基于交通軸載數(shù)據(jù)的校驗與模型建立

王 雨， 陸 韜

(浙江省交通集團檢測科技有限公司， 杭州 310000)

交通荷載是影響路面使用性能與壽命的關(guān)鍵因素之一，不同類型與軸重的車輛會產(chǎn)生不同級別的軸載，交通荷載的大小直接決定病害的發(fā)展程度與速度。因此，交通荷載已經(jīng)成為路面設(shè)計與養(yǎng)護工作中的一個重要因素[1-3]。

隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展與高速路網(wǎng)的不斷延伸完善，高速公路上通行車輛的類型日漸復(fù)雜，軸載分布情況眾多。我國高速公路采取聯(lián)網(wǎng)收費制度，在高速公路網(wǎng)內(nèi)設(shè)置了大量的互通及收費站，形成封閉式路網(wǎng)。聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)采用稱重系統(tǒng)完整記錄了進出收費站車輛的詳細(xì)稱重信息，為建立路網(wǎng)的交通量與軸載參數(shù)信息提供了強大的數(shù)據(jù)支持[4-5]。

我國早期路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中，多根據(jù)以往少量的調(diào)查數(shù)據(jù)分析確定各類車輛代表車型的軸重典型值，再利用當(dāng)量軸載換算公式將混合交通換算成當(dāng)量軸載作用次數(shù)，易導(dǎo)致計算得到的當(dāng)量軸載作用次數(shù)不能很好地反映實際情況[6-7]。

本文選取某省一段高速公路作為研究對象，利用高速公路聯(lián)網(wǎng)計費稱重系統(tǒng)采集到的車輛類型及軸重等相關(guān)數(shù)據(jù)進行當(dāng)量軸載換算，進行交通荷載參數(shù)分析，提出缺失軸載數(shù)據(jù)的還原方法，建立基于貝葉斯理論的計重收費軸載數(shù)據(jù)計算模型，計算確定軸載譜和當(dāng)量軸載換算系數(shù)，從而更客觀、精確地反映交通荷載特性，為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計、養(yǎng)護與營運工作提供更精確客觀的交通荷載特性數(shù)據(jù)[8-11]。

1 軸載數(shù)據(jù)采集

1.1 數(shù)據(jù)采集架構(gòu)與傳輸

軸載數(shù)據(jù)采集依托于智慧高速的營運數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)分3層架構(gòu)，自下而上分別為：收費站—公司—集團，最終匯集至智慧高速數(shù)據(jù)庫。

軸載數(shù)據(jù)傳輸策略分為3種，分別為：1) 整表傳輸，主要傳輸營運系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；2) 實時傳輸，主要傳輸一些實時數(shù)據(jù)；3) 增量傳輸，主要傳輸統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)及非實時性數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)采集內(nèi)容

營運數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括高速公路、公司、收費站、收費車道等基礎(chǔ)信息，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包括入口車道原始過車記錄、出口車道原始過車記錄、軸載原始記錄、流量等業(yè)務(wù)信息[12-13]。

2 軸載數(shù)據(jù)整理

2.1 完整性校驗與格式統(tǒng)一

原始營運數(shù)據(jù)傳輸至智慧高速數(shù)據(jù)庫后，需對收費站采集的原始營運記錄完整性進行校核。采用收費站出入口數(shù)據(jù)對比的校驗方法，校核內(nèi)容主要包括出入口車道原始記錄數(shù)量與出口原始記錄收費總金額是否一致。

計重收費數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一有助于后續(xù)數(shù)據(jù)分析。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)用數(shù)字編號給每類軸型命名，該省公路網(wǎng)中車輛的軸型主要有7種，軸型與編號的對應(yīng)關(guān)系見表1。在本研究中，編號3、4、6三種軸型占比極低，因此對其做以下處理：將編號3、4轉(zhuǎn)化為編號5，編號6轉(zhuǎn)化為編號7進行分析。

現(xiàn)行JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》提出了車輛類型的分類方法，具體共11類，見表2。

在當(dāng)量軸載換算過程中，每個軸型都有一個不同的軸組系數(shù)與之對應(yīng)。本文通過對車輛軸數(shù)、車輛種類、各軸重量的分布情況等進行分析，并參考表2車輛分類方法，確定出車輛類型。其中1類車型較輕，對路面造成的損害較小，本文不考慮其影響。

