高速公路路面養(yǎng)護(hù)決策技術(shù)分析

摘要 文章基于服役高速公路路面養(yǎng)護(hù)需求，以路面養(yǎng)護(hù)決策理論為基礎(chǔ)，結(jié)合路面性能組合簡化分級，提出了養(yǎng)護(hù)決策優(yōu)化建議。通過決策樹的建立，對相關(guān)指標(biāo)及其權(quán)重進(jìn)行分析，探究物元特征與指標(biāo)內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，利用路面性能-物元法構(gòu)建了路面養(yǎng)護(hù)優(yōu)先級排序模型，并對目標(biāo)養(yǎng)護(hù)路面的優(yōu)先級別加以排序，為養(yǎng)護(hù)策略優(yōu)化提供了參考和借鑒。

關(guān)鍵詞 服役高速公路；路面工程；養(yǎng)護(hù)優(yōu)先級；養(yǎng)護(hù)決策

中圖分類號 U418.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）13-0114-03

0 引言

日常養(yǎng)護(hù)維修是保持高速公路路面性能的關(guān)鍵措施，針對路況采取適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)對策是提高路面質(zhì)量、改善服役水平的有效措施，科學(xué)的養(yǎng)護(hù)措施對延長道路使用壽命有積極作用。不同路面損害程度存在差異，養(yǎng)護(hù)方案有所不同，養(yǎng)護(hù)策略的使用條件和應(yīng)用效果各有優(yōu)劣，因此如何根據(jù)路況信息科學(xué)合理地選擇道路養(yǎng)護(hù)方案，改善路面性能，直接決定了道路服役壽命與質(zhì)量?？茖W(xué)的養(yǎng)護(hù)方案對節(jié)約維修資金、延長服役壽命、提高使用性能有積極作用。

1 高速公路路面養(yǎng)護(hù)決策理論

高速公路通車運(yùn)行后，在長期交通荷載、溫度變化、降雨等多重因素影響下路面結(jié)構(gòu)逐漸變化，路面性能有所改變，通行舒適性降低，行車安全性改變。為提升路面使用性能，改善道路通行效率，提升通行安全性，保障道路服務(wù)達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，需要對路面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)管理，通過最小的經(jīng)濟(jì)投入取得最大的養(yǎng)護(hù)效果。路面養(yǎng)護(hù)決策即在約束條件的限制下，通過經(jīng)濟(jì)成本最小化和路面壽命最大化目標(biāo)的統(tǒng)籌，為路面性能改善提供科學(xué)養(yǎng)護(hù)指導(dǎo)，給出具體的實踐措施[1]。

2 路面養(yǎng)護(hù)策略的選擇與優(yōu)化

影響路面養(yǎng)護(hù)決策的因素眾多，不同因素之間相互作用且彼此影響，對養(yǎng)護(hù)決策選擇時需結(jié)合相關(guān)影響因素特征全面分析，充分了解路面性能和結(jié)構(gòu)特征的條件下，科學(xué)選擇適宜的養(yǎng)護(hù)策略，制定準(zhǔn)確的操作方案。為提高路面養(yǎng)護(hù)性能，全面反映路面使用狀況，現(xiàn)階段多選用路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)（PSSI）、路面抗滑性能指數(shù)（SRI）、路面行駛質(zhì)量指數(shù)（RQL）、路面車轍深度指數(shù)（RDI）、路面損壞狀況指數(shù)（PCI）等指標(biāo)科學(xué)組合，從而客觀、準(zhǔn)確地反映路面性能[2]。

結(jié)合不同研究指標(biāo)可從不同角度對路面使用性能分級，基于實踐可知不同指標(biāo)與道路性能之間關(guān)系密切。隨著降雨增加，路段SRI水平明顯下降，不同項目檢測指標(biāo)出現(xiàn)了明顯變化，兩者之間關(guān)系密切，為提高路面養(yǎng)護(hù)效果，需結(jié)合實際情況進(jìn)行養(yǎng)護(hù)策略的優(yōu)化，指標(biāo)等級劃分情況如表1所示。

