某普通國(guó)省干線項(xiàng)目的路面性能養(yǎng)護(hù)預(yù)測(cè)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(guó)省干線公路交通量、載重量較大，極易產(chǎn)生質(zhì)量病害，嚴(yán)重影響道路使用性能，威脅行車安全，對(duì)道路養(yǎng)護(hù)提出了更高的要求。要有效提高道路養(yǎng)護(hù)質(zhì)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(jù)某國(guó)省干線公路實(shí)際情況，通過對(duì)日常養(yǎng)護(hù)及修復(fù)養(yǎng)護(hù)路段路用性能衰變情況調(diào)查研究，研發(fā)了路用性能預(yù)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)提升國(guó)省干線公路養(yǎng)護(hù)水平、保證道路養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，具有重要意義[1]。

1 路面養(yǎng)護(hù)類型

按照現(xiàn)行《公路工程養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，現(xiàn)階段，我國(guó)的公路工程路面養(yǎng)護(hù)形式發(fā)生較大變化，由日常養(yǎng)護(hù)、預(yù)防性養(yǎng)護(hù)、維修養(yǎng)護(hù)、專項(xiàng)養(yǎng)護(hù)等取代最初的小、中、大修及改建工程等養(yǎng)護(hù)形式[2]。

2 日常養(yǎng)護(hù)路段

針對(duì)道路日常養(yǎng)護(hù)路段采用性能衰變模式實(shí)施分析，主要理論為：選取某國(guó)省干線道路作為分析目標(biāo)，根據(jù)路面形式、交通量大小等各個(gè)方面實(shí)施歸類并構(gòu)建公路養(yǎng)護(hù)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(jù)對(duì)該工程路面質(zhì)量狀況檢測(cè)評(píng)定結(jié)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(gòu)建道路路用性能指標(biāo)IPPI（道路破損指標(biāo)IPCI、道路行車性能指標(biāo)IRQI）與時(shí)長(zhǎng)y之間的關(guān)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(qiáng)養(yǎng)護(hù)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(biāo)IPPI與α、β密切相關(guān)，即α、β直接決定IPCI、IRQI衰變情況。該文從路面形式、交通量?jī)煞矫嬷诌M(jìn)行系統(tǒng)分析，最終確定利用表1 公式進(jìn)行迭代計(jì)算。

2.2 模型參數(shù)分級(jí)

按照“該省公路項(xiàng)目基本狀況明細(xì)表”，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘查信息，對(duì)路面形式、交通量等相關(guān)影響因素實(shí)施分級(jí)，將該省普通國(guó)省干線公路工程整體分成507區(qū)段，總長(zhǎng)度16 159.481 km。

（1）自然區(qū)劃分級(jí)：根據(jù)各區(qū)域氣候條件不同、道路長(zhǎng)度、道路級(jí)別及面層厚度等各方面條件，將6 個(gè)二級(jí)自然區(qū)級(jí)1 個(gè)二級(jí)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(nèi)，水泥板面厚度位于20～30 cm 范圍內(nèi)，具體情況如圖5 所示。瀝青面層厚度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為各級(jí)別范圍內(nèi)包含足夠的數(shù)據(jù)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(nèi)長(zhǎng)度較短，且區(qū)段少、較分散，因此將各種區(qū)劃范圍內(nèi)全部水泥面板厚度列為同一等級(jí)。

圖5 面層（面板）厚度分布

（3）基層種類劃分：該公路工程項(xiàng)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(shí)施探究。

（4）交通量劃分：根據(jù)該公路工程實(shí)際情況，科學(xué)布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)道路交通量實(shí)施觀測(cè)，共計(jì)布設(shè)443 個(gè)測(cè)點(diǎn)，按照當(dāng)?shù)亟煌ü芾聿块T出具的《公路日平均交通量報(bào)表》，汽車當(dāng)量數(shù)CAADT以當(dāng)前計(jì)費(fèi)車輛劃分標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施換算。經(jīng)綜合分類與統(tǒng)計(jì)，根據(jù)四類區(qū)劃內(nèi)交通量基本狀況，將其劃分成A、B、C、D 四個(gè)等級(jí)，詳細(xì)情況如表2 所示。

表2 交通量分級(jí)

2.3 模型參數(shù)標(biāo)定

按照《公路工程技術(shù)狀況評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》及該公路項(xiàng)目2010—2020年間路面技術(shù)狀況評(píng)價(jià)中IPCI與IRQI相關(guān)信息，根據(jù)參數(shù)對(duì)上述各種相關(guān)因素實(shí)施分級(jí)，并通過Origin系統(tǒng)建立函數(shù)模型實(shí)施回歸分析，采用相關(guān)系數(shù)、p值來表示方程擬合偏度及顯著性[5]。

3 修復(fù)養(yǎng)護(hù)路段

根據(jù)本省國(guó)省干線公路2019—2022 年間養(yǎng)護(hù)基本情況，選取148 個(gè)養(yǎng)護(hù)路段，對(duì)其道路路用性能（IPQI）實(shí)施檢測(cè)并詳細(xì)記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)，全面分析養(yǎng)護(hù)后路面IPQI值。

