普通公路瀝青路面預防養護決策方法與流程探討

摘要 公路建設、預防、養護和維修之間相輔相成，關系密切。在路網建設不斷加速的基礎上，公路養護技術不斷更新，管理部門對公路預防性養護的關注高度提升，公路養護也從壞路維修開始向提前預判轉變?；诖?，文章論述了普通公路瀝青路面預防養護決策方法，總結了預防養護決策流程，具體包括預防養護路段篩選、預防養護路段排序、選擇養護方案和養護方案的優化四個階段，旨在為同行提供借鑒。

關鍵詞 普通公路；瀝青路面；預防養護；養護方案決策；養護流程

中圖分類號 U418.6 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）06-0059-03

0 引言

公路建成通車后，在溫濕度和交通荷載等因素影響下，路面結構性能降低，導致行車安全性和舒適性不足，瀝青路面預防養護決策應根據路面使用性能、道路等級和養護資金等因素，綜合制定養護策略，以實現公路養護的過程。如何在有限的資金保障內選用最佳的養護方案，以提高養護目標路段的質量是路面養護決策的重點，而養護方案選擇、養護方案優化和養護路段排序是決定養護策略科學性的關鍵[1]。

1 瀝青路面預防養護決策方法

1.1 決策樹

決策樹采用樹結構將路面性能、病害狀況和道路等級等影響因素標注出來，根據其影響程度，采用分支細化的方式加以描述，在分支末端畫出可能執行的養護方案，并綜合分析各種條件限制[2]。決策樹法具備簡便、直觀和易理解等特征，將地區特征和人的主觀觀念有機融合，在路面管理系統中應用廣泛。

1.2 排序法

排序法的基本工作流程：確定項目養護需求和實踐，結合約束性指標獲取凈現值和效益費用比等核心數據，對養護路況的經濟指標加以換算，結合計算結果進行決策排序。排序法在具體應用的過程中將經濟參數和使用性能作為評價因素，僅適用于項目級別，未將項目實施時間和項目間效益影響因素考慮在內，不同區域可能采用的影響因子存在顯著差異[3]。

1.3 優化決策法

優化決策法貫穿于路面養護全周期，是以項目凈效益最大為目標，通過策略優化實現資源充分利用，以改善服務水平的方法，通過決策優化滿足路面管理需求。優化決策法最常用方法包括靜態優化法、動態優化法兩種，靜態優化法以路面養護后路面性能為基礎，通過對其性能變化規律分析，分析養護對策的順序及其可行性，通過比較不同方案效益和成本關系，選擇最佳的方案作為最優。動態優化法則采用最優子策略的方案進行問題分析，通過化繁為簡的方式按照相關順序解決子問題后再將最優決策方案優化組合構成最終的解決策略。

1.4 人工智能法

人工智能法是路面養護決策中常用策略之一，包括遺傳算法、粒子群算法和神經網絡法等。

2 瀝青路面預防養護決策流程

瀝青路面預防養護決策的基本流程包括預防養護路段選擇、路段優先排序、養護方案確定和養護方案優化。詳細流程如圖1所示。

2.1 養護需求及養護時間

2.1.1 養護需求

路面養護決策前，根據項目需求特點制定合理的養護決策，同時結合PCI、PSSI、PQI、RQI等技術指標確定養護方案，通過對性能指標的科學評價，對預測結果和養護標準值進行比對，確保養護方案能夠達到預期要求，使其滿足年度養護方案標準。

2.1.2 養護時間

選擇合理的養護技術方案能夠盡早識別路面狀態，但是容易導致過度養護的問題。如果預防養護技術應用不及時，則會導致路面病害持續發展，并最終使路面結構受損，超出養護范圍，增加矯正養護成本，降低公路使用壽命。養護上限和養護下限為預防養護的兩個標準，預防養護需要在預防養護上限和預防養護下限范圍內進行。矯正性能的養護標準，則需滿足路面使用性能低于下限值，確保養護效果達標。

