水泥混凝土路面養(yǎng)護決策綜述

范瑛宏，彭 鵬，侯子義，閆倩倩

(1.河北工業(yè)大學土木工程學院;2.交通運輸部公路科學研究院)

1 路面使用性能評價模型

1.1 PSI模型

PSI模型是世界上第一個評價路面使用性能的模型，首次將路面在一定時間范圍內(nèi)的性能進行系統(tǒng)量化，是美國實施的AASHO道路試驗的最重要的研究成果之一。在文獻中論述建立PSI模型時，考慮了與公路有關(guān)、職業(yè)不同的各種評價人員組成一個多人的專家組。利用數(shù)學方法建立道路檢測人員對試驗路段的路面損壞狀況與專家評價的結(jié)果之間的數(shù)學關(guān)系，并確定相關(guān)的參數(shù)，得出了水泥混凝土路面服務能力指數(shù)PSI的計算公式，其模型主要包含3個可變參數(shù)

式中:SV為輪跡處平整度離散度;C為裂縫度，m2/1 000 m2;P 為修補度(Patching)，m2/1 000 m2。

從模型參數(shù)上看，PSI模型實際上是與平整度主相關(guān)的行駛舒服性的模型。PSI評定的結(jié)果能夠客觀的反映路面的整體技術(shù)狀況，但是卻不能確定具體是哪一種指標導致了PSI值的變化。

1978年，日本道路協(xié)會借鑒了AASHO的建模方法，又結(jié)合了本國內(nèi)路面的損壞特點，去除了路面修補度，并將路面裂縫度換成了路面裂縫率，對美國的PSI模型參數(shù)進行標定，形成了如下公式的PSI模型

式中:σ為縱向平整度標準偏差，mm;C為裂縫率，%;D為車轍深度，cm。

與美國不同的是，日本的PSI模型對于路面的裂縫和車轍較為重視，而對路面的平整度的比重較輕。

1.2 MCI模型

1981年，日本建設省土木研究所的研究員飯島等，在參考美國和日本的PSI的基礎(chǔ)上，研究出養(yǎng)護管理指數(shù)MCI。采用由道路管理人員組成的專家組對道路進行現(xiàn)場評價，考慮路面平整度、裂縫率和車轍對道路的養(yǎng)護管理和需求的影響。利用數(shù)學統(tǒng)計得到了MCI的模型，計算公式為

式中:MCI為養(yǎng)護管理指數(shù)，0～10;C為裂縫率，%;D為車轍深度，mm;σ為平整度，mm。

按照飯島的解釋，由多個關(guān)系模型的聯(lián)合使用可以使得評價的結(jié)果更接近于道路實際的狀況，其缺點是多種關(guān)系模型處理不同的路面狀況給應用帶來了混亂。可以這樣說，日本的MCI模型是美國PSI模型思路的延續(xù)，同時也包含了一些模糊不定的創(chuàng)新意識。

1.3 PCI模型

美國軍隊工程研究室采用扣分法來建立路面狀況評價模型PCI，即該模型考慮各種損壞的扣分及重復損壞的影響，PCI模型為

式中:PCI為路面狀況指數(shù);a(i)為損壞類型;i為破損類型;j為嚴重程度;p為總破損類型;m(i)為第i中破損的損壞數(shù)量;F(t，q)為重復破損修正系數(shù)。

由上式可以看出，美國的PCI模型沒有反應出平整度的影響，僅僅根據(jù)專家評分確定單項扣分值和重復損壞修正系數(shù)，這種方法的優(yōu)點在于能夠準確的計算和折算出多種損壞所導致的總體的損壞程度。可以說PCI模型克服了日本MCI模型的缺陷，在理論上是比較完整和嚴謹?shù)摹?/p>

20世紀80年代末，我國依據(jù)瀝青路面特點并結(jié)合國外經(jīng)驗，建立了PCI路面評價模型，并且交通部公路科學研究院在河北和浙江等有關(guān)地區(qū)選擇試驗路段進行試驗。通過試驗的數(shù)據(jù)分析，建立了如下模型

