基于交通軸載數據的校驗與模型建立

王 雨， 陸 韜

(浙江省交通集團檢測科技有限公司， 杭州 310000)

交通荷載是影響路面使用性能與壽命的關鍵因素之一，不同類型與軸重的車輛會產生不同級別的軸載，交通荷載的大小直接決定病害的發展程度與速度。因此，交通荷載已經成為路面設計與養護工作中的一個重要因素[1-3]。

隨著我國經濟社會的發展與高速路網的不斷延伸完善，高速公路上通行車輛的類型日漸復雜，軸載分布情況眾多。我國高速公路采取聯網收費制度，在高速公路網內設置了大量的互通及收費站，形成封閉式路網。聯網收費系統采用稱重系統完整記錄了進出收費站車輛的詳細稱重信息，為建立路網的交通量與軸載參數信息提供了強大的數據支持[4-5]。

我國早期路面結構設計中，多根據以往少量的調查數據分析確定各類車輛代表車型的軸重典型值，再利用當量軸載換算公式將混合交通換算成當量軸載作用次數，易導致計算得到的當量軸載作用次數不能很好地反映實際情況[6-7]。

本文選取某省一段高速公路作為研究對象，利用高速公路聯網計費稱重系統采集到的車輛類型及軸重等相關數據進行當量軸載換算，進行交通荷載參數分析，提出缺失軸載數據的還原方法，建立基于貝葉斯理論的計重收費軸載數據計算模型，計算確定軸載譜和當量軸載換算系數，從而更客觀、精確地反映交通荷載特性，為路面結構設計、養護與營運工作提供更精確客觀的交通荷載特性數據[8-11]。

1 軸載數據采集

1.1 數據采集架構與傳輸

軸載數據采集依托于智慧高速的營運數據采集系統，該系統分3層架構，自下而上分別為：收費站—公司—集團，最終匯集至智慧高速數據庫。

軸載數據傳輸策略分為3種，分別為：1) 整表傳輸，主要傳輸營運系統基礎數據；2) 實時傳輸，主要傳輸一些實時數據；3) 增量傳輸，主要傳輸統計分析數據及非實時性數據。

1.2 數據采集內容

營運數據采集系統的數據主要為基礎數據與業務數據。基礎數據包括高速公路、公司、收費站、收費車道等基礎信息，業務數據包括入口車道原始過車記錄、出口車道原始過車記錄、軸載原始記錄、流量等業務信息[12-13]。

2 軸載數據整理

2.1 完整性校驗與格式統一

原始營運數據傳輸至智慧高速數據庫后，需對收費站采集的原始營運記錄完整性進行校核。采用收費站出入口數據對比的校驗方法，校核內容主要包括出入口車道原始記錄數量與出口原始記錄收費總金額是否一致。

計重收費數據格式的統一有助于后續數據分析。根據國家標準用數字編號給每類軸型命名，該省公路網中車輛的軸型主要有7種，軸型與編號的對應關系見表1。在本研究中，編號3、4、6三種軸型占比極低，因此對其做以下處理：將編號3、4轉化為編號5，編號6轉化為編號7進行分析。

現行JTG D50—2017《公路瀝青路面設計規范》提出了車輛類型的分類方法，具體共11類，見表2。

在當量軸載換算過程中，每個軸型都有一個不同的軸組系數與之對應。本文通過對車輛軸數、車輛種類、各軸重量的分布情況等進行分析，并參考表2車輛分類方法，確定出車輛類型。其中1類車型較輕，對路面造成的損害較小，本文不考慮其影響。

表1 軸型分類

表2 車輛類型分類[14-15]

在營運系統采集的信息中，車輛信息數據主要存儲在入口車道、出口車道原始過車記錄、軸載原始記錄中。其中，出口記錄的車道編號、日期、流水號為組合關鍵詞，依次對應軸載記錄中的車道編號、日期、流水號，從而實現2個記錄的關聯；入出口記錄的所屬路段、路段區間、行駛方向通過二義性路徑計算得出；出口記錄的車輛類型通過軸載記錄計算得出；軸載記錄的車輛類型通過出口記錄的車輛類型得出；軸載記錄的軸載區間通過單軸軸重計算得出。對營運系統采集的數據進行格式統一，以便后續分析。

2.2 無效數據清洗

受前端稱重設備誤差、收費模式(客車不稱重)的限制以及JTG D50—2017《公路瀝青路面設計規范》的要求，營運系統采集的數據存在部分無效數據[16]，主要包括：