檢測(cè)結(jié)果顯示，所有測(cè)得的IPQI結(jié)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(duì)稱的分布趨勢(shì)，具體如圖6 所示。

圖6 2019—2022 年養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目完工后首次路面檢測(cè)IPQI 分布直方圖

對(duì)樣本偏度、峰值實(shí)施計(jì)算分析，驗(yàn)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(yùn)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(cè)值依次為bs=0.290 8、bk=2.361 4，通過計(jì)算得到|u1|=1.474 0＜Z0.025=1.96，|u2|=1.562 7＜Z0.025=1.96，與假設(shè)一致，表明樣本符合正態(tài)分布。

按照極大似然估計(jì)法，正態(tài)分布整體均值μ最大估算量為以道路養(yǎng)護(hù)完畢首次測(cè)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(hù)路段保持一致。

4 系統(tǒng)開發(fā)

4.1 功能需求

該國(guó)省干線公路路用性能預(yù)測(cè)系統(tǒng)需具備信息展示及搜索、衰變計(jì)算、參數(shù)測(cè)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(xì)表”及“××年度某省國(guó)省干線公路路面技術(shù)狀況評(píng)價(jià)表”上傳至系統(tǒng)內(nèi)部，系統(tǒng)自行對(duì)表中信息實(shí)施歸類并將其展現(xiàn)出來，使用者能夠按照道路編碼實(shí)施搜索。

（2）衰變計(jì)算。系統(tǒng)根據(jù)自身需求自動(dòng)獲取相關(guān)信息，當(dāng)數(shù)據(jù)信息符合計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)后，搜索相應(yīng)的衰變模型實(shí)施數(shù)值模擬計(jì)算，并采用excel 表格統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)。應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)的時(shí)excel 文件格式應(yīng)與評(píng)定表格保持一致。

（3）參數(shù)設(shè)定。使用者可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)系統(tǒng)內(nèi)提前設(shè)置的四種衰變模式技術(shù)參數(shù)實(shí)施優(yōu)化。其相關(guān)參數(shù)應(yīng)儲(chǔ)存至系統(tǒng)文件內(nèi)。

4.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

該國(guó)省干線公路路用性能預(yù)測(cè)系統(tǒng)主要是建立在Windows10 系統(tǒng)基礎(chǔ)上，利用Python 系統(tǒng)，借助pyside2、QTdesigner、xlrd、openpyxl、configparser 等軟件綜合研發(fā)的測(cè)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(guó)省干線公路路面使用性能預(yù)測(cè)系統(tǒng)的模塊劃分

5 驗(yàn)證

根據(jù)該省國(guó)省干線公路2020 年全線路面質(zhì)量狀況評(píng)定結(jié)果，采用該國(guó)省干線公路路用性能預(yù)測(cè)系統(tǒng)對(duì)下2021 年度道路質(zhì)量狀況實(shí)施預(yù)測(cè)。針對(duì)2021 年度全省開展養(yǎng)護(hù)并完成的310個(gè)區(qū)段，總里程約2 147.65 km，以“修復(fù)養(yǎng)護(hù)路段養(yǎng)護(hù)完畢首次測(cè)得的IPQI值為97.2”實(shí)施假設(shè)。

針對(duì)2021 年度全省開展日常養(yǎng)護(hù)路段總里程約10 082.22 km，根據(jù)日常養(yǎng)護(hù)路段對(duì)于自然區(qū)劃、面層厚度、交通量分級(jí)情況實(shí)施IPCI、IPQI預(yù)測(cè)，并對(duì)道路路用性能實(shí)施計(jì)算，即：IPQI=0.6IPCI+0.4IPQI。然后對(duì)實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值實(shí)施比較，求出預(yù)測(cè)偏差并對(duì)模擬機(jī)預(yù)測(cè)系統(tǒng)可靠性實(shí)施檢測(cè)。研究表明：2021 年IPQI實(shí)際測(cè)量值與預(yù)測(cè)值依次為90.09、88.92，相差1.17，偏差為1.3%，預(yù)測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確、可靠。

6 結(jié)論

綜上所述，為有效提升道路養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，保證國(guó)省干線運(yùn)營(yíng)安全，延長(zhǎng)使用壽命，該文依托實(shí)際工程案例，系統(tǒng)探究了路面使用性能養(yǎng)護(hù)預(yù)測(cè)系統(tǒng)，得出如下結(jié)論：

根據(jù)日常養(yǎng)護(hù)路段具體情況，結(jié)合路面形式、交通量大小等基本情況，建立評(píng)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(fù)養(yǎng)護(hù)路段路用性能（IPQI）檢測(cè)分析，確定以道路養(yǎng)護(hù)完畢首次測(cè)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(guó)省干線公路路用性能預(yù)測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)檢測(cè)，IPQI實(shí)際測(cè)量值與預(yù)測(cè)值相差1.17，偏差為1.3%，預(yù)測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確、可靠。