基于路面性能預(yù)測(cè)的高速公路養(yǎng)護(hù)決策研究

顧曉楠

（江蘇東方路橋建設(shè)養(yǎng)護(hù)有限公司，江蘇南京 211801）

0 引言

當(dāng)今社會(huì)，公路交通事業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，傳統(tǒng)模式下的高速公路養(yǎng)護(hù)決策方式面臨考驗(yàn)與挑戰(zhàn)。在當(dāng)前形勢(shì)下，有必要立足高速公路養(yǎng)護(hù)決策的基本需求，優(yōu)化應(yīng)用路面性能預(yù)測(cè)方法，有針對(duì)性地建立路面性能預(yù)測(cè)模型，為高速公路養(yǎng)護(hù)策略的優(yōu)化實(shí)施提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 路面性能預(yù)測(cè)的內(nèi)涵價(jià)值

在我國(guó)公路交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展進(jìn)程中，高速公路始終扮演不可替代的關(guān)鍵角色，在保障區(qū)域間經(jīng)濟(jì)貿(mào)易往來(lái)，優(yōu)化完善公路交通路網(wǎng)結(jié)構(gòu)等方面發(fā)揮重要作用。

在長(zhǎng)期動(dòng)荷載影響作用下，高速公路難免出現(xiàn)諸多類型的病害問(wèn)題，需要事先采取具有針對(duì)性的方法舉措，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化養(yǎng)護(hù)，將潛在病害消除在萌芽狀態(tài)，保持高速公路結(jié)構(gòu)的整體性能和使用壽命。路面性能預(yù)測(cè)是現(xiàn)代高速公路養(yǎng)護(hù)決策實(shí)踐中的重要方法，可通過(guò)研判，分析高速公路的各類性能參數(shù)，構(gòu)建具有層次化特征的預(yù)測(cè)模型，直觀清晰地展現(xiàn)高速公路路面的養(yǎng)護(hù)需求，輔助技術(shù)人員制訂行之有效的養(yǎng)護(hù)技術(shù)實(shí)施方案。

近年來(lái)，相關(guān)技術(shù)單位高度重視路面性能預(yù)測(cè)模型的優(yōu)化應(yīng)用，在模型參數(shù)選擇、模型優(yōu)化完善、決策機(jī)制建立等方面進(jìn)行了諸多有益探索，為高速公路養(yǎng)護(hù)實(shí)踐賦予了鮮明的時(shí)代特色和技術(shù)特色，在行業(yè)內(nèi)積累了豐富而寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在路面性能預(yù)測(cè)模型的約束導(dǎo)向下，高速公路養(yǎng)護(hù)實(shí)施方案的針對(duì)性、經(jīng)濟(jì)性與時(shí)效性將得以全面保障，對(duì)于提升高速公路養(yǎng)護(hù)工作質(zhì)效，保障材料、工藝、技術(shù)等要素的優(yōu)化銜接具有深遠(yuǎn)影響[1]。

2 路面性能狀況及預(yù)測(cè)內(nèi)容分析

2.1 路面平整度

路面平整度是高速公路路面性能狀況的首要預(yù)測(cè)內(nèi)容，是指路面表面對(duì)設(shè)計(jì)平面的偏差程度，更多情況下以路面凹凸系數(shù)的方式呈現(xiàn)。在長(zhǎng)期交通荷載作用下，高速公路路面會(huì)出現(xiàn)坑洼、接縫錯(cuò)臺(tái)及橋頭跳車等問(wèn)題，均是路面平整度不足所致。在上述情況影響下，車輛在高速公路上的通行舒適度將顯著降低，燃料消耗和運(yùn)輸時(shí)效等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)同樣會(huì)受到影響。因此，路面性能預(yù)測(cè)應(yīng)將路面平整度參數(shù)作為重要內(nèi)容，根據(jù)《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn) 第一冊(cè) 土建工程》（JTG F80/1—2017）等改善其各結(jié)構(gòu)層狀態(tài)。