通過對指標(biāo)等級簡化重組，有效降低了路面養(yǎng)護(hù)的復(fù)雜性，為科學(xué)決策奠定了基礎(chǔ)，并為路面養(yǎng)護(hù)策略的效果改善創(chuàng)造了條件[3]。該文通過最直觀的決策樹法對不同路面狀態(tài)下的養(yǎng)護(hù)方案實施效果進(jìn)行分析，結(jié)合路面狀態(tài)指出常見的養(yǎng)護(hù)方案包括大修重建、大修補(bǔ)強(qiáng)、中修罩面、預(yù)防性養(yǎng)護(hù)、日常維護(hù)與小修等。以路面性能指標(biāo)為基礎(chǔ)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)方案優(yōu)化的決策樹如圖1所示。

3 高速公路路面養(yǎng)護(hù)優(yōu)先級排序與實例分析

3.1 影響路面養(yǎng)護(hù)優(yōu)先排序的因素

高速公路路路網(wǎng)養(yǎng)護(hù)多存在多條道路均需養(yǎng)護(hù)的現(xiàn)象，但由于資金、資源限制很難達(dá)到所有路面同步維修的目標(biāo)，因此需要結(jié)合路面現(xiàn)狀量化考核路面養(yǎng)護(hù)迫切程度，通過對不同影響因素權(quán)重賦值，綜合評定路面性能指標(biāo)，結(jié)合不同指標(biāo)的權(quán)重值與道路性能相結(jié)合進(jìn)行方案調(diào)整與優(yōu)化[4]。

3.2 基于路面性能數(shù)據(jù)挖掘——物元法的路面養(yǎng)護(hù)排序

該文基于實測路段路面性能衰變規(guī)律，在合理控制變量的基礎(chǔ)上選定了路面性能指標(biāo)用以評估路面養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，將相關(guān)因素定義為C1，C2…，Cm，并根據(jù)相關(guān)指標(biāo)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)賦予特征值，定義為C1，C2…，Ci，結(jié)合上述特征屬性的特征構(gòu)建單列物元矩陣G，其屬性共m維[5]。對不同路段比較時，將矩陣合并為m×n的組合矩陣，詳見公式（1）：

3.2.1 構(gòu)建路面性能最佳物元

性能最佳指標(biāo)即選擇能夠反映出路面性能的最優(yōu)指征，最佳指標(biāo)在物元矩陣中表現(xiàn)為特征屬性最大，對不同路段的性能最佳指標(biāo)進(jìn)行選擇優(yōu)化確定最佳物元要素，并將其構(gòu)成的矩陣稱為路面性能最佳物元G0，詳見公式（2）：

3.2.2 構(gòu)建關(guān)聯(lián)系數(shù)復(fù)合物元

以選取目標(biāo)路面性能數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建復(fù)合矩陣用來評估路面基本狀況，構(gòu)建最佳路用性能相關(guān)的m維物元矩陣GR，詳見公式（3）：

式中，Rab為第b個路段建立的性能最佳物元與b項特征屬性值之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，其計算方法見公式（4）：

式中，Δab——目標(biāo)b路段的第a個特征屬性值與最佳路面物元之間的差值；Δmax——各路段特征屬性值與最佳物元之間的最大差值；Δmin——各路段特征屬性值與最佳物元之間的最小差值，ρ——分辨系數(shù)取值為0.5。

3.2.3 路面性能特征屬性權(quán)重系數(shù)

路面性能特征屬性權(quán)重系數(shù)反映了路面性能評價體系中各特征屬性的占比，表示該指標(biāo)的重要程度，可依據(jù)主成分層次分析法構(gòu)建路面性能評價權(quán)重系數(shù)表達(dá)式。詳情如公式（5）所示：

3.2.4 構(gòu)建關(guān)聯(lián)度復(fù)合物元

該文研究的關(guān)聯(lián)系數(shù)表示目標(biāo)路段物元與路面性能最佳物元之間的關(guān)聯(lián)度，而一般情況下一個路段的特征屬性數(shù)量和關(guān)聯(lián)系數(shù)的數(shù)量保持一致，而一個路段會有多個關(guān)聯(lián)系數(shù)，因此需要對關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整后重組從而獲得關(guān)聯(lián)度復(fù)合物元GDL，詳見式（6）：

式中，R0b——被評估路段最佳物元與路段特征屬性之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，ωm——特征屬性的分項權(quán)重系數(shù)，計算公式如式（7）：

