（道路与铁道工程专业论文）高等级公路沥青路面养护决策优化的研究.pdf

摘要 y 7 4 1 1 8 3 摘要 路面的养护决策优化是整个路面管理系统的核心部分。在路面养护决 策中，需要解决的问题有：在保证路网效益的情况下，确定整个路网在分 析期内的养护资金需求；在得知需求的情况下，根据政策约束和现有资会 情况制定出整个分析期内需要投入的养护资金：在有限资金投入的情况下， 确定出在投资预算等条件的约束下达到路网效益最大的养护计划。这其中 确定路网的养护资金需求是很重要的一个环节，因为对路网所进行的资金 投入要依据路网的养护资金需求而定。 本文研究的内容是如何确定路网在整个分析期内的养护资金需求。采 用的方法是以路网中的某一个路段为研究对象，先确定此路段在分析期内 的养护资金需求，然后按此方法求出路网中其它各路段的养护资金需求， 最后将所确定的各路段的资金求和，便可得到路网的总资金需求。 传统卜对养护资金需求预测建立在单一的寿命周期费用分析的基础卜 进行，需要将效益换算为费用。但是像平整度( 代表行驶舒适性) 、抗滑能 力( 表征行车安令) 、时间损失等换算为货币单位的费用极其难以测算，计 算上显示出很强的主观随意性。所以，本文在研究如何确定路网中某路 段的养护资金需求时，建立了一个能够使得此路段在整个分析期内所需投 入资会最小和所获的效益最大的两个目标的多目标优化模型。目的是避免 单目标优化时将效益转换成费用的不准确所带来优化结果的偏差，以及试 图从投入与收益的均衡中找到最优的资金需求。 在求多目标优化模型的解时，引用了多目标优化理论中的非支配解 ( p a r e t o 解) 的概念。在求解方法上，本文利用遗传算法来直接求得多目标 优化模型的非支配解( p a r e t o 解) 。通过实例计算，验证了结果的有效性， 并对结果进行了分析。 本论文以路面养护决策优化为研究对象，将最优化理论和遗传算法应 用其中，对其进行了初步的探讨。本研究的成果需要在实际问题中检验， 摘要 并得到逐步的改进和完善。 关键词：路面管理系统养护决策优化养护资金需求多目标优化 遗传算法 i i a b s t r a c t a b s t r a c t o p t i m a l m a i n t e n a n c ea n dr e h a b i l i t a t i o nf m & r 1s t r a t e g i e sd e c i s i o nf o r h i g h w a yp a v e m e n ti s t h ek e yp a r to fp a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m ( p m s ) ， w h a ts h o u l db es o l v e di nt h i sp a r ta r e ：h o wt oa c q u i r et h ef u n df o rm a i n t e n a n c e f o rt h ew h o l eh i g h w a yn e t w o r k ；h o wt ow o r ko u tt h ea m o u n to ft h ec a p i t a l w h i c hi sa b o u tt os i n ki nt h em a i n t e n a n c ea n dh o wt ol a yo u tt h em a i n t e n a n c e a n dr e h a b i l i t a t i o np l a m f i n ga n d p r o g r a m m i n g u n d e rt h eb u d g e t t h i sd i s s e r t a t i o ne x p l o r e st h ea p p r o a c h e so fh o wt oa c q u i r et h ef u n df o r m a i n t e n a n c ea n dr e h a b i l i t a t i o nf o ro n l yo n ep r o j e c t ，n o tt h ew h o l en e t w o r k w h i c ha r ec o m p o s e do f p r o j e c t s a n di fs u l r lu p t h ec a p i t a lo fe a