2.2 路面車轍

高速公路路面車轍與施工質(zhì)量、路基沉降及外來(lái)荷載等要素直接相關(guān)，當(dāng)路面車轍演變到特定程度，高速公路的實(shí)際壽命也將消耗殆盡?？v觀以往高速公路工程，更多情況下會(huì)采用半剛性基層結(jié)構(gòu)，以發(fā)揮其高強(qiáng)度、高整體性的實(shí)踐優(yōu)勢(shì)，若路面壓實(shí)度不足或工程結(jié)構(gòu)材料不達(dá)標(biāo)，均會(huì)在后期出現(xiàn)路面車轍，車轍深度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷加大，影響通行效果。部分薄弱路段的車轍衰退系數(shù)進(jìn)展較快，可在路面性能預(yù)測(cè)中進(jìn)行量化分析。

2.3 路面破損

從以往高速公路病害問(wèn)題現(xiàn)狀來(lái)看，路面破損的主要表現(xiàn)和發(fā)展演變形式更加多樣化，使其成為路面性能預(yù)測(cè)的重要內(nèi)容。研究表明，誘發(fā)高速公路路面破損的原因包括行車荷載因素、環(huán)境因素、設(shè)計(jì)因素、養(yǎng)護(hù)管理因素等，上述不同的影響因素對(duì)路面破損的干擾幅度存在特定差異。在表現(xiàn)形式方面，路面破損可細(xì)分為裂縫破損、松散破損和變形破損等類型，需要嚴(yán)格按照《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG 5210—2018）等規(guī)范對(duì)其作出路面性能預(yù)測(cè)。依托以往歷史數(shù)據(jù)信息，可總結(jié)形成路面破損產(chǎn)生與演變的一般規(guī)律，便于后期建立預(yù)測(cè)模型[2]。

2.4 路面彎沉

路面彎沉是反映高速公路路面綜合狀況的重要參數(shù)，主要以總垂直變形值或垂直回彈變形值等指標(biāo)來(lái)呈現(xiàn)?，F(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展與實(shí)踐應(yīng)用，為高速公路路面彎沉檢測(cè)提供了更為豐富的技術(shù)載體，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)效果。因此，可采取現(xiàn)代先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)對(duì)高速公路路面彎沉進(jìn)行檢測(cè)研判，形成基于結(jié)構(gòu)性評(píng)價(jià)的路面彎沉分析結(jié)論，提升路面性能預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性。在路面彎沉影響下，高速公路路面性能預(yù)測(cè)模型的規(guī)律性將更為清晰明確，可為養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)與養(yǎng)護(hù)對(duì)策選擇提供依據(jù)。

3 高速公路路面性能預(yù)測(cè)模型的建立

3.1 預(yù)測(cè)模型類型

3.1.1 確定型預(yù)測(cè)模型

確定型預(yù)測(cè)模型是路面性能預(yù)測(cè)實(shí)踐中常用的模型方法，具有直觀性與層次性等現(xiàn)實(shí)優(yōu)勢(shì)，可在特定層次范圍內(nèi)，構(gòu)造形成多樣化的預(yù)測(cè)模型，如力學(xué)預(yù)測(cè)模型、經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型和力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型等。上述不同類型的模型在構(gòu)造方式與應(yīng)用方法等方面存在顯著差異，需要根據(jù)高速公路養(yǎng)護(hù)決策的客觀實(shí)際需求，進(jìn)行綜合優(yōu)化選擇。以力學(xué)預(yù)測(cè)模型為例，在構(gòu)造過(guò)程中需要以彈性理論模型為依據(jù)，對(duì)相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)校核與處理，排除潛在干擾參數(shù)影響，使最終構(gòu)建形成的模型更加直觀形象，輔助高速公路養(yǎng)護(hù)決策策略的組織與實(shí)施[3]。

3.1.2 概率型預(yù)測(cè)模型

概率型模型的構(gòu)建基礎(chǔ)為基礎(chǔ)概率理論，需要根據(jù)高速公路路面性能預(yù)測(cè)的基本導(dǎo)向，在特定范圍內(nèi)選擇科學(xué)有效的概率統(tǒng)計(jì)方法，通過(guò)總結(jié)分析路面性能變化速率的特異性，構(gòu)建形成符合一般概率規(guī)律條件的模型體系。在實(shí)踐中，高速公路路面性能的影響因素多種多樣，不同類型的因素對(duì)路面性能的影響程度各不相同。為準(zhǔn)確體現(xiàn)不同因素的影響程度，便可采用概率型預(yù)測(cè)模型，使相對(duì)模糊的影響因素能夠得以精準(zhǔn)體現(xiàn)。在概率型預(yù)測(cè)模型的約束條件下，可對(duì)模型構(gòu)建的方法、過(guò)程與方式等予以差別化處理，在其自身適用范圍內(nèi)，具有良好的適用性。

