某普通國省干線項目的路面性能養(yǎng)護預測系統(tǒng)研究

張 瑞

（山西省公路局晉中分局,山西 晉中 030600）

0 引言

國省干線公路交通量、載重量較大，極易產生質量病害，嚴重影響道路使用性能，威脅行車安全，對道路養(yǎng)護提出了更高的要求。要有效提高道路養(yǎng)護質量，全面掌握道路路用性能衰變規(guī)律尤為重要。為此，該文根據某國省干線公路實際情況，通過對日常養(yǎng)護及修復養(yǎng)護路段路用性能衰變情況調查研究，研發(fā)了路用性能預測系統(tǒng)，對提升國省干線公路養(yǎng)護水平、保證道路養(yǎng)護質量，具有重要意義[1]。

1 路面養(yǎng)護類型

按照現(xiàn)行《公路工程養(yǎng)護技術規(guī)程》相關規(guī)定，現(xiàn)階段，我國的公路工程路面養(yǎng)護形式發(fā)生較大變化，由日常養(yǎng)護、預防性養(yǎng)護、維修養(yǎng)護、專項養(yǎng)護等取代最初的小、中、大修及改建工程等養(yǎng)護形式[2]。

2 日常養(yǎng)護路段

針對道路日常養(yǎng)護路段采用性能衰變模式實施分析，主要理論為：選取某國省干線道路作為分析目標，根據路面形式、交通量大小等各個方面實施歸類并構建公路養(yǎng)護模型，探究路面使用性能具體影響因素[3]。

2.1 衰變模式分析

根據對該工程路面質量狀況檢測評定結果，得出工程路面性能衰變模式，具體如圖1～4 所示。按照各種衰變模式依次構建道路路用性能指標IPPI（道路破損指標IPCI、道路行車性能指標IRQI）與時長y之間的關系式，如表1 所示。

表1 路面使用性能衰變模型、影響因素及迭代公式

圖1 先慢后快型路況衰變模式

圖2 先快后慢型路況衰變模式

圖3 路面衰變規(guī)律近似為直線的路況衰變模式

圖4 早期衰減緩慢，然后變快，后期加強養(yǎng)護衰減變慢的路況衰變模式

通過表1 可知，道路路用性能指標IPPI與α、β密切相關，即α、β直接決定IPCI、IRQI衰變情況。該文從路面形式、交通量兩方面著手進行系統(tǒng)分析，最終確定利用表1 公式進行迭代計算。

2.2 模型參數(shù)分級

按照“該省公路項目基本狀況明細表”，并根據現(xiàn)場實際勘查信息，對路面形式、交通量等相關影響因素實施分級，將該省普通國省干線公路工程整體分成507區(qū)段，總長度16 159.481 km。

（1）自然區(qū)劃分級：根據各區(qū)域氣候條件不同、道路長度、道路級別及面層厚度等各方面條件，將6 個二級自然區(qū)級1 個二級自然副區(qū)統(tǒng)一歸為四類區(qū)劃（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類）[4]。

（2）面層厚度：該公路工程瀝青面層厚度處于3～16 cm 范圍內，水泥板面厚度位于20～30 cm 范圍內，具體情況如圖5 所示。瀝青面層厚度分級標準為各級別范圍內包含足夠的數(shù)據量，且必須涵蓋四類區(qū)劃。但由于水泥路面在各種區(qū)劃內長度較短，且區(qū)段少、較分散，因此將各種區(qū)劃范圍內全部水泥面板厚度列為同一等級。

圖5 面層（面板）厚度分布

（3）基層種類劃分：該公路工程項目，基層種類主要包括柔性、剛性、半剛性基層三種形式，其中，各種基層占比依次為0.7%、3.4%和95.9%，由于柔性、剛性基層占比較小，因此將瀝青及水泥路面基層均以半剛性基層實施探究。

（4）交通量劃分：根據該公路工程實際情況，科學布設監(jiān)測點，對道路交通量實施觀測，共計布設443 個測點，按照當?shù)亟煌ü芾聿块T出具的《公路日平均交通量報表》，汽車當量數(shù)CAADT以當前計費車輛劃分標準實施換算。經綜合分類與統(tǒng)計，根據四類區(qū)劃內交通量基本狀況，將其劃分成A、B、C、D 四個等級，詳細情況如表2 所示。

表2 交通量分級

2.3 模型參數(shù)標定

按照《公路工程技術狀況評價標準》及該公路項目2010—2020年間路面技術狀況評價中IPCI與IRQI相關信息，根據參數(shù)對上述各種相關因素實施分級，并通過Origin系統(tǒng)建立函數(shù)模型實施回歸分析，采用相關系數(shù)、p值來表示方程擬合偏度及顯著性[5]。