3.2.5 路面養(yǎng)護(hù)決策優(yōu)先級排序

結(jié)合目標(biāo)路段特征屬性與最佳物元關(guān)聯(lián)系數(shù)構(gòu)建關(guān)聯(lián)度復(fù)合物元矩陣GDL，性能最佳理想路段與目標(biāo)路段相似度作為基本元素，對矩陣內(nèi)容分析可知，隨著R0b增加，目標(biāo)路段的性能理想程度增加，其取值越小則表明該路段性能越差。在進(jìn)行路面養(yǎng)護(hù)決策優(yōu)先順序排序時，應(yīng)當(dāng)以路面性能表現(xiàn)為基礎(chǔ)，對表現(xiàn)差的路面性能進(jìn)行優(yōu)先修補(bǔ)，路面性能最佳的最后維修[6]。路面養(yǎng)護(hù)優(yōu)先等級應(yīng)當(dāng)與復(fù)合關(guān)系數(shù)之間存在負(fù)相關(guān)性，即關(guān)聯(lián)程度越高，優(yōu)先養(yǎng)護(hù)的等級越低，相似度越差，需要優(yōu)先養(yǎng)護(hù)的迫切程度越高[7]。

3.3 應(yīng)用實例分析

以某高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)為目標(biāo)，分別選取2019年該路段PCI、RQI、RDI、SRI等檢測指標(biāo)作為物元特征屬性對養(yǎng)護(hù)優(yōu)先順序加以分析，不同路段樁號與性能檢測指標(biāo)數(shù)據(jù)如表2所示[8]。

表2 性能檢測數(shù)據(jù)

基于目標(biāo)路段路面使用性能檢測，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)構(gòu)建路面性能綜合評價體系，深入發(fā)掘數(shù)據(jù)內(nèi)涵，并借助特征屬性對指標(biāo)評價體系權(quán)重值進(jìn)行分析，詳情如下ω=（0.253，0.265，0.286，0.196）。

（1）以上述表格內(nèi)容為基礎(chǔ)，構(gòu)建目標(biāo)路段復(fù)合物元評價矩陣G4×6：

（2）構(gòu)建路面性能最佳—物元如下式：

（3）計算復(fù)合物元和性能最佳物元的差值如下式所示：

結(jié)合公式（4）可知，當(dāng)Δmin=0.00 Δmax=39.42，ρ為0.5，結(jié)合公式對目路段關(guān)聯(lián)系數(shù)復(fù)合物元進(jìn)行計算，詳情如下：

（4）以上述公式為基礎(chǔ)，構(gòu)建目標(biāo)路段關(guān)聯(lián)度復(fù)合物元矩陣GDL，詳見下式：

（5）結(jié)合關(guān)聯(lián)度系數(shù)對養(yǎng)護(hù)路面的養(yǎng)護(hù)優(yōu)先順序進(jìn)行確定。

結(jié)合關(guān)聯(lián)度復(fù)合物元矩陣GDL中的不同要素R0b取值大小對目標(biāo)養(yǎng)護(hù)路段的優(yōu)先順序進(jìn)行排序，結(jié)果顯示路段5的性能最差，路段3的性能最好，因此結(jié)合實際情況確定了路段養(yǎng)護(hù)的優(yōu)先順序如下：R5＞R1gt;R6gt;R2gt;R4gt;R3，LB表示需要養(yǎng)護(hù)的第b條路段[9]。

（6）結(jié)合上文養(yǎng)護(hù)決策樹分析結(jié)果，以優(yōu)化決策方案為參考為目標(biāo)養(yǎng)護(hù)路段，制定差異化養(yǎng)護(hù)策略，詳見表3[10]。

4 結(jié)語

綜上所述，該文基于路面性能評估指標(biāo)權(quán)重值，通過路面性能數(shù)據(jù)挖掘和物元法的應(yīng)用，構(gòu)建了路面養(yǎng)護(hù)策略優(yōu)化決策樹，并明確了養(yǎng)護(hù)優(yōu)先順序，有效降低了路面養(yǎng)護(hù)過程中主觀因素的影響，提高了養(yǎng)護(hù)決策的科學(xué)性和規(guī)范性，通過對路面性能組合改善了養(yǎng)護(hù)策略針對性。基于路面檢測數(shù)據(jù)對目標(biāo)養(yǎng)護(hù)路段性能進(jìn)行排序，從而確定待維護(hù)路段優(yōu)先級，提高了路段養(yǎng)護(hù)的針對性，降低了人力和物力消耗，改善了路況情況，使路面通行效率與行車安全性顯著提升。

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