路面管理養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)評價(jià)

李 騫 詹 思

(1.中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院福建分院 福建 福州 350003；2.機(jī)械工業(yè)第三設(shè)計(jì)研究院市政一所 中國 重慶 400039)

0 前言

《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》 將路面使用性能PQI 權(quán)重確定為70%，將路基狀況SCI、橋隧構(gòu)造物狀況BCI 和沿線設(shè)施狀況TCI 的權(quán)重分別設(shè)為8%、12%和10%[1]，由此可以看出，路面是重中之重，是公路技術(shù)狀況評價(jià)的核心內(nèi)容，路面在國外許多國家的公路養(yǎng)護(hù)管理工作中占有70%以上的比重，橋隧構(gòu)造物次之，沿線設(shè)施和路基再次之。

國內(nèi)的路面狀況評價(jià)方法是路面使用性能評價(jià)中的一個(gè)分類參數(shù)，并且，在多年的應(yīng)用中，我們發(fā)現(xiàn)目前我國采用的《公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(JTJ073-96)中各相關(guān)的路面狀況分析等各方法都存在一定的缺點(diǎn)，不少科研人員也正致力于對它進(jìn)行改進(jìn)當(dāng)中，此外，國內(nèi)目前研究路況調(diào)查的方法還不太科學(xué)，勞動(dòng)強(qiáng)度太大( 特別是路面破損的調(diào)查)，不適合社會前進(jìn)的方向。 由此可見，發(fā)展適合、科學(xué)的路面性能評定方法是勢在必行。

1 評價(jià)內(nèi)容

1.1 瀝青路面技術(shù)狀況評價(jià)

瀝青路面使用性能評價(jià)包含路面損壞、平整度、車轍、抗滑性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度五項(xiàng)技術(shù)內(nèi)容。 其中，路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為抽樣評定指標(biāo)，單獨(dú)計(jì)算與評定，評定范圍根據(jù)路面大中修養(yǎng)護(hù)需求、路基的地質(zhì)條件等自行確定。

瀝青路面使用性能檢測與調(diào)查方法有：

1.1.1 路面損壞狀況檢測，主要采用人工方法調(diào)查，調(diào)查范圍應(yīng)包含所有行車道，路面破損(PCI)數(shù)據(jù)的采集。

1.1.2 路面平整度檢測，《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》 建議，在條件允許時(shí)宜采用快速和高精度的斷面類檢測設(shè)備，可結(jié)合路面損壞和車轍一并檢測。 單獨(dú)檢測路面平整度時(shí)，宜采用高精度的斷面類檢測設(shè)備。 斷面類設(shè)備：激光儀器，重復(fù)性好，準(zhǔn)確性高。 路面平整度斷面類檢測設(shè)備必須定期標(biāo)定，每年至少標(biāo)定一次，標(biāo)定的相關(guān)系數(shù)應(yīng)大于0.95。

1.1.3 路面車轍檢測，路面車轍宜采用快速檢測設(shè)備，可結(jié)合路面損壞和路面平整度一并檢測。 路面車轍檢測設(shè)備必須定期標(biāo)定，每年至少標(biāo)定一次。 根據(jù)斷面數(shù)據(jù)計(jì)算路面車轍深度（RD），計(jì)算結(jié)果應(yīng)以10m 為單位長期保存。

1.1.4 路面抗滑性能檢測，按照路面紋理深度和路面的表面特性，檢測路面抗滑性能的間接方法，包括微觀構(gòu)造和宏觀構(gòu)造兩方面。 微觀構(gòu)造：表面粗糙度，提供低速行駛＜50km/h時(shí)的抗滑性能。 宏觀構(gòu)造：紋理深度，露骨料間形成的構(gòu)造，使路表水迅速排除，避免形成水膜，在高速行車時(shí)起作用。