c hp r o j e c t ；w e c a no b t a i nt h et o t a la m o u n to ft h ef o n df o rm a i n t e n a n c ef o rt h ew h o l eh i g h w a y n e t w o r k t r a d i t i o n a l l y ，t h ef o n df o rm a i n t e n a n c ea n dr e h a b i l i t a t i o na r ea c q u i r e do n t h eb a s i so ft h el i f e - c y c l ec o s ta n a l y s i s ，w h i c hn e e d st oc o n v e r tt h eu s e r b e n e f i ti n t oas i n g l em o n e t a r yv a l u e b u ti ti sd i f f i c u l ta n du n c o r r e c t a b l et o c o n v e r ts o m eo ft h eu s e rb e n e f i ts u c ha sc o m f o r t ( r e p r e s e n t e db ym u g h n e s s ) ， s a f e t y ( r e p r e s e n t e db ys l i d i n gf r i c t i o ni n d e x ) i n t om o n e t a r y s ot o a v o i dt h e d e f a u l to fs i n g l eo b j e c t i v e ，t h i sd i s s e r t a t i o ns e tu pam u l t i p l eo b j e c t i v e so p t i m a l m o d e lw h i c ho p t i m i z eo rp r i o r i t i z eo nt h ec o m b i n a t i o n so fc o s ta n db e n e f i t ( e f f e c t i v e n e s s ) ，n o tb a s e do nas i n g l eo b j e c t i v e ( r e s u l t i n gi n as i n g l eo p t i m a l s t r a t e g y ) o n eo b j e c t i v ei st om i n i m i z et h ef u n d f o rm a i n t e n a n c e ；t h eo t h e ri st o m a x i m i z et l l eb e n e f i to ft h eu s e r w ec a nf i n dt h et r a d e o i t sb e t w e e nt h e s et w o o b j e c t i v e sa n d c h o s e o p t i m a ls o l u t i o n sa c c o r d i n g l y f o rs o l v i n gm u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o np r o b l e m s ，t h ec o n c e p t so fp a r e t o o p t i m a ls o l u t i o na r ea d o p t e d t h i sp a p e rd e v e l o p sag e n e t i c a l g o r i t h m - b a s e d p m c e d u r e f o r s o l v i n gm u l t i o b j e c t i v ep r o j e c t l e v e l p a v e m e n t m a i n t e n a n c e p r o g r a m m i n gp r o b l e m s t h i sd i s s e r t a t i o n e m p l o y st h ea p p r o a c h e s o