公路瀝青路面使用性能評價方法綜述

陳斌

摘 要：公路瀝青路面的使用性能評價為瀝青路面養(yǎng)護決策提供了重要支撐。本文在指出我國現(xiàn)行瀝青路面評價方法不足的基礎(chǔ)上，對目前國內(nèi)常見的各種瀝青路面評價方法和評價模型進行綜述，對比分析了其優(yōu)缺點及適用對象，為改進我國瀝青路面評價方法提供一定借鑒。

關(guān)鍵詞：瀝青路面;評價方法;評價模型;權(quán)重

中圖分類號：U416.217文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）12-0090-03

Summary of Evaluation Methods of Highway Asphalt

Pavement Performance

CHEN Bin

（Lanzhou Transportation Infrastructure Project Quality Supervision Station，Lanzhou Gansu 730070）

Abstract： The performance evaluation of highway asphalt pavement provides important support for asphalt pavement maintenance decision-making. On the basis of pointing out the insufficiency of current asphalt pavement evaluation methods in China， this paper reviews various domestic common asphalt pavement evaluation methods and evaluation models， and compares and analyzes their advantages and disadvantages and applicable objects， so as to provide a certain reference for improving the evaluation method of asphalt pavement in China.

Keywords： asphalt pavement;evaluation method;evaluation model;weight

瀝青路面使用性能評價是指根據(jù)現(xiàn)場采集的路面狀況數(shù)據(jù)，判斷路面使用性能滿足使用要求的程度，進而衡量整個路網(wǎng)的服務(wù)水平并確定路網(wǎng)內(nèi)需要養(yǎng)護和改建的路段，最后選擇相應(yīng)的養(yǎng)護和改建方案。瀝青路面使用性能的評價包括單項指標評價和綜合評價[1-2]。單項指標評價是指在對路面狀況進行分析的基礎(chǔ)上，從道路路面使用性能的不同方面對其進行評價，如破損狀況評價、結(jié)構(gòu)承載力評價、行駛質(zhì)量評價、抗滑性能評價和抗車轍能力評價等;綜合評價指標是為了使路網(wǎng)或各路段的路面狀況具有可比性而建立的一種對路面使用性能的總體評價。

高等級公路瀝青路面使用性能評價的主要作用為：反映出高等級公路瀝青路面使用性能現(xiàn)狀;對瀝青路面長期使用條件下的不同性能狀況進行預(yù)測;為確定路面養(yǎng)護方案和編制年度路面養(yǎng)護預(yù)算提供主要依據(jù)。

1 我國現(xiàn)行瀝青路面使用性能評價指標及評價體系

1.1 我國瀝青路面使用性能分項評價指標

我國公路瀝青路面的養(yǎng)護及評定標準規(guī)定：瀝青路面技術(shù)狀況評定應(yīng)包括路面損壞、路面平整度、路面車轍、路面跳車、路面抗滑性能、路面磨耗和路面結(jié)構(gòu)強度七項內(nèi)容，相應(yīng)的評價指標為路面損壞狀況指數(shù)（PCI）、路面行駛質(zhì)量指數(shù)（RQI）、路面車轍深度指數(shù)（RDI）、路面跳車指數(shù)（PBI）、路面抗滑性能指數(shù)（SRI）、路面磨耗指數(shù)（PWI）、路面結(jié)構(gòu)性能指數(shù)（PSSI），檢測指標分別為路面破損率（DR）、國際平整度指數(shù)（IRI）、路面車轍深度（RD）、路面跳車（PB）、橫向力系數(shù)（SFC）/擺式摩擦系數(shù)（BPN）、路面構(gòu)造深度（MPD）以及路面彎沉[l0][3-5]。各指標具體關(guān)系如圖1所示，除了上述七個分項評價指標外，還有一個綜合評價指標——路面技術(shù)狀況指數(shù)（PQI）。相關(guān)規(guī)范評定時將以上八個指標分為優(yōu)、良、中、次、差5個等級[3-5]。