1.1.5 路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測，我國路面設(shè)計(jì)和養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)所使用的彎沉指標(biāo)應(yīng)為靜態(tài)回彈彎沉，自動(dòng)檢測時(shí)，宜采用具有可靠數(shù)據(jù)標(biāo)定關(guān)系的自動(dòng)化檢測設(shè)備， 像落錘式自動(dòng)彎沉儀，該檢測結(jié)果能夠換算成我國相關(guān)技術(shù)規(guī)范規(guī)定的回彈彎沉值。該自動(dòng)檢測設(shè)備必須定期標(biāo)定，每年至少標(biāo)定一次。標(biāo)定的相關(guān)系數(shù)不得小于0.95。彎沉檢測數(shù)據(jù)應(yīng)以20m 為單位長期保存。

1.2 物元模型分析法

路面狀況的評定是一個(gè)較為復(fù)雜的過程，目前常用的有層次分析法和模糊數(shù)學(xué)法為代表的系統(tǒng)分析法，在分析路況綜合指標(biāo)與各影響因素互相關(guān)系的基礎(chǔ)上建立的回歸分析法以及灰色理論方法。 長沙理工大學(xué)公路工程學(xué)院王惠勇等人提出的基于模型分析方法的路面狀況綜合評價(jià)，它通過建立多指標(biāo)參數(shù)的質(zhì)量評定模型，并能以定量的數(shù)據(jù)來表示評定的結(jié)果， 同時(shí)引入文獻(xiàn)的方法計(jì)算各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)系數(shù)，從而進(jìn)行較合理、完整地反映路面的額綜合狀況，一定程度上解決了以往路面綜合狀況評價(jià)中所存在的問題，如權(quán)重的不確定性、認(rèn)為因素影響過多等。

1.3 預(yù)測路面狀況的方法

影響路面破壞的因素有很多，它涉及到設(shè)計(jì)、使用等過程中多個(gè)環(huán)節(jié)的多個(gè)因素，而平整度的大小對路面破壞也是有直接影響的， 比如路面的破壞會影響路面的平整度大小，而路面越粗糙也會進(jìn)一步加劇路面的破壞。 因此，平整度之問和路面狀況之間應(yīng)該是有直接關(guān)聯(lián)的。 目前，我國的路面使用性能一般從路面結(jié)構(gòu)方面、路面功能方面、結(jié)構(gòu)承載能力方面、路面安全性四個(gè)方面來進(jìn)行評價(jià)，而普遍采用路面平整度來表征功能性破壞和路面的服務(wù)性能。

在路面檢測的過程中，評價(jià)道路狀況的方法有通常目測法和儀器法，但是這兩種方法都存在不足，因此提出又高效又經(jīng)濟(jì)的評價(jià)方法是各國道路檢測人員努力研究的方向。 美國提出了應(yīng)用國際平整度（IRI）來預(yù)測瀝青路面的狀況的分析方法。 在我國目前的《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中，平整度的檢測評定方法有標(biāo)準(zhǔn)差和最大間隙兩種。

美國羅德島大學(xué)土木與環(huán)境工程系的Kyungwon Park，Natacha E.T homas，Ph.D PE 等人采用下面的計(jì)算方法直接應(yīng)用IRI 來計(jì)算路面狀況指數(shù)PCI。 也即：給定IRI 值，則可以求出PCI 值，其回歸公式為：

PCI = K1IRI

式中K1，K2 代表相互獨(dú)立變化的回歸系數(shù)和指數(shù)；將公式變換成對數(shù)公式,即為：

log PCI = log Kl ＋K2log lRl

給定其邊界條件為：當(dāng)IRI 達(dá)到最大值0.727 時(shí)，PC1 達(dá)到最大值100。 如此， 這樣就引入一個(gè)新的自變量log(IRI／0.727)，規(guī)定零截距的值為2。 那么,公式變?yōu)椋?/p>

log PCI=2 ＋K2log (IRI/0.727)

模型參數(shù)采用最小二乘法來進(jìn)行估算，要注意的是當(dāng)因變量進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，保證殘差滿足正態(tài)分布和同方差性。路面狀況評定的發(fā)展方向建議：

