高速公路瀝青路面使用性能評價及預測研究

張子平

廣東晶通公路工程建設集團有限公司，廣東廣州 510635

隨著我國在公路建設當中投入較多資金和技術，也相應提升了公路工程的養護處理技術，并取得顯著效果。不僅提升了我國公路網的整體水平，并且形成較多國家級高速公路干線網。我國公路優良路率水平較高，并且以每年1%的幅度增長。盡管我國公路建設取得較多成就，但是在路面養護管理當中還存在較多問題，例如，隨著我國汽車數量的持續增加，在交通流量提升的同時，也出現了較多重載交通流量，因此需要全面注重路面養護管理，特別是瀝青公路路面，需要全面優化其使用性能，加強預測評價標準。

1 路面使用性能評價指標

1.1 路面使用性能和影響因素

使用性能：在提出路面使用性能之后，大多數學者也逐漸改變了對路面使用性能的理解。隨著科學經濟技術的不斷發展，也逐漸深入了解道路工程施工技術，相應提升了對使用性能的要求。路面使用性能能夠全面反映出行車需求和適應程度等，尤其體現在結構性能、功能性能、安全性能、結構承載力以及外觀等。

第一，結構性能。該性能能夠反映出路面損壞程度，還能夠提供路面改造和養護依據。由于存在車輛荷載需求，使用環境不斷變化，造成路面結構在壽命周期內出現損壞現象，主要包括變形類、松散類、裂縫類和其他。路面結構出現問題將會對路面平整度造成影響，進一步降低行駛質量。因此，如果路面結構產生問題需要立即進行處理，確保結構完整性。

第二，功能性能。公路主要是為車輛提供行駛環境，使駕駛員具備舒適感和安全感。路面功能主要包括服務水平和行駛質量，并且密切關聯路面表面平整度，振動特性和振動感知等。路面平整度會影響行車安全和運輸效益，在車輛荷載影響下，路面平整度會隨著使用時間的不斷延長而產生降低趨勢，如果達到一定限額，則需要采取養護措施，恢復路面性能。

第三，安全性能。該性能表征指標為表面抗滑系數，可以借助于量測檢測路面抗滑力。抗滑性能主要表現在路面的構造深度和表面紋理和集料形狀等。軸載作用次數和路面類型也會影響路面摩擦系數。如果粗集料存在較多損耗問題，也會導致路面抗滑性能降低。

第四，結構承載力。該性能主要能反映出路面剩余壽命，能夠為路面提前設定損壞狀態，在路面整體情況下可以使用承載力檢測該路面能夠承受的軸載作用次數。針對瀝青路面來說，通常在測定路面結構承載力時主要應用無破損彎沉測定法實施。

第五，外觀。在設計道路時需要滿足各方面指標，逐漸提升道路美觀度的要求，可以設計良好的道路景觀，給予良好的視覺效果。

1.2 使用性能的影響因素

（1）路面類型：主要包括基層類型、面層、基層厚度等方面，不同的路面結構類型具有不同的路面性能。

（2）氣候因素：主要表現在溫度和濕度等方面。濕度能夠對路基土的承載力和性能造成影響；溫度能夠對材料性能變化造成影響。

（3）公路等級因素：不同的道路等級也會出現不同的公路技術指標，這樣也會出現不同的養護措施。

（4）交通量：軸載作用次數會破壞路面，并且不斷惡化路面狀況，隨著交通量的不斷增大也會逐漸加快路面惡化情況。

2 建立物元法評價模型

2.1 基于層次分析法的評價方法

在建立層次評價模型時通常都需要經過以下步驟：（1）確定評價因素和目標，建立多層次階梯結構模型；（2）在結構模型當中對比要素，按照重要性確定判斷矩陣；（3）計算單層內元素間的相對權重后和所有層元素組合權重后進行一致性檢驗。