fo p t i m i z a t i o n t h e o r ya n d e v a l u a t i o nt h e o r yi nt h ep r o b l e mo nh o wt oa c q u i r et h eo p t i m a lm a i n t e n a n c ea n d i i i a b s t r a c t r e h a b i l i t a t i o n ( m & r ) s t r a t e g i e sf o r l i g h w a yp a v e m e n t t h e s o l u t i o n sw e o b t a i n e di nt h i sd i s s e r t a t i o ns h o u l dp u ti n t o p r a c t i c ei no r d e rt ot e s t i f yt h e i r r a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t y k e y w o r d s ：p a v e m e n t m a n a g e m e n ts y s t e m ( p m s ) ；f u n df o rm a i n t e n a n c e ； o p t i m a lm a i n t e n a n c ea n dr e h a b i l i t a t i o n ( m r ) s t r a t e g i e s ； g e n e t i c a l g o r i t h m ；m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 路面是道路工程的主要组成部分。路面的投资在整个道路建设费用中 所占比例可达l o 到3 0 左右【”。路面在使用过程中，因受到行车荷载和 环境因素的作用而逐渐变坏，影响了路面的使用性能。为此，在路面的使 用期内，仍需继续投入大量资金，对路面进行养护和改建，保持路面具有 较好的使用性能。如果资金充足，可以对所有不满足使用性能最低要求的 路段及时采取养护或改建措施，使路面始终保持良好水平的服务状态。然 而资金通常总是不充足的。所以，从决策者的角度，往往需要考虑在现有 资金投入的情况下，能够使现有路网或路网中的某一路段在一定年限( 分 析期) 内保持良好的服务状态，以便为其使用者提供良好的服务。很显然， 如果把在路面使用期内所作的养护或改建当作是一种投入，那么路面在养 护或改建后的使用性能或服务水平的改变，便是在这种投入下所得到的收 益。因此，对现有路面进行有效的管理，实质上就是一个如何在有限投入 下获取最大收益的闷题。 为了能够对路面进行有效的管理，道路工作者将系统工程理论、工程 技术经济理论及计算机技术引入到路面管理过程中。建立了路面管理系统， 使整个路面管理工作科学化、系统化。 路面管理系统技术的研究始于上世纪7 0 年代的北美。当时美国在经历 了大规模的公路建设后，面临着大量的、同时到来的养护工作。为了准确 地了解公路网的破损状况，把有限养护资金分配到最需要养护的路段上， 研究人员开发了路面破损数据检测设备，建立了数据库，制定了评价方法、 标准和优先养护排序模型。这种以计算机为工具的路面管理技术被称为路 面管理系统。( 简称p m s ：p a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m ) 。后来，道路工作 第1 章绪论 者将工程技术理论，系统科学理论应用于路面管理系统当中，使其内容得 到了充实，技术逐渐成熟。 路面管理系统从其运行过程的角度来讲，可以画出如图一的逻辑结构 图【1 4 1 。 图1 1 路面管理系统的结构示意图 从图1 一l 中可以看出，路面养护优化决策模型是整个路面管理系统的 核心和主导，而对策分析模型、费用模型和使用性能评价和预测模型则是 决策优化模型的基础和前提条件，受其支配，为其服务i l ”。在通常意义上 讲，决策是一种系统的方法或过程，它通过对系统当前所处状态的评估和 未来发展的分析、判断、选择恰当的系统对策，最大限度地满足系统的要 求。 一个系统往往为实现一个或几个目标而建立的。上面曾提到路面管理 的问题本质上是一个投入与收益的问题，所以在建立路面管理系统时，应 第1 章绪论 以如何实现辅助决策者制定出在有限资金投入的情况下获取路面使用性能 最大效益为目标的养护计划。