趙建國

(山西省公路局太原分局，山西 太原 030012)

1 概述

一般來說,道路狀況可以通過道路使用性能來體現(xiàn)。國省干線公路使用性能是一個動態(tài)變化參數(shù),在運營期,隨著運營年限、通行量及行車荷載的作用的增加而呈現(xiàn)衰減變化態(tài)勢。當(dāng)衰減到一定程度就需要通過公路養(yǎng)護(hù)來提升路面使用性能以滿足使用要求。道路狀況評價就是基于路面使用性能與路齡、路面結(jié)構(gòu)、路面類型及路面材料、行車荷載、氣候和環(huán)境等影響因素之間映射關(guān)系的模型,對道路使用性能進(jìn)行評估與分析,評價其滿足使用要求的程度,進(jìn)而為國省干線公路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)、養(yǎng)護(hù)路段及區(qū)間、最佳養(yǎng)護(hù)時機(jī)、最優(yōu)養(yǎng)護(hù)措施的確定提供科學(xué)決策支持。

道路使用性能的影響因素有很多,不同學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)對各類影響因素的分類方法也不盡相同,通?？蓺w納為路面特征因素、工程因素、氣候因素、交通因素[1]、其他因素五類,每一類因素下包含若干子因素(見圖1)。

通過道路狀況影響因素魚刺圖可以看出,道路使用性能影響因素眾多且不定,多因素間存在相互作用與關(guān)聯(lián),因此,在建立道路狀況評價模型和進(jìn)行道路狀況評定的時候,應(yīng)該綜合考慮各項因素及其影響率。

2 道路狀況評價指標(biāo)

道路狀況評價是養(yǎng)護(hù)決策等工作開展的基礎(chǔ),劃分養(yǎng)護(hù)路面、預(yù)測道路壽命、制定養(yǎng)護(hù)維修方案等都與道路現(xiàn)狀評價有關(guān)。根據(jù)《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》,可以采用路面平整度指數(shù)(RQI)、路面強(qiáng)度指數(shù)(PSSI)、路面破損指數(shù)(PCI)、路面車轍指數(shù)(RDI)和路面抗滑指數(shù)(SRI)五個指標(biāo)評價道路現(xiàn)狀[2]。五個指標(biāo)均可以從某一角度反映一定的道路狀況,但各指標(biāo)對綜合評價的貢獻(xiàn)率和影響力并不相等,因此,我們一般通過對RQI,PCI,RDI和SRI四個指標(biāo)及其權(quán)重的簡單加乘來得到一個綜合評價指標(biāo)PQI,用來表征道路總體使用性能;以路面強(qiáng)度指數(shù)PSSI表征道路承載能力。

路面平整度指數(shù)RQI主要用平整度表征,以測定的IRI(國際道路平整度指數(shù),m/km)來計算RQI。

(1)

其中,a0取0.026；a1取0.65。

路面強(qiáng)度指數(shù)PSSI主要反映路面結(jié)構(gòu)的承載力,隨著公路運營時間(路齡)、行車荷載、軸載作用次數(shù)的增加呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。路面材料、路面結(jié)構(gòu)、路基路面壓實度、交通狀況等都在不同程度上影響著PSSI指標(biāo)值。在道路使用性能評價中,一般通過檢測路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)SSI計算PSSI:

(2)

其中,ld為路面設(shè)計彎沉值，mm;l0為實測代表彎沉,mm;a0取15.71,a1取5.19。

路面破損指數(shù)PCI用于表征道路結(jié)構(gòu)的完好程度,通過綜合破損類型、破損程度和破損范圍三個方面的定量表現(xiàn),直接反映路面破損狀況的物理性能。

路面破損指數(shù)PCI通過路面破損率DR來計算,DR為與路面調(diào)查面積的百分比。

(3)

其中,瀝青路面時,a0=15,a1=0.412;水泥路面時a0=10.66,a1=0.461。

路面車轍指數(shù)RDI主要反映路面車轍及其深度,除了路面材質(zhì),對車轍產(chǎn)生影響的因素包括氣候條件、車輛載荷重量和車輛減速、急剎等駕駛操作。RDI的具體計算方法如下:

(4)

其中,RD為車轍深度，mm;RDa為車轍深度參數(shù),取20 mm;RDb為車轍深度限值,取35 mm;在國省干線公路中,a0取2.0,a1取4.0。

路面抗滑指數(shù)SRI是路面的抗滑性能評價指標(biāo),反映車輛輪胎與路面產(chǎn)生滑動時摩擦力的大小,與車輛行駛速度、路面結(jié)構(gòu)及材料、路面溫濕度、輪胎特性等因素有關(guān),通過橫向力系數(shù)SFC來計算:

