農村公路建養一體化10年期養護目標預測研究★

劉愛華 李亞麗 盧 勇 劉林林

(蘇交科集團股份有限公司，新型道路材料國家工程實驗室，江蘇 南京 211112)

針對農村公路開展建養一體化、整體發包、捆綁模式和周期性養護總承包等模式的探索應用，實際技術內涵是通過延長質保期，采用基于性能的付款方式，提高總承包單位的質量控制意識，降低全壽命周期內路面養護成本[1-4]。國外發達國家一般結合地區實際發展和公路養護管理的專業特點，開展新型公路養護管理模式。以美國佛吉利亞州養護服務中心VMS為例，針對佛吉利亞將近300 km的公路開展5年半的長期養護總承包模式，建立長期養護實施辦法和方案，最終實現公路技術狀況提高12%，養護經費節約2 200萬美元，取得了成功應用經驗。國內長期養護管理模式目前尚處于初步發展階段，部分省份開展了公路建養一體化工程應用探索工程，并發布了相關實施方案，但總體而言，目前的實施方案僅處于宏觀框架層面，對于具體實施操作層面未作詳細的研究[5-7]，缺乏相應的養護指標考核標準等，需要進一步結合本地區實際需求和養護現狀開展針對性的研究工作。

由于農村公路技術等級低，橋隧構造物及沿線設施少、結構簡單，因此路面使用性能是農村公路技術狀況的主要指標。交通量、自然因素等養護管理決策影響因素直接反映在路面使用性能中。因此，本文依托如皋市10年期長期養護總承包實際工程，結合江蘇地區農村公路建養一體化的實際養護需求和歷年大中修養護閾值，運用GM(1,1)灰色改進型預測模型對該工程10年期養護質量考核目標保障值進行預測，探討分析江蘇省農村公路長期養護每年公路技術狀況養護考核標準。

1 養護目標考核模式及研究方法

1.1 養護目標考核模式探討

建養一體化項目養護目標考核指標采用養護綜合質量指數CMQI進行評定，根據養護質量MQI和管理質量SQI兩個指標的檢查結果綜合評定，如式(1)所示。養護期第1年～第5年養護質量和管理質量權重分別為0.5和0.5，隨著養護時間的推移，考慮到隨著運營時間越來越長，部分路段路面開始出現一些病害，因此養護后期對養護質量提出更高的要求，因此，養護期第6年～第10年的養護質量和管理質量權重分別為0.7和0.3。

CMQI=a1MQI+a2SQI

(1)

其中，CMQI為養護綜合質量指數；a1,a2分別為養護質量和管理質量的權重；MQI,SQI分別為養護質量和管理質量指數。

農村公路按行政等級可分為縣、鄉、村道，按技術等級可分為一級、二級、三級、四級公路。養護目標制定的內容主要包括養護質量技術狀況MQI、路面技術狀況PQI、路面破損PCI、路面平整度RQI與管理質量SQI。建立農村公路長期養護目標考核模式應從以下三個方面進行考慮：1)差異性原則：由于公路等級的不同導致了養護需求的差異，在建立養護目標時需要結合不同等級公路自身特點進行單獨考慮。2)時效性原則：養護目標是養護質量考核和經費支付的基本依據，而質量考核和經費支付需要按照一定的周期進行，因此，需要根據不同階段制定相應的養護目標。3)強制性原則：考核和經費支付并不能完全約束承包商的行為，為了保證養護質量，需要根據實際需求設置最低紅線值，強制承包商進行養護。鑒于以上三點原則，將農村公路分為一級公路和二、三、四級公路兩個等級，按公路技術等級制定合理的養護目標進行考核，通過每年度制定不同的養護保障值、鼓勵值和紅線值，建立不同技術等級的養護目標。保障值主要用于保障公路使用性能處于良好的水平所設定的界限值，鼓勵值主要為了更好的激勵總承包單位積極開展建設和養護工作，用于對養護管理質量取得優異成績的獎勵，紅線值作為強制性指標要求低于該值時必須進行養護或整改，以保證養護管理質量。

1.2 養護目標研究方法

1.2.1保障值

保障值用于保障公路使用性能處于良好的水平所設定的界限值。根據農村公路實際現狀，針對歷年路面技術狀況檢測數據不充分的情況，本文采用灰色理論預測方法進行分析。灰色理論[8-10]是研究解決灰色系統分析、建模、預測、決策和控制的理論，對于數據量不大、增減趨勢明顯的事物預測，可靠度較高，預測結果直觀，灰色理論預測方法路面各性能指標的變化均有明顯的增減趨勢，在歷史檢測數據不夠充分的情況下，應用該理論可以得到具有一定可靠度的預測結果。利用GM(1,1)模型建立回歸預測模型。建模過程如下：