設定PCI降低為養護標準上限的時間為t1，設定RQI降低至養護標準上限的時間為t2，設定PCI和RQI降低至養護標準下限的時間為t3和t4，結合相關材料可知，路段養護度降低至75對應的時間為T，則對應的預防養護節點為：①當min{t1，t2}lt;T，min{t3，t4}lt;T則養護時間為[min{t1，t2}lt;T，min{t3，t4}lt;T]；②當min{t1，t2}gt;T，min{t3，t4}≥T，則養護時間為[min{t1，t2}lt;T，T]；③min

{t1，t2}≥T，則路段需要采取矯正性養護。

2.2 養護方案選擇

現行養護規范，對養護方案的具體實施情況做出了明確規范，根據相關標準，公路養護方案的選擇應當結合道路實際情況合理選擇，綜合分析道路等級、荷載狀況和病害因素等，在滿足道路性能的基礎上堅持安全、經濟、環保的核心理念，通過對技術因素、經濟因素和工程因素的統籌分析達到預期效果。

2.3 瀝青路面預防養護方案優化

瀝青路面養護需要在可行性分析的基礎上加強養護方案的性價比分析，通過技術指標分析，并結合道路等級、交通荷載、病害狀況等數據選擇最佳的項目方案。常見瀝青路面養護可用資金和人力資源有限，無法滿足所有項目路段的養護需求，故多將養護決策應用于路況最差的路段以改善其使用性能，但是這種決策方案的科學性不足，必須通過對養護路段優先順序的合理排序，才能提高預防養護方案的合理性，該文采用灰色關聯度對路段養護排序進行了優化。

2.3.1 路段排序優化

灰色關聯度通過線性差值將離散的目標觀測數據轉變為分段連續折線，從而構建符合構造關系的折線圖搭建關聯模型，對樣本量沒有特殊要求，計算量小，其量化結果多與定性分析保持一致。折線幾何形狀和關聯度關系密切，折線與幾何形狀越接近，數據之間的內在關聯性越高。該文通過對養護方案和理想方案關聯度的分析，通過內在關聯度的大小，確定養護方案的優先權和可行性。

2.3.2 決策矩陣

假定計劃養護路段和影響養護路段使用性能的因素分別用m和n表示，則記憶決策矩陣A可以用公式（1）表達：A=（aij）m×n （1）

式中，aij——指標j對應的i路段的數值。

2.3.3 評價矩陣

矩陣評價的指標包括成本和效益。一般情況下成本值越低其效益越高，路段養護排序優先度越高，其使用性能越突出。路面使用性能以效益型表示。

記最大效益值為a0j：a0j=max{aij} （2）

及最小成本值為a1j：a1j=max{aij} （3）

理想方案向量A0=（a01，a02，…，a0n）將加入決策矩陣A，則評價矩陣B。

A=（aij）（m+1）×n （4）

2.3.4 將評價矩陣規范化

效益型： （5）

成本型： （6）

規范化矩陣：X=（xij）（m+1）×n （7）

式中，i=1，2，…，m，j=1，2，…，n。

2.3.5 關聯度系數

理想向量用X0j=（1，1…1）表示，將其作為母序列，養護路段作為子序列用Xi=（xi1，xi2，…，xin）表示，則子序列和母序列的第j個指標對應的關聯度rij用公式（8）表達：

rij= （8）

式中，ζ——分辨系數，一般為0.5。

2.3.6 加權關聯度

關聯度矩陣：R=（rij）m×n （9）

加權關聯度： （10）

加權關聯度用來描述養護路段和最佳養護方案之間的關聯度，該數值越大，表明對應路段的使用性能越高，該數值越小，則表明該路段路面使用性能越小，并由此判斷需要優先養護的路段順序。以層次分析法為基礎的優化決策在特定條件限制下，如資金有限的情況下需要綜合考慮經濟因素、技術因素和用戶因素等選用瀝青路面預防養護方案。通過對方案的可行性和科學性分析，最終該文確定了的層次分析法（AHP）進行養護決策優化。采用層次分析法將相關問題分解成不同要素，按照分配關系構建層次結構體系，比較不同層次之間的內在關聯并共同為決策目標提供參考。AHP決策模擬人的決策思維，采取定性分析和定量研究相結合的策略，探究解決問題的最佳方案。AHP具備靈活性的特點，在瀝青路面預防養護措施優化過程中得到了廣泛的應用，采用AHP方案進行預防養護決策的步驟如下：