(5)

其中,SRImin為標(biāo)定參數(shù),取35.0;在國省干線公路中,a0取28.6,a1取0.105。

路面使用性能指數(shù)PQI:通過路面平整度指數(shù)(RQI)、路面破損指數(shù)(PCI)、路面車轍指數(shù)(RDI)和路面抗滑指數(shù)(SRI)及相應(yīng)的權(quán)重分配(見表1),可計算得到路面使用性能指數(shù)PQI:

PQI=ωRQIRQI+ωPCIPCI+ωRDIRDI+ωSRISRI (6)

3 道路狀況評價模型

基于傳統(tǒng)道路路面性能評價理論,可以看出,國省干線公路路況評價指標(biāo)、評價內(nèi)容和指標(biāo)構(gòu)成了國省干線公路道路狀況評價體系,如圖2所示。

傳統(tǒng)的道路狀況評價主要基于實際調(diào)查數(shù)據(jù)并結(jié)合專家評價進(jìn)行,其指標(biāo)明確、簡單易懂,但受主觀影響較大,需有科學(xué)理論進(jìn)一步的輔助支撐。

為了降低道路狀況評價中人為主觀因素的影響,提高路面狀況評價的準(zhǔn)確性,近年來,一些學(xué)者開展了基于改進(jìn)灰色-TOPSIS法[3]、基于改進(jìn)灰色聚類法[4]和應(yīng)用灰熵理論[5]的路面狀況綜合評價方法研究,取得了較好的效果。理論和實踐證明,基于非線性的新興算法和理論,可以彌補傳統(tǒng)道路狀況評價方法的不足。

3.1 云模型理論

云模型是基于模糊數(shù)學(xué)及統(tǒng)計數(shù)學(xué),以不確定性語言值和精確數(shù)值之間的隨機(jī)性與模糊性來實現(xiàn)定性概念和定量數(shù)值之間自然轉(zhuǎn)換的模型理論。為了充分考慮道路狀況評價體系中評價指標(biāo)的模糊性和隨機(jī)性,可通過建立道路狀況評價正態(tài)云模型來確定不同評價指標(biāo)的權(quán)重,進(jìn)而更加科學(xué)反映道路綜合性能。

1)正態(tài)云定義。

若干個云滴(RQI，PSSI，PCI，RDI，SRI)及相應(yīng)隸屬度共同反映了道路狀況評價定性概念。至此,正態(tài)云理論實現(xiàn)了定性和定量之間的不確定性映射。

2)正態(tài)云數(shù)字特征。

根據(jù)云理論相關(guān)定義,可通過正態(tài)云模型數(shù)字特征值期望Ex、熵En和超熵He的定量特征反映定性概念。

(7)

(8)

其中，超熵He為熵的離散程度,反映云滴的聚集程度,本文中取0.1。

3)云發(fā)生器。

在道路狀況評價體系的研究分析中,重點需要通過正向云發(fā)生器解決從定性問題到定量數(shù)值的轉(zhuǎn)換,具體算法如下:

步驟1:通過道路狀況評價相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù),計算熵En和超熵He。

步驟2:以En為期望值,He為標(biāo)準(zhǔn)值,可以得到正態(tài)隨機(jī)數(shù)En′～N(En,He2)。

步驟4:重復(fù)步驟1～步驟3,生成足夠多的云滴。

3.2 指標(biāo)權(quán)重確定

為了準(zhǔn)確獲得各評價指標(biāo)的影響程度,避免主觀影響,可采用熵權(quán)法確定權(quán)重。

步驟1:在m個評價對象和n個評價指標(biāo)中,通過第i個對象的第j個指標(biāo)取值為xij,來構(gòu)建評價指標(biāo)矩陣X=(xij)m×n。

步驟2:對矩陣X進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化處理。

當(dāng)數(shù)值越大指標(biāo)越優(yōu)時:

(9)

當(dāng)數(shù)值越小指標(biāo)越優(yōu)時:

(10)

(11)

步驟4:確定權(quán)重。

通過信息熵計算各指標(biāo)權(quán)重:

(12)

3.3 綜合確定度

通過正向云發(fā)生器計算評價指標(biāo)x的確定度U(x),并結(jié)合權(quán)重計算綜合確定度:

(13)