1.2 我國現(xiàn)行瀝青路面使用性能評價模型

我國瀝青路面技術(shù)狀況采用PQI指數(shù)進行評定，PQI指數(shù)是PCI指數(shù)、RQI指數(shù)、RDI指數(shù)、SRI指數(shù)（或PWI指數(shù)，二選一）、PBI指數(shù)的函數(shù)，PSSI指數(shù)不參與PQI指數(shù)的計算，單獨進行評價。PQI評價模型的關(guān)鍵在于如何科學(xué)合理地確定各個指標的權(quán)重，相關(guān)規(guī)范中各指標的權(quán)重如表1所示，PQI指數(shù)的計算公式如下：

[PQI=wPCIPCI+wRQIRQI+wRDIRDI+wPBIPBI+wSRISRI] （1）

式中，[wPCI]、[wRQI]、[wRDI]、[wPBI]、[wSRI]均為相應(yīng)評價指標的權(quán)重。

1.3 我國瀝青路面評價體系存在的問題

合理的單項評價指標是路面性能綜合評價的基礎(chǔ)，也是路面養(yǎng)護對策選擇的依據(jù)。據(jù)文獻調(diào)研可知，目前，我國公路瀝青路面使用性能評價主要存在以下問題：由于高等級公路與低等級公路在車速、荷載、交通量、路面材料以及路面結(jié)構(gòu)層等方面不盡相同，因此不能把低等級公路的評價模型直接應(yīng)用于高等級公路評價中;評價模型受人為因素影響較大，客觀性不強，同時由于評價指標采用固定權(quán)重，與實際狀況的一致性較差;對于行駛質(zhì)量指標RQI指數(shù)而言，當(dāng)IRI指數(shù)顯示非常不平整和非常平整時，行駛質(zhì)量指標會出現(xiàn)不合理的評價結(jié)果。

2 常見的瀝青路面使用性能評價方法

2.1 基于回歸模型法的路面使用性能評價模型

這種評價模型是通過對大量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，建立各個影響因素和路況綜合評價指標間的函數(shù)關(guān)系。美國路面服務(wù)性能指數(shù)（PSI）、日本路面養(yǎng)護指數(shù)（MCI）以及我國路面技術(shù)狀況指數(shù)（PQI）的建立均采用了這種模型。

該模型主要基于實際采集的數(shù)據(jù)，具有一定的科學(xué)性。然而，評價數(shù)據(jù)本身具有隨機性、偶然性、復(fù)雜性和模糊性等特點，只靠單因素回歸分析很難準確表達出因素與結(jié)果、目標與監(jiān)督的對應(yīng)關(guān)系，評價結(jié)果會偏離實際。

2.2 基于灰色理論的路面使用性能評價模型

人們可以將灰色系統(tǒng)理論的“灰唯一性”原理引入瀝青路面評價體系中，即在路況信息不全的情況下，通過對已經(jīng)了解的部分信息的處理，把路面的綜合路況集中在某灰域內(nèi)，最終實現(xiàn)路面綜合路況的評價。

李清富等通過白化函數(shù)和灰色聚類權(quán)值的分析計算，生成灰色聚類矩陣，在應(yīng)用灰色聚類決策的基礎(chǔ)上，討論了灰色聚類決策在路面性能評價中的應(yīng)用[6]。劉秀菊等應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論模型，對PCI、SSI（路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)）、RQI、SFC 4項指標進行分析，建立了基于歷史數(shù)據(jù)的指標預(yù)測模型，對模型的精度進行了評價，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果提出了相應(yīng)的養(yǎng)護措施[7]。

灰色理論的引入和應(yīng)用可以解決路面使用性能評價中評價指標模糊、復(fù)雜、不規(guī)則的問題，它是目前科學(xué)、客觀、先進的評價方法。然而，評價指標的白化權(quán)函數(shù)、灰色聚類系數(shù)和閾值是根據(jù)各指標的經(jīng)驗取值范圍確定的，主觀經(jīng)驗成為影響評價結(jié)果的主要因素，當(dāng)評價結(jié)果與聚類結(jié)果接近時，人們難以選擇更優(yōu)的評價結(jié)果。