（1）構造決策層次：對不同措施決策進行系統性分析，根據各自關系構建層次關系，明確方案層、目標層、準測層和子準則層等。

（2）元素間比較構建判斷矩陣：對養護決策系統的相關要素進行逐層分析，明確各層權重后對每一層要素進行反復計算，并判斷Bj要素重要性（即權重），根據Bj權重構建判斷矩陣：

可將判斷矩陣寫為：A=（aij）m×n （11）

式中，aij——要素Bi；Bj——Ck準則的相對重要性之比。

（12）

式中，wi，wj——Xi的屬性權重。采用1～9標度法進行不同要素權重值的兩兩比較，詳見表1。

判斷矩陣的元素具備傳遞性，詳見式（13）：

aijajk=aik （13）

（3）對矩陣A的正互反矩陣加以判斷：

（14）

（4）判斷矩陣構造：需要考慮客觀事物的復雜性，充分認識到相關事務的多樣性和標度限制，從而進行判斷矩陣的一致性判斷和檢驗。首先，進行一致性指標CI的分析，并進行平均隨機一致性指標的RI對應；其次，進行一致性比例CR的計算，當CRlt;0.1時，矩陣基本符合一致性要求，若不滿足上述條件則對矩陣進行重新調整。結合公式（15），當λmax=n時，CI=0，CR=0，認定判斷矩陣具備完全一致性。

（15）

式中，λmax——矩陣A中的最大特征值。

（16）

（5）單一排列情況下權重向量一致性檢驗。此情形下的權重計算方法包括最小二乘法、特征根法和法、根法、對數最小二乘法等。該文選用相對簡單的算法進行判斷，假定相對權重用w=（w1，w2，…，wn）來表示，通過矩陣來完成一致性的檢驗，對應的計算公式如下所示。如果當CRlt;0.1時，認定判斷矩陣符合一致性要求。

（17）

（18）

（6）排序優選和一致性檢驗。進行相應準則下權重向量的計算，通過單規則下權重大小的判斷獲取總排序權重向量指標，并在基礎上實現預防養護方案的優化，為最終方案的制定提供參考?？偱判驒嘀叵蛄康挠嬎闱闆r如下所示。

1）第k?1層元素nk?1對應的目標層總排序向量及第k層元素nk量相對j元素的單排序向量如公式（19）和（20）所示：

w（k?1）=（w1（k?1），w2（k?1），…，wn（k?1）） （19）

（20）

2）計算k層元素對應的目標總排序，詳情如下：

（21）

3）進行分量換算并完成從上到下的總排序權重向量一致性檢驗，詳見公式（22）和（23）：

（j=1，2…，n） （22）

（23）

當CR（k）lt;0.1時，則認定k層水平以上遞階層次結構的判斷矩陣一致性水平較高，需要對判斷矩陣進行重新調整。

3 結論

該文對普通公路瀝青路面預防養護決策的相關內容進行了分析，并詳細闡述了決策策略，按照養護路段篩選、預防養護路段排序、方案選擇和方案優化的流程選擇最佳的方案。預防養護決策流程優化需要采用路面性能指標進行初步預測，選擇出需要進行養護的路段，再按照相關原則進行優先順序的排列，采用灰色加權關聯度指標對其優先度加以排序，關聯加權度越高，其養護優先順序越低。最后結合預防養護技術特征進行對策庫的初選，將相關決策作為備選方案，借助層次分析法構建決策模型，對養護決策方案可行性進行分析，通過對備選方案的權重值比較后獲取最佳養護方案。

參考文獻

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[2]馮玉榮， 胡勇. 基于綜合法瀝青路面宏觀路況養護標準研究[J]. 市政技術， 2022（12）： 14-18.

[3]李丁. 纖維瀝青碎石封層技術在公路瀝青路面養護中的應用[J]. 交通世界， 2022（34）： 80-82.