PCI=10-α1DR0.33-α2［log(1+BI)］8.49

式中:PCI為路面狀況指數(shù);DR為路面破壞率，%;BI為道路平整度(顛簸累積儀檢測數(shù)據(jù))，m/km;α1模型參數(shù)，取0.73;α2為模型參數(shù)，取0.000 042 2。

我國早期建立的PCI路面評價模型，包括路面損壞指標DR和行駛舒適性指標BI，概念上存在模糊。為此，潘玉利、曾沛霖提出了我國普通公路網(wǎng)級路面系統(tǒng)的基本構(gòu)架及模型。同濟大學和北京、廣東省公路管理局合作進行了路面管理系統(tǒng)的研究工作，并且參考了美國的一些系統(tǒng)評價指標、方法和標準，確定了對路面進行大中修的對策。當前，在全國范圍內(nèi)，被廣泛使用的是由交通部公路科學研究所開發(fā)的路面管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于回歸技術(shù)的一個網(wǎng)級路面管理系統(tǒng)。我國利用CPMS評價模型的研究成果和參考國外的優(yōu)秀經(jīng)驗，建立了對水泥混凝土路面使用性能的評價模型，是選取了路面損壞狀況(PCI)、平整度和抗滑性三個指標，然后分配不同的權(quán)重值進行加權(quán)求和即可得到PQI的值來評價水泥路面的使用性能。我國的PQI模型將PCI模型作為一個評價的指標，再綜合權(quán)重值，計算到PQI模型中。

1.4 其他模型

除上述模型外，還有一些國外的具有代表性的研究成果，如美國加利福尼亞州路面管理系統(tǒng)，采用平整度、路面損壞和抗滑能力三個單項的指標建立的決策模型;亞利桑那州路面管理系統(tǒng)，選取平整度和開裂兩方面使用性能的四項參數(shù)(現(xiàn)有平整度、現(xiàn)有開裂量、上年度開裂量的變化、初裂指數(shù))建立的模型;華盛頓州的系統(tǒng)是采用平整度和損壞狀況兩項指標，將兩者組合成一項綜合的評分指標R;猶他州選擇服務能力指數(shù)、損壞狀況指數(shù)和結(jié)構(gòu)能力指數(shù)，采用不同權(quán)重建立了一個FI模型;加拿大阿爾伯達省的路面信息和需求系統(tǒng)，采用目測路面狀況指數(shù)(VCI)、行駛舒適性指數(shù)(RCI)、結(jié)構(gòu)能力指數(shù)(SAI)三項指標，并將這三項指標綜合成一個總的路面質(zhì)量指數(shù)(PQI)模型等等。

2 養(yǎng)護決策

2.1 排序法

運用排序法分析時，首先要把需要養(yǎng)護的道路劃分成不同的路段，然后確定排序的指標，對各個路段的路面狀況進行評價，并且對其進行排序，根據(jù)排序的結(jié)果做相應路段的養(yǎng)護方案。文獻中采用經(jīng)濟指標排序和技術(shù)指標排序，其中經(jīng)濟指標選取了凈現(xiàn)值(NPV)和效益費用比(BCR)，NPV或者BCR的值越大，則經(jīng)濟性越好;技術(shù)指標選取了道路重要性、路面平整度(RQI)、路面損壞(PCI)、路面結(jié)構(gòu)強度(PSSI)、抗滑性能(SRI)和年平均日交通量(AADT)，從工程技術(shù)角度分析哪些路段需要處治。文獻中建立了優(yōu)先次序指數(shù)PIDX對路面養(yǎng)護質(zhì)量評價，并且將所有的路段按PIDX由小到大進行排序，排在前面的應優(yōu)先進行養(yǎng)護。文獻中采用排序的方法，結(jié)合灰色物元分析法對路面進行評價和排序，即是首先確定一個最佳事物灰元作為參照物，然后將待評價的各個路段與之進行對比，從而可以選出最佳的路段和最差的路段，這樣就可以對各個路段的養(yǎng)護進行優(yōu)先排序。在文獻中采用的排序法是結(jié)合了優(yōu)化法進行養(yǎng)護決策的。可以根據(jù)路面的使用性能指標進行排序，如PSI、PCI等;可以根據(jù)經(jīng)濟分析參數(shù)進行排序，使得結(jié)果達到最優(yōu);也可以利用數(shù)學模型分析，按照總費用或效益進行排序并優(yōu)化，確定最佳的養(yǎng)護和改建措施及最佳的資金分配方案的分析。

