王增煜

(哈同高等級公路管理處)

微表處預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程的實施時機選擇

王增煜

(哈同高等級公路管理處)

摘 要:微表處是一種經(jīng)工程實踐驗證的、行之有效的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的手段。微表處養(yǎng)護(hù)工程何時實施才會產(chǎn)生最佳的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效益，最大限度的延長道路的使用壽命成為了重要的研究內(nèi)容。

關(guān)鍵詞:生命周期費用;預(yù)防性養(yǎng)護(hù);微表處

1 路面使用性能的預(yù)測

1.1 路面性能指標(biāo)及影響因素

(1)路面性能指標(biāo)。

路面在行車荷載和自然因素的綜合作用下，會出現(xiàn)不同程度的自然老化、損壞和使用性能降低，從而影響到行車的舒適性和安全性，增加了道路用戶的使用費。路面性能包括路面破損、平整度、強度和抗滑四大指標(biāo)。在生命周期費用分析時只有路面破損和路面平整度兩項指標(biāo)和費用有關(guān)系，在進(jìn)行生命周期費用計算時一般只預(yù)測破損和平整度兩項指標(biāo)的衰變。

①路面破損:反映了路面結(jié)構(gòu)的完整性，也是衡量路面服務(wù)潛力的最重要因素之一。綜合性指標(biāo)是對路面損壞狀況的綜合測度，可綜合表征路面不同損壞類型、損壞程度和損壞數(shù)量的影響。根據(jù)目前的實踐水平，采用綜合性指標(biāo)—路面狀況指數(shù)PCI作為表征路面損壞狀況的測度。但由于路面的破壞是復(fù)雜多樣的，所以研究瀝青路面PCI的變化規(guī)律，選擇適合于預(yù)防性養(yǎng)護(hù)相應(yīng)措施的PCI值是很關(guān)鍵的。

②平整度:是路面行駛舒適性、經(jīng)濟(jì)性和安全性最普通和最重要的標(biāo)志。路面平整度對車輛磨損、燃油消耗、行駛舒適、路面損壞和交通安全等產(chǎn)生直接影響，用國際平整度指數(shù)(IRI)進(jìn)行衡量。

③強度:我國在公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范中采用強度指數(shù)SSI作為評價指標(biāo)。主要用于評價現(xiàn)有路面的承載力，即用路面允許彎沉值與路段代表彎沉值的比值來表示。其值越大路面的強度越好。

④抗滑:路面抗滑性能是影響行車安全的主要路面因素，路面需要具有一定的抗滑性能?？够芰φ{(diào)查常采用擺式摩擦儀或摩擦系數(shù)測定車測定。而抗漂滑的指標(biāo)則通過鋪砂法或激光構(gòu)造儀測定路表面構(gòu)造深度來完成。

(2)路面性能的影響因素。

建立路面使用性能預(yù)測模型，首先要對促使路面使用性能變化的主要原因進(jìn)行分析。因為很少有預(yù)測模型能包括所有影響使用性能的因素，所以分析各種影響因素不僅有助于建立盡可能完善的路用性能預(yù)估模型，而且還可以確定各種特定模型的適用范圍。路面是用性能影響因素主要包括路面類型、環(huán)境因素、路齡、交通量及其構(gòu)成和施工質(zhì)量和養(yǎng)護(hù)水平

1.2 路面使用性能預(yù)測方法分析

(1)確定型模型的建模方法。

現(xiàn)在較多采用的是確定型的模型，這種模型的建模方法主要有力學(xué)法、力學(xué)—經(jīng)驗法和經(jīng)驗(回歸)法三種。

①力學(xué)法:是利用彈性理論模型或者粘—彈性理論模型，通過結(jié)構(gòu)分析得到路面在荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變或者位移方程。力學(xué)建模方法雖然有充足的理論依據(jù)，但是計算復(fù)雜，工作量大。

②力學(xué)—經(jīng)驗法:不僅可以預(yù)測路面的使用壽命和結(jié)構(gòu)性能，而且還可以通過將路面反應(yīng)同路面性能相關(guān)聯(lián)進(jìn)行功能性預(yù)測。現(xiàn)有的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法大多采用水平拉應(yīng)力、疲勞開裂、車轍或路表彎沉等指標(biāo)作為衡量路面結(jié)構(gòu)損壞的標(biāo)準(zhǔn)。