2.3 基于層次分析法的路面使用性能評價模型

層次分析法（AHP）是一種利用多因素遞階處理確定因素權(quán)重的方法。其基本思想是將復(fù)雜問題分解為相互關(guān)聯(lián)、有序的層次，使每個層次系統(tǒng)化、組織化，從而有效地分析和解決問題。通過比較、判斷和計算各層次中兩個不同要素的相對重要性，人們可以計算出各相關(guān)要素的權(quán)重。

元松根據(jù)層次分析法的基本原理，編制了基于MATLAB軟件的路面綜合評價程序，并結(jié)合工程實際對路面使用性能指標進行了綜合評價，為道路養(yǎng)護及改擴建設(shè)計提供理論參考[8]。葉真等通過路面使用性能評價的現(xiàn)狀研究，采用層次分析法計算得出模型各評價指標的權(quán)重系數(shù)，最后通過工程案例與規(guī)范評價方法進行對比分析，驗證了模型的實用性[9]。

基于層次分析法的路面使用性能評價模型主要特點是將整個評價過程數(shù)學(xué)化、系統(tǒng)化。這種模型誤差小，可靠性高，但評價對象的影響因子不宜過多。

2.4 基于模糊數(shù)學(xué)法的路面使用性能評價模型

人們可以將模糊數(shù)學(xué)理論引入路面使用性能評價中，通過建立一套模糊評價集并對專家的打分進行處理和分析，獲得各評價指標的隸屬度函數(shù)，接下來通過現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)和隸屬度函數(shù)對路面使用性能進行評價，得到路面使用性能綜合評價矩陣，最后建立基于評價指標權(quán)重的綜合評價模型。

李國強等通過對國際平整度指數(shù)、年均日交通量、路況指數(shù)和路標彎沉值等因素進行分析以及無量綱化處理，基于模糊數(shù)學(xué)法建立了各評價指標的隸屬度函數(shù)，得出路面的綜合耐用性指數(shù)（CSI）[10]。曹志基于隸屬度函數(shù)以及均方差賦權(quán)法建立了單項評價及組合隸屬度函數(shù)模糊綜合評價模型，并通過算例證明模糊綜合評價模型可以有效減小路面性能綜合評價的波動[11]。

這種模型的建立依據(jù)是評價模型中的不確定性和模糊性等特點，其具有一定的合理性、客觀性和實用性。但是，這種模型也存在一些不足之處：評價過程煩瑣，難以操作，評價結(jié)果與實際情況之間存在失真、跳躍等問題。

2.5 基于主成分分析法的路面使用性能評價模型

主成分分析法是指通過數(shù)學(xué)和矩陣變換，選取一些在評價對象中占比較大的主成分（因素），使這些主成分（因素）成為原來變量的線性組合，最后通過每個主成分的方差貢獻率求得各變量的綜合評價值。

楊明等以河北高速公路路面的調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用主成分分析法對路面使用性能進行了綜合評價分析，計算結(jié)果不僅反映了各主成分的影響因子大小，還為道路養(yǎng)護維修的決策提供了有效的支撐[12]。潘懷兵采用主成分分析法，借助MATLAB軟件對瀝青路面使用性能進行綜合評價，分析表明，主成分分析法評價瀝青路面，能客觀地反映評價指標對綜合評價值影響的強弱，具有獨特的優(yōu)越性[13]。

主成分分析法的優(yōu)點是：評價結(jié)果全面、客觀、合理，分析難度較低。不足之處在于：因子負荷符號交替使得函數(shù)意義不明確，沒有反映客觀發(fā)展水平。

2.6 其他瀝青路面使用性能評價模型

隨著交通科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、學(xué)科之間的交叉以及計算機技術(shù)的成熟，新的方法和理論在高速公路工程中的應(yīng)用逐漸增多，如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及物元理論等。