1) 1類車數據。根據JTG D50—2017《公路瀝青路面設計規范》，只分析2類～11類車輛，因此，在出口記錄和軸載記錄中將1類車相關數據清洗剔除。

2) 軸型不符數據。在軸載記錄中，如軸型未正確識別，則標記為0，需將這部分數據清除，同時清除出口記錄中的對應數據。

3) 車輛類型不符數據。根據軸載記錄判別車輛類型，如車輛類型在規范規定分類之外，則需清除，同時清除出口記錄中的對應數據。

4) 軸重異常數據。根據規范眼球，在軸載數據中，如出現單個軸組的軸重數據超出該軸型最大區間，則需清除，同時清除出口記錄中的對應數據。

5) 軸載記錄缺失數據。客車車輛在現行的收費模式中不采用計重收費模式，因此，在出口記錄中無法獲得全部客車的軸載數據記錄。針對這部分數據的處理方法不是簡單的清除，而是保留出口記錄，根據比例進行還原。除此之外，內部工程車等特殊車輛因不收費也存在軸載數據缺失的情況，這部分數據也需清除。

3 軸載數據計算模型建立

以某省已建成通車的高速的公路甲為研究對象，經收集智慧高速數據庫中該路的相關數據，得到其在各收費站點完整的車輛出、入口信息。利用前文提到的方法對軸載數據進行整理與格式統一，依據現行JTG D50—2017《公路瀝青路面設計規范》中軸載數據的計算方法，基于貝葉斯理論，通過計算機編程建立相應的計算模型，實現對車輛類型分布系數、軸載分布系數、當量軸載換算系數等參數的分析計算。

3.1 車道系數

車道系數指某一車道上2類～11類車輛數量在該方向上2類～11類車輛數量中所占比例。根據JTG D50—2017《公路瀝青路面設計規范》，并結合高速公路甲的實際情況，確定車道系數取0.8。

3.2 車輛類型分布系數

車輛類型分布系數是指2類～11類車輛中，各類型車輛的數量在2類～11類所有車輛數量中所占比例。基于高速公路甲上行方向搜集的完整軸載信息數據，計算了其上行方向每種車型的數量所占百分比，見表3。

3.3 平均軸數

由于同一車型其軸載組成方式可能不同，為了計算各類型車型的平均軸數，必須對各類型車輛的軸載組成進行全面分析。本文以高速公路甲上行A-B段為例，利用計重收費系統采集的車道上車輛類型、軸型組成和軸重數據，分別計算了高速公路甲上行方向各類車輛中不同軸型的平均軸數，見表4。

表3 車型數量占比

表4 高速公路甲(A-B段)各類車輛不同軸型的平均軸數

3.4 軸重分布系數

軸重分布系數是針對固定車型和軸型，軸重位于某一軸重區間的軸數占總軸數的百分比。在確定軸重分布系數前，需給每種軸型配置適當的軸重間隔，合理把握精確性與繁瑣性之間的平衡，使得既要滿足設計分析的精確要求，又要便于計算分析。根據現行JTG D50—2017《公路瀝青路面設計規范》，確定軸載譜，給每種軸型配置適當的軸重間隔，單軸單胎、單軸雙胎、雙聯軸和三聯軸分別間隔2.5 kN、4.5 kN、9.0 kN、13.5 kN劃分軸重區間，按照該軸重間隔，計算高速公路甲A-B段上行方向各類車輛不同軸型的軸重分布系數。

3.5 當量軸載換算系數

當已知各類車輛和各種軸型的軸載譜時，采用以下公式計算各類車輛的當量軸載換算系數：

(1)

式中：EALFm為m類車輛的當量設計軸載換算系數；NAPTmi為m類車輛i種軸型的平均軸數；EALFmij為m類車輛i種軸型在j級軸重區間的當量軸載換算系數；ALDFmij為m類車輛i種軸型在j級軸重區間的軸重分布系數；m的取值為2類～11類車；i的取值分別為單軸單胎、單軸雙胎、雙聯軸、三聯軸。

根據式(1)計算各種軸型在不同軸重區間的當量軸載換算系數時，取各軸重區間中點值作為該軸重區間代表軸重：

(2)

式中：Ps為m類車輛i種軸型在j級軸重區間的單軸軸載，對于雙聯軸和三聯軸，為平均分配到每根單軸的軸載；b為換算指數，分析瀝青混合料層疲勞和瀝青混合料層永久變形時，b=4；c1為軸組系數，雙聯軸取2.1，三聯軸取3.2；c2為輪組系數，雙輪組取1.0，單輪時取4.5。

