公路沥青路面使用性能预测模型研究 72页

’分类号１０６１８单位代码密级公开学号３１々０２００５＠交遠Ｘ聲工程硕±学位论文公路湖青路面使用性能预测模型研究－研究生姓名；黄万坦一导师姓名及职称：吳国雄（教授）邹云（成绩优异高工）申请专业学位类别工疆硕壬学位授予单位重庆巧通大学茲文提交日期２０１５年ｎ月１３日专业领域名称巧通运输工程论义答辩日期２０１５年１２月１２日２０１５年月日 重庆交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。‘＞＊学位论文作者签日期＝；％：／年八月日重庆交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆交通大学可将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可Ｗ采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科》，学技术信息研究所将本人《进学位论文收录到中国学位论文全文数据库并斤信息服务（包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传等），同时本人保留播在其他媒体发表论文的权利。论文学位作者签各指导教师签名ｔ＜＾６：：日期皆年日日期年月日／＾户至（ＣＮＫＩ本意位论提交中国学期光盘版）电杂志社系人同将本学文术刊子，《±文》列数据库中全文发布并按中国优秀博硕学位论文全数据库出版章程规。定享受相关权益位论指导教师签争学文作者签＿巳＿日其；八日日；月年月心期年月Ｐ 摘要社会经济的发展表明，衡量一个国家现代化水平的重要标志之一是该国公路交通的发展的状况，而影响公路服务水平的重要因素是公路的使用性能能否满足交通发展的要求。公路的路面性能是一个动态的不断变化的过程，如何对其进行科学的预测，是合理制定养护维修计划的重要依据。而路面结构复杂，其性能的影响因素多且复杂，具有不确定。而且从设计到施工广泛存在于多个换环节中。在研究从科学的角度上，为了解决人主观性和路面破坏难以量化等造成的问题，应该基于实际调查资料，从路面结构性能的相关因素着手分析，从而建立有关路面性能综合评估系统。沥青路面在繁重的行车荷载的作用下，加之各种自然因素，在运营期内会沥青会脱落，出现微裂缝，变得松散，而且易透水以及抗滑性能不足，若不及时采取措施，会加速路面结构破坏，从而其功能性及路用性能受到严重影响。相反，若在道路尚未完全失去结构承载力时采取有效处理措施，不仅路面损害得到降低，而且可以有效延长路面的服务年限和寿命。本文在调研湖南地区的路面技术资料及历史养护数据的基础上，对该地区的公路沥青路面进行了路面服务性能调研，根据调研的数据，对路面的破坏类型和病害成因进行了分析研究；在广泛调研路面使用性能评价模型的基础上，通过分析路面使用性能影响因素，了解到高速公路养护现状以及考虑到现有预测模型的优缺点，在组合预测的思想上，提出了新的组合预测模型，即神经网络与马尔可夫模型的相结合，此预测方法的算例已经有了较好的验证效果。本文研究成果对于提高公路养护部门的管理水平具有重要的现实意义，对公路的建设管理及可持续发展具有重要的理论价值。关键字：沥青路面；使用性能；组合预测；马尔可夫过程链；BP神经网络I ABSTRACTSocialandeconomicdevelopmentshowsthatthemeasureofanationalmodernizationlevelwhichisaimportantsymbolofthedevelopmentofhighwaytrafficconditionsinthecountry.Andtheimportantfactorsthataffecthighwayservicelevelisthepavementperformancewhethercansatisfytherequirementoftransportationdevelopment.Highwaypavementperformanceisadynamicprocessofconstantchange,andhowtotakeoutthescientificandreasonablepredictionistheimportantbasisforreasonablemaintenanceplan.Thepavementstructureisacomplexsystem,thefactorsthataffectingtheperformanceofthepavementandtheirrelationshipiscomplex,whichrelatestoengineeringdesign,constructionandaspectsofuse,andmostofthefactorshaveuncertainty.Therefore,wemuststartsystematicanddeepanalysisonfactorsthataffectingtheperformanceofpavement,putoutcomprehensiveassessmentonperformanceofthepavementwhichbasedonconsiderationsofuncertainty.Itisdesirabletousedatathatbasedonfieldsurvey,whichcanexcludetheexistingSubjectivejudgment,androaddamageisnotdifficulttoquantify.Becauseofvariousnaturalfactorsandtheroleoftheheavytrafficload,therewillbeproducedearlydiseaseinasphaltpavement,suchasagingasphalt,micro-cracks,loosegrain,permeable,andinsufficientskidresistanceinpavementperformance.Ifwedonottakenappropriatemeasures,somediseaseswilldevelopfunctionally,acceleratedamageofpavementstructure,whichwillbeaffectroadqualityandshortenthelifeoftheasphaltpavement.Whenearlydiseaseappear,thepavementstillhassufficientstructuralbearingcapacity,asinthiscondition,wecantakeouteffectivemeasuresforroadmaintenance,thatwillbeabletostopfurtherdamageoccurs,extendingthelifeoftheroadeffectively.BasedontheresearchofhistorytechnicaldataandpavementmaintenanceinHunan,Firstly,wecarryoutsurveyofasphaltpavementserviceperformanceinroadsurvey,accordingtoresearchdata,analysesthereasonsthatthetypesandcausesofII pavementdamage;Basedonbroadresearchofpavementperformanceevaluationmodel,byanalyzingthefactorsofaffectingtheroadperformanceandtakingthestrengthsandweaknessesoftheexistingpredictionmodelintoaccount,thearticleproposedanewcombinationforecastingmodelbasedontheideaofcombinationforecasting,iethemethodofNeuralNetworkscombinedwithMarkovmodel.Andthestudyofthemethodofalreadyhadgoodresults.Thisresearchresultshaveimportantpracticalsignificanceforimprovingthescientificmanagementofhighwaymaintenancedepartments,andalsohavetheoreticalvalueforhighwayconstructionmanagementandsustainabledevelopment.KEYWORDS:AsphaltPavement；PavementPerformance；Combiningforecasting；Markovmodel；BPneuralnetworkIII 目录第1章绪论.............................................................................................................11.1研究的必要性和意义.................................................................................11.2国内外研究现状.........................................................................................21.2.1国外研究现状..................................................................................21.2.2国内研究现状..................................................................................31.3主要研究内容.............................................................................................41.4技术路线....................................................................................................5第2章公路沥青路面使用性能及影响因素.........................................................62.1路面使用性能.............................................................................................62.1.1功能性能..........................................................................................62.1.2结构性能..........................................................................................62.1.3承载力..............................................................................................62.1.4安全性及外观..................................................................................72.2影响路面使用性能的因素.........................................................................72.2.1路面特征..........................................................................................72.2.2交通因素..........................................................................................72.2.3气候坏境..........................................................................................72.2.4工程因素..........................................................................................