具体来讲，路面管理系统应对以下问题做出 评估2 】：各种养护政策会有怎样的养护结果；要保证某种路况水平需要投入 多少资金：在一定预算水平下，应在钶时采取何种养护措施等等。系统应 能根据储存在数据库里的基础信息，进行分析，对以上问题做出初步回答， 并将运行结果提供给决策者，决策者可以根据系统提供的信息，最后做出 决策。 1 2 路面养护决策的内容 路面管理系统包括网级管理系统和项目级管理系统两个层次【1 1 1 2 1 。具有 不同的功能和结构。不同层次对决策有不同的要求。网级决策优化的决策 内容有以下几个方面【2 1 ： ( 1 ) 为使路网内公路路面的使用性能保持在某一要求的水平上，应采取 的养护对策和投资水平： ( 2 ) 在确定了路网在分析期内的投资水平后，资金在各行政区域和各类 对策之间的最佳分配； ( 3 ) 在明年或若干年内，路网内哪些路段或项目要采取改建措施，应在 何时进行改建； ( 4 ) 由于公路部门资金短缺，道路使用者承担的费用将增长到什么程度 才能达到平衡。 项目级决策是在网级决策的基础上，对需改建的路段考虑应采取什么 改建策略。可按经验或在经济分析和使用性能指标评价的基础上选择，项 目级决策相对于网级决策较为简单。如果与日常养护结合起来，则需考虑 不同养护水平和改建对策的相互影响；如需选择在分析期内最经济有效的 养护和改建对策序列，则需要采用优化技术。 根据对网级层次决策优化内容的描述，可以把网级优化分成三个阶段： 第一阶段确定整个路网在分析期内的养护资会需求：第二阶段在得知需求 第l 章绪论 的情况下，根据政策约束和现有资金情况制定出整个分析期内需要投入的 养护资会：第三阶段在有限资金投入的情况下综合考虑路网内所有的项目、 项目内可行方案和方案实施时间三者之间的相互均衡协调，确定出在投资 预算等条件的约束下达到路网效益最大的养护计划。 目前，同济大学的刘伯莹博士【1 3 】按上面三个阶段的划分，将网级路 面管理系统分成财政规划和项目规划两个层次。其中财政规划所需要解决 的问题就是上面第一和第二阶段所提到的，而项目规划贝q 需要解决第三阶 段的内容。 1 3 国内外研究现状及问题的提出 目前，在如何确定路网在分析期内的养护资金需求方面上的研究主要 是采用马尔可夫决策预测模型与线性规划或动态规划相结合的方法进行资 金需求的优化，这种方法也称为马尔可夫决策过程【l l 【2 】。 马尔可夫决策过程是以整个路网为研究对象，根据路面的使用性能评 价将路面状态分成若干个状态( 等级) ，并通过处于各不同状态的路面数量 ( 公里数或占路网总里程的比例) 表征路网的路面状况。在决策过程中， 假设路面的性能只与当前状态有关，与路面如何达到该状态无关。它承认 路面性能发展的不确定性，认为路面以一定的概率向某一方向发展变化。 它主要由状态定义、状态转移概率矩阵和处治费用矩阵等组成。概率转移 矩阵描述了一年内，从某一状态向任意状念发展的概率。 路网中的路段在采用某一养护措施后，将以某一转移概率向任意状态 转移。该转移概率可由路面使用性能预测模型得到；这样，就可以计算出 在采取养护措施后路网中各路段处于各种路面状态的概率，也可以计算出 处于各种状态路段所占路网罩程的比例。将整个规划年限内各年度各状念 路段的比例求出，实际就得到了在某一养护策略下的路况变化曲线。 如果在整个规划期内，各个概率转移矩阵保持不变，而且养护预算水 平也保持不变的话，则经过一段时间后，路网的使用性能会达到一个稳定 4 第1 章绪论 的状况。在该种状况下，处于各个状态下的路段比例保持不变。随后，可 以用最低费用为目标函数，以使用性能保持在要求水平上作约束，进行优 化。优化的结果是：分析期内各年处于各种状态的路面需要那些养护对策； 采用各改建对策的路面比例是多少；整个路网所需的最小养护和改建的资 金。采用马尔可夫决策过程进行路网最小资金投入确定的线性优化模型的 一般形式为：【l 】【2 】【1 3 】 m i n 分析期内所需投入的费用 s 初始路况状态约束； 路况状态转移方程； 使用性能目标约束。 从上面对马尔可夫决策过程的介绍可以看出，马尔可夫的决策方法是 以整个路网为研究对象的。在路面状态的划分与评价，以及针对某一路面 所处状态需要采取的养护措施的确定上，都是以某一种状态的路面的数量 占整个路网总罩程的比例为要求的。而且，在对路网各路段的使用性能预 测上，也是根据整个路网的状态变化，而不是某一路段的状态的变化。从 这方面来讲，该决策过程并没有充分考虑路网内不同路段之间的不同的地 方，没有充分利用数据库中所提供的路段的详细的信息。