表1 軸型分類

表2 車輛類型分類[14-15]

在營運系統(tǒng)采集的信息中，車輛信息數(shù)據(jù)主要存儲在入口車道、出口車道原始過車記錄、軸載原始記錄中。其中，出口記錄的車道編號、日期、流水號為組合關(guān)鍵詞，依次對應(yīng)軸載記錄中的車道編號、日期、流水號，從而實現(xiàn)2個記錄的關(guān)聯(lián)；入出口記錄的所屬路段、路段區(qū)間、行駛方向通過二義性路徑計算得出；出口記錄的車輛類型通過軸載記錄計算得出；軸載記錄的車輛類型通過出口記錄的車輛類型得出；軸載記錄的軸載區(qū)間通過單軸軸重計算得出。對營運系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進行格式統(tǒng)一，以便后續(xù)分析。

2.2 無效數(shù)據(jù)清洗

受前端稱重設(shè)備誤差、收費模式(客車不稱重)的限制以及JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》的要求，營運系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)存在部分無效數(shù)據(jù)[16]，主要包括：

1) 1類車數(shù)據(jù)。根據(jù)JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》，只分析2類～11類車輛，因此，在出口記錄和軸載記錄中將1類車相關(guān)數(shù)據(jù)清洗剔除。

2) 軸型不符數(shù)據(jù)。在軸載記錄中，如軸型未正確識別，則標(biāo)記為0，需將這部分?jǐn)?shù)據(jù)清除，同時清除出口記錄中的對應(yīng)數(shù)據(jù)。

3) 車輛類型不符數(shù)據(jù)。根據(jù)軸載記錄判別車輛類型，如車輛類型在規(guī)范規(guī)定分類之外，則需清除，同時清除出口記錄中的對應(yīng)數(shù)據(jù)。

4) 軸重異常數(shù)據(jù)。根據(jù)規(guī)范眼球，在軸載數(shù)據(jù)中，如出現(xiàn)單個軸組的軸重數(shù)據(jù)超出該軸型最大區(qū)間，則需清除，同時清除出口記錄中的對應(yīng)數(shù)據(jù)。

5) 軸載記錄缺失數(shù)據(jù)。客車車輛在現(xiàn)行的收費模式中不采用計重收費模式，因此，在出口記錄中無法獲得全部客車的軸載數(shù)據(jù)記錄。針對這部分?jǐn)?shù)據(jù)的處理方法不是簡單的清除，而是保留出口記錄，根據(jù)比例進行還原。除此之外，內(nèi)部工程車等特殊車輛因不收費也存在軸載數(shù)據(jù)缺失的情況，這部分?jǐn)?shù)據(jù)也需清除。

3 軸載數(shù)據(jù)計算模型建立

以某省已建成通車的高速的公路甲為研究對象，經(jīng)收集智慧高速數(shù)據(jù)庫中該路的相關(guān)數(shù)據(jù)，得到其在各收費站點完整的車輛出、入口信息。利用前文提到的方法對軸載數(shù)據(jù)進行整理與格式統(tǒng)一，依據(jù)現(xiàn)行JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》中軸載數(shù)據(jù)的計算方法，基于貝葉斯理論，通過計算機編程建立相應(yīng)的計算模型，實現(xiàn)對車輛類型分布系數(shù)、軸載分布系數(shù)、當(dāng)量軸載換算系數(shù)等參數(shù)的分析計算。

3.1 車道系數(shù)

車道系數(shù)指某一車道上2類～11類車輛數(shù)量在該方向上2類～11類車輛數(shù)量中所占比例。根據(jù)JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》，并結(jié)合高速公路甲的實際情況，確定車道系數(shù)取0.8。

3.2 車輛類型分布系數(shù)

車輛類型分布系數(shù)是指2類～11類車輛中，各類型車輛的數(shù)量在2類～11類所有車輛數(shù)量中所占比例?；诟咚俟芳咨闲蟹较蛩鸭耐暾S載信息數(shù)據(jù)，計算了其上行方向每種車型的數(shù)量所占百分比，見表3。

3.3 平均軸數(shù)