3.4 道路狀況評價指標(biāo)選擇

結(jié)合國省干線公路日常養(yǎng)護(hù)與路面質(zhì)量檢測具體情況,綜合考慮行車速度、安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性等各個角度,選取路面平整度指數(shù)(RQI)、路面強(qiáng)度指數(shù)(PSSI)、路面破損指數(shù)(PCI)、路面車轍指數(shù)(RDI)和路面抗滑指數(shù)(SRI)五個指標(biāo)作為道路狀況評價模型的評價指標(biāo),并進(jìn)行了指標(biāo)分級(見表2)。

(1)干預(yù)前后采用HAMA(漢密爾頓焦慮量表,14個項目)、HAMD(漢密爾頓抑郁量表,17個項目)對患者的身體狀態(tài)進(jìn)行評估。兩個量表均按照疾病嚴(yán)重程度進(jìn)行“0-4分”等級評價,得分越高表明焦慮、抑郁越嚴(yán)重。(2)采用Berthel指數(shù)對患者日常生活能力進(jìn)行評價,總分100分,包括進(jìn)食、洗澡、穿衣、平地行走等10個項目,得分越高表明日常生活能力越好。

表2 國省干線公路現(xiàn)狀評價標(biāo)準(zhǔn)

3.5 模型應(yīng)用流程

基于正態(tài)云理論的路面狀況評價指標(biāo)模型的基本思想[6]是:合理選取評價指標(biāo)(本次選取RQI，PCI，RDI，SRI，PSSI五項指標(biāo))和評價標(biāo)準(zhǔn)(優(yōu)、良、中、次、差的標(biāo)準(zhǔn)分值),計算云模型數(shù)字特征(特征值為期望Ex、熵En和超熵He),構(gòu)建正態(tài)云模型,利用實測值計算各評價指標(biāo)的確定度U(x);運用熵權(quán)法計算各評價指標(biāo)的權(quán)重W;最后,計算得出綜合確定度F,依據(jù)最大隸屬度原則確定道路狀況級別。具體流程如圖3所示。

4 道路狀況評價實例

為驗證本項目方法的可行性和合理性,選取山西省某國省干線公路5 km為試驗路段,間隔1 km將試驗路段劃分為5段。以2019年檢測數(shù)據(jù)為樣本,建立正態(tài)云模型,選取5個評價指標(biāo)(見表3),進(jìn)行分析驗證。

表3 試驗路段指標(biāo)檢測數(shù)據(jù)

由云模型的數(shù)字特征計算式(7)和式(8),計算出路面狀況各評價指標(biāo)在相應(yīng)等級下的數(shù)字特征值Ex，En和He,如表4所示。

表4 正態(tài)云模型特征參數(shù)

依據(jù)表4中各評價指標(biāo)和等級對應(yīng)的正態(tài)云模型參數(shù),采用正向云發(fā)生器計算實測值的確定度。為提高計算精度,通過試算法,取10 000次計算,以其期望值作為評價依據(jù),計算得出各評價指標(biāo)的確定度,結(jié)果如表5所示。

表5 試驗路段各評價指標(biāo)的確定度

由式(12)計算得各評價指標(biāo)權(quán)重W為：

W=(0.199 7,0.201 2,0.199 3,0.199 2,0.200 6)。

根據(jù)式(13)及表5可得到路面狀況的綜合確定度,如表6所示。

表6 試驗路段現(xiàn)狀綜合確定度

由表6數(shù)值,根據(jù)最大隸屬度原則,可知該路段的道路狀況評價等級為良,與2019年實際評定結(jié)果一致。

5 結(jié)論

正態(tài)云理論模型的最本質(zhì)特點就是可以映射定性概念的量化指標(biāo)。研究和實例驗算表明,基于正態(tài)云理論的道路狀況評定方法能夠?qū)崿F(xiàn)較高精度的道路狀況評定,較好的反映了多因素綜合影響下多指標(biāo)綜合評定的客觀性與準(zhǔn)確性。

云模型發(fā)展至今,理論不斷成熟完善,在實際研究和應(yīng)用中也取得了很多成果,其雙向認(rèn)知計算和變換模型的優(yōu)勢也更加凸顯。在當(dāng)前信息技術(shù)和大數(shù)據(jù)高速發(fā)展的今天,隨著國省干線公路養(yǎng)護(hù)管理信息化和全要素數(shù)字化的發(fā)展,基于大數(shù)據(jù)的正態(tài)云理論國省干線公路道路狀況評價仍面臨許多新的挑戰(zhàn)。隨著人工智能的不斷發(fā)展和先進(jìn)算法的引入,基于正態(tài)云的道路狀況評價模型也會不斷發(fā)展與進(jìn)步。