基于物元理论的沥青路面综合评价方法研究

基于物元理论的沥青路面综合评价方法研究摘要：沥青路面使用性能评价是路面养护和道路经济分析的基础，路面使用性能的综合评价对于公路的运营管理和优化决策具有重要的意义。本文针对沧州地区的路况调查，采用物元综合评判法，根据反映路面性能的主要指标，应用关联函数，建立了路面使用性能综合评价物元模型。该模型能较好地处理路面使用性能演化过程中的随机性，计算简单。最后以具体公路路面使用性能为示例，利用建立的数学模型，对该路段路面使用性能的变化趋势进行了分析，预测结果表明了该方法的可应用性。Abstract:TheevaluationofAsphaltpavementperformanceisthefoundationofroadmaintenanceandroadeconomicanalysis,comprehensiveevaluationofpavementperformancehasthegreatsignificanceforhighwayoperationsmanagementandoptimizationofdecision.Inthispaper,AgainstthesurveyoftrafficinCangzhouarea,usingmatter-elementcomprehensiveevaluation,basedonkeyindicatorsreflectingtheperformanceoftheroad,applyingthecorrelationfunctions,establishingacomprehensiveevaluationmatter-elementmodelofpavementperformance.ThemodelcandealwiththeRandomnessofpavementperformanceInthecourseofevolution,andeasytocompute.Finally,takingaconcreteroadpavementperformanceasanexample,utilizingthemathematicalmodel,analytheroadpavementperformancetrendsofthisroad,thepredictedresultsshowthatthemethodcanbeapplied.关键词：物元模型；沥青路面；使用性能；综合评价Keyword：Matter-elementmodelAsphaltPavementPerformanceComprehensiveEvaluation0引言路面使用性能评价是交通部门一直很关注的问题．公路沥青路面在经受繁重的轴载负荷和密集交通量反复作用的同时，还要经受气候、环境的影响，路面使用品质呈逐年下降趋势，有的已经出现裂缝、车辙、沉陷、龟裂等破损病害，因此保持优良的路面使用品质是高速公路为车辆提供高速、畅通和舒适行车的重要保障．当路况变化达到一定限度或路面使用性能下降到最低服务水平时，就要求及时采取现代化的养护对策，快速进行修复，使沥青路面的使用品质保持在良好状态．可见如何对路面的使用性能做出准确的评价和正确的预测，并采取可行的养护对策是保持路面使用品质良好状态的关键。路面使用性能评价是路面管理系统中的重要组成部分，是路面预防性养护及所采取措施的重要依据，对公路管理部门进行决策具有重要意义．路面使用性能评价有多种方法，而物元法的优点是认为路面使用性能评价各个指标之间有关联，并且采用关联函数将这种关系量化．本文通过对沧州地区的路况调查，采用物元综合评判法，根据反映路面性能的主要指标，应用关联函数，建立了路面使用性能综合评价物元模型，物元模型做出评价得出结论与实际路况相符合，预测结果表明了该方法的可应用性。1路面性能的主要评价指标路面性能具有多方面的属性，某一项指标难以对它进行全面评价。沥青路面状况评价范围包括平整度、破损、强度及抗滑系数，本文采用目前养护规范推荐的路面状况指数(PCI)、路面强度系数(SSI)、行驶质量指数(RQI)、横向力系数(SFC)等指标来评价，分为优、良、中、次、差5个等级，评价标准见表1。在沥青路面使用性能评价中，不仅采用每个单项评价指标的评价结果，同时还应对分析路段进行综合评价。因为路面使用性能具有多方面的属性，用单项指标难以对它进行全面评价。在路面使用性能评价中,每个指标所起的作用是不同的,对上述四个指标分别乘以相应的权重系数，就得到路面质量的综合评价指标PQI。各指标加权值的大小表示该指标在综合评价中所占的重要程度，加权值越大，表示该指标对整体路况影响越大。PQI的计算公式如下：4321''''PSFCPSSIPRQIPPCIPQI（1）式中：P1、P2、P3、P4分别为相应评价指标的加权系数，其和为1；PCI＇、RQI、＇SSI＇、SFC＇各相应指标的赋值。加权系数同当地的管理养护水平有很大关系，不同地区，不同道路等级时各指标的加权系数亦有所不同。《公路沥青路面养护技术规范》(2001)规定，高速公路沥青路面状况指数、行驶质量指数、强度指数和横向力系数4个分项指标的权重分别为0.25、0.35、0.10和0.30。这种评价方法存在缺陷，公路沥青路面的使用性能随着行车荷载的重复作用、环境因素的循环交替而衰减,但在不同阶段,路面的损坏形式不同,路面使用性能的衰变规律也不尽相同。本文研究的主要是沥青路面早期性能，为了更有针对性，就必须在借鉴现行评价模型的基础上，提出基于预防性养护的沥青路面早期性能评价分项指标权重。