由于同一車型其軸載組成方式可能不同，為了計算各類型車型的平均軸數(shù)，必須對各類型車輛的軸載組成進行全面分析。本文以高速公路甲上行A-B段為例，利用計重收費系統(tǒng)采集的車道上車輛類型、軸型組成和軸重數(shù)據(jù)，分別計算了高速公路甲上行方向各類車輛中不同軸型的平均軸數(shù)，見表4。

表3 車型數(shù)量占比

表4 高速公路甲(A-B段)各類車輛不同軸型的平均軸數(shù)

3.4 軸重分布系數(shù)

軸重分布系數(shù)是針對固定車型和軸型，軸重位于某一軸重區(qū)間的軸數(shù)占總軸數(shù)的百分比。在確定軸重分布系數(shù)前，需給每種軸型配置適當(dāng)?shù)妮S重間隔，合理把握精確性與繁瑣性之間的平衡，使得既要滿足設(shè)計分析的精確要求，又要便于計算分析。根據(jù)現(xiàn)行JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》，確定軸載譜，給每種軸型配置適當(dāng)?shù)妮S重間隔，單軸單胎、單軸雙胎、雙聯(lián)軸和三聯(lián)軸分別間隔2.5 kN、4.5 kN、9.0 kN、13.5 kN劃分軸重區(qū)間，按照該軸重間隔，計算高速公路甲A-B段上行方向各類車輛不同軸型的軸重分布系數(shù)。

3.5 當(dāng)量軸載換算系數(shù)

當(dāng)已知各類車輛和各種軸型的軸載譜時，采用以下公式計算各類車輛的當(dāng)量軸載換算系數(shù)：

(1)

式中：EALFm為m類車輛的當(dāng)量設(shè)計軸載換算系數(shù)；NAPTmi為m類車輛i種軸型的平均軸數(shù)；EALFmij為m類車輛i種軸型在j級軸重區(qū)間的當(dāng)量軸載換算系數(shù)；ALDFmij為m類車輛i種軸型在j級軸重區(qū)間的軸重分布系數(shù)；m的取值為2類～11類車；i的取值分別為單軸單胎、單軸雙胎、雙聯(lián)軸、三聯(lián)軸。

根據(jù)式(1)計算各種軸型在不同軸重區(qū)間的當(dāng)量軸載換算系數(shù)時，取各軸重區(qū)間中點值作為該軸重區(qū)間代表軸重：

(2)

式中：Ps為m類車輛i種軸型在j級軸重區(qū)間的單軸軸載，對于雙聯(lián)軸和三聯(lián)軸，為平均分配到每根單軸的軸載；b為換算指數(shù)，分析瀝青混合料層疲勞和瀝青混合料層永久變形時，b=4；c1為軸組系數(shù)，雙聯(lián)軸取2.1，三聯(lián)軸取3.2；c2為輪組系數(shù)，雙輪組取1.0，單輪時取4.5。

通過計算得出高速公路甲上行方向A-B段的當(dāng)量設(shè)計軸載換算系數(shù)，結(jié)果見表5。

表5 各類車輛的當(dāng)量設(shè)計軸載換算系數(shù)

根據(jù)表5中計算得出的各類車輛當(dāng)量設(shè)計軸載換算系數(shù)，按式(3)計算初始年設(shè)計車道日平均當(dāng)量軸次。

N1=AADTT×DDF×LDF×

(3)

式中：AADTT為2軸6輪及以上車輛的雙向年平均日交通量，輛/d；DDF為方向系數(shù)；LDF為車道系數(shù)；m為車輛類型編號；VCDFm為m類車輛類型分布系數(shù)。

根據(jù)初始年設(shè)計車道日平均當(dāng)量軸次N1、設(shè)計使用年限等，按式(4)計算設(shè)計車道上的當(dāng)量設(shè)計軸載累計作用次數(shù)Ne。

(4)

式中：Ne為設(shè)計使用年限內(nèi)設(shè)計車道上的當(dāng)量設(shè)計軸載累計作用次數(shù)；t為設(shè)計使用年限；γ為設(shè)計使用年限內(nèi)交通量的年平均增長率；N1為初始年設(shè)計車道日平均當(dāng)量軸次，次/d。

通過計算得出高速公路甲上行方向A-B段的設(shè)計軸載累計作用次數(shù)，結(jié)果見表6。

表6 當(dāng)量軸載作用次數(shù)