3.1.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型在高速公路路面性能預(yù)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)價(jià)值在于能夠客觀體現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)狀態(tài)，可將動(dòng)態(tài)化與連續(xù)性的預(yù)測(cè)方法引入其中，對(duì)高速公路路面性能形成有效判斷?？v觀以往神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型實(shí)際，普遍存在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)欠合理，模型精準(zhǔn)度的系統(tǒng)優(yōu)化完善程度不足等共性問(wèn)題，不利于在更加有效的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研判過(guò)程，勢(shì)必難以取得理想的效果。對(duì)此，技術(shù)人員應(yīng)在路面性能預(yù)測(cè)前，根據(jù)相關(guān)參數(shù)信息類型的差異，繪制形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)曲線，使各類技術(shù)參數(shù)能夠得以有效融合。通過(guò)拓展數(shù)據(jù)信息類型，保證網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的合理性，確保其實(shí)施效果。

3.1.4 灰色預(yù)測(cè)模型

部分高速公路運(yùn)行養(yǎng)護(hù)的整體要求相對(duì)較高，但歷史數(shù)據(jù)匱乏，難以構(gòu)建形成其他類型的模型，無(wú)形之中增大了模型構(gòu)建的難度，也為高速公路養(yǎng)護(hù)決策帶來(lái)了一定的阻礙。對(duì)此，可采用灰色預(yù)測(cè)模型，將高速公路的路面性能預(yù)測(cè)進(jìn)行細(xì)化分解，在特定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)信息的全覆蓋，修復(fù)因數(shù)據(jù)信息缺失而造成的部分損失。在灰色預(yù)測(cè)模型構(gòu)建中，需要充分應(yīng)用灰色理論，強(qiáng)化各類技術(shù)參數(shù)的有效約束，提高適應(yīng)性，突出路面性能變化的物理特性等。

3.2 路面性能預(yù)測(cè)模型的建立原則

在路面性能預(yù)測(cè)模型建立過(guò)程中，應(yīng)注重把握如下幾個(gè)原則：一是以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的原則。需要分析路面性能的歷史數(shù)據(jù)，在相關(guān)約束條件下，建立基于變起點(diǎn)的預(yù)測(cè)模型，有效壓縮預(yù)測(cè)時(shí)間，降低數(shù)據(jù)誤差。二是準(zhǔn)確反映路面性能衰變的原則。準(zhǔn)確把握預(yù)測(cè)模型建立的優(yōu)化條件，有針對(duì)性地簡(jiǎn)化模型預(yù)測(cè)形式，確保所構(gòu)建形成的預(yù)測(cè)模型更符合高速公路養(yǎng)護(hù)決策需求。三是方程形式的穩(wěn)定性原則。在預(yù)測(cè)模型建立完成后，應(yīng)采用相應(yīng)的校核分析方法，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行校驗(yàn)。只有在符合預(yù)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，方可參照使用，避免高速公路養(yǎng)護(hù)決策失效。

3.3 路面性能影響因素分析

在路面特征因素方面，不同類型的高速公路具有不同的結(jié)構(gòu)層，所形成的路面特征有所差異，需要根據(jù)高速公路養(yǎng)護(hù)決策的目標(biāo)要求，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行去偽處理。在交通量和軸載因素方面，高速公路的通行量成為路面性能的重要影響因素，交通荷載量越高，對(duì)路面性能的影響越突出，需要有效應(yīng)對(duì)相關(guān)因素變化。在氣候條件方面，受溫度、濕度與水文地質(zhì)條件影響，路面性能的變化主要體現(xiàn)在路面強(qiáng)度和路基承載力等方面。在路面服役時(shí)間方面，高速公路路面服役時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)路面性能的影響便越突出[4]。