82.2.5其他因素..........................................................................................82.3本章小结.....................................................................................................8第3章湖南地区公路沥青路面病害调查及分析.................................................93.1病害检测概述.............................................................................................93.1.1病害调查路段概况..........................................................................93.1.2检测主要设备及完成工作量........................................................103.1.3路面技术性能检测流程................................................................133.2公路沥青路面典型病害调查统计...........................................................133.2.1裂缝................................................................................................133.2.2车辙................................................................................................143.2.3翻浆................................................................................................153.2.4泛油................................................................................................153.2.5松散坑槽........................................................................................16IV 3.3路面钻芯取样分析...................................................................................163.3.1钻芯芯样位置................................................................................163.3.2芯样评价及分析............................................................................173.4本章小结..................................................................................................18第4章湖南地区公路沥青路面使用性能评价...................................................194.1现行路面使用性能单项评价指标...........................................................194.1.1路面破损状况评价指标PCI.........................................................194.1.2路面行驶质量评价指标RQI........................................................224.1.3路面结构承载力评价指标PSSI...................................................234.1.4路面抗滑性能指标SRI.................................................................244.2现行路面使用性能综合评价指标...........................................................254.3调查路段的使用性能单项指标评价.......................................................274.3.1路面破损........................................................................................274.3.2平整度............................................................................................344.3.3车辙................................................................................................364.3.4结构强度........................................................................................394.3.5抗滑................................................................................................404.4调查路段的使用性能综合指标评价.......................................................404.5本章小结..................................................................................................42第5章组合预测方式的提出及效果评价...........................................................435.1现有预测模型...........................................................................................435.1.1确定型预测模型............................................................................435.1.2概率型预测模型............................................................................445.1.3神经网络模型................................................................................445.1.4现有预测模型评价........................................................................445.2组合预测方式...........................................................................................455.2.1广义加权平均组合预测................................................................455.2.2组合预测的效果评价指标............................................................465.3基于神经网络与马尔可夫模型的使用性能组合预测...........................475.3.1神经网络预测模型........................................................................475.3.2马尔可夫预测模型........................................................................495.3.3组合预测模型及效果评价............................................................49V 5.4本章小结...................................................................................................51第6章基于组合预测的沥青路面使用性能衰变研究.......................................526.1路面使用性能的组合预测实现...............................................................526.1.1限定预测范围................................................................................526.1.2选取影响因素................................................................................526.1.3神经网络模型计算........................................................................526.1.4转移概率矩阵的确定....................................................................536.2路面使用性能预测实例分析...................................................................546.2.1路面状况指标PCI及其基础数据................................................546.2.2神经网络模型预测........................................................................556.2.3马尔可夫预测................................................................................556.2.4组合预测........................................................................................566.3本章小结..................................................................................................57第7章结论与建议...............................................................................................587.1主要成果与结论......................................................................................587.2进一步研究的建议..................................................................................58致谢.........................................................................................................................59参考文献.................................................................................................................60在学期间发表的论著及取得的科研成果.............................................................64VI 第一章绪论第1章绪论1.1研究的必要性和意义建立高速公路网，战略上和经济上均具有重大意义。