本文采用的沥青路面早期阶段的加权系数分别为0.35、0.30、0.15、0.20，见表1。表1路面使用性能等级划分表Table1Pavementperformancegradingtable评价指标优良中次差权重系数路况指数PCI100～8585～7070～5555～4040～00.35弯沉系数SSI1.5～1.21.2～1.01.0～0.80.8～0.60.6～0.40.15行驶质量指数RQI10.0～8.58.5～7.07.0～5.55.5～4.04.0～00.30横向力系数SFC50～5540～5030～4020～3015～200.202路面性能评价物元模型路面使用性能由其指标（参数）来评价，根据物元定义，路面性能可用以下途径描述。2.1确定经典域jnjnjjjjnjjnjjnjjiijbababacccNXXXcccNXCNRj,,,,,2211212121Nj为所划分的第j个路面使用性能等级，对于沥青路面，j=1表示路面性能等级为“优”，j=2表示路面性能等级为“良”，j=3表示路面性能等级为“中”，j=4表示路面性能等级为“次”，j=5表示路面性能等级为“差”；Ci表示路面性能为Nj的特征指标，i=1~4分别表示了路面状况指数PCI、路面结构强度SSI、路面平整度RQI和路面抗滑能力系数SFC4项路面使用性能等级特征指标；而区间Xjn分别是Nj关于Ci所规定的量值范围，即各路况等级关于对应指标所取的数值范围—经典域。2.2确定节域pnpnppppnppnppnppiippbababaCCCNVVVCCCNVCNR,,,,,2211212121其中Np为路况全体，区间Vpi为Np关于Ci的所取的量值范围，称为节域。Vpi包括Xji所有的取值范围，即有XjiVpi。2.3确定待评物元对待评价的道路单元N0，把所检测、计算得到的各分项指标值，用物元R0表示，称为路面的待评物元等级。式中N0表示路面性能等级；X0i表示N0关于Ci的量值，即对于待评路面（行驶质量指数、路况指数、弯沉系数和横向力系数）评估（检测）其路面性能所得到的具体数据。nnxxxcccNR0020121002.4确定待评路面的关联度关联度是事物之间、因素之间关联的度量，即是根据事物或因素的连续或离散系列曲线的相似程度来判断其关联程度的大小，若两条曲线的形状相似（或两因素变化趋势相似、相近），则关联度大；反之，关联度就小。待评路面性能对于不同路面性能等级的关联度如下。①距的计算点0x与有限实区间baX,的“距”为2,2,212,000000baxbxbaxxaabbaxXx(2)②关联函数K（x）的计算根据距计算关联函数值jioijijoijioijioipjoijioiijXxXXxXxXxXxXxxK,,,（3）它的意义为待评道路在第i个分项指标上属于等级j的程度。对于每个分项状况指标ic，若其权系数为ip，则令niijijxKpNK10（4）称0NKj为待评道路关于路况等级j的关联度。路况等级的综合评定：若mjNKNKjj,...,2,1,max)(0000则判定0N属于等级0j。3物元模型的应用本文以沧州市代表路段为研究对象，从得到的单项指标数据可知，2006年路段1的各单项数据及评价见表2。表2路段2006年的数据Table2Thedataof2006inroadsections路段PCISSIRQISFC路段151.30.837.8223.1物元经典域和节域的确定以1N(优)、2N(良)、3N(中)、4N(中)、5N(差)5个等级对应的取值范围作为物元经典域。其中,1C、2C、3C、4C分别指路面状况指数PCI、路面结构强度SSI、路面平整度RQI和路面抗滑能力系数SFC。相应的节域物元为：待评价的物元体为：3.2关联度的计算对于路段1，利用式(3)可得关联函数值的计算结果见表3：表3关联函数值计算结果Table3TheresultsofCorrelationfunctionvalue11xK（）21xK（）31xK（）41xK（）51xK（）12xK（）22xK（）32xK（）42xK（）52xK（）-0.41-0.28-0.070.25-0.19-0.31-0.17-0.15-0.03-0.2213xK（）23xK（）33xK（）43xK（）53xK（）14xK（）24xK（）34xK（）44xK（）54xK（）-0.24-0.47-0.27-0.51-0.63-0.8-0.72-0.530.2-0.22结合各个指标的权重值，详见表1，由式（4）可得到路段1关于各等级的关联度值计算结果如下表4：表4关联度计算结果55,1510,00.3,0100043210，ccccPRp228.783.03.51143210NCCCCNR30,205.5，0.48.0，6.055，40次4321ccccRj20,150.4,06.0.,040，0差4321ccccRj55,5010,5.80.3,2.1100,85优4321ccccRj50,405.8,0.72.1,0.185，70良4321ccccRj40,300.7,5.50.1,8.070，55中4321ccccRjTable4Theresultsofcorrelation等级路段优良中次差路段1-0.422-0.282-0.234-0.030-0.332根据路况等级评定方程mjNKNKjj,...,2,1,max)(0000，可知路段1的状况等级为“次”。4结论⑴物元法的优点是认为路面使用性能评价各个指标之间有关联，并且采用关联函数将这种关系量化。本文通过对沧州地区的路况调查，用物元模型做出评价得出结论与实际路况相符合，说明其方法的可行性。⑵所建立的