通過計算得出高速公路甲上行方向A-B段的當量設計軸載換算系數，結果見表5。

表5 各類車輛的當量設計軸載換算系數

根據表5中計算得出的各類車輛當量設計軸載換算系數，按式(3)計算初始年設計車道日平均當量軸次。

N1=AADTT×DDF×LDF×

(3)

式中：AADTT為2軸6輪及以上車輛的雙向年平均日交通量，輛/d；DDF為方向系數；LDF為車道系數；m為車輛類型編號；VCDFm為m類車輛類型分布系數。

根據初始年設計車道日平均當量軸次N1、設計使用年限等，按式(4)計算設計車道上的當量設計軸載累計作用次數Ne。

(4)

式中：Ne為設計使用年限內設計車道上的當量設計軸載累計作用次數；t為設計使用年限；γ為設計使用年限內交通量的年平均增長率；N1為初始年設計車道日平均當量軸次，次/d。

通過計算得出高速公路甲上行方向A-B段的設計軸載累計作用次數，結果見表6。

表6 當量軸載作用次數

4 缺失軸載數據挖掘

4.1 數據還原方法

前文已針對高速公路甲上行方向A-B段，建立了基于軸載數據完整情況下的計重收費軸載數據計算模型，但因高速公路管轄所屬不同，會造成軸載數據缺失問題。以某年度高速公路甲下行方向B-A段為例，現階段收費站軸載信息獲取率僅為40.9%，無法精確計算和反映實際軸載情況，因此，需采取有效方法對缺失的軸載數據進行挖掘。

本文基于車輛檔案的數據還原方法，利用大數據平臺的分析能力，為車輛建立車輛軸型檔案，并利用車輛軸型檔案對缺失數據進行挖掘補充。基本實施方法如下：

1) 利用大數據平臺分析處理能力，根據車牌對所有軸載數據進行分析，建立車輛的軸型檔案，包含車牌、車輛類型、軸序號、軸型、加權平均軸重、軸載區間等信息；2) 獲取該年度可能經過A-B段的所有入口記錄；3) 清除該年度不經過A-B段的所有入口記錄；4) 獲取該年度下行方向經過B-A段的部分車輛的軸載記錄；5) 補充該年度下行方向經過B-A段車輛的缺失記錄，并根據入口記錄的車牌和車輛軸型進行補全和還原；6) 根據完整數據的模型計算補全后的軸載數據。

4.2 實例應用分析

以高速公路甲下行方向B-A段為例：該年度A、B兩個收費站之間所有收費站入口記錄獲取數量共計7 862 068條，同時匹配到此區間內的4 385 542條出口記錄，表明最終有3 476 526輛車經過了B-A收費站。根據集團智慧高速數據庫內所有收費站的出口和軸載數據，共獲取到1 422 071條數據，其中1類車1 251 083條，2類及以上169 536條，軸型錯誤數據1 442條，其余不在集團管轄內收費站出高速的車輛數據需要進行還原，總量為2 054 455條，其中2類及以上共1 250 695條記錄，車牌識別錯誤記錄為100 108條，錯誤率8%。對1 150 587條正常車牌記錄進行車輛檔案關聯后，成功關聯1 006 461條記錄，成功率87.4%，其中1類車數據829 398條，2類及以上數據177 063條。最終獲取高速公路甲下行方向B-A段軸載記錄346 599條，相比于上行方向A-B段419 780條記錄，基本處于同一流量水平，滿足模型計算要求。

通過計算得出高速公路甲下行方向B-A段的設計軸載累計作用次數，結果見表7。

表7 當量軸載作用次數

5 結束語

本文以某省一段高速公路甲雙向A-B段沿線收費站計重軸載數據為基礎，利用計算機編程，研究建立了計重收費軸載數據的計算模型，得到以下認識：

1) 基于智慧高速營運數據采集系統和軸載原始記錄等，進行整理和校核，統一數據格式，剔除無效數據，提出了關于計重收費軸載數據的采集要素與數據完整性的校驗方法，確立了5類無效數據的清洗原則。

2) 圍繞已通車高速公路，建立車輛軸型檔案庫，對車輛歷史軸載數據進行收集整理。依據現行JTG D50—2017《公路瀝青路面設計規范》，基于貝葉斯理論建立軸載計算模型，得到當量設計軸載累計作用次數。

3) 提出車輛缺失軸載數據的還原方法，對因高速公路運營管轄所屬不同所造成的軸載缺失數據進行有效補充和完善。