某普通國省干線項目的路面性能養護預測系統研究

張 瑞

（山西省公路局晉中分局,山西 晉中 030600）

0 引言

國省干線公路交通量、載重量較大，極易產生質量病害，嚴重影響道路使用性能，威脅行車安全，對道路養護提出了更高的要求。要有效提高道路養護質量，全面掌握道路路用性能衰變規律尤為重要。為此，該文根據某國省干線公路實際情況，通過對日常養護及修復養護路段路用性能衰變情況調查研究，研發了路用性能預測系統，對提升國省干線公路養護水平、保證道路養護質量，具有重要意義[1]。

1 路面養護類型

按照現行《公路工程養護技術規程》相關規定，現階段，我國的公路工程路面養護形式發生較大變化，由日常養護、預防性養護、維修養護、專項養護等取代最初的小、中、大修及改建工程等養護形式[2]。

2 日常養護路段

針對道路日常養護路段采用性能衰變模式實施分析，主要理論為：選取某國省干線道路作為分析目標，根據路面形式、交通量大小等各個方面實施歸類并構建公路養護模型，探究路面使用性能具體影響因素[3]。

2.1 衰變模式分析

根據對該工程路面質量狀況檢測評定結果，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建道路路用性能指標IPPI（道路破損指標IPCI、道路行車性能指標IRQI）與時長y之間的關系式，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，后期加強養護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IPPI與α、β密切相關，即α、β直接決定IPCI、IRQI衰變情況。該文從路面形式、交通量兩方面著手進行系統分析，最終確定利用表1 公式進行迭代計算。

2.2 模型參數分級

按照“該省公路項目基本狀況明細表”，并根據現場實際勘查信息，對路面形式、交通量等相關影響因素實施分級，將該省普通國省干線公路工程整體分成507區段，總長度16 159.481 km。

（1）自然區劃分級：根據各區域氣候條件不同、道路長度、道路級別及面層厚度等各方面條件，將6 個二級自然區級1 個二級自然副區統一歸為四類區劃（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，水泥板面厚度位于20～30 cm 范圍內，具體情況如圖5 所示。瀝青面層厚度分級標準為各級別范圍內包含足夠的數據量，且必須涵蓋四類區劃。但由于水泥路面在各種區劃內長度較短，且區段少、較分散，因此將各種區劃范圍內全部水泥面板厚度列為同一等級。

圖5 面層（面板）厚度分布

（3）基層種類劃分：該公路工程項目，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施探究。

（4）交通量劃分：根據該公路工程實際情況，科學布設監測點，對道路交通量實施觀測，共計布設443 個測點，按照當地交通管理部門出具的《公路日平均交通量報表》，汽車當量數CAADT以當前計費車輛劃分標準實施換算。經綜合分類與統計，根據四類區劃內交通量基本狀況，將其劃分成A、B、C、D 四個等級，詳細情況如表2 所示。

表2 交通量分級

2.3 模型參數標定

按照《公路工程技術狀況評價標準》及該公路項目2010—2020年間路面技術狀況評價中IPCI與IRQI相關信息，根據參數對上述各種相關因素實施分級，并通過Origin系統建立函數模型實施回歸分析，采用相關系數、p值來表示方程擬合偏度及顯著性[5]。

3 修復養護路段

根據本省國省干線公路2019—2022 年間養護基本情況，選取148 個養護路段，對其道路路用性能（IPQI）實施檢測并詳細記錄檢測數據，全面分析養護后路面IPQI值。

檢測結果顯示，所有測得的IPQI結果中，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、較對稱的分布趨勢，具體如圖6 所示。

圖6 2019—2022 年養護項目完工后首次路面檢測IPQI 分布直方圖

對樣本偏度、峰值實施計算分析，驗證其是否呈正態分布。按照顯著性程度a=0.1，假定整體呈正態分布，通過數值運算，樣本中心距B2=0.393 4，B3=0.071 8，B4=0.365 4，其偏度、峰值觀測值依次為bs=0.290 8、bk=2.361 4，通過計算得到|u1|=1.474 0＜Z0.025=1.96，|u2|=1.562 7＜Z0.025=1.96，與假設一致，表明樣本符合正態分布。

按照極大似然估計法，正態分布整體均值μ最大估算量為以道路養護完畢首次測得的IPQI值作為正態分布均值97.2，隨后道路每年路用性能衰變狀況與日常養護路段保持一致。

4 系統開發

4.1 功能需求

該國省干線公路路用性能預測系統需具備信息展示及搜索、衰變計算、參數測定等功能。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表”及“××年度某省國省干線公路路面技術狀況評價表”上傳至系統內部，系統自行對表中信息實施歸類并將其展現出來，使用者能夠按照道路編碼實施搜索。

（2）衰變計算。系統根據自身需求自動獲取相關信息，當數據信息符合計算標準后，搜索相應的衰變模型實施數值模擬計算，并采用excel 表格統計相關數據。應特別強調的時excel 文件格式應與評定表格保持一致。

（3）參數設定。使用者可根據實際情況對系統內提前設置的四種衰變模式技術參數實施優化。其相關參數應儲存至系統文件內。

4.2 系統實現

該國省干線公路路用性能預測系統主要是建立在Windows10 系統基礎上，利用Python 系統，借助pyside2、QTdesigner、xlrd、openpyxl、configparser 等軟件綜合研發的測試系統，其主要功能模塊劃分情況如圖7所示。

圖7 某省普通國省干線公路路面使用性能預測系統的模塊劃分

5 驗證

根據該省國省干線公路2020 年全線路面質量狀況評定結果，采用該國省干線公路路用性能預測系統對下2021 年度道路質量狀況實施預測。針對2021 年度全省開展養護并完成的310個區段，總里程約2 147.65 km，以“修復養護路段養護完畢首次測得的IPQI值為97.2”實施假設。

針對2021 年度全省開展日常養護路段總里程約10 082.22 km，根據日常養護路段對于自然區劃、面層厚度、交通量分級情況實施IPCI、IPQI預測，并對道路路用性能實施計算，即：IPQI=0.6IPCI+0.4IPQI。然后對實測值與預測值實施比較，求出預測偏差并對模擬機預測系統可靠性實施檢測。研究表明：2021 年IPQI實際測量值與預測值依次為90.09、88.92，相差1.17，偏差為1.3%，預測結果較為準確、可靠。

6 結論

綜上所述，為有效提升道路養護質量，保證國省干線運營安全，延長使用壽命，該文依托實際工程案例，系統探究了路面使用性能養護預測系統，得出如下結論：

根據日常養護路段具體情況，結合路面形式、交通量大小等基本情況，建立評定路面路用性能（IPCI、IPQI）衰變模型并確定了路面路用性能影響因素。

通過道路修復養護路段路用性能（IPQI）檢測分析，確定以道路養護完畢首次測得的IPQI值作為正態分布均值97.2。

利用Python 系統研發某國省干線公路路用性能預測系統，經檢測，IPQI實際測量值與預測值相差1.17，偏差為1.3%，預測結果較為準確、可靠。