2.2 決策樹

在養(yǎng)護決策過程中，決策樹法是相對比較簡單和直觀的方法，并且容易理解和操作。同時，可以對各種因素進行不同的組合分析，提出可能的對策，再結(jié)合實際調(diào)查和工程師的經(jīng)驗，能夠全面的分析得出不同路段的養(yǎng)護措施。文獻中首先是選取一個或者一組技術(shù)上可行的養(yǎng)護方案，這些方案需要考慮分析年限，且在一定的分析年限內(nèi)可能進行多次處治，因而就形成了不同的養(yǎng)護方案，這樣就可以根據(jù)工程師的經(jīng)驗形成決策樹，之后再運用其他方法進行分析和優(yōu)化。文獻在建立決策樹時，選取了6個基本因素(公路等級、AADT、PCI、RQI、PSSI、SRI)，并將強度和抗滑指標分為足與不足兩類，其他的指標分三類，然后，根據(jù)決策樹模型進行各種組合條件的綜合考慮，并在各分枝的末端給出相應的養(yǎng)護措施。文獻中依據(jù)道路等級、路況等各種因素，將路網(wǎng)進行分枝、細化，并在分枝末端給出了各種組合條件下的可能處治對策。最后，結(jié)合湖南省某高速公路的養(yǎng)護實踐，確定了水泥路面的養(yǎng)護決策樹模型，分析得出水泥混凝土路面病害之間的密切聯(lián)系。文獻中依據(jù)路面使用性能評價方法和標準，采用決策樹的方法建立了江蘇省高速公路路面大中修的養(yǎng)護技術(shù)決策體系。根據(jù)文中列出的大中修技術(shù)方案集，再結(jié)合經(jīng)濟、環(huán)保、交通等因素，確定最優(yōu)的大中修養(yǎng)護技術(shù)方案。

2.3 經(jīng)濟分析法

隨著經(jīng)濟分析法在道路養(yǎng)護決策中的應用，一些管理部門開始采用壽命周期費用分析的方法來評價養(yǎng)護措施，并且將養(yǎng)護維修的公路和用戶效益定量化，依據(jù)對不同路段的不同措施進行經(jīng)濟分析的結(jié)果進行決策。文獻中采用的是以經(jīng)濟分析原理為基礎(chǔ)的壽命周期費用分析法，來評價可供選擇的養(yǎng)護方案的長期的經(jīng)濟效率，以便選出費用最低、效益最高的養(yǎng)護方案。主要采用的經(jīng)濟分析方法有現(xiàn)值法、年費用法，并建立了養(yǎng)護費用模型、用戶費用模型等來分析。文獻中采用了費用—效益邊際分析法，對不同的養(yǎng)護方案的投資分配和不同的修復方案進行效益分析。建立了包括管理部分費用、用戶費用、外部費用的費用模型，并設定合理的折現(xiàn)率，進行轉(zhuǎn)換比較。利用費用現(xiàn)值和效益現(xiàn)值作為經(jīng)濟分析的評價指標。文獻中在確定最佳的養(yǎng)護方案時，利用一些經(jīng)濟模型預測各個養(yǎng)護方案的時間費用、道路總用戶費用和道路的養(yǎng)護費用等。根據(jù)預測結(jié)果和工程技術(shù)經(jīng)濟指標，計算得到各個養(yǎng)護方案的效益凈現(xiàn)值NPV或效益費用比BCR，來確定道路的最佳養(yǎng)護方案。最后，還利用敏感分析和風險分析，得到影響NPV或BCR值的重要參數(shù)。文獻中論述了運用年度等額費用法、凈現(xiàn)值法、投資回收期法、效益費用比法、內(nèi)部收益率法等工程經(jīng)濟分析的方法，并分析各自的優(yōu)缺點，以便獲得最優(yōu)的養(yǎng)護決策。同時，為了確定最優(yōu)的養(yǎng)護措施和最佳的養(yǎng)護時機和順序，又進行了經(jīng)濟效益分析，主要通過計算成本和效益來實現(xiàn)。