胡霞光等通過建立高速公路路面檢測數(shù)據(jù)和專家綜合評價之間的回歸模型，利用遺傳算法對模型進行參數(shù)優(yōu)化，得到令人滿意的評價結(jié)果，并為路面養(yǎng)護對策提供了重要依據(jù)[14]。孫曉震等依據(jù)BP（Back Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，建立了瀝青路面使用性能綜合評價體系，最后通過實例分析表明，該模型的評價結(jié)果與實際路況相符，具有較高的評價精度和工程實用性[15]。王惠勇等首次提出了基于物元模型的路面狀況評定方法，并以武漢市主城區(qū)20年的路面狀況檢測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行實例分析，結(jié)果表明，這種模型可以準確反映路面使用狀況，有一定的推廣應(yīng)用價值[16]。

3 結(jié)語

由于瀝青路面使用性能受到道路行車車載、路面材料結(jié)構(gòu)與特性以及自然環(huán)境等多種因素的影響，只采用一種評價方法進行瀝青路面使用性能的評價容易產(chǎn)生誤判，從而形成錯誤的養(yǎng)護決策。針對目前規(guī)范評價模型采用常權(quán)的缺陷，考慮到各評價指標間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系，在評價過程中，人們可以根據(jù)前述灰色模型、層次分析法、主成分分析法、模糊數(shù)學(xué)法、集對分析、遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法的適用性，選擇合理的評價模型，提高評價的科學(xué)性，使評價結(jié)果更具有客觀性，為養(yǎng)護決策提供有效指導(dǎo)。

參考文獻：

[1]潘玉利.路面管理系統(tǒng)原理[M].北京：人民交通出版社，1998：137.

[2]建設(shè)部.瀝青路面施工及驗收規(guī)范：GB 50092—1996[S].北京：中國標準出版社，1996.

[3]交通運輸部.公路瀝青路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范：JTG 5142—2019[S].北京：人民交通出版社，2019.

[4]交通運輸部.公路瀝青路面養(yǎng)護設(shè)計規(guī)范：JTG 5421—2018[S].北京：人民交通出版社，2018.

[5]交通運輸部.公路技術(shù)狀況評定標準：JTG 5210—2018[S].北京：人民交通出版社，2019.

[6]李清富，胡群芳，劉文，等.基于灰色聚類決策的瀝青路面使用性能評價[J].鄭州大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2003（2）：44-47.

[7]劉秀菊，鄭彥軍.基于灰色理論的瀝青混凝土路面使用性能多指標預(yù)測方法研究[J].公路，2012（4）：233-237.

[8]元松.層次分析法在瀝青路面使用性能評價中的應(yīng)用[J].黑龍江交通科技，2011（8）：5-6.

[9]葉真，李宏.基于交通特性判別的瀝青路面使用性能綜合評價研究[J].建材技術(shù)與應(yīng)用，2015（6）：38-41.

[10]李國強，蔣志仁.瀝青路面使用性能評價指標研究[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報，1995（1）：47-55.

[11]曹志.高速公路路面使用性能評價與衰變預(yù)測方法研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2019：12.

[12]楊明，陽亮.主成分分析法在高速公路瀝青路面使用性能評價中的應(yīng)用[J].中南公路工程，2006（6）：55-57.

[13]潘懷兵.基于主成分分析法的瀝青路面使用性能評價[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010（6）：888-890.

[14]胡霞光，王秉綱.兩種基于遺傳算法的路面性能綜合評價方法[J].長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2002（2）：6-9.

[15]孫曉震，邵先勝.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的瀝青路面使用性能綜合評價體系的研究[C]//中國公路學(xué)會養(yǎng)護與管理分會中國公路養(yǎng)護技術(shù)大會論文集.2012：96-100.

[16]王惠勇，陳宇亮，芮勇勤.基于物元模型分析方法的路面狀況綜合評價[J].交通運輸工程學(xué)報，2004（2）：6-9.