③經(jīng)驗回歸法:經(jīng)驗回歸預(yù)測模型以多年的檢測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過回歸分析方法確定影響路面使用性能的主要變量(通常為路齡、交通量和相關(guān)使用性能參數(shù))，建立路面使用性能預(yù)測模型。經(jīng)驗回歸預(yù)測模型避免了力學(xué)法和力學(xué)—經(jīng)驗法對路面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的計算，所以該回歸方程建立的預(yù)測模型形式都比較簡單。

(2)概率型模型的建模方法。

由于影響路面使用性能變化的因素，如荷載、環(huán)境、材料性能和養(yǎng)護(hù)水平等都具有不同程度的變異，使用性能變化的速率是不確定的，它可能比預(yù)期的快，也有可能比預(yù)期的慢。目前，應(yīng)用最多且發(fā)展最完善的概率型預(yù)測模型是馬爾可夫模型，其假設(shè)一是路面使用性能指標(biāo)可劃分為有限個狀態(tài);二是路面使用性能從某一狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一狀態(tài)時的概率只與當(dāng)前的狀態(tài)有關(guān)，而與以前的狀態(tài)無關(guān);三是轉(zhuǎn)移過程是靜態(tài)的，即轉(zhuǎn)移概率不隨時間變化。

(3)其他模型。

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，更多的新技術(shù)被應(yīng)用到路面性能預(yù)測模型中，如專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色系統(tǒng)等。專家系統(tǒng)(Hass，1944)綜合融會路面管理專家的經(jīng)驗，建立知識庫，從而使計算機能夠模擬專家對各種條件下的路況進(jìn)行預(yù)測。灰色理論，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，儲存路網(wǎng)更多的信息。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ANA與一般的統(tǒng)計方法相比，有很多優(yōu)點。ANAL夠模擬人類的思考和判斷過程，根據(jù)己有的歷史數(shù)據(jù)庫對其中的規(guī)律進(jìn)行總結(jié)并對復(fù)雜預(yù)測問題提供實時的解答，預(yù)測時不需要專家的介入或?qū)ｉT的知識，在路面結(jié)構(gòu)性能預(yù)測中有廣泛的應(yīng)用前景。

2 微表處最佳預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時機的確定

2.1 方法簡介

(1)研究路線:效果費用比方法用采取某養(yǎng)護(hù)措施之后帶來的效果和為達(dá)到此效果所需的費用之比來評價此養(yǎng)護(hù)措施的有效性。此方法中效果是指表示路面使用性能的一個或多個指標(biāo)的量上變化，分析中費用包括的管理部門費用、道路使用者費用(用戶費用)、最佳微表處養(yǎng)護(hù)時機是在單位費用效果最大時。

(2)路面使用性能:評價采取微表處養(yǎng)護(hù)后所帶來的效果需要知道采取此養(yǎng)護(hù)措施所期望達(dá)到的路面使用性能。效果可以通過路況指標(biāo)來評價，如國際平整度指數(shù)IRI、道路現(xiàn)行服務(wù)指數(shù)PS、路面破損狀況PCI等。

(3)單個路況指標(biāo)與效果的關(guān)系。

效果是采取微表處措施后路況指標(biāo)的提高。其效果就是采用微表處養(yǎng)護(hù)后此指標(biāo)的性能衰變曲線下的面積與未采取微表處預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施時此指標(biāo)性能曲線下的面積之差，通常情況效果是正的，因為微表處養(yǎng)護(hù)可以改善路況、延長路面的壽命。

(4)效果權(quán)重系數(shù)。

當(dāng)在效果分析中采用多個路況指標(biāo)時，就需要用權(quán)重系數(shù)方法將不同路況指標(biāo)的效果結(jié)合起來綜合考慮。在應(yīng)用效果權(quán)重系數(shù)計算綜合效果時，每個路況指標(biāo)都分配一個介于0到100%之間的系數(shù)，各指標(biāo)的系數(shù)之和為100%。各路況指標(biāo)的效果乘以其權(quán)重系數(shù)之和就是此預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施所帶來的全部效果。