2.4 其他方法

隨著路面管理系統(tǒng)的應用和推廣，工程經(jīng)濟分析方法被廣泛的應用于項目級道路的養(yǎng)護決策分析中，其中主要的還是排序法和決策樹法。除此之外，各種數(shù)學規(guī)劃的方法也得到了應用，如線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃、馬爾可夫決策規(guī)劃等等。另外，還可采用人工智能的方法彌補數(shù)學規(guī)劃模型解的不穩(wěn)定性，即可以優(yōu)化決策，主要有遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊集理論、灰色系統(tǒng)理論等等。

3 結(jié)語

(1)建立對現(xiàn)有水泥混凝土路面的性能進行評價的模型主要目的是為了調(diào)查確定路面的損壞類型及原因，確定路面的各個路面的檢測指標值，通過路面的評價模型，提出推薦的具體養(yǎng)護措施，為公路的養(yǎng)護管理部門進行養(yǎng)護決策提供依據(jù)。文中列出的一些評價模型，因考慮和側(cè)重的評價指標不同，因而存在各自的優(yōu)缺點。但是，隨著科技的進步和研究的不斷深入，使得對路面的現(xiàn)有性能評價更加準確，能夠更好的為養(yǎng)護管理部門進行養(yǎng)護決策。

(2)采用排序法的優(yōu)點在于能夠很清楚的確定對所分析道路的影響效果最大的那個評價指標，對于根據(jù)經(jīng)濟指標排序，可以直接確定不同路段的養(yǎng)護次序或不同養(yǎng)護方案的選擇，而缺點是在選擇項目時通常沒有考慮項目之間的效益和實施時間的影響;采用決策樹進行養(yǎng)護決策的優(yōu)點在于能夠很好的利用經(jīng)驗，并且采用的方法也可以很好的適應當?shù)貐^(qū)域的條件，這種方法比較簡單、易于理解和應用。但是，它的缺點也比較明顯，即不能完全考慮影響?zhàn)B護決策的所有因素，且分枝的標準粗、絕對化，也不合適開發(fā)和適用新的處治措施，同時也不能夠?qū)Σ煌酿B(yǎng)護措施進行評價，無法定量的分析決策樹提供的方法是最優(yōu)、最合理的;在養(yǎng)護決策過程中，利用經(jīng)濟分析的方法，能夠準確的計算出各個養(yǎng)護方案的費用及效益問題，更好的評價養(yǎng)護措施的好壞，可以定量的分析方法的合理性。但是，采用定量的分析方法的話，就會加大計算的麻煩。

(3)通過對一些文獻中涉及的有關(guān)養(yǎng)護決策方法和模型的分析，總結(jié)了水泥混凝土路面養(yǎng)護決策的過程。綜合各篇文獻的分析，進而得出了進行水泥混凝土路面養(yǎng)護決策的過程中應該將各個方法綜合運用，以便使養(yǎng)護決策過程能夠準確的確定最佳的養(yǎng)護措施。

(4)對于道路的養(yǎng)護管理部門來說，應根據(jù)道路的等級、路面的使用性能、經(jīng)濟條件等綜合因素，確定最佳的養(yǎng)護時機，采用排序法和決策樹的方法并結(jié)合經(jīng)濟學分析方法，以最優(yōu)化的方式利用有限的資金，做出正確合理的養(yǎng)護，能使路面的使用壽命得到延長，同時也能夠提高路面的使用性能，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

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