4 缺失軸載數(shù)據(jù)挖掘

4.1 數(shù)據(jù)還原方法

前文已針對高速公路甲上行方向A-B段，建立了基于軸載數(shù)據(jù)完整情況下的計重收費軸載數(shù)據(jù)計算模型，但因高速公路管轄所屬不同，會造成軸載數(shù)據(jù)缺失問題。以某年度高速公路甲下行方向B-A段為例，現(xiàn)階段收費站軸載信息獲取率僅為40.9%，無法精確計算和反映實際軸載情況，因此，需采取有效方法對缺失的軸載數(shù)據(jù)進行挖掘。

本文基于車輛檔案的數(shù)據(jù)還原方法，利用大數(shù)據(jù)平臺的分析能力，為車輛建立車輛軸型檔案，并利用車輛軸型檔案對缺失數(shù)據(jù)進行挖掘補充。基本實施方法如下：

1) 利用大數(shù)據(jù)平臺分析處理能力，根據(jù)車牌對所有軸載數(shù)據(jù)進行分析，建立車輛的軸型檔案，包含車牌、車輛類型、軸序號、軸型、加權(quán)平均軸重、軸載區(qū)間等信息；2) 獲取該年度可能經(jīng)過A-B段的所有入口記錄；3) 清除該年度不經(jīng)過A-B段的所有入口記錄；4) 獲取該年度下行方向經(jīng)過B-A段的部分車輛的軸載記錄；5) 補充該年度下行方向經(jīng)過B-A段車輛的缺失記錄，并根據(jù)入口記錄的車牌和車輛軸型進行補全和還原；6) 根據(jù)完整數(shù)據(jù)的模型計算補全后的軸載數(shù)據(jù)。

4.2 實例應(yīng)用分析

以高速公路甲下行方向B-A段為例：該年度A、B兩個收費站之間所有收費站入口記錄獲取數(shù)量共計7 862 068條，同時匹配到此區(qū)間內(nèi)的4 385 542條出口記錄，表明最終有3 476 526輛車經(jīng)過了B-A收費站。根據(jù)集團智慧高速數(shù)據(jù)庫內(nèi)所有收費站的出口和軸載數(shù)據(jù)，共獲取到1 422 071條數(shù)據(jù)，其中1類車1 251 083條，2類及以上169 536條，軸型錯誤數(shù)據(jù)1 442條，其余不在集團管轄內(nèi)收費站出高速的車輛數(shù)據(jù)需要進行還原，總量為2 054 455條，其中2類及以上共1 250 695條記錄，車牌識別錯誤記錄為100 108條，錯誤率8%。對1 150 587條正常車牌記錄進行車輛檔案關(guān)聯(lián)后，成功關(guān)聯(lián)1 006 461條記錄，成功率87.4%，其中1類車數(shù)據(jù)829 398條，2類及以上數(shù)據(jù)177 063條。最終獲取高速公路甲下行方向B-A段軸載記錄346 599條，相比于上行方向A-B段419 780條記錄，基本處于同一流量水平，滿足模型計算要求。

通過計算得出高速公路甲下行方向B-A段的設(shè)計軸載累計作用次數(shù)，結(jié)果見表7。

表7 當(dāng)量軸載作用次數(shù)

5 結(jié)束語

本文以某省一段高速公路甲雙向A-B段沿線收費站計重軸載數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用計算機編程，研究建立了計重收費軸載數(shù)據(jù)的計算模型，得到以下認(rèn)識：

1) 基于智慧高速營運數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和軸載原始記錄等，進行整理和校核，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，剔除無效數(shù)據(jù)，提出了關(guān)于計重收費軸載數(shù)據(jù)的采集要素與數(shù)據(jù)完整性的校驗方法，確立了5類無效數(shù)據(jù)的清洗原則。

2) 圍繞已通車高速公路，建立車輛軸型檔案庫，對車輛歷史軸載數(shù)據(jù)進行收集整理。依據(jù)現(xiàn)行JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》，基于貝葉斯理論建立軸載計算模型，得到當(dāng)量設(shè)計軸載累計作用次數(shù)。

3) 提出車輛缺失軸載數(shù)據(jù)的還原方法，對因高速公路運營管轄所屬不同所造成的軸載缺失數(shù)據(jù)進行有效補充和完善。