但高速公路的修建仅仅是解决交通问题的开始，而养护管理作为高速公路网建设的延续和发展，起到保证功能得到良好发挥的作用；尤其是进入运营期之后，养护管理将代替基本建设成为工作的重点，以获得良好的服务水平。在高速公路养护质量指数权重中路面养护质量指数所占比例高达0.65，而且公路养护资金的一半均用于路面。所以，路面养护管理已成为高速公路养护管理中最重要的一项任务。在实施路面管理和养护方面，预测路面使用性能是其重要的基础，若预测合理，有利于提高路网服务并最大化的发挥经济效益。随着交通运输业的高速发展，公路交通运输已呈现出交通量大和超载的普遍特点，对沥青路面的服务质量和使用寿命提出了严峻的考验。高温和轴载是导致路面车辙产生的主要原因，水通过路面渗入沥青结构层是引起路面水损坏的重要原因。路面沥青材料的老化以及在运营过程中连续承受车辆荷载与自然坏境的作用，会逐渐引起路面破损，最终降低公路沥青路面的使用性能；当使用性能降低到一定程度后，为了保证行车的安全及舒适性，满足出行的需求，应采取相应的维修或改建措施，恢复甚至提高路面的服务水平。公路维护管理部门只能通过及时准确了解路面的使用状况，才能做出科学的判断及预测，制定出最佳维护对策，而在准确预估其性能随时间演化的规律基础上，才能要准确判断何时该采取相应的养护决策及措施[1-2]。公路沥青路面结构是一个复杂的系统，能够对路面结构性能造成影响的因素很多且关系十分复杂，涉及到工程设计、施工以及运营使用各个环节。科学研究应该从影响路面结构性能的因素分析入手，进行系统和深入的分析，建立基于因素不定性的路面结构性能综合评估，并以路面实地调查资料为依据，排除人为判断的主观性和路面破坏项目难以量化的干扰，从而制定科学合理的维护对策[3-5]。而维护对策的制定与路面的使用性能预测密切相关，对路面的使用性能进行合理预测，有助于掌握路面的服务水平和状况，进而判断哪些路段需要维护以及相应的措施，以便及时的恢复和提高路面的路用性能，保证路面使用性能能够维持在满足行车要求的的服务水平之上，并能有效延长路面的使用寿命[6]。近年来，随着湖南省经济的发展，道路交通重轴载、高胎压、大流量的特点越来越突出，许多公路沥青路面都出现了不同程度的早期损坏，极大地阻碍了畅1 第一章绪论通河南的建设步伐。由于体制及技术方面的原因，湖南省的公路重建轻养的问题仍旧存在，对公路维护技术还有待进行系统的研究，缺乏系统的决策体系[7]。而目前我国在公路养护管理中，“重建轻养”的思想依然严重，缺乏系统性和合理性，不能满足路面维护工作量快速增长的需求。所以，深入研究沥青路面使用性能衰变规律，才能确定科学性维护的最佳时机，制定科学性维护设计方案。同时，对于延长道路使用寿命，构建和谐畅通的出行环境，满足公路管理维护工作的技术需求及提高公路维护的效率具有重要的社会经济意义。为给路面养护项目选择、养护方案及养护资金的分配提供决策支持，增强养护项目投资决策的科学化，减小投资决策的失误率，降低投资风险，充分发挥养护资金的效益，本课题采用马尔可夫链和神经网络的组合预测模型，对高速公路路面养护管理中的关键技术——路面性能的预测进行系统研究。论文的研究成果有助于管理部门提高决策方案的科学性、合理性和有效性，扩大决策范围；而且将大力推动高速公路路面养护管理优化决策的理论研究，还将丰富组合预测在高速公路管理领域的研究应用。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状从20世纪50年代起，欧美国家公路路网陆续建成，但随着路面服务时间的增加，道路的维修养护问题日益突出，因此每年都要消耗大量人力物力来维护并改善现有公路的服务水平，于是相关公路管理部门开始对现有运营中的道路路面使用性能进行重点的分析和研究，在此基础上做出科学的预养护决策。道路预防性养护概念由美国最先提出两个观点组成：一是延缓未来的破坏，尽可能在不增强路面结构承载能力的前提下，改善并提高系统的使用性能；二是在适当的时机，将相应措施应用到需要养护的路面上[9-11]。美国早在上世纪80年代就开始大规模对路网进行重建，并在1987年启动了一个巨大的战略性公路研究项目（SHRP），指出了预防性养护在降低使用寿命周期内费用及路面使用性能恶化速率两方面产生的重大意义。正确合理实施预防性养护措施能够延长路面的使用寿命周期，保证良好的路用性能，节约养护资金和降低寿命周期费用。SHRP计划估算表明，在整个路面寿命周期内实施3~4次的计划性的预防性养护能够将道路使用寿命延长10~15年，节约45~50%的养护资金[12]。在80年代初期，渥太华的市政部门就已经意识到预防性路面养护措施的重要性。其他国家，如英国、德国、日本等也均在沥青路面出现严重病害之前采取了适当的养护措施，同时还研发出了新型的存储式冷铺沥青修补材料[13]。2 第一章绪论近期，国外许多研究人员对路面预养护决策进行了许多理论性研究[14-16]，西方发达国家高速公路建设起步早，在经历了大规模的公路建设后，至上世纪70年代末，这些国家的高速公路建设规划基本完成，此时，早期修建的高速公路己临近使用中期，出现了大量的问题，为及时准确掌握解路网的破损状况，将有限的养护资金及时分配到最需要养护的路段，研发出了路面破损数据检测设备，并且建立了数据库以及具体的评价方法、标准和优先养护排序模型[16-18]。1.2.2国内研究现状以使用性能预测和科学养护决策为出发点，国内学者做了如下研究[19-25]：刘可对水泥混凝土路面使用性能的评价方法与指标进行了研究与分析、选用马尔可夫模型来预估路面使用性能，对动态规划模型进行初步分析[13-15]；交通部公路科学研究所的潘玉利博士针对我国实际状况，建立了公路路面管理系统的基本框架，主要包括数据库管理、路面性能评价、路面性能预测以及路面养护决策四个组成部分，并在借鉴国外模型方法的基础上，创建了一些符合我国实际需求的模型[10-12]；任奕通过引入改善系数A与寿命系数B建立了实施预防性养护后的路面性能的衰变模型，并提出了根据该衰变模型选择合理预防性养护措施以及适宜实施时机的方法；戴洁总结出了路面性能的衰变规律，并提出了与高速公路沥青路面预防性养护相适应的评价、预测方法和对策模型；韩磊根据沪杭高速的上海至杭州段的路况普查数据，借鉴美国现行服务指数PSI的建立方法，并经过同当地专家小组的评价对比，建立了模型并进行分析[17]。赵佳军等人对针对沪宁高速公路沥青路面状况，进行了预防性养护技术研究与分析；侯静把人工神经网络技术应用到路面性能预测中，充分利用其在处理复杂非线性问题中的优势建立了预测模型[16]。在路面使用性能预测方面采用的模型主要[18-22]：有经验模型、力学预测模型，还有概率模型等。传统的预测方法有综合评价法、专家评分法以及回归分析法[23-25]，在此基础上出现了较为新颖的模糊评价法、灰色系统预测法、遗传算法、人工神经网络法、改进优劣系数法、马氏距离法等[26-27]。确定性预测和概率型预测是预测路面实用性的两种基本形式。除了传统的方法外，还有灰色预测法、模糊评价法、马氏距离法、遗传算法、神经网络(ANN，如美国德克萨斯州基于ANN的路面性能预测)和专家系统等预测方法。每一种方法均有有点和缺点。其中，具有丰富理论支撑的力学经验模型和力学模型不仅能反映变化实质，而且预估精度高，可是在计算方面工作量大且复杂。如果采用3 第一章绪论已知数据利用回归模型，虽能得到最佳拟合结果但是不能有效的反应录用性能变化规律。而若缺乏历史资料，神经网络模型很难用于新建路段；此时虽然马尔可夫模型可根据经验判断，但其只与路面现状有关，和实际并不相符。综上所述，我国当前高速公路路面使用性能的预测研究与应用存在以下主要问题：预测模型与方法丰富，而相对数据不足，怎样选择预测模型与方法的办法较少，因此建立的预测模型移植性差，整体性差，预测指标的统一和综合性能指标(PQI)的使用问题仍需大量研究。结合上述模型的适用范围和养护管理知识，本文在组合预测思想的基础上，形成了马尔可夫与神经网络组合预测模型。1.3主要研究内容近年来，出现了人工神经网络（ANN，ArtificialNeuralNetwork）和专家系统等预测方法。使用经验证明，无论是确定性模型还是概率型模型在预测精度上都有一定的局限性。本项目拟提出一种新的路面性能预测方法—组合预测法来预测路面性能的衰变规律。组合预测方法是对所用几种单一预测模型进行综合处理，从而得到一个包含有各种预测模型信息的新的预测方法。由于组合预测模型聚集了各个预测模型所包含的有用信息，从而可有效提高性能预测的精度。研究内容包括：（1）借助项目承担单位先进的路面病害检测设备，对湖南地区公路沥青路面进行检测，同时，通过与地方公路养护管理部门合作，结合已有的检测数据及养护历史数据，结合现有《公路沥青路面技术状况评定标准》对典型地区公路沥青路面技术状况进行评价。（2）借助项目承担单位路面隐性病害检测设备，结合钻芯取样检测结果，对湖南地区高速公路沥青路面隐性病害进行综合检测与评价，从而了解并掌握该地区公路路面功能性及结构性病害的主要特征。（3）总结国内外公路沥青路面使用性能预测模型，并进行分类，尤其对是公路沥青路面使用性能预测模型的常用方法进行了比较系统的总结，详细介绍各种预测模型的适用情况，并分析总结各种预测模型的优缺点。（4）在前述大量技术文献调研的基础上，引入组合预测策模型的计算方法，并举出实例进行验证，内容包括沥青路面性能组合预测模型的建立方法；组合预测模型最优权重的计算方法；组合预测模型的验证。4 第一章绪论1.4技术路线本文围绕公路沥青路面使用性能预测模型的选择为论文的切入点进行研究，主要技术路线如下图：图1技术路线5 第2章公路沥青路面使用性能及影响因素第2章公路沥青路面使用性能及影响因素沥青路面直接受荷载作用和大气因素的影响，同时沥青混合料的物理，力学性质受气候因素与时间因素影响较大，因此为了能使路面给车辆提供耐久的服务，必须要求沥青路面具有一定的使用性能。保证运输车辆安全正常行驶是道路路面所应具备的基本能力与属性，但路面的使用性能会随着时间的推移逐渐衰退，主要是因为沥青路面受到交通荷载反复作用和自然环境的影响下会产生病害现象（如车辙、水损坏、泛油、脱落坑槽等）会逐渐出现，且会随着时间的推移而日趋严重，降低路面的使用寿命。2.1路面使用性能2.1.1功能性能功能性能，是指路面满足路面的基本功能的能力，它反映力路面的行驶质量或服务水平。路面的功能性能够较好地反应路面的舒适性以及路网服务状况。下列因素影响路面行驶质量：平整度、车辆悬挂系统的振动特征以及乘客对振动的反应或接收能力[32]。影响路面使用功能的主要因素有路面结构、交通荷载、环境、施工质量和养护水平等。2.1.2结构性能路面结构保持完好程度的能力称为路面的结构性能。沥青路面在反复荷载作用下，抵抗破坏的能力。它是由于沥青路面在使用期间经受车轮荷载的反复作用，长期处于应力应变交迭变化状态，致使路面结构强度逐渐下降。当荷载重复作用超过一定次数以后，在荷载作用下路面内产生的应力就会超过强度下降后的结构抗力，使路面产生裂纹，产生断裂破坏。在运营过程中路面会随行车荷载的反复作用、周围环境(温度及湿度)和路龄而出现各种损坏。损坏可按形态和影响程度的不同归纳为：裂缝和断裂、永久变形、表面损坏[33]。2.1.3承载力路面破坏前能承受的荷载次数或使用年限即为路面承载力。其在路面开放交通后会下降，而且损坏程度会加深[34-35]。路面所承受的垂直荷载是由汽车的重力通过动力作用进行传递，这种荷载是由于轮胎的变形对路面呈现出圆形到椭圆形面的分布。汽车在行驶过程中，除了带来垂直荷载，在制动，转弯，超车以及侧滑等过程中还会给路面带来水平荷载，最大制动力可以达到垂直荷载的70%～100%。这些不同的荷载类型都是引起路面破坏的外部因素。6 第2章公路沥青路面使用性能及影响因素2.1.4安全性及外观路表面的抗滑能力表征安全性，以摩阻系数或抗滑指数表征[36]。抗滑性能一般是指路面抵抗受水的侵蚀逐渐产生沥青膜剥离，掉粒，松散，坑槽而破坏的能力。在路面使用过程中由于水分的存在不仅降低了沥青苯身的粘结力，同时也破坏了沥青与矿料间的粘聚力，从而加速了剥落现象的发生，造成了道路的水损坏。车辆在路面上高速行驶时，如果轮胎与路面间的抗滑力很小，特别是路面在潮湿状况下，轮胎与路面间的水膜阻隔轮胎与路面接触，引起水动力效应，使粘着力完全破坏，导致轮胎沿路面滑动，最容易产生滑溜事故。车辆高速行驶时，制动距离加长，若同时紧急转向或制动，更容易引起滑溜危险。路面的抗滑性能是一项安全行驶中非常关键的指标。外观指路面给驾驶者的视觉印象，主要包括反光和眩目、夜晚能见度以及表面结构等[37]。2.2影响路面使用性能的因素2.2.1路面特征面层、基层类型以及厚度、路面材料特征等是路面结构特征。而其是路面使用性能预测模型的基础。由于路面结构层次与结构强度不同，所以相应的路面使用性能也有差异[32]。2.2.2交通因素公路等级和交通量是交通因素的两方面。