4 高速公路養(yǎng)護(hù)決策方法研究

4.1 高速公路養(yǎng)護(hù)決策選擇的因素分析

在高速公路養(yǎng)護(hù)決策過(guò)程中，應(yīng)首先對(duì)所涉及的關(guān)聯(lián)要素進(jìn)行全面分析，有助于提升最終決策效果的客觀性與全面性。首先，對(duì)于宏觀因素而言，需要建立健全系統(tǒng)、完善的高速公路養(yǎng)護(hù)決策規(guī)范，為路面性能預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)依據(jù)與保障，對(duì)可能產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行預(yù)測(cè)，確保高速公路養(yǎng)護(hù)決策結(jié)果符合實(shí)際要求。宏觀因素可細(xì)化分為行政因素、經(jīng)濟(jì)條件和氣候環(huán)境等多種類要素。其次，對(duì)于微觀因素而言，主要包括路面結(jié)構(gòu)承載力、路面破損情況、路面抗滑、交通量與軸載等多類型要素。通過(guò)對(duì)上述不同類型的要素進(jìn)行深入分析，可構(gòu)建形成更加系統(tǒng)完善的路面性能預(yù)測(cè)模型，以精準(zhǔn)有效提升高速公路養(yǎng)護(hù)決策的實(shí)效性，確保最終效果。

4.2 高速公路路面常用的養(yǎng)護(hù)措施

高速公路路面常用的養(yǎng)護(hù)措施包括乳化瀝青稀漿封層、微表處與碎石封層等。其中，乳化瀝青稀漿封層需要按照高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范，制訂完善可行的養(yǎng)護(hù)技術(shù)方案，為各項(xiàng)養(yǎng)護(hù)技術(shù)工藝的應(yīng)用提供基礎(chǔ)依據(jù)與保障，以動(dòng)態(tài)化與連續(xù)化的方式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)處理。同時(shí)，需要將乳化瀝青、集料及其他材料進(jìn)行充分配比、拌和，將其制作成符合高速公路養(yǎng)護(hù)要求的稀漿，然后按照專業(yè)施工技術(shù)方法將其鋪設(shè)到路面上，形成薄層。微表處的實(shí)施過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)便，僅需采用特定技術(shù)設(shè)備，對(duì)路面表層結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造處理，對(duì)于路面裂縫與滲水等病害問(wèn)題具有直接作用。

4.3 高速公路養(yǎng)護(hù)決策優(yōu)化

4.3.1 養(yǎng)護(hù)決策優(yōu)化目標(biāo)

在目的性原則、適用性原則、科學(xué)性原則約束下，合理確定高速公路養(yǎng)護(hù)決策優(yōu)化目標(biāo)。注明具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)特征的要素，選擇相應(yīng)的優(yōu)化路徑，對(duì)養(yǎng)護(hù)決策優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行分析處理。在該過(guò)程中，可針對(duì)路面性能預(yù)測(cè)的最新要求，選擇數(shù)學(xué)規(guī)劃或人工智能優(yōu)化模式，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)凈效益最大化、降低養(yǎng)護(hù)技術(shù)資源要素消耗、提升養(yǎng)護(hù)技術(shù)水平的預(yù)期效果。引入軟件技術(shù)，將相對(duì)分散的高速公路養(yǎng)護(hù)決策優(yōu)化方法導(dǎo)入其中，通過(guò)構(gòu)建形成具有明顯約束力的規(guī)則體系，滿足經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)要求，為后續(xù)養(yǎng)護(hù)策略的應(yīng)用實(shí)踐創(chuàng)造良好條件。通過(guò)高速公路養(yǎng)護(hù)決策優(yōu)化，最終形成的養(yǎng)護(hù)機(jī)制將兼具經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性與價(jià)值性。