2.2 確立經典域和節域

假設有n級評價等級M1，M2…Mn，按照各級標準建立的物元見式（1）。

在式（1）當中，關于評價Ci的量值范圍就是經典域。按照事物的特征和取值范圍能夠確定節域，見式（2）。

3 建立物元法預測模型

3.1 建立預測模型

物元法預測基本步驟：

（1）確定經典域和節域：按照選取指標確定指標內的分級標準，主要表現在優-差等五等級，這樣就能夠確定出經典域物元，之后按照指標檢測值的范圍確定節域物元。

（2）建立待評價物元：在簡單數量梳理待評價路段檢測值之后需要建立評價物元。

（3）計算變權重：計算變權重主要是在待評價物元模型基礎之上給予指標值賦值的權重。

（4）計算關聯度：給予節域物元和經典域，利用公式對每個指標值的關聯函數值進行計算，之后聯合權重計算路段在不同等級和年份下的關聯性，其中關聯度的取值范圍至（-1，1），如果關聯度大于0但小于1時，此時被預測路段符合等級要求，數值持續上升則會越加符合，無限貼近于標準等級上界。如果關聯度在（-1，0）之間，那么被預測路段盡管沒有滿足標準等級要求，但是具備轉化條件。

（5）建立預測模型：根據時間序列能夠選擇路段所需等級關聯度值，之后圍繞該關聯度建立函數關系式，以此作為預測模型。利用該模型能夠對路面性能變化時間節點進行預測。

3.2 物元預測應用案例

（1）建立待評價物元：盡管我國公路建設發展速度較晚，但是近幾年的建設速度一直處于上升發展階段，在此期間也出現了較多養護管理問題，缺乏統一的路面管理系統，并且在路面使用性能方面各項數據也比較少，這樣就導致公路性能測試存在較多難度，在此研究當中為了便于數據處理，將行駛質量指數、路面狀況指數、車轍以及橫向力系數和強度系數等進行標號，分別使用A1，A2，A3，A4，A5表示。

按照路面基礎數據建立待評價物元見式（3）。

（2）計算關聯函數：① 確立節域物元和經典域物元：按照上述的對應標準等級范圍，如表1所示。年份相應的經典域的關聯函數值，在實際計算期間，由于某些數據在不同等級經典域名的分界點上，因此就能夠看出點到區間的距離為0，此時函數計算公式的點到區間的距離有可能為分子，導致關聯函數值也會存在0現象。

表1 評價指標標準

表2 各個指標權重系數

（3）建立綜合預測模型，此次研究將2013年作為基年并且使用a代替，之后按照順序排列其他年份，結果如表3所示。

表3 關聯度和時間序列表

從以上數據能夠看出，K1（M）值隨著時間序列的增加呈遞減趨勢，基本為元線性的發展態勢。K1（M）在b和c年之間從0以上逐漸轉變為0以下，從滿足等級標準轉化為不滿足等級標準。按照路面使用性能變化發展能夠看出，在對路面沒有進行大養護維護時，公路將會在次年以及第三年出現等級變化，從優轉變為良。K4（M）在研究年份當中一直在0以下，但是卻隨著時間序列的增加呈增加趨勢，并且逐漸趨向于0，滿足一元線性發展。

通過以上數據分析對K1（M）和K4（M）建立了關于時間序列的趨勢線回歸方程，并且根據對數和一元線性進行曲線回歸分析，并且給予回歸方程的相關性大小，利用對數和一元線性回歸方程的相關度，需要設置回歸方程和回歸曲線，詳見圖1～圖4。

圖1 K1(M)值隨時間t變化的一元線性回歸曲線

圖2 K1(M)值隨時間t變化的對數回歸曲線

針對優等級的時間曲線和關聯度來看，圖1根據一元線性類型進行回歸的曲線，曲線方程見式（4）。

圖2主要是根據對數類型編寫的回歸方程，其曲線方程見式（5）。

在R2值進行對比分析能夠看出：根據對數類型進行的回歸方程要比一元線性回歸更加滿足數據的發展要求，具有較高的相關性，能夠滿足路面的發展趨勢，因此需要優先選擇對數類型回歸方程對路面性能進行預測。