（1）形成完善的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，路面功能性破壞和結(jié)構(gòu)性破壞中各參數(shù)之間是有相互關(guān)聯(lián)的，而構(gòu)造這些參數(shù)之間的模型也是依耐于大量精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)資源，另外，軟件系統(tǒng)的開發(fā)是基于大量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的。 因此，形成完善的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是形成簡化評定方法中的第一步，也是形成科學(xué)路面管理系統(tǒng)不可缺少的一部分。 而在我國，路面的狀況等數(shù)據(jù)還沒有得到統(tǒng)一的規(guī)范管理。 因此形成完善的路面具體狀況數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是十分有意義的。

（2）完善路面設(shè)計(jì)體系，現(xiàn)階段的路面狀況指標(biāo)，不論是路面結(jié)構(gòu)性方面還是在路面功能性方面，在大部分國家僅是一個(gè)施工驗(yàn)收控制指標(biāo)，即只能從竣工驗(yàn)收后的使用功能方面來加以評價(jià)，而沒有從設(shè)計(jì)的開始階段給出具體的控制指標(biāo)來加以控制。 因此，這將是目前的路面設(shè)計(jì)體系中急需要改進(jìn)的方面之一。

1.4 模糊綜合評判在瀝青路面狀況評價(jià)中的應(yīng)用

針對目前路面狀況評價(jià)方法的不足，從影響路面狀況的因素出發(fā)，以定性和定量相結(jié)合的思想為指導(dǎo)，采用模糊綜合評判與層次分析法對路面狀況進(jìn)行評價(jià)，具有應(yīng)用價(jià)值。

模糊綜合模型的建立[2]：

（1）因素集的確定：因素集U 是以影響評判對象的所有因素組成的一個(gè)普通集合。 針對瀝青路面受多方面因素影響的特點(diǎn)，通過分析得出瀝青路面狀況評價(jià)因素集U={ U I (材料) ，U2(路面設(shè)計(jì)參數(shù)) ，U3(施工工藝條件)，U4(行車荷載)，U5(自然環(huán)境)，U6(養(yǎng)護(hù)狀況)}，其中各個(gè)因素子集還可以根據(jù)不同情況具體劃分。

（2）建立備擇集：備擇集V 是對評判對象可能作出各種評判集合的總體。 這里取路面狀況評價(jià)集V={優(yōu)，良，一般，差}。

（3）權(quán)重集的確定： 一般來說，各因素的重要程度不盡相同。 為了反映各因素的重要程度， 對各因素賦予相應(yīng)的權(quán)數(shù)αi(i=1，2，…，m)，由各權(quán)數(shù)組成的集合叫權(quán)重集。 權(quán)重集通常采用專家評定或?qū)哟畏治龇▉泶_定。

（4）一級模糊綜合評判：一級模糊綜合評判即綜合一個(gè)因素的各個(gè)等級對評判對象取值的貢獻(xiàn)做出的一種單因素評判。設(shè)UijK對備擇集中的第l 個(gè)等級的隸屬度為rijkl，則因素Uij的評判矩陣為Rij=[rijkl]pq， 則一級模糊綜合評判集：Bij=Aij·Rij。

（5）二級模糊綜合評判：二級模糊綜合評判即按因素子集Ui的所有因素Uijk進(jìn)行模糊綜合評判。 Ui的單因素評價(jià)矩陣Ri即為一級模糊綜合評判集Bij即Ri=(B1，B2…，Bm)， 二級模糊綜合評判集為Bi=Ai·Ri。

（6）三級模糊綜合評判：三級綜合評判即對Ui 進(jìn)行模糊綜合評判。 第i 類的單因素評判集Ri即為二級模糊綜合評判集B，故V 的單因素評判矩陣為R=(B1，B2…，Bm)，則三級模糊綜合評判集為B=A·R。

1.5 基于Matlab 的高速公路瀝青路面狀況評價(jià)模糊決策系統(tǒng)

采用平整度、破損狀況、強(qiáng)度及抗滑系數(shù)4 個(gè)評價(jià)內(nèi)容，建立了基于Matlab—FIS Toolboxes 的高速公路路面狀況評價(jià)的模糊決策系統(tǒng)。 該方法克服了路面狀況評價(jià)決策過程人為因素對評價(jià)結(jié)果的影響，在一定程度上提高了路面狀況評價(jià)的科學(xué)性和適用性。