交通量是指在选定时间段内，通过道路某一地点、某一断面或某一各车道的交通实体数。交通量直接作用影响体现在荷载作用次数，而影响路面使用寿命的最大的因素是车辆荷载作用次数，即交通量与路面损坏程度呈正比[38-40]。2.2.3气候坏境温度和湿度是气候相关的两个重要因素。前者直接影响沥青混合料的蠕变性，从而造成车辙及裂缝。后者严重降低路面强度，影响路面结构承载力。路基路面体系的性质与状态会随着温度和湿度的变化而会发生变化。路基土和路面材料的体积会随着路基路面内部的温度和湿度的升降而产生热胀冷缩的现象，由于温度和湿度在路基路面结构内部的变化沿深度方向不均匀，所以不同深度处胀缩的变化也不同，当这种不均匀胀缩受到某种原因的约束而不能实现时，路基路面内部就会产生附加应力，即温度应力和湿度应力，进而对路基路面产生破坏。7 第2章公路沥青路面使用性能及影响因素2.2.4高超工程因素施工质量和养护管理是工程因素的两个主要方面。前者主要影响路面使用性能的衰变规律。后者的高低决定道路使用寿命，要延缓路面使用性能的衰变，一定要做好路面养护工作。2.2.5其他因素路龄、车辆特征、道路绿化以及道路排水、透水等因素是影响路用性能的其他因素。其最主要因素的因素是路龄，主要体现在对路面破损状况和平整度的影响方面。2.3本章小结本章阐述了路面使用性能的内涵，分析了路面特征、交通量、气候、工程及路龄、车辆特性等因素对公路沥青路面使用性能的影响。8 第3章湖南地区公路沥青路面病害调查及分析第3章湖南地区公路沥青路面病害调查及分析沥青路面的早期破坏是指沥青路面在正式开放交通运营不久，短期内出现的不同程度的如车辙、开裂等破坏形态，是在设计使用期内发生的非极限破坏。这种破坏既增加了路面的寿命周期成本，又降低了路面使用性能，造成严重的道路建设和养护造资金浪费。在我国南方地区，由于高温多雨的气候特性，极易出现路面的早期破坏。常见的早期破坏主要包括车辙、裂缝、泛油、坑洞以及唧浆等。3.1病害检测概述3.1.1病害调查路段概况常张高速公路是国道G5513长张高速的一段，长沙至常德高速公路的终点檀树坪是其起点，该段通过张家界连接线连接张家界市永定大道，其主线全长160.682km，联络线为：张家界联络线（1.890km）、河袱联络线（7.847km）、慈利东联络线（0.580km）、慈利西联络线（0.700km）、阳龙公路（15.700km）。全线有桥梁81座，其中特大桥10座，大桥47座，隧道2座。常张高速公路于2005年底通车，主线沥青路面结构为：4cm改性沥青AC-13上面层+6cmAC-20中面层+8cmAC-25下面层+36cm5%水泥稳定碎石基层+18cm4%水泥稳定碎石底基层。图1.1常张高速位置图9 第3章湖南地区公路沥青路面病害调查及分析本项目为湖南省常张高速公路（K149+083~K309+765）2012年度养护质量检测。检测与调查内容主要为路基、路面、沿线设施及公路技术状况评定，并据此提出建议性养护方案。以便进一步提高其养护管理水平和养护质量，并为养护维修方案的制定提供依据。3.1.2检测主要设备及完成工作量(1)主要设备本项目主要检测设备配置如下表所示：表2.1主要检测设备一览表设备名称型号单位数量主要用途智能道路检测车ZOYON-RTM台1路面破损、平整度、车辙激光动态弯沉测量系统台1路面弯沉车拖式取芯机HZ200-7B台1路面取芯交通安全车——台2检测时安全维护交通车——台31)智能路面检测车路面破损、平整度、车辙的检测采用智能路面检测车进行检测。图2.1路况智能检测车10 第3章湖南地区公路沥青路面病害调查及分析图2.2路况智能检测车功能组成2)激光动态弯沉测量系统路面弯沉采用激光动态弯沉测量系统。采用专为检测路面弯沉而设计“激光动态弯沉测量系统”，并建立同贝克曼梁检测结果的关系。激光动态弯沉测量系统是国际领先水平的全自动快速弯沉检测车。该检测车无须人工干预，以全自动化的方式快速检测路面变形速度、回弹模量和动态弯沉。图2.3激光动态弯沉测量系统11 第3章湖南地区公路沥青路面病害调查及分析对每一评定路段（路面病害调查后，确定重点检测路段），综合运用数理统计的方法，得出平均弯沉、标准差、代表弯沉。表2.2激光动态弯沉测量系统技术指标指标项指标值测量速度15–80Km/h最佳速度60Km/h时间分辨率1ms空间分辨率0.1m测量精度0.01mm测量范围0-2mm日均检测里程500km工作环境温度5-45摄氏度工作地面温度60摄氏度标准轴载100±1KN3)完成主要工作量表2.3本次检测主要完成工作量序号指标单位完成数量1路面破损状况PCI车道.公里642.882路面行驶质量RQI半幅.公里321.443路面车辙RDI车道.公里642.884路面结构强度PSSI半幅.公里87.11512 第3章湖南地区公路沥青路面病害调查及分析3.1.3路面技术性能检测流程图2.4路面检测流程图本次主要检测经过如下：人工调查沿线设施→路况检测车检测路面破损状况、平整度、车辙→激光动态弯沉测量系统检测路面弯沉→整理数据，编制报告。3.2公路沥青路面典型病害调查统计对长济高速的进行了现场调研，查明湖南地区沥青路面病害类型，并对其成因进行初步的分析。3.2.1裂缝调查路段的路面裂缝包括横向裂缝、纵向裂缝、网裂等，详见以下各图。13 第3章湖南地区公路沥青路面病害调查及分析图2.5左幅K22+150横向裂缝图2.6左幅K47+280纵向裂缝图2.7左幅K19+800的网裂3.2.2车辙一般情况下，轻度车辙的平均深度6～13mm，中度车辙的深度13～25mm，重度车辙的深度＞25mm。根据T0931-2008沥青路面车辙测试方法（横断面尺法），测量记录横断面尺顶面与路面之间的距离，测量准确至1mm，确定最大车辙深度。14 第3章湖南地区公路沥青路面病害调查及分析图2.8右幅K34+700、K25+450处的车辙3.2.3翻浆从检测现场来看，检测路段出现了不同程度的翻浆，下图各翻浆处具有代表性的点位。图2.9右幅K37+270处的翻浆在调查现场，可以目测到个别路段的翻浆范围较广，且个别地方虽经过铣刨、加罩，但路面在车辆荷载作用之下，仍有大量的水从路表渗出。这表明路基已有不同程度的损坏，仅仅对路面进行处理达不到从根本上改善道路状况的目的。3.2.4泛油泛油是指沥青混凝土面层内部或者下部的沥青向上移动露出路面，使路面表面有过多沥青的现象。图3.7泛油15 第3章湖南地区公路沥青路面病害调查及分析调查表明，在大多数路段，泛油一般存在于在行车道上，呈现出是间断式片状分布。3.2.5松散坑槽松散指由于沥青混凝土中沥青与集料的粘结力逐渐下降甚至丧失，导致在车辆荷载作用下沥青混凝土表面层出现松散状态的现象。图3.8松散坑槽3.3路面钻芯取样分析3.3.1钻芯芯样位置为深入了解面层和基层的损坏情况，对几个代表性的段落选取破损点（车辙、裂缝处）进行钻芯取样，芯样分析如下。表2.4钻芯取样结果桩号芯样描述右幅K44+300面层完整，基层碎裂右幅K45+300面层碎裂，基层完整右幅K46+300面层碎裂，基层碎裂右幅K47+500面层碎裂，基层完整右幅K48+500面层完整，基层碎裂右幅K49+900面层碎裂，基层完整左幅K59+700面层完整，基层碎裂左幅K56+000面层碎裂，基层碎裂左幅K50+000面层碎裂，基层碎裂左幅K48+000面层碎裂，基层碎裂左幅K45+000面层完整，基层完整16 第3章湖南地区公路沥青路面病害调查及分析3.3.2芯样评价及分析从钻芯的统计结果分析可知，路面病害处的结构可分为以下特征：①面层完整，基层完整；②面层完整，基层碎裂；③面层碎裂，基层完整；④面层碎裂，基层碎裂。具体的举例分析如下。（1）面层完整，基层完整图3.9左幅K45+000取芯对该段3号车道取芯，发现面层完整，基层难以取芯，基层也保持完整。（2）面层完整，基层碎裂从路面钻芯结果可以看出该段路面面层尽管保持完整，但基层碎裂严重，表明结构强度不足。图3.10右幅K44+300取芯（3）面层碎裂，基层完整图3.11右幅K45+300取芯17 第3章湖南地区公路沥青路面病害调查及分析通过对此路段贯穿裂缝处进行钻芯取样，面层芯样虽然破损，而基层完整，芯样难以取出，说明基层并没有损坏。（4）面层碎裂，基层碎裂图3.12右幅K46+300取芯该段裂缝处面层断裂较为严重，再进一步钻取基层，发现基层碎石较多。3.4本章小结本章对湖南地区的常张高速公路路面病害进行调查分析，基本上掌握了高温多雨地区高速公路早期破坏的典型特征，对沥青路面技术状况进行检测与评价，进一步掌握沥青路面病害的发生及分布特征，为路面使用性能预测及养护维修方案的制定提供依据。18 第4章湖南地区公路沥青路面使用性能评价第4章湖南地区公路沥青路面使用性能评价科学评价公路沥青路面使用性能是合理制定养护计划，优化养护资金分配的前提。本章在对各类病害信息进行统计和分析的基础上，依据公路检测数据对调查路段进行了整体性评价，以便于判别适合预养护的路面，为详细划分预养护路段提供可靠依据。4.1现行路面使用性能单项评价指标在现行的《公路沥青路面养护技术规范》中，单项评价指标主要是行驶质量指数、路面损坏状况指数、结构强度指数以及抗滑指数来评价其对应的路面的某方面的使用性能[41]。4.1.1路面破损状况评价指标PCI(1)评价指标《公路技术状况评定标准》（JTJH20-2007）中规定沥青、水泥路面破损状况以路面状况指数PCI来评价，按下式计算。bPCICDR(4-1)nmDR=D/A100=DKijijk/A100i1j1(4-2)式中：C—初始性能良好时的评分值，通常采用百分制即C=100；DR—路面综合破损率，以百分数计；a，b—待定常数，由实际数据进行回归得到，在《公路沥青路面养护技术规范》中选用a=-l5，b=0.412；D—调查路段中折合后的破损面积(m2)；A—调查路段路面总面积(m2)；D2)；ij——第i类损坏、j类严重程度的实际破损面积(mKij——第i类损坏、j类严重程度的换算系数，根据参照表4-2路面破损的换算系数取值。19 第4章湖南地区公路沥青路面使用性能评价按《公路技术状况评定标准》（JTGH20－2007）路面状况指数（PCI）是根据路面破损率（DR）来计算的，对沥青路面损坏类型分为11类21项，其主要有下列病害：裂缝（横纵向以及块状）、龟裂、松散、坑槽、沉陷、车辙、泛油、波浪拥包及修补等，病害检测结果根据损坏程度换算成面积后进行统计计算。同时，每种病害又根据其损坏程度分为轻度、中度、重度等级别。不同级别的病害按照不同的权重，计算得到综合破损率，由此可以得到路面状况指数（PCI）。PCI从某种程度上反映了路面破损的程度，PCI范围从0～100，值越大，说明路面破损越少，路面使用性能越好。表4.2路面破损换算系数破损类型严重程度换算系数（K）轻0.4车辙重1.0轻0.2松散重0.4轻0.4纵裂重0.6轻0.2横裂重0.4轻0.8坑槽重1.0修补损坏0.1麻面0.1搓板0.8冻胀1.0轻0.2不规则裂缝重0.4轻0.4沉陷重1.0轻0.6龟裂中0.8重1.020 第4章湖南地区公路沥青路面使用性能评价轻0.4波浪重0.8轻0.4拥包重0.8泛油0.1脱皮0.6磨光0.6翻浆1.0表4.3沥青路面损坏类型及权重类型（i）损坏名称损坏程度权重（i）计量单位1轻0.62龟裂中0.8面积m23重1.04轻0.6块状裂缝面积m25重0.86轻0.6长度m纵向裂缝（影响宽度：0.2m）7重1.08轻0.6长度m横向裂缝（影响宽度：0.2m）9重1.010轻0.8坑槽面积m211重1.012轻0.6松散面积m213重1.014沉陷轻0.6面积m221 第4章湖南地区公路沥青路面使用性能评价类型（i）损坏名称损坏程度权重（）计量单位15重1.016轻0.6长度m车辙（影响宽度：0.4m）17重1.018轻0.6波浪拥包面积m219重1.020泛油0.2面积m221修补0.1面积m2(2)评价标准根据实际路面破坏情况，由现行《公路沥青路面养护技术规范》，把路面使用性能分为五个等级，具体见表4.4。表4.4路面破损状况评价标准评价等级优良中次差路面状况指数PCI≥85[70，85)[55，70)[40，55)<404.1.2路面行驶质量评价指标RQI(1)评价指标《公路沥青路面养护技术规范》采用行驶质量指数(RQI)作为评价指标，公式如下：RQI=a+b×IRI（4-3）式中：a，b—经验系数，a=11.5，b=-0.75；IRI—国际平整度指数(m/km)；RQI—行驶质量指数，数值范围是0～10，当RQI<0时，RQI=0；当RQI>0时，RQI=10。《公路技术状况评定标准》（JTGH20-2007），行驶质量指数（RQI）按式（4-4）计算。22 第4章湖南地区公路沥青路面使用性能评价100RQI1aea1IRI0(4-4)式中：IRI—国际平整度指数，m/km；a0—高速公路和一级公路a0=0.026，其他等级公路a0=0.0185；a1—高速公路和一级公路a1=0.65，其他等级公路a1=0.58。RQI值的范围为0～100，值越大，表明路面行驶质量越好，行车也越舒适。(2)评价标准《公路沥青路面养护技术规范》和《公路技术状况评定标准》中所采用的RQI评价标准及国际平整度指数分别见表4.5及表4.6。