高速公路路面養護決策技術分析

摘要 文章基于服役高速公路路面養護需求，以路面養護決策理論為基礎，結合路面性能組合簡化分級，提出了養護決策優化建議。通過決策樹的建立，對相關指標及其權重進行分析，探究物元特征與指標內在關聯性，利用路面性能-物元法構建了路面養護優先級排序模型，并對目標養護路面的優先級別加以排序，為養護策略優化提供了參考和借鑒。

關鍵詞 服役高速公路；路面工程；養護優先級；養護決策

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

0 引言

日常養護維修是保持高速公路路面性能的關鍵措施，針對路況采取適當的養護對策是提高路面質量、改善服役水平的有效措施，科學的養護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，養護方案有所不同，養護策略的使用條件和應用效果各有優劣，因此如何根據路況信息科學合理地選擇道路養護方案，改善路面性能，直接決定了道路服役壽命與質量。科學的養護方案對節約維修資金、延長服役壽命、提高使用性能有積極作用。

1 高速公路路面養護決策理論

高速公路通車運行后，在長期交通荷載、溫度變化、降雨等多重因素影響下路面結構逐漸變化，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，保障道路服務達到一定標準，需要對路面進行養護管理，通過最小的經濟投入取得最大的養護效果。路面養護決策即在約束條件的限制下，通過經濟成本最小化和路面壽命最大化目標的統籌，為路面性能改善提供科學養護指導，給出具體的實踐措施[1]。

2 路面養護策略的選擇與優化

影響路面養護決策的因素眾多，不同因素之間相互作用且彼此影響，對養護決策選擇時需結合相關影響因素特征全面分析，充分了解路面性能和結構特征的條件下，科學選擇適宜的養護策略，制定準確的操作方案。為提高路面養護性能，全面反映路面使用狀況，現階段多選用路面結構強度指數（PSSI）、路面抗滑性能指數（SRI）、路面行駛質量指數（RQL）、路面車轍深度指數（RDI）、路面損壞狀況指數（PCI）等指標科學組合，從而客觀、準確地反映路面性能[2]。

結合不同研究指標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與道路性能之間關系密切。隨著降雨增加，路段SRI水平明顯下降，不同項目檢測指標出現了明顯變化，兩者之間關系密切，為提高路面養護效果，需結合實際情況進行養護策略的優化，指標等級劃分情況如表1所示。

通過對指標等級簡化重組，有效降低了路面養護的復雜性，為科學決策奠定了基礎，并為路面養護策略的效果改善創造了條件[3]。該文通過最直觀的決策樹法對不同路面狀態下的養護方案實施效果進行分析，結合路面狀態指出常見的養護方案包括大修重建、大修補強、中修罩面、預防性養護、日常維護與小修等。以路面性能指標為基礎進行養護方案優化的決策樹如圖1所示。

3 高速公路路面養護優先級排序與實例分析

3.1 影響路面養護優先排序的因素

高速公路路路網養護多存在多條道路均需養護的現象，但由于資金、資源限制很難達到所有路面同步維修的目標，因此需要結合路面現狀量化考核路面養護迫切程度，通過對不同影響因素權重賦值，綜合評定路面性能指標，結合不同指標的權重值與道路性能相結合進行方案調整與優化[4]。

3.2 基于路面性能數據挖掘——物元法的路面養護排序

該文基于實測路段路面性能衰變規律，在合理控制變量的基礎上選定了路面性能指標用以評估路面養護質量，將相關因素定義為C1，C2…，Cm，并根據相關指標現場檢測數據賦予特征值，定義為C1，C2…，Ci，結合上述特征屬性的特征構建單列物元矩陣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 構建路面性能最佳物元

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

3.2.2 構建關聯系數復合物元

以選取目標路面性能數據為基礎構建復合矩陣用來評估路面基本狀況，構建最佳路用性能相關的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聯系數，其計算方法見公式（4）：

式中，Δab——目標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——分辨系數取值為0.5。

3.2.3 路面性能特征屬性權重系數

路面性能特征屬性權重系數反映了路面性能評價體系中各特征屬性的占比，表示該指標的重要程度，可依據主成分層次分析法構建路面性能評價權重系數表達式。詳情如公式（5）所示：

3.2.4 構建關聯度復合物元

該文研究的關聯系數表示目標路段物元與路面性能最佳物元之間的關聯度，而一般情況下一個路段的特征屬性數量和關聯系數的數量保持一致，而一個路段會有多個關聯系數，因此需要對關聯系數進行調整后重組從而獲得關聯度復合物元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聯系數，ωm——特征屬性的分項權重系數，計算公式如式（7）：

3.2.5 路面養護決策優先級排序

結合目標路段特征屬性與最佳物元關聯系數構建關聯度復合物元矩陣GDL，性能最佳理想路段與目標路段相似度作為基本元素，對矩陣內容分析可知，隨著R0b增加，目標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。在進行路面養護決策優先順序排序時，應當以路面性能表現為基礎，對表現差的路面性能進行優先修補，路面性能最佳的最后維修[6]。路面養護優先等級應當與復合關系數之間存在負相關性，即關聯程度越高，優先養護的等級越低，相似度越差，需要優先養護的迫切程度越高[7]。

3.3 應用實例分析

以某高速公路瀝青路面養護為目標，分別選取2019年該路段PCI、RQI、RDI、SRI等檢測指標作為物元特征屬性對養護優先順序加以分析，不同路段樁號與性能檢測指標數據如表2所示[8]。

表2 性能檢測數據

基于目標路段路面使用性能檢測，結合相關數據構建路面性能綜合評價體系，深入發掘數據內涵，并借助特征屬性對指標評價體系權重值進行分析，詳情如下ω=（0.253，0.265，0.286，0.196）。

（1）以上述表格內容為基礎，構建目標路段復合物元評價矩陣G4×6：

（2）構建路面性能最佳—物元如下式：

（3）計算復合物元和性能最佳物元的差值如下式所示：

結合公式（4）可知，當Δmin=0.00 Δmax=39.42，ρ為0.5，結合公式對目路段關聯系數復合物元進行計算，詳情如下：

（4）以上述公式為基礎，構建目標路段關聯度復合物元矩陣GDL，詳見下式：

（5）結合關聯度系數對養護路面的養護優先順序進行確定。

結合關聯度復合物元矩陣GDL中的不同要素R0b取值大小對目標養護路段的優先順序進行排序，結果顯示路段5的性能最差，路段3的性能最好，因此結合實際情況確定了路段養護的優先順序如下：R5＞R1gt;R6gt;R2gt;R4gt;R3，LB表示需要養護的第b條路段[9]。

（6）結合上文養護決策樹分析結果，以優化決策方案為參考為目標養護路段，制定差異化養護策略，詳見表3[10]。

4 結語

綜上所述，該文基于路面性能評估指標權重值，通過路面性能數據挖掘和物元法的應用，構建了路面養護策略優化決策樹，并明確了養護優先順序，有效降低了路面養護過程中主觀因素的影響，提高了養護決策的科學性和規范性，通過對路面性能組合改善了養護策略針對性。基于路面檢測數據對目標養護路段性能進行排序，從而確定待維護路段優先級，提高了路段養護的針對性，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。

參考文獻

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