系統(tǒng)所要建立的模型， 其實(shí)質(zhì)就是用模糊理論的語言，以Matlab—FIS Toolboxes 為工具，對高速公路瀝青路面狀況評價(jià)過程進(jìn)行描述[3]。 模糊決策系統(tǒng)模型的輸入有平整度、破損狀況、強(qiáng)度及抗滑系數(shù)四部分內(nèi)容，設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和各方案的計(jì)算過程即是模糊決策系統(tǒng)模型的模糊推理規(guī)則，模型的輸出即瀝青路面狀況綜合指標(biāo)。 根據(jù)公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范，選定行駛質(zhì)量指數(shù)(RQI)、路面狀況指數(shù)(PCI)、路面強(qiáng)度系數(shù)(SSI)和橫向力系數(shù)(SFC)4 個(gè)指標(biāo)作為系統(tǒng)輸入。 系統(tǒng)的輸出變量即為路面狀況綜合評價(jià)指標(biāo)， 最后輸出為路面狀況：優(yōu)、良、中、次和差。 利用FIS 編輯器建立的模型結(jié)構(gòu)。

1.6 瀝青路面狀況綜合評價(jià)系統(tǒng)

常用的評價(jià)方法是采用模糊數(shù)學(xué)理論進(jìn)行使用性能評價(jià)。 但模糊數(shù)學(xué)評價(jià)模型存在以下幾個(gè)問題：單指標(biāo)的隸屬函數(shù)的構(gòu)造具有隨意性，多指標(biāo)綜合評價(jià)結(jié)果的判別準(zhǔn)則為最大隸屬原則，不適用于質(zhì)量評價(jià)問題，而且取大取小運(yùn)算損失了大批中間信息；另外，在進(jìn)行多指標(biāo)綜合評價(jià)時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重的確定《公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定采用專家建議值，具有人為因素和地區(qū)局限性。 針對這些問題，河北工業(yè)大學(xué)提出采用以屬性數(shù)學(xué)評價(jià)系統(tǒng)為主線，利用層次分析法確定各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重的綜合評價(jià)系統(tǒng)。 二者相結(jié)合使評價(jià)系統(tǒng)更科學(xué)、精確，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

層次分析法（AHP）從本質(zhì)上講是一種思維方法，它把復(fù)雜問題分解成各個(gè)組成要素，將這些因素按支配關(guān)系分組形成遞階層次結(jié)構(gòu)。 通過兩兩比較的方式確定層次中諸因素的相對重要性。

2 結(jié)語

隨著高速公路里程的快速增長，我國已經(jīng)進(jìn)入高速公路養(yǎng)護(hù)和管理的全新時(shí)期， 路面管理系統(tǒng)正是為了適應(yīng)大規(guī)模、高效、高質(zhì)量的公路養(yǎng)護(hù)管理要求而發(fā)展起來的現(xiàn)代綜合公路管理方式，使公路管理決策更加客觀化、信息化和科學(xué)化。 國內(nèi)外的應(yīng)用實(shí)踐證明，推廣和實(shí)施路面管理系統(tǒng)將是公路養(yǎng)護(hù)和管理的必然趨勢。 總之，路面路況數(shù)據(jù)采集與使用性能評價(jià)是路面管理系統(tǒng)的重要組成部分。 隨著我國公路建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)，公路養(yǎng)護(hù)管理的科學(xué)化、系統(tǒng)化、資金利用最優(yōu)化，建立起符合我國實(shí)際情況的路況數(shù)據(jù)采集與使用性能評價(jià)系統(tǒng)迫在眉睫。 盡管目前我國在實(shí)施路面管理系統(tǒng)過程中還存在著一系列的問題， 但是隨著理論的日趨發(fā)展，經(jīng)驗(yàn)的逐漸豐富，數(shù)據(jù)采集和傳輸手段的日益先進(jìn)，路面管理系統(tǒng)的明天肯定會更美好。

［1］中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：JTJ 073296 公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,1996.

［2］馬士賓,魏連雨,楊春風(fēng).瀝青路面狀況屬性綜合評價(jià)[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào),2002,22(4)：16-19.

［3］姚祖康.路面管理系統(tǒng)[M].北京：人民交通出版社,1993.