指標R.I.Table 3 Average random consistency index R.I.

2.6 確定關(guān)聯(lián)度

關(guān)聯(lián)度是事物之間、因素之間關(guān)聯(lián)的度量。在物元評價中，關(guān)聯(lián)函數(shù)表示了物元的量值取為實數(shù)軸上的一點時，物元符合要求的取值范圍程度，其計算公式為：

式中：Kj（xi）為第i項特征（指標）屬于第j級的關(guān)聯(lián)度（b0ji－a0ji）。對每個特征Ci，取Wi為權(quán)系數(shù)，令

稱Kj（p0）為待評路面p0關(guān)于路面性能第j級的關(guān)聯(lián)度。

2.7 路面性能等級的評定

若 Kj0＝maxKj（p0），j∈｛1，2，…，m｝，則評定p0屬于等級j0。當Kj（p0）＞1時，則表示被評價對象超出了標準對象的要求上限，數(shù)值越大，可拓性越強；當0＜Kj（p0）＜1時，表示評價單元符合標準對象的要求，數(shù)值越大，越接近標準對象上限。當－1＜Kj（p0）＜0時，表示評價單元不符合評價標準的要求，但具備轉(zhuǎn)化為標準對象的條件，且 Kj（p0）越小，就越容易轉(zhuǎn)化；當 Kj（p0）＜－1時，表示評價單元不符合標準對象的要求，同時也不具備轉(zhuǎn)化為標準對象的條件。

3 吐－烏－大高等級公路數(shù)據(jù)分析

以吐－烏－大高等級公路瀝青路面檢測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立物元模型，對路面性能進行綜合評價。由于路面抗滑性能主要與汽車時速、路面表面特性及濕度有關(guān)，新疆屬于典型的大陸性半干旱氣候，且筑路材料堅硬、耐磨性好，抗滑性能指標較高。如果將抗滑性能指標加入到綜合評價指標中，會造成評價結(jié)果優(yōu)于實際情況，因此，模型中只選取路面損壞狀況指數(shù)PCI、行駛質(zhì)量RQI、車轍深度RDI及結(jié)構(gòu)強度PSSI這4項性能進行評價。吐－烏－大高等級公路某路段的路況數(shù)據(jù)：PCI 為 92，RQI 為 90，RDI 為 85，PSSI 為83。

3.1 物元模型計算

路面性能分為優(yōu)、良、中、次及差5個等級，各等級劃分見表4，根據(jù)瀝青路面性能評價指標對應的取值范圍，確定物元模型的經(jīng)典域和節(jié)域，C1，C2，C3及C4分別表示路面狀況指數(shù)PCI、行駛質(zhì)量指數(shù)RQI、車轍深度指數(shù)RDI及路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)PSSI。

表4 路面狀況評定標準Table 4 Assessment standards for pavement condition

根據(jù)路況數(shù)據(jù)，待評物元為：

利用式（1）計算關(guān)聯(lián)度，計算結(jié)果為：

取權(quán)系數(shù)Wi＝（0.24 0.17 0.10 0.49），按式（2）得到待評路面性能等級的關(guān)聯(lián)度為：

按評定準則，K2（p0）＝maxKj（p0），j∈｛1，2，3，4，5｝，因此p0的路面性能等級為良。

3.2 評價結(jié)果分析

該段路面使用性能運用規(guī)范中的評價方法評定為 “優(yōu)”，物元模型法評價為“良”，產(chǎn)生差別的主要原因是規(guī)范中的評價方法只是進行簡單的加乘計算，沒有考慮到指標之間的關(guān)聯(lián)性；規(guī)范中路面使用性能評價指標PQI，未包括路面結(jié)構(gòu)強度指標PSSI。而路面結(jié)構(gòu)強度對路面使用性能影響較為明顯，該段路面結(jié)構(gòu)強度PSSI評分為83，略低于路面狀況指數(shù)和行駛質(zhì)量指數(shù)。當路面結(jié)構(gòu)強度不足時，其他一系列的路面病害會相繼出現(xiàn)。在行車荷載的作用下，PCI和RQI會在短時間內(nèi)出現(xiàn)較大幅度的衰減。在此情況下規(guī)范方法將路面的使用性能評價為“優(yōu)”顯然不合適，物元模型將該路段的使用性能評價為“良”是比較恰當?shù)?。這樣，以便養(yǎng)護部門能夠及時采取措施，防止其他性能的快速衰減，延長使用壽命。

4 結(jié)論

采用層次分析法，確定了路面評價指標的權(quán)重。根據(jù)吐－烏－大高等級公路的養(yǎng)護數(shù)據(jù)，建立了物元模型。對比分析規(guī)范的評價方法，物元模型有較好的應用，得出具體結(jié)論為：

1）物元模型評價方法考慮到了路面性能各項指標之間的關(guān)聯(lián)性，吐－烏－大高等級公路待評路段路面結(jié)構(gòu)強度較小，路面破損狀況和路面行駛質(zhì)量指數(shù)的衰減速率會加快。規(guī)范評價方法沒有考慮指標之間的關(guān)聯(lián)性。物元模型能夠及時準確地給出路面使用性能的評價結(jié)果。

2）物元模型直接使用吐－烏－大路面檢測數(shù)據(jù)，建立了原始數(shù)據(jù)與路面綜合使用性能等級之間的關(guān)聯(lián)，從一定程度上改進了規(guī)范中的評價方法，避免了規(guī)范評價方法的二次賦值，關(guān)聯(lián)函數(shù)的應用使得路況的多指標評定更為精細化。

3）物元模型能較好地給出路面使用性能的綜合評價結(jié)果，以便養(yǎng)護管理部門及時分析路面強度不足的原因，采取措施，防止病害的發(fā)生，延長路面使用壽命。

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