給定數據序列：

x(0)=[x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(n)]。

對子數據序列作一次累加生成1-AGO序列：

x(1)=[x(1)(1),x(1)(2),…,x(1)(n)]。

設z(1)(k)=0.5x(1)(k)+0.5x(1)(k-1)，則x(1)的近鄰生成序列為：

z(1)=[z(1)(1),z(1)(2),…,z(1)(n)]。

根據灰色理論GM(1,1)模型，灰色微分方程為：

x(0)(k)+az(1)(k)=b，k=1,2,…,n。

其中，a為發展灰數；b為內生控制灰數。

則灰色微分方程的最小二乘估計參數列滿足：

故，還原值為：

x(0)(k+1)=x(1)(k+1)-x(1)(k)，k=1,2,…,n。

其中，x(0)為生成數據序列的預測值。

1.2.2鼓勵值

鼓勵值主要為了更好的激勵總承包單位積極開展建設和養護工作，用于對養護管理質量取得優異成績的獎勵。鼓勵值為養護綜合質量指數CMQI超過保障值的一個界定值。管理質量(SQI)鼓勵值統一采用超過保障值2分來制定獎勵值，即92分，養護質量鼓勵值以考核子項PCI,RQI進行確定。

1.2.3紅線值

紅線值作為強制性指標要求低于該值時必須進行養護或整改，以保證養護質量。而大中修養護作業只針對路面工程，故紅線值以PQI和SQI的控制閥值為依據進行設定。根據江蘇省農村公路大中修養護閥值，設置紅線值為70時，強制要求總承包單位必須進行大中修養護。對于管理質量SQI，采用低于保障值2分來制定紅線值，即88分。

2 典型案例

2.1 工程概況

依托如皋市農村公路建養一體化項目進行試點應用，探討確定農村公路的養護目標。如皋市建養一體化項目承包內容包括鄉村道387.742 km。采用建設期2年，養護期為10年的建養一體化模式。

2.2 歷年農村公路技術狀況

江蘇省如皋市農村公路(一級及二、三、四級公路)的2016年—2018年的養護質量檢測數據如表1所示。

根據表1可知農村公路2016年—2018年的MQI，PQI，PCI和RQI均值。據統計，如皋地區農村公路的平均路齡為7年。由于采用建養一體化模式下對建設期工程質量重視的情況，考慮以均值MQI，PQI，PCI和RQI作為農村公路養護期第7年的養護考核目標保障值。

表1 江蘇省如皋市農村公路養護質量檢測數據

對于管理質量，要求總承包單位至少達到90分的水平，即SQI≥90。因此，根據式(1)可計算出養護期第7年的養護綜合質量指數CMQI，養護期第7年的養護目標保障值如表2所示。

表2 農村公路建養一體化項目養護期第7年養護目標保障值

2.3 模型建立及預測計算

以路面破損狀況指數PCI為例，采用灰色理論進行模擬預測，根據路面性能隨著時間的增加而降低，根據表2初步確定農村公路建養一體化養護期第5年～第8年的路面破損指標如表3所示。

表3 路面破損狀況PCI指標

根據表3中養護期第5年～第8年的路面破損狀況PCI指標，本文基于灰色理論預測模型，建立第一類預測模型用于預估第8年～第10年期的養護目標保障值，以及第二類預測模型用于預估第1年～第6年期的養護目標保障值。兩類預估模型的建立以及精度驗證如下所示。

1)第一類預測模型。

以表4中的數據對路面破損狀況指數PCI用灰色理論對一級和二、三及四級公路分別進行模擬預測，得到公式為：

一級公路：

Y′=88.258 2×e-0.010 123t

(2)

二、三、四級公路：Y′=83.352 35×e-0.005 565t

(3)

其中，t=1,2，…，模擬結果見表4，殘差分別為0.000 008，0.000 002均小于10%，因此模型精度較高。可以通過此預測模型得到養護期第8～第10年的養護目標保障值。

表4 路面性能實際情況及灰色理論模擬表

2)第二類預測模型。

以表5中的數據對路面破損狀況指數PCI用灰色理論對一級和二、三、四級公路分別進行模擬預測，得到公式為：

一級公路：

Y′=87.062 6×e0.005 69t

(4)

二、三、四級公路：Y′=82.451 31×e0.012 15t

(5)

其中t=1,2，…，模擬結果見表5，殘差分別為0.000 002，0.000 01均小于10%，因此模型精度較高。可通過上述預測模型計算第1年～第6年養護目標保障值。

根據表4，表5中實際檢測數據和GM(1,1)獲取的模擬數據進行對比可知，可在第7年養護保障值的基礎上，運用灰色理論模型確定養護期第1年～第10年的PCI養護目標保障值，其他考核指標的保障值可參照上述方法進行確定。

表5 路面性能實際情況及灰色理論模擬表

通過上述測算，最終制定了江蘇省如皋地區建養一體化模式下的養護目標值如表6所示，具體建養一體化項目實施過程中可根據實際情況進行調整。

表6 建養一體化模式下農村公路10年期的養護目標值

3 結論

本文依托江蘇省如皋市農村公路建養一體化工程，運用GM(1,1)灰色改進型預測模型對建養一體化模式下的養護目標值進行預測探討，主要結論如下：

1)根據差異性原則、時效性原則和強制性原則，探索建立了采用鼓勵值、目標保障值和紅線值的考核模式建立養護質量目標的可行性；

2)基于如皋地區農村公路歷年路面技術狀況，運用灰色理論模型，建立了第一類和第二類的灰色改性預測模型，通過采用實際值和預估值的殘差對比發現，建立的預估模型具有較高的精度；

3)依托如皋地區建養一體化實際工程，運用建立的養護考核模式和灰色理論改性型預測模型，確定了農村公路10年期的公路技術狀況考核標準。