4.3.2 養(yǎng)護(hù)決策優(yōu)化方法

在數(shù)學(xué)規(guī)劃優(yōu)化方法方面，可采用樹(shù)形圖模型對(duì)相關(guān)約束條件進(jìn)行優(yōu)化完善，綜合考量多類型要素，對(duì)高速公路養(yǎng)護(hù)決策進(jìn)行分支細(xì)化，最終綜合確定高速公路路面養(yǎng)護(hù)方案。此外，還可采用線性規(guī)劃方法和動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法等，排除各類潛在影響因素作用，確保最終形成的高速公路養(yǎng)護(hù)決策體系更具可操作性。在人工智能優(yōu)化方法方面，可利用遺傳算法，在綜合分析多類型關(guān)聯(lián)要素的基礎(chǔ)上，充分模擬生物遺傳進(jìn)化路徑，對(duì)路面養(yǎng)護(hù)方案的制定進(jìn)行分析研判。在上述過(guò)程中，應(yīng)注重對(duì)細(xì)節(jié)之處的優(yōu)化完善，在不同影響要素之間，建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成具有連接關(guān)系的有向圖。

4.4 利用灰色物元法進(jìn)行高速公路養(yǎng)護(hù)決策

灰色物元法是基于路面性能預(yù)測(cè)的高速公路養(yǎng)護(hù)決策的重要方法，適用于對(duì)多個(gè)路段排序比較。將路段依據(jù)路面破壞情況進(jìn)行排序，作為高速公路養(yǎng)護(hù)決策的依據(jù)。此方法的特點(diǎn)是確定一個(gè)樣本路段，比較待評(píng)價(jià)路段與樣本路段，選出最佳路段以及最差路段。通過(guò)利用灰色物元法，可將相對(duì)分散的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化整合，然后進(jìn)行縱向分析與橫向比對(duì)等，建立物元模型和復(fù)合灰元模型等，將最終確定的路面養(yǎng)護(hù)區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)識(shí)。依托于此，可選擇薄熱拌瀝青混凝土罩面養(yǎng)護(hù)方法，修復(fù)損壞路面，改善平整度和行駛質(zhì)量，增加抗滑能力，使路面結(jié)構(gòu)盡快恢復(fù)路面性能。

4.5 最佳養(yǎng)護(hù)時(shí)間決策

最佳養(yǎng)護(hù)時(shí)間決策在高速公路養(yǎng)護(hù)決策體系中占據(jù)關(guān)鍵地位，可在路面結(jié)構(gòu)完好的前提下，對(duì)各項(xiàng)路面性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化完善，對(duì)路面采取乳化瀝青稀漿封層、微表處等，改變病害狀態(tài)下的路面條件，有效延長(zhǎng)路面服役年限。預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)間的選擇需要結(jié)合高速公路養(yǎng)護(hù)決策目標(biāo)要求，確保高速公路路面性能在長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)保持良好的服務(wù)狀態(tài)。最佳養(yǎng)護(hù)時(shí)間決策方法可細(xì)化分為行駛質(zhì)量指數(shù)和破壞指數(shù)法等，且可有效應(yīng)用基于路況條件的方法，確定最佳養(yǎng)護(hù)時(shí)間，有效克服路面結(jié)構(gòu)衰退破壞而導(dǎo)致的各類缺陷問(wèn)題。對(duì)最佳養(yǎng)護(hù)時(shí)間決策結(jié)果進(jìn)行校核處理，然后進(jìn)行實(shí)際路面指標(biāo)優(yōu)化必選，滿足多樣化的高速公路養(yǎng)護(hù)決策需求。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，受養(yǎng)護(hù)時(shí)間、方法與研判等方面要素影響，在當(dāng)前高速公路養(yǎng)護(hù)決策實(shí)踐中依然存在諸多短板與不足，不利于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的高速公路養(yǎng)護(hù)決策效果。因此，技術(shù)人員應(yīng)立足路面性能預(yù)測(cè)的核心需求，創(chuàng)新應(yīng)用路面性能預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建路徑，準(zhǔn)確選擇不同類型的路面性能預(yù)測(cè)模型，拓展優(yōu)化路面性能預(yù)測(cè)的方法，強(qiáng)化對(duì)高速公路養(yǎng)護(hù)決策機(jī)制的優(yōu)化選擇，為全面彰顯路面性能預(yù)測(cè)的核心價(jià)值奠定基礎(chǔ)，為促進(jìn)高速公路養(yǎng)護(hù)決策的現(xiàn)代化貢獻(xiàn)力量。