要合理的分配各路況指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)是比較困難的，因為每個路況指標(biāo)的計量單位不同，同一養(yǎng)護(hù)措施所引起的單個路況指標(biāo)變化的量也是不同的。

可以按照以下幾步來收集選擇權(quán)重系數(shù)所需要的信息。

①首先利用專家來判斷各指標(biāo)相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，初始選擇的權(quán)重系數(shù)量化了此養(yǎng)護(hù)措施的目標(biāo)和其所帶來的效益;然后單獨分析各路況指標(biāo)。初始給定的權(quán)重系數(shù)可以通過敏感性分析來調(diào)節(jié)其值。通過獨立分析每一個路況指標(biāo)對微表處養(yǎng)護(hù)時機的影響來分析其權(quán)重系數(shù)(設(shè)與此指標(biāo)相關(guān)的效果權(quán)重系數(shù)為100%，其他指標(biāo)的效果權(quán)重系數(shù)為0)。對養(yǎng)護(hù)時機影響比較大的指標(biāo)就比其他指標(biāo)相對重要一些。

②為證明權(quán)重分析過程的重要性，假設(shè)獨立分析3個路況指標(biāo)(車轍、裂縫和抗滑)分別對養(yǎng)護(hù)時機的影響，當(dāng)3個指標(biāo)分別確定的養(yǎng)護(hù)時機比較接近時(如分別是3，4和4年)，權(quán)重分析過程就沒有養(yǎng)護(hù)時機相差比較大時重要。在權(quán)重分析時就可以考慮平均分配各路況指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。但是如果單指標(biāo)分析決定的最佳養(yǎng)護(hù)時機相差比較大時(如分別是4，2和7年)，最初給定的權(quán)重系數(shù)對養(yǎng)護(hù)時機的影響就很難評估。此時就需要用下面的方法對權(quán)重系數(shù)進(jìn)行分析。

③試驗不同的權(quán)重系數(shù)組合。通過對不同權(quán)重系數(shù)組合的調(diào)查、分析可以得到有用的回饋信息。例如，初始選擇的權(quán)重系數(shù)(假如車轍的權(quán)重系數(shù)為60%，裂縫的權(quán)重系數(shù)為30%、抗滑的權(quán)重系數(shù)為10%)表明控制車轍性能是養(yǎng)護(hù)的主要目的，這個組合計算得到的養(yǎng)護(hù)時機就和只考慮車轍指標(biāo)時所得到的養(yǎng)護(hù)時機(4年)比較相近。詳見表1。

表1 不同權(quán)重系數(shù)組合對養(yǎng)護(hù)時機的影響結(jié)果

2.2 確定微表處最佳養(yǎng)護(hù)時機

最佳預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時機是基于效果費用比得到的。最佳時機就是在費用最小而效果最大時，即效果費用比額E/C最大時是最佳的養(yǎng)護(hù)時機。

為了使效果費用比的實際值更有意義，采用效用指標(biāo)Effectiveness Index(ED)來評價。效用指標(biāo)是用每個方案的效果費用比與最大的效果費用比的比率來表示。效果費用比最大的效用100，效用指標(biāo)按下式計算

式中:EIi為第i個時間方案的效用指標(biāo);(E/C)i為第i個方案的效果費用比;(E/C)max養(yǎng)護(hù)時間方案中效果費用比最大的;i為第i個方案。

3 結(jié)論

預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時機的研究是一個嶄新的課題，即使在預(yù)防性養(yǎng)護(hù)應(yīng)用比較多的國家，對路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時機的研究仍然很少。科學(xué)的確定采用微表處施工時機，是一項重要的工作，但現(xiàn)階段更多的處在研究與探索階段，上述方法是對微表處預(yù)防性養(yǎng)護(hù)實施時機的一種研究，還需要進(jìn)一步積累資料，繼續(xù)進(jìn)行一些更深層次的工作，對所建模型進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

中圖分類號:U418.9

C

1008-3383(2011)06-0071-02

收稿日期:2011-03-20