表4.5路面行驶质量的评价标准(养护规范)4.6路面行驶质量的评价标准(公路技术状况评定标准)4.1.3路面结构承载力评价指标PSSI(1)评价指标评价沥青路面结构承载能力，现行《公路沥青路面养护技术规范》采用结构强度指数(SSI)，其评价公式见公式4-5：LdSSI(4-5)L0式中：SSI—路面结构强度系数；Ld—路面设计弯沉值，mm；23 第4章湖南地区公路沥青路面使用性能评价L0—路面代表弯沉值，mm。现行《公路工程技术评定标准》采用路面结构强度指数PSSI对路面结构承载能力进行评价，先根据式4-5计算出SSI，再根据式4-6计算PSSI。100PSSI(4-6)aSSI1ae10公式中：a0一般取15.71，a1取-5.1(2)评价标准《公路沥青路面养护技术规范》和《公路技术状况评定标准》中高速公路和一级公路沥青路面强度SSI、PSSI评价标准详见表4.7、表4.8，基于此标准，其他等级公路依次降一级。表4.7公路路面强度的评价标准表4.8路面结构强度的评价标准(技术评定标准)4.1.4路面抗滑性能指标SRI(1)评价指标及标准沥青路面抗滑性能评价标准在考虑年降雨量大小的基础上，使用摆式仪的摆值或横向力系数来表示路面的抗滑性能。抗滑系数通过摆式仪的摆值(BPN)或横向力系数(SFC)来表征路面抗滑性能，评价标准见表4.9。24 第4章湖南地区公路沥青路面使用性能评价表4.9路面抗滑能力评价标准4.2现行路面使用性能综合评价指标通过不同的单项指标加权组合而得到的路面使用性能的综合评价，它是对路面使用性能的总体评价。路面服务性能指数PSI、路面质量指数PQI、适应性指数AI、最终评价指数FI、养护指数MI等[41]都是国内外比较认可的。我国采用PQI作为评价路面使用性能的综合指标，所采用的评价指标体系如图4.1。指标调查内容评价指标综合指标平整度IRIRQI裂缝类损坏DPc变形类损坏DPdPCI表面类损坏DPs加权其他损坏DPpPQI车辙RDRDI强度LsSSI抗滑能力SFCSRI图4.1公路路面评价指标体系路面使用性能综合评价指标（PQI）是评价路面技术状况的一个综合技术指数。由于路面结构形式的不同，其包含的指标也不尽相同。沥青路面使用性能评价包含路面破损程度、平整度、抗滑性能、车辙与结构强度等五项技术内容。其中路面结构强度为抽样评定指标，应单独计算与评定，评定范围根据路基的地质条件、路面大中修维护需求等自行确定[42]。《公路技术状况标准》给出路面使用性能指数（PQI）按式（4-7）计算。25 第4章湖南地区公路沥青路面使用性能评价PQI=wPCI+wRQIw+RDIwSRIPCIRQIRDISRI(4-7)式中：ωPCI为PCI在PQI中的权重；ωRQI为RQI在PQI中的权重，ωRDI为RDI在PQI中的权重，ωSRI为SRI在PQI中的权重。表4.10PQI分项指标权重沥青路面养护技术规范中路面的综合评价采用PCI按式4-8计算。PQI=PCIP+RQI1PRDI2+P3SRIP4(4-8)PQI从某种程度上反映了路面使用性能的好坏，PQI范围从0～100，值越大，说明路面使用性能越好。P1、P2、P3、P4的建议值见表4.11，PCI′、RQI′、SSI′、SFC′的赋值见表4.13。表4.11P1、P2、P3、P4的建议值建议值高速、一级公路二级公路二级以下公路P10.250.30.35P20.350.250.2P30.10.250.35P40.30.20.1表4.12PCI′、RQI′、SSI′、SFC′的赋值PCI、RQI、SSI、SFC(或BPN)评定结果优良中次差928065503026 第4章湖南地区公路沥青路面使用性能评价表4.13路面性能综合评价标准4.3调查路段的使用性能单项指标评价以下结合检测数据对长张高速公路路面损坏（PCI）、平整度（RQI）、车辙（RDI）、结构强度（PSSI）、抗滑（SRI）以及综合评价指标（PQI）进行统计分析。4.3.1路面破损通过路面破损状况检测，可以了解路面病害出现的类型、分布位置、轻重程度，以及查清路面目前的使用性能状况和病害成因。根据现场采集的路面病害数据，计算百米、公里的路面破损状况指数，全线分车道按公里PCI值统计表4.14。表4.14PCI统计表上行行车道上行超车道下行行车道下行超车道上下行PCI分级占比长度占比长度占比长度占比长度占比长度（km）（%）（km）（%）（km）（%）（km）（%）（km）（%）优（≥90）111.7269.51152.7295.02100.7262.67150.7293.78515.8880.25良（80~90）49.0030.498.004.9860.0037.3310.006.2212719.75中（70~80）0.000.000.000.000.000.000.000.000.000.00次（60~70）0.000.000.000.000.000.000.000.000.000.00差（＜60）0.000.000.000.000.000.000.000.000.000.00合计160.72100160.72100160.72100160.72100642.88100根据统计结果，绘制依据PCI等级的累计公里数柱状图如下，从图中可看出，超车道中PCI等级为优的路段长度明显长于行车道，上行行车道的路面破损状况略优于下行行车道，上、下行超车道等级为优的比例分别为95.02%和93.78%，而上、下行行车道等级为优的比例分别为69.51%和62.67%。27 第4章湖南地区公路沥青路面使用性能评价图4.2PCI分级统计图沿整条公路桩号绘制各个车道的PCI值比较图如下，从图中可以看出，除极个别较短路段外，超车道按公里评价的PCI值优于行车道，路面连续破损相对较为严重的路段位于K160~K200的行车道。图4.3PCI分公里曲线图统计百米的路面破损指数，上行行车道PCI小于90的51000m，小于80的4100m；下行行车道PCI小于90的59700m，小于80的1500m；上行超车道PCI小于90的8400m，小于80的700m；下行超车道PCI小于90的11100m，小于80的0m。其中PCI连续小于90的路段具体如下表所示：28 第4章湖南地区公路沥青路面使用性能评价表4.15PCI重点路段序号起讫桩号路段长度值域范围均值上行行车道1K0159+500K0160+30080081.1～93.688.52K0161+400K0165+300270086.5～93.889.33K0165+400K0167+000110086.4～91.988.94K0168+000K0169+600160079.3～88.685.85K0170+900K0173+300240085.0～90.387.76K0177+000K0181+600400074.6～91.085.77K0182+300K0182+50020083.9～88.886.48K0182+700K0191+800910075.7～94.086.09K0192+000K0198+900690075.4～93.685.610K0199+200K0199+40020088.35～88.888.611K0200+400K0202+300190083.3～93.788.812K0203+800K0203+90010084.413K0204+300K0204+50020087.1～87.687.414K0212+600K0212+90030087.0～89.888.515K0214+900K0215+70080086.6～93.588.916K0216+400K0217+500110082.1～94.988.817K0217+800K0218+70090085.1～92.488.618K0229+600K0229+70010069.019K0229+900K0230+70080080.8～93.587.820K0237+000K0238+400140083.8～94.088.621K0238+700K0238+90020075.8～89.982.822K0245+800K0246+900110085.7～90.687.829 第4章湖南地区公路沥青路面使用性能评价序号起讫桩号路段长度值域范围均值上行行车道23K0247+200K0247+60040087.1～89.188.324K0250+100K0251+00090081.1～89.686.225K0252+700K0253+10040086.8～89.188.026K0258+400K0259+800140087.4～93.589.127K0260+200K0260+40020089.1～89.489.328K0260+800K0261+70090086.6～91.889.229K0262+300K0262+60030087.9～89.988.830K0263+000K0263+40040087.4～89.888.931K0264+100K0264+800100086.5～91.889.432K0265+200K0267+000180077.5～91.886.533K0271+400K0271+90040087.2～91.888.734K0273+300K0273+70040085.4～87.086.335K0273+900K0274+10020085.1～87.486.336K0278+600K0279+900130072.4～93.586.537K0280+400K0280+60020088.1～88.888.538K0286+400K0286+60020088.7～89.989.339K0287+200K0287+90070085.9～89.788.040K0289+700K0290+40070088.7～91.490.441K0298+100K0299+600150052.4～87.970.042K0301+100K0303+200210057.1～81.872.543K0304+100K0304+30020081.8～81.881.844K0304+400K0304+50010064.7～64.764.745K0305+100K0305+20010075.8～75.875.830 第4章湖南地区公路沥青路面使用性能评价序号起讫桩号路段长度值域范围均值上行行车道46K0305+500K0305+60010064.7～64.764.747K0306+200K0306+40020075.8～81.878.848K0307+700K0307+90020075.8～81.778.7上行超车道84K0154+800K0154+90010087.085K0168+000K0171+100140086.2～89.988.386K0177+800K0178+00020088.9～89.389.187K0178+300K0179+900120083.4～89.987.188K0183+400K0184+400100086.6～94.089.489K0184+700K0185+40070088.1～92.289.790K0187+500K0188+00050087.0～90.488.491K0189+300K0190+400110081.2～90.288.292K0215+100K0215+60050088.8～91.187.093K0254+300K0255+00070061.9～84.968.894K0262+700K0262+80010083.9～83.983.995K0280+200K0280+30010078.4～78.478.4序号起讫桩号路段长度值域范围均值下行行车道49K0158+500K0160+300170084.6～93.688.950K0161+100K0162+400130084.1～94.488.151K0163+900K0164+40040081.7～89.987.652K0166+300K0167+600130085.8～93.889.131 第4章湖南地区公路沥青路面使用性能评价序号起讫桩号路段长度值域范围均值下行行车道53K0168+600K0170+100150083.4～89.586.554K0170+900K0172+700180082.8～93.587.955K0173+000K0173+30030085.4～89.287.456K0177+300K0182+200490083.0～93.797.957K0184+300K0198+5001420075.8～94.285.558K0212+200K0212+90070086.3～93.691.159K0215+100K0217+700260084.8～91.687.960K0219+400K0219+80040085.9～90.788.461K0220+200K0223+800380078.3～91.584.862K0227+600K0228+40080087.2～89.488.663K0230+400K0231+400100085.1～93.588.964K0233+600K0234+700110086.7～91.789.165K0236+700K0240+300360084.5～94.588.966K0241+800K0243+600180084.6～93.689.067K0244+500K0245+00050085.4～90.087.568K0245+900K0246+900100087.5～93.689.869K0248+000K0249+700170082.3～91.987.770K0254+000K0254+80080087.8～93.689.971K0259+000K0259+70070086.3～90.988.872K0261+600K0262+00040082.7～86.384.373K0262+200K0263+500130084.1～93.688.974K0263+800K0264+60080083.1～89.887.075K0265+400K0265+60020082.8～88.185.532 