3 修復養(yǎng)護路段

根據本省國省干線公路2019—2022 年間養(yǎng)護基本情況，選取148 個養(yǎng)護路段，對其道路路用性能（IPQI）實施檢測并詳細記錄檢測數(shù)據，全面分析養(yǎng)護后路面IPQI值。

檢測結果顯示，所有測得的IPQI結果中，極大和極小值分別為98.8 和96.0，極差2.8，平均值=7.2，呈中間高、兩端低、較對稱的分布趨勢，具體如圖6 所示。

圖6 2019—2022 年養(yǎng)護項目完工后首次路面檢測IPQI 分布直方圖

對樣本偏度、峰值實施計算分析，驗證其是否呈正態(tài)分布。按照顯著性程度a=0.1，假定整體呈正態(tài)分布，通過數(shù)值運算，樣本中心距B2=0.393 4，B3=0.071 8，B4=0.365 4，其偏度、峰值觀測值依次為bs=0.290 8、bk=2.361 4，通過計算得到|u1|=1.474 0＜Z0.025=1.96，|u2|=1.562 7＜Z0.025=1.96，與假設一致，表明樣本符合正態(tài)分布。

按照極大似然估計法，正態(tài)分布整體均值μ最大估算量為以道路養(yǎng)護完畢首次測得的IPQI值作為正態(tài)分布均值97.2，隨后道路每年路用性能衰變狀況與日常養(yǎng)護路段保持一致。

4 系統(tǒng)開發(fā)

4.1 功能需求

該國省干線公路路用性能預測系統(tǒng)需具備信息展示及搜索、衰變計算、參數(shù)測定等功能。具體情況如下：

（1）信息展示及搜索。使用者將“××年度公路工程基本狀況明細表”及“××年度某省國省干線公路路面技術狀況評價表”上傳至系統(tǒng)內部，系統(tǒng)自行對表中信息實施歸類并將其展現(xiàn)出來，使用者能夠按照道路編碼實施搜索。

（2）衰變計算。系統(tǒng)根據自身需求自動獲取相關信息，當數(shù)據信息符合計算標準后，搜索相應的衰變模型實施數(shù)值模擬計算，并采用excel 表格統(tǒng)計相關數(shù)據。應特別強調的時excel 文件格式應與評定表格保持一致。

（3）參數(shù)設定。使用者可根據實際情況對系統(tǒng)內提前設置的四種衰變模式技術參數(shù)實施優(yōu)化。其相關參數(shù)應儲存至系統(tǒng)文件內。

4.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

該國省干線公路路用性能預測系統(tǒng)主要是建立在Windows10 系統(tǒng)基礎上，利用Python 系統(tǒng)，借助pyside2、QTdesigner、xlrd、openpyxl、configparser 等軟件綜合研發(fā)的測試系統(tǒng)，其主要功能模塊劃分情況如圖7所示。

圖7 某省普通國省干線公路路面使用性能預測系統(tǒng)的模塊劃分

5 驗證

根據該省國省干線公路2020 年全線路面質量狀況評定結果，采用該國省干線公路路用性能預測系統(tǒng)對下2021 年度道路質量狀況實施預測。針對2021 年度全省開展養(yǎng)護并完成的310個區(qū)段，總里程約2 147.65 km，以“修復養(yǎng)護路段養(yǎng)護完畢首次測得的IPQI值為97.2”實施假設。

針對2021 年度全省開展日常養(yǎng)護路段總里程約10 082.22 km，根據日常養(yǎng)護路段對于自然區(qū)劃、面層厚度、交通量分級情況實施IPCI、IPQI預測，并對道路路用性能實施計算，即：IPQI=0.6IPCI+0.4IPQI。然后對實測值與預測值實施比較，求出預測偏差并對模擬機預測系統(tǒng)可靠性實施檢測。研究表明：2021 年IPQI實際測量值與預測值依次為90.09、88.92，相差1.17，偏差為1.3%，預測結果較為準確、可靠。

6 結論

綜上所述，為有效提升道路養(yǎng)護質量，保證國省干線運營安全，延長使用壽命，該文依托實際工程案例，系統(tǒng)探究了路面使用性能養(yǎng)護預測系統(tǒng)，得出如下結論：

根據日常養(yǎng)護路段具體情況，結合路面形式、交通量大小等基本情況，建立評定路面路用性能（IPCI、IPQI）衰變模型并確定了路面路用性能影響因素。

通過道路修復養(yǎng)護路段路用性能（IPQI）檢測分析，確定以道路養(yǎng)護完畢首次測得的IPQI值作為正態(tài)分布均值97.2。

利用Python 系統(tǒng)研發(fā)某國省干線公路路用性能預測系統(tǒng)，經檢測，IPQI實際測量值與預測值相差1.17，偏差為1.3%，預測結果較為準確、可靠。