將進行轉化之后能夠得出預測模型見式（6）。

在實際計算期間將設為0，此時求解t為2.2，這樣能夠得出路面性能在2013年其每隔2.2年就會從優等級轉變為下一等級。

對次等級關聯度隨著時間序列的變化趨勢進行分析，能夠看出根據一元線性回歸曲線的相關性要顯著低于對數類型，如圖3、圖4所示。

圖3 K4(M)值隨時間t變化的一元線性回歸曲線

圖4 K4(M)值隨時間t變化的對數回歸曲線

因此需要應用對數類型建立模型，預測模型的公式見式（7）。

在將其進行變形之后能夠得到式（8）。

在實際計算期間將為0，此時求解t為6.8，這樣能夠得出路面性能在2013年其每隔6.8年就會從優等級轉變為下一等級。

按照上述預測過程和實際結果能夠看出，每一等級的關聯度不僅能夠體現出該等級的符合程度，還能夠表現出臨近等級的變化情況，以上研究能夠全面展現出物元法既可以集結多指標，還能夠具備多個評價等級預測優勢。該種預測方法會將定性預測方法轉化為定量預測方法，這樣能夠更加直觀地了解到預測過程，然而該種方式也具有較大的限制因素，表現在節域物元和經典域物元在建立期間可能會出現不同程度的影響，并且建立的預測模型也只能預測項目級道路，因此，物元法預測模型,在實際預測當中具有顯著優勢，在項目級綜合預測當中效果顯著。

4 結語

綜上所述，本文主要是研究了高速公路瀝青路面使用性能評價及預測，首先介紹了瀝青路面使用性能，影響因素以及評價等，之后針對路面使用性能建立了物元法預測模型，主要是建立與時間有關的預測模型公式，通過實際案例分析選取不同評價指標，并且建立經典域和節域物元，獲取道路關聯度值，模擬了優等級和次等級時間序列和關聯度的函數關系式，為該道路的發展選擇良好相關度的指數形式，并且將2013年作為基年分析，預測效果顯著。并且在此期間沒有涉及到較復雜的預測過程，按照實際需求能夠對道路在每個發展時間段的符合情況進行預測，因此能夠驗證物元法在性能級瀝青路面性能預測當中具有應用價值，值得推廣使用。

[1] 李巧茹，郭知洋，王耀軍，等.基于PCA-SVM的高速公路瀝青路面使用性能評價[J].北京工業大學學報，2018，44（2）：283-288.

[2] 祝飛，張萌.基于改進灰色聚類法的高速公路瀝青路面使用性能評價[J].公路與汽運，2017（5）：192-196，201.

[3] 王小鳳，高攀科，王進璽.基于混合遺傳神經網絡的高速公路瀝青路面使用性能評價方法研究[J].公路工程，2017，42（4）：219-222.

[4] 張鵬，張坤，張春海.基于MA-GM（1，1）的高速公路瀝青路面使用性能預測[J].公路與汽運，2017，15（4）：204-206.

[5] 宋海云.檢測數據變異性對高速公路瀝青路面使用性能評價的影響[J].城市道橋與防洪，2017（4）：190-193.

[6] 靳彥彪.我國高速公路瀝青路面使用性能評價指標及標準[J].中國水運（下半月），2015，15（12）：227-229.

[7] 韻耀斌.高速公路瀝青路面使用性能評價及處治方案研究[J].黑龍江交通科技，2015，38（12）：3-6.

[8] 魏建國，龔文劍，南秋彩，等.G6高速公路巴新麻段瀝青路面使用性能預測研究[J].公路與汽運，2015，20（3）：92-95.

[9] 唐軍，徐艷，李金龍.神經網絡與馬爾科夫組合預測模型在高速公路瀝青路面使用性能中的應用[J].公路交通科技（應用技術版），2015，10（1）：108-111.

[10] 李金龍，徐艷.高速公路瀝青路面使用性能評價體系的優化[J].公路交通科技（應用技術版），2015，10（1）：123-125.