第4章湖南地区公路沥青路面使用性能评价序号起讫桩号路段长度值域范围均值下行行车道76K0278+600K0279+00040079.8～85.383.777K0280+000K0281+800180084.4～93.688.678K0284+400K0286+400200084.0～91.587.179K0288+500K0288+70020085.4～85.585.480K0298+700K0298+90020083.2～85.884.681K0300+500K0305+800530082.2～91.388.182K0306+500K0307+40090080.9～93.588.683K0308+600K0309+00040085.3～89.387.9下行超车道96K0177+000K0179+100210083.5～86.784.197K0186+700K0187+20050088.2～90.188.998K0187+900K0188+40050089.4～90.089.699K0189+600K0194+000440084.6～93.188.9100K0213+200K0214+400120085.5～90.288.5101K0220+600K0221+30070082.6～90.286.7102K0223+100K0223+80070082.7～91.987.6103K0307+900K0308+00010084.8～84.884.8104K0309+400K0309+60020088.2～89.989.133 第4章湖南地区公路沥青路面使用性能评价4.3.2平整度根据检测所得的国际平整度指数，分百米、公里计算各车道路面行驶质量指数RQI，全线按公里RQI值统计如下：表4.16RQI统计表上行下行上下行分级长度（km）占比（%）长度（km）占比（%）长度（km）占比（%）优159.7299.4159.7299.4319.4499.4良10.610.620.6中00.000.000.0次00.000.000.0差00.000.000.0合计160.72100160.72100321.44100从上表可知，该公路的平整度质量一般，大都属于中差级别，上行、下行行车道各只有1公里的属于良。沿整条公路桩号绘制上、下行的RQI值比较图如下，只有上、下行路段桩号K224~K225为RQI得分小于60，评价为良，其余路段RQI按公里评价都为中。图4.4RQI分公里曲线图34 第4章湖南地区公路沥青路面使用性能评价按照百米的RQI统计，上行行车道RQI小于90的2620m；下行行车道RQI小于90的1900m，其中RQI连续小于90的路段具体如下表所示：表4.17RQI重点路段序号起讫桩号路段长度值域范围均值上行行车道1K0149+080K0149+1002078.9～78.978.92K0153+000K0153+10010088.9～88.988.93K0159+400K0159+50010087.4～87.487.44K0161+200K0161+30010088.6～88.688.65K0170+100K0170+20010085.6～85.685.66K0176+600K0176+90030074.9～88.280.57K0177+900K0178+00010089.9～89.989.98K0210+000K0210+10010084.0～84.084.09K0224+400K0236+300100072.4～89.982.010K0248+700K0248+90020089.4～89.789.511K0254+400K0254+50010089.7～89.789.712K0271+600K0271+70010089.3～89.389.313K0295+800K0296+10030081.6～81.985.114K0300+000K0300+10010089.3～89.389.3序号起讫桩号路段长度值域范围均值下行行车道15K0149+300K0149+50020084.2～84.386.316K0155+100K0155+20010086.2～86.286.217K0159+600K0159+70010086.3～86.386.318K0161+300K0161+50020085.3～89.487.419K0224+100K0225+100100079.7～88.583.920K0245+000K0245+10010086.6～86.686.621K0253+200K0253+30010087.2～87.287.222K0262+500K0262+60010089.9～89.989.935 第4章湖南地区公路沥青路面使用性能评价4.3.3车辙车辙深度指数RDI用来表征车辙严重程度，分百米、公里计算RDI，全线按公里RDI值统计如下：表4.19RDI统计表上行行车道上行超车道下行行车道下行超车道上下行分级长度占比长度占比长度占比长度占比长度占比（km）（%）（km）（%）（km）（%）（km）（%）（km）（%）优004930.50069.0042.9311818.35良119.874.5111.7269.5136.7285.190.7256.45458.9671.39中33.9221.10095.61.000.6243.926.83次74.400148.70.000.00213.27差000010.60.000.0010.16合计160.72100160.72100160.72100160.72100642.88100根据统计的分公里车辙深度指数RDI，绘制全线根据RDI分级的累计公里数柱状图如下，从图中可以看出超车的分公里RDI都处于优，良等级，以良为主，而行车道分公里RDI主要处于良、中等级，有少部分路段处于次，差等级。图4.5RDI分级统计图36 第4章湖南地区公路沥青路面使用性能评价沿整条公路桩号绘制各个车道的RDI值比较图如下，从图中可以看出，除极个别较短路段外，超车道按公里评价的RDI值优于行车道，路面车辙深度指标为良以下的路段主要集中于K149~K173之间的上、下行行车道。图4.6RDI分公里曲线图按照百米的车辙指数统计：上行行车道RDI小于70的8700m；下行行车道RDI小于70的15100m；上行超车道RDI小于70的100m；下行超车道RDI小于70的300m。其中连续小于70的路段具体如下表所示：表4.20RDI重点路段序号起讫桩号路段长度值域范围均值上行行车道1K0149+200K0149+50030064.6～68.866.22K0149+900K0150+00010068.5～68.568.53K0150+400K0154+500350054.4～69.865.64K0161+600K0161+70010069.6～69.669.65K0169+300K0169+40010064.5～64.564.56K0225+700K0225+80010067.5～67.567.57K0226+000K0226+50060057.6～69.762.48K0245+200K0245+30010069.0～69.069.09K0245+500K0245+60010067.6～67.667.637 第4章湖南地区公路沥青路面使用性能评价10K0253+900K0254+30030065.4～66.666.011K0256+000K0256+60050059.2～67.863.912K0256+900K0257+30040051.9～68.161.413K0257+800K0258+30050066.1～67.666.614K0259+000K0259+10010061.3～61.361.315K0261+800K0262+00020048.9～65.057.016K0262+300K0263+500120011.5～86.652.017K0263+900K0264+00010067.2～67.267.218K0279+500K0279+60010068.8～68.868.819K0280+200K0280+60040060.8～69.965.220K0297+700K0298+20050066.3～69.067.4上行超车道31K0290+900K0291+00010063.9～63.963.9序号起讫桩号路段长度值域范围均值下行行车道21K0150+600K0152+300140056.2～69.164.722K0152+600K0156+600380034.7～69.660.023K0159+000K0159+60060058.4～69.763.824K0159+900K0161+80070061.4～69.766.025K0162+200K0167+100470047.7～68.561.726K0168+600K0168+80020062.2～68.665.427K0169+200K0170+00080064.4～69.966.828K0170+900K0173+200230050.8～67.260.829K0208+700K0208+90020059.7～69.564.630K0231+500K0231+90040066.2～70.068.5下行超车道32K0200+800K0200+90010068.9～68.968.933K0260+100K0260+20010068.1～68.168.134K0260+800K0260+90010068.1～68.168.138 第4章湖南地区公路沥青路面使用性能评价4.3.4结构强度通过路面结构强度指数PSSI表征路面结构整体强度，本次检测路段为：上、下行方向行车道K150~K176（K173+320~K176+000为桥面），上行方向行车道K184~K225，以10m间隔输出数据，分公里计算SSI、PSSI，检测路段按公里PSSI值统计如表4.21。表4.21PSSI统计表上行下行上下行分级长度（km）占比（%）长度（km）占比（%）长度（km）占比（%）优60.093.819.11582.779.11590.8良4.06.34.017.38.09.2中00.000.000.0次00.000.000.0差00.000.000.0合计64.010023.110087.1100根据分公里PSSI统计结果，PSSI优占比89.7，K153+000~K157+000为良，占比9.2%。图4.7PSSI分公里曲线图39 第4章湖南地区公路沥青路面使用性能评价4.3.5抗滑性路面抗滑性能是指车辆轮胎受到制动时沿表面滑移所产生的力。通常，抗滑性能被看作是路面的表面特性，并用轮胎与路面间的摩阻系数来表示。影响抗滑性能的因素有路面表面特性、路面潮湿程度和行车速度。一本文中沥青路面的抗滑性能采用SRI作为评价指标，数据采集依照《公路沥青路面养护技术规范》中的规定进行，检查结果如下。图4.8SRI指标沿里程变化情况路段抗滑性能均达到90分以上，评级为优，说明原路面抗滑性能保持良好。4.4调查路段的使用性能综合指标评价根据所测的路面平整度指数RQI、破损指数PCI、车辙深度指数RDI，由于本次检测未检测路面横向力系数，因此在分公里PQI值时将其SRI值视为100分进行计算，统计结果表4.20。表4.20PQI统计表上行下行上下行分级长度（km）占比（%）长度（km）占比（%）长度（km）占比（%）优151.7294.40147.7291.91299.4493.16良95.60138.09226.84中00000040 第4章湖南地区公路沥青路面使用性能评价上行下行上下行分级长度（km）占比（%）长度（km）占比（%）长度（km）占比（%）次000000差000000合计160.72100160.72100321.44100根据统计的路面使用性能指数PQI，绘制全线根据PQI分级的累计公里数柱状图如下，从图中可以看出：某公路分公里路面使用性能指数PQI值都处于优、良等级，90%以上的路段路面使用性能指数等级都为优。图4.9PQI分级统计图图4.10PQI分公里曲线图41 第4章湖南地区公路沥青路面使用性能评价沿整条公路桩号绘制上、下行的PQI值比较图如下，可以看出下行的PQI值略差于上行，PQI值小于90的路段，即评价为良的路段主要为K159~K173之间的下行路段，主要原因为该路段车辙较大，车辙深度指数偏小。4.5本章小结本章在对公路路面病害调查分析的基础上，检测并评价了沥青路面技术状况，选用现有评价指标路面状况指数PCI、行驶质量指数RQI、路面强度系数PSSI和综合指标PQI对湖南地区沥青路面进行了使用性能评价。42 第5章组合预测方式的提出及效果评价第5章组合预测方式的提出及效果评价当路面的损坏达到某个预定的标准，道路需要采取相应措施，以恢复和改善其路用性能。在项目级和网络级路面管理系统中必须掌握维护及重建的时机，以及确定路面设计而采用的措施，每个生命周期成本分析，设计方案，并选择最佳的维修和重建措施等。这是必要的预计新方法，当设置加铺层或其措施后，其性能随着作用时间的推移或轴重变化规律，对于这样的估计而建立的关系，即使用性能预测模型。5.1现有预测模型按表达方式也更能表明预测模型可以分为确定型和概率型两类。在传统预测方法（经验型、力学以及力学—经验模型）的基础上，人工神经网络和专家系统等预测方法应运而生。下面对各类模型进行简单介绍。5.1.1确定型预测模型确定型模型利用一些基本方法（回归分析、趋势外推等）建立指标反应模型、结构性能使用模型以及功能使用模型，并由此来确定未来值。l)力学预测模型基于弹性理论与粘-弹性理论模型，并对荷载下的应力、应变以及位移响应进行分析，这就是力学方法预测模型。即便这种模型具有成熟的理论基础，但计算过于复杂，尤其是路面材料、载荷以及环境等因素的变化理论假设使得计算结果存在较大的变异性。2)力学-经验预测模型此类模型是结构分析与实测数据相结合的产物。目前的路面结构设计方法以下列指标来评价路面结构损坏情况：水平拉应力、应变能、疲劳开裂、车辙或者路表弯沉等。以上通常作为该模型的反应参数，从而建立与路面使用性能间的关系。建立的模型和变量可根据现有研究成果确定，但其系数须由实测数据及反应参数回归确定。此方法虽需巨大的分析和计算工作，但外推性能较好，可用于项目级管理系统。3)经验回归预测模型无论哪种方法，虽然其理论完善，外推性能强，但是存在复杂的结构分析。而经验回归方法在某些使用性能衰变机理不明确时有明显的优势。43 第5章组合预测方式的提出及效果评价但通过该法建立预估模型，仅能在一定程度上将使用性能变量与其影响变量进行拟合，不能得出其影响机理。关于其可靠度除了受有关资料和数据的影响，还要考虑到工作人员对变量与影响变量间关系的理解程度与认识程度。5.1.2概率型预测模型该模型利用数学手段（统计、剩余寿命曲线以及马尔可夫链等）及概率模型（残存曲线模型、马尔可夫模型以及半马尔可夫模型）对使用路面作出预测。马尔可夫模型最为广泛，状态转移概率矩阵是其核心，表示同一路面使用性能(如PCI，RQI，SSI等)状态（某一范围内）变化的概率。为了对路面使用性能更好的预测，现做出以下假设：l)使用性能指标可分为有限个状态；2)路面使用性能状态变化时的概率与先前状态无关，仅和当前的状态有关。3)转移过程不随时间的变化而变化，即为静态的。转移概率矩阵的构建方法有以下几种：经验判断、统计分析以及回归方程分析。当检测数据缺少时，也可以根据工程经验建立转移概率矩阵，但其可靠性不高。因此数据历史时间及精度决定了该法的矩阵精度。5.1.3神经网络模型该法是人们受启发于大脑处理信息时选用的密集相联通节点和平行结构的方法而建立的。其具有以下特点：自适应学习、非线性，可发现人脑未知的内部规律。ANN神经网络模型是由德克萨斯州研发的，其可预测油性路面车辙以及裂缝发展到一定程度时的剩余时间。具体而言，该法是依据该州36000个实验路段数据，然后输入9维向量，即沥青面层和基层的厚度和FWD湾沉值等数据，从而输出向量预测的结果。将该结果与实际数据相比后发现，其误差小于20%的有86%，而车辙预测模型高达95%。5.1.4现有预测模型评价无论哪种预测模型都有一定的局限性。产生的原因是由于建模数据有限，而且对该方面的认识与经验积累具有，所以必须在一定范围内才能使用相应模型，否则会失效。经验回归模型对已有数据的拟合是最佳的。对于同组数据可以有多种回归方式，也即表明相关系数大的模型并不一定比系数小的模型强。而且由于实际情况不能完全分析道，所以该模型存在一些偏差或错误。除此之外，此模型不能反映44 第5章组合预测方式的提出及效果评价路面使用性能随时间的变化规律(如结构层模量随季节的变化)。为保证预测的可靠性，经验模型须满足所有边界条件（包括物理和数学）及大量数据基础。马氏模型能在路面资料缺乏时可根据工程经验确定路面性能变化趋势；而当数据资料充足时又能校正转移概率矩阵。但是该预测模型的假设与实际情况并不完全相符。自学习、非线性映射以及并行分布处理是神经网络模型的特点。而且能够根据观测资料的更新和补充，自行修正模型参数。通过神经网络来预测路面使用性能时必须拥有观测资料，而这很难适用于新建或运营时间较短的公路。对路面使用性能进行调研，基于此利用评价模型对相关因素进行分析，综合考虑现有预测模型的特点及养护管理现状，提出基于组合预测的思想。通常情况下多种不确定信息存在于实际问题中。为对预测效果进行改善并避免使用单一信息的问题，组合预测是一种进行信息综合的有效方法，而综合方法可以分为权重综合和区域综合两种类型。5.2组合预测方式实际中常用最优加权系数法和正权系数法来确定组合预测权重。由于模型组合形式相关的研究较少，再加上不同组合其预测效果也不同，使得差异较大。必须得出最佳的模型组合形式来减少这种差异，从而使预测效果得到提高。本章研究了广义加权函数比例平均组合预测模型，其不仅有代表性，而且能再已有模型的基础上产生新的组合模型。5.2.1广义加权平均组合预测假设某一预测问题的实际值为（在某一时间段内）mpp2，(t=l，2，…，n)，该问题有m种预测模型min()Jtf[((()))fYt((fYtj()))]j且其值依次为Yt()=(t=l，2，…，n；j=l，2，…，m)。其加权系数为W=(WT1，W2，…，Wn)，且该系数满足归一化约束条件与非负约束条件：ETW=1，W≥0，其中，E=(1，1，…，n)，记组合预测值Yt()(t=l，2，…，n)，，希望Yt()对群组预测值Yt()(t=l，2，…，n)的逼近程度愈小愈好。设性能指标为：45 第5章组合预测方式的提出及效果评价mpp2min()Jtf[((()))fYt((fYtj()))]，t=1，2，…，n；p≠0jJt()其中f为连续可微函数，p为非零参数，f可逆。令0，且Yt()p1fYt(())(fYt(()))0，0，整理后得到Yt()m1p1/pYt()f[(j((())))]fYtj，t=1，2，…，n；p≠0j取f(t)=t，则有m2pj(())Ytjj1/p，t=1，2，…，n；p≠0Yt()()mpj(())Ytjj这就是广义加权算术比例平均组合预测模型。它包含了以下几种情况：当P=1时，即为简单加权算术型；而当P=1/2时，则为简单加权平方根型；当P=-1时，即为简单加权调和型。5.2.2组合预测的效果评价指标通过制定评价指标来综合衡量和评价组合预测效果，检验组合预测方法的有效性，基于模型的预测效果，现参考以下评价指标：(1)平方和误差n2SSE(Yt()Yt())t1其中Y(t)为实际值，Yt()为预测值。（2）平均绝对误差1nMAEYt()Yt()nt1（3）均方误差46 第5章组合预测方式的提出及效果评价1n2MSE(Yt()Yt())nt1（4）平均绝对百分比误差1n()()YtYtMAPEnt1Yt()（5）均方百分比误差1n()()YtYt2MSPE()nt1Yt()5.3基于神经网络与马尔可夫模型的使用性能组合预测5.3.1神经网络预测模型本课题选用BP网络预测路面使用性能，其基本结构见图5.1。图5.1BP网络基本结构神经网络路面使用性能预测模型选择预测年的路龄，其输入向量(xl，x2，…，xn)是由预测年前一年的交通量和路面使用性能指标(如PCI的隶属度评价等)构成的，预测年的路面使用性能指标(如PCI的隶属度评价等)就是输出量。需要注意的是要将输入输出变量转化到[0.1，0.9]区间。图6.2为神经网络路面使用性能预测模型的算法流程。其中设定的最大迭代次数为Nmax，误差极限值是Emin。n该算法中间层各神经元的激活值为：sjWijxiji1（5-1）47 第5章组合预测方式的提出及效果评价1神经元的输出函数fx()取做sj的函数，即yj1exp(s)（5-2）j1o1212输出层的输出方差为：Ek(do)(dkok)22k1（5-3）基于梯度下降原则，由推到得出三层前馈网的BP学习算法权重和阂值调整计算公式为：w(doo)(1oy)jkkkkkj{lovij(kwjk)yj(1yxj)i（5-4）k1o(doo)(1o)kkkkkk{lyojj(kwjk)(1yjyj)（5-5）k1图5.2BP神经网络预测算法流程48 第5章组合预测方式的提出及效果评价5.3.2马尔可夫预测模型马尔可夫链是一个离散型随机过程，其具有无后效性的特点，即系统将来的状态与过去无关而仅与现在相关。现假定该系统共有n种状态，则其初始时刻状态分布P0为：P0(,pp12,...,pn),pi1i（5-6）转移概率即为系统由状态i经过一步转移为状态j的概率，而具有n种状态的系统的转移概率可以构成矩阵P，且其具体形式为：p11p12...p1npp...pP[p]21222nijnn............（5-7）pp...pn1n2nnn阶转移概率矩阵”满足概率矩阵的一般性质，即：npij0,pij1(,ij1,2,...,)ni1现假定该转移概率是静态的，根据无后效原理以及条件概率的性质，可以得出第k时刻系统状态分布Pk：PPPkk1（5-8）5.3.3组合预测模型及效果评价为简化表达使其方便，现将神经网络预测模型与马氏预测模型的值写成Yt()与1Yt()，相应的加权系数为w1与w2，且假定其都满足归一化约束条件与非负约束2条件。l)加权算术平均组合预测模型2Yt()jYtj()1Yt1(+）2Ytt2(),1,2,...,n（5-9）j149 第5章组合预测方式的提出及效果评价模型中Y1(t）与Y2(t)都是确定量，尽量做到人为选定值或预测值与实际值越接近越好，在此基础上构建二次规划模型来确定w1与w2。n22minJt()[()YtjYtj()]（5-10）t1j12s.tj1j1,0122）加权平方和平均组合预测模型22Yt()Yt()+Ytt(),1,2,...,n（5-11）1122建立二次规划模型来确定w1和w2。n222minJt()[()Yt1Yt1()+2Yt2()]（6-12）t12s.tj1j13)加权比例平均组合预测模型22(Yj())tj22j1(Yt1())+2(Y2())t（5-13）,t1,2,...,n2jYj()t1Yt1()+2Y2()tj模型中Y1(t）与Y2(t)都是确定量，尽量做到人为选定值或预测值与实际值越接近越好，在此基础上构建二次规划模型来确定w1与w2。222(Ytj())njnminJt()1j1Yt()(1Yt1()+2Yt2(),t1,2,...,n（5-14）2t1Yt()2t1(())+Yt2(Yt())2jj1122j50 第5章组合预测方式的提出及效果评价5.4本章小结高速公路路面养护管理是一个复杂过程，其优化决策要根据实际观测数据及主观经验等方法进行多种预测。本节主要对组合预测方法进行了探讨和分析，基于此构建了神经网络与马尔可夫模型相结合的组合预测模型，进而对路面使用性能进行预测，并对其结果进行评价。51 第6章基于组合预测的沥青路面使用性能衰变研究第6章基于组合预测的沥青路面使用性能衰变研究在对高速公路路面使用性能进行预测时，首先必须合理选择适用指标，然后确定影响指的主要因素，并根据已知数据建模，尽可能客观得出反映实际的结果。6.1路面使用性能的组合预测实现确定预测指标后，分别分项和综合的角度对指标进行分析，然后根据不同的条件和目的来选择对象。6.1.1限定预测范围通常可选择综合路面性能指数如PQI，或者单个性能指标如RQI（路面行驶质量指数），甚至某个元素如路面裂缝。当然也可以选择应力和应变等物理量来反映路面结构层受荷载和环境作用后的变化情况。基于路网养护管理特点和要求，本文选择PCI（路面状况指数）、PSSI（路面强度指数）、RQI（行驶质量指数）、SRI（抗滑性能指数）等分项指标来评价路面使用性能。并有利于对后文高速公路路网级养护管理决策提供分析条件与支持。6.1.2选取影响因素对于不同的因素，其特定预测对象也不同。为简化建模的难度和工作量，需要以定性分析的方式进行筛选，其筛选原则为突出重点，弱化次要”。本课题选用的影响因素包括路龄、荷载、路面类型以及环境因素等。而神经网络预测模型的输入变量体现出路龄和荷载两个因素，样本的选取和转移矩阵则体现出路面类型和环境两个因素。6.1.3神经网络模型计算由现行规范《高速公路养护质量检评方法(试行)》，分别对IRI（道路国际平整度指数）、l0（路面弯沉）、DR（路面破损率）、SFC（路面横向力系数）等数据计算，得出下列单项评价指标：RQI（道路行驶质量指数）、PSSI（路面结构强度指数）、PCI（路面状况指数）、SKI（抗滑性能指数）等。由路面类型和环境情况将已有的PCI、RQI、SRI、PSSI历史数据分类，并以此作为样本进行训练和检验。针对上述7×8×5的三层神经网络模型用80%的样本52 第6章基于组合预测的沥青路面使用性能衰变研究训练，而检验模型的样本为剩余的20%，要求反复训练直到满足要求。图6.1为三层神经网络结构，基年预测指标的模糊隶属度值以此用μ1(x)一μ2(x)表示，预测年指标的模糊隶属度值以此用μ1(y)一μ2(y)表示。路龄用m表示，交通量用n表示。通过线性映射的方法将上述指标输入，再将输出变量映射到[0.1，0.9]区间上)。图6.1神经网络模型结构6.1.4转移概率矩阵的确定时间刻度用年来表示，初始时刻（马尔可夫概率预测模型）用预测基年表示，将各指标在基年的属性测度值计算出来后以此结果作为分布值来描述路面状态。即：p11p12...p1npp...pP(p,p,...,p)PP(ppp,,)21222n（6-15）112n0123............pp...pn1n2nn(p1，p1，…，pn)与(pˊ1，pˊ2，…，pˊn)依次为基年与其后一年的分布状态，求P（转移概率矩阵）。在预测路面使用性能的过程中，可将其分为5个等级：优、良、中、次、差。为减少工作量做出以下假设：(1)当i>j时，Pij=0。即一定范围内（道路日常养护与小修保养的情况下)，路面使用性能仅能由高级向低级水平转移。53 第6章基于组合预测的沥青路面使用性能衰变研究(2)研究数据表明，高速公路的路面使用性能在一年内其等级下降缓慢。而且根据已有的文献，可近似将使用性能的转移分为两个等级。即当i-j>2时，Pij=0。终上所述，本课题中确定的简化形式P。优、良、中、次、差分别由1、2、3、4、5表示。p11p120000pp002223P[]Pij5500p33p340(6-1)000pp444500001未来路面使用性能状态的分布情况可由得出的P来预测，该P值也可进行大中修年限预测。所以该法成为用于养护方面的理论依据。依据现行的《高速公路养护管理手册》：路面中修不能显著提高承载力，仅能恢复破损状况。即除结构承载力以外其他性能均可以恢复至新修状态，且中修后的路面使用性能变化趋势跟原路面基本相同；而大修将完全恢复路面使用性能，即大修后的路面使用性能和新修路面完全一样，且变化趋势也相同。6.2路面使用性能预测实例分析以湖南省某高速公路（约1km）为例来预测其路面使用性能，具体的预测指标为以路面状况PCI，而其他指标的预测采用类似的办法。另外已知其是半刚性基层沥青路面。6.2.1路面状况指标PCI及其基础数据通过基础监测数据（2000-2009年），可计算得指标值。如表6.1。表6.1路面使用性能检测数据及评价指标时间2000200120022003200420052006200720082009评价指95918885817773696560标（PCI）单车道日交通2203254026272887324735234017506058316481量（辆）路龄12345678910（年）54 第6章基于组合预测的沥青路面使用性能衰变研究6.2.2神经网络模型预测其神经网络模型的训练样本即为基础数据（2000-2006年）和同类型路段的数据，在验证时采用2007~2009年的数据。表6.2是其具体检验结果。表6.2评价指标PCI神经网络模型预测及精度检验结果年份PCI等级实际值预测值绝对误差相对误差SSEMAE优00.01-0.01良0.930.820.110.118200769中10.940.060.060.0360.065次0.0670.20-0.133-1.985差00.01-0.01优00.02-0.02良0.670.530.140.208200865中11.02-0.02-0.020.040.064次0.330.47-0.14-0.424差000优00.04-0.04良0.330.230.10.303200960中11.04-0.04-0.040.0350.076次0.670.80-0.13-0.914差00.07-0.076.2.3马尔可夫预测将2008年当为预测基年，将08检测数据指标值及09年路用性能指标值作为参考。将原始指标与五级PCI指标进行转化，即：B2008=(0，0.67，l，0.33，0)，B2009=(0，0.33，l，0.67，0)。将模糊隶属度值归一化来使得计算简便，即：P0=(0，0.335，0.5，0.165，0)，P1=(0，0.165，0.5，0.335，0)。通过以上转化，即可求出简化的P（转移矩阵）p11p120000pp002223P[]P00pp0ij553334000pp44450000155 第6章基于组合预测的沥青路面使用性能衰变研究由P可得各级在预测年份的状态概率，即：P2=(0，0.11，0.4，0.55，0.2)表6.3评价指标PCI马尔科夫预测及精度检验结果年份PCI等级实际值预测值绝对误差相对误差SSEMAE优000良0.930.99-0.06-0.064200769中11.10-0.1-0.10.0140.037次0.0670.08-0.013-0.194差00.01-0.01优000良0.670.80-0.13-0.194200865中11000.0340.054次0.330.20.130.393差00.01-0.01优000良0.330.54-0.21-0.636200960中11000.0840.082次0.670.470.20.298差0006.2.4组合预测根据以上计算，表6.4为最终预测结果和效果评价。综合考虑预测误差和路龄即可确定该组合权重模型。预测形式和参数估计选择合适有利于提高预测效果。该法与马氏预测相比起误差显著降低，其中最为显著是加权平方与平均组合预测模型的效果。表6.4组合预测效果综合评价表模型预测值SSEMAE模型组合权重2007200820092007200820092007200820090.010.020.040.820.530.23神经网络预测0.941.021.040.3360.040.0350.0650.0640.076模型0.200.470.800.0100.01马尔可0000.0140.0340.0840.0370.0540.08256 第6章基于组合预测的沥青路面使用性能衰变研究夫预测0.990.800.54模型1.10110.080.20.470.010.010000.01加权算0.900.630.30术平均w1=0.5320.9611.020.00540.00250.00630.00270.0140.026组合预w2=0.468测模型0.120.300.600.0100000.01加权平0.910.600.31方和平w1=0.543均组合0.9911.010.00460.00130.00320.00210.0100.020w2=0.457预测模0.130.310.62型0.0100.01000.02加权比0.960.590.29例平均w1=0.5680.971.011.020.00720.00690.00930.00290.0220.030组合预w2=0.432测模型0.140.350.690.01006.3本章小结本章对路用性能影响因素进行了分析，并结合现有模型的优缺点及公路的养护管理情况建立了组合预测模型（神经网络与马尔可夫模型相结合），从而达到更好的对路面使用性能预测的目的。该法能准确、科学的评价和预测高速公路沥青路面使用性能。57 第7章结论与建议第7章结论与建议7.1主要成果与结论本文围绕公路沥青路面使用性能预测模型的选择为论文的切入点进行研究，在分析了路面特征、交通量、气候、工程及路龄、车辆特性等因素对公路沥青路面使用性能的影响基础上和公路路面病害害调查分析的基础上，检测并评价了试验路段沥青路面技术状况，选用现有评价指标路面状况指数PCI、行驶质量指数RQI、路面强度系数PSSI和综合指标PQI对湖南地区沥青路面进行了使用性能评价。总结国内外公路沥青路面使用性能预测模型，并进行分类，尤其对是公路沥青路面使用性能预测模型的常用方法进行了比较系统的总结，详细介绍各种预测模型的适用情况，并分析总结各种预测模型的优缺点，提出了组合预测模型的思想和验证，主要得出以下结论：（1）通过对影响路面使用性能的因素分析，综合考虑现有预测模型的优缺点与应用情况及我国高速公路的养护管理现状，基于组合预测方法的思想，综合评价了组合预测的效果。（2）综合利用各种路面使用性能评价方法的优点，构建出基于神经网络与马尔科夫过程的高速公路路面使用性能组合预测模型，能够对高速公路沥青路面使用性能进行准确、科学地评价和预测。7.2进一步研究的建议本文引入组合预测策模型的计算方法，并举出实例进行验证，内容包括沥青路面性能组合预测模型的建立方法；组合预测模型最优权重的计算方法；组合预测模型的验证。论文的研究成果有助于管理部门提高决策方案的科学性、合理性和有效性，扩大决策范围；而且将大力推动高速公路路面养护管理优化决策的理论研究，丰富了组合预测在高速公路管理领域的研究应用。但由于受课题时间所限，还有不少工作需要进一步深化。总结本文所做研究，拟提出以下研究建议:在选择工程实例对组合预测法模型进行验证的时候，选择了长张高速公路为例，虽然该高速公路的相关研究数据比较充分，但仍难免会有不足之处，为了进一步研究和探讨模型的实际应用，在有相关研究项目与资金为依托的情况下，可选取预防性养护试验路段对该模型进行更进为深入的研究与探讨。58 致谢致谢本论文是在导师吴国雄教授悉心指导和严格要求下，以及我的同事及同门师兄弟们的耐心帮助下完成的。在此成文之际，谨向那些给予我帮助的老师和同学们表示最诚挚的谢意和最衷心的祝福！首先，感谢我的导师吴国雄教授，在近三年的研究生学习期间，恩师在生活上给予了作者无微不至的关怀，并给作者提供了宝贵的学习机会和良好的学习环境。恩师的谆谆教导，学生铭记于心。恩师渊博的学识、严谨的治学态度和优良的工作作风亦使我深受启发，必将对我在以后的学习和工作中改进工作态度，提高知识水平有着积极的影响；恩师不仅在传道授业解惑中严格要求弟子，而且在生活、为人做事和个人的思想等方面都给予我极大的启迪和熏陶，让我们在以后的人生道路上能走的更稳更好。写到这里，三年多与各位老师一起生活学习的场景历历在目，他们的耐心指导和无私帮助将使我终生受益终生。对恩师的厚爱，我感激不尽！我将永远珍惜与他们相处的美好时光！其次，感谢同门师兄弟们，是你们让我真实感受到了这个集体强大的凝聚力以及互助互爱、团结奋进精神！最后，感谢各位评审委员的批评指正，你们的耐心指点，衷心祝福你们工作顺利、身体健康、一切顺利！59 参考文献参考文献[1]蔡锡荣.沥青路面高性能超薄封层技术及工程应用研究[D].广州:华南理工大学,2011:1-7[2]宋丹丹.基于路面管理系统的路面服务能力指标和预测模式的建立[D].上海:同济大学,2008:1-9[3]胡群芳.公路路面结构使用性能评价与预测研究[D].郑州:郑州大学,2003:1-8[4]王浩.灰色系统理论在高速公路沥青路面养护管理决策中的应用研究[D].重庆:重庆交通大学,2008:2-9[5]HighVolume/HighSpeedAsphaltRoadwayPreventiveMaintenanceSurfaceTreatmentsFinalReportSD99-09SDDepartmentofTransportationOfficeofResearch,2001[6]TransportationAssociationofCanada.Pavementdesignandmanagementguide,Ottawa:TAC,1997[7]张雅涛.高等级公路加强预防性养护的意义及具体实施建议.交通世界,2006,(4):76-78.[8]李哲梁.基于费用效益分析的路面预防性养护技术.公路交通科技,2007,12(24):19-23.[9]AsphaltInstitute.Asphaltoverlaysforhighwaysandstreetrehabilitation,ManualSeriesNo.1（MS-1）.CollegePark:AsphaltInstiute,1983[10]PCA.Subgradesandsubbaseforconcretepavements.Skokie:PCA,1986[11]TheasphaltInstitute.Asphaltoverlayersforhighwayandstreetrehabilitation.ManualSeries,No17（MS-17）,1983[12]SamuelLabi,KumaresC.Sinha,FAsCE.Life-CycleEvaluationofFlexiblePavementPreventiveMaintenanee.JournalofTransportationEngineering,2005,（10）:744-751[13]SamuelLabi,KumaresC.Sinha.Life-CycleEvaluationofHighwayPavementPreventive[14]OptimalTimingofPavementMaintenaneeTreatmentsApplications.NCHRPReport523,2005[15]EliCuelho,RobertMokawa,MichehelleAkin.PreventiveMaintenanceTreatmentsofFlexiblePavements:ASynthesisofHighwayPractice.FHMA,2006FinalReport[16]冯欲晓.宁夏公路养护管理的研究[D].沈阳:东北大学,2003[17]方伟俊.公路沥青路面预防性养护措施决策研究[D].大连:大连理工大学,2008:8-11[18]刘小明,王昌衡.美国路面管理系统的问题与启示[J].中外公路,2000,25（1）:71-73360 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