而且在确定路网 资金需求上没有充分考虑路网中每一个路段的资金需求。经过该优化过程 所得到的分析期内路网所需投入的最小费用只是整个路网对养护资金需求 的一个平均的最小需求【3 4 】【3 引。 所以，本论文认为：在进行路网养护资金需求优化的过程中，应从路 网中的某一个路段为出发点，以路段为研究对象，先确定每一个路段在分 析期内的养护资金需求，然后在此基础上得到整个路网的总需求。这也符 合我国公路的管理体制。我国的公路管理体制一般是下级公路管理部门提 出需要养护或改建的项目以及每一个项目的资金需求：上级公路管理部门 根据管理目标，政策约束和资金约束，依据上报的资金需求，确定所要投 入的资金规模和流囱。下级管理部门再根据所获得的资金，进行所辖路网 第1 章绪论 内各路段的项目规划。 1 4 本论文的研究内容 如上所述，本论文在研究如何进行路网养护资金需求优化的问题时， 不是以整个路网为研究对象，而是从路网中的一个项目( 路段) 为出发点， 研究路网中某一个路段在达到某种服务水平时的最小养护资金需求。进而 扩展到网级水平，得到整个路网在整个分析期内的养护资金需求。在如何 得到某一路段的最小资金需求优化的方法上，建立了能够考虑多个目标的 目标函数，在对多目标优化问题求解时，运用了遗传算法的理论进行求解。 各章具体内容如下：第一章介绍了路面养护决策优化的内容及目前资金需 求优化中存在的问题，并提出自己的观点。第二章介绍了路面使用性能预 测方程的建立过程。第三章介绍了经济分析比较的方法，论述了费用和效 益之间的区别与联系，为多目标的确定打下基础。第四章介绍了多目标优 化的概念以及多目标的养护决策模型的建立。第五章论述了利用遗传算法 求解多目标优化的p m e t o 解的过程。第六章介绍了多目标遗传算法求解过 程的程序实现。第七章论述了如何求得路网的养护费用需求。第八章成果 与展望。 6 第2 章路面使用性能预测 第2 章路面使用性能预测 路面在使用过程中，其使用性能会随时间或行车荷载的作用次数的增 加而逐渐变坏。当损坏达到某一预定标准时，路面就需要采取改建措施以 恢复和提高其使用性能。在项目级和网级路面管理系统中，为了提出路面 设计方案、对各设计方案进行寿命周期费用分析以及选择最佳养护和改建 对策等，都需要知道何时该采取养护和改建措施以及采取什么样的措旌合 适。这就要预先估计路面在采用新建、设加铺层或其它各种养护和改建对 策后，其性能随时间或轴载作用次数的变化规律。为进行这种预估而建立 的关系式，称为路面使用性能预测模型。路面养护决策优化是以路面使用 性能衰变预测模型为依据的。一个良好的路面性能预测模型是进行合理决 策优化的基础。 2 1 路面使用性能预测指标的选择 路面使用性能，需要从五个方面来描述：路面行驶质量、路面损坏状 况、路面结构承载力、行驶安全性和外观。其中，路面行驶质量是指：路 面满足车辆快速、安全、舒适和经济的行驶能力，它反应了路面的服务水 平。路面的损坏状况，是指路面结构保持完好的程度。它表现为路面在使 用过程中随行车荷载和环境等因素的作用及路面龄期的增长而出现各种损 坏的程度。路面结构的承载能力，是指路面在达到预定的损坏状况之前， 还能承受的行车荷载作用次数，或者还能使用的年数。行驶安全性主要是 指路表面的抗滑能力。为了能够对路面使用性能进行评价和预测，路面管 理系统中对这五个方面都设定了相应的评价指标。其中，路面的损坏状况 是一个非常复杂的现象，包括多种损坏类型。要表征路面的损坏状况，既 可以采用一种综合指标，也可以采用反映路面破损的某一个单项指标。综 合指标是对路面损坏的综合测度，可综合表征路面不同损坏类型、损坏程 第2 章路面使用性能预测 度和损坏数量的影响。综合指标的优点是反映了路面的总体完好状况，指 标单一，便于比较；缺点是不能确切反映单个损坏( 如车辙、开裂) 的具 体测度，不便于对损坏原因的诊断和具体养护及改建措施的制定。单项指 标是指直接采用路面损坏的诸多物理指标特征指标来表征路面的破损状 况，它的优点是有助于明确诊断破坏原因，制定针对性强的养护措施；缺 点是分类过细，对数据采集精度要求很高，不便于相互比较，不能直观反 映路面损坏的总体状况。根据实践水平，采用综合性指标路面状况指 数p c i ( p a v e m e n tc o n d i t i o ni n d e x ) 作为表征路面损坏状况的测度。基于类 似的考虑，对于反映路面行使质量方面的评价标准，采用行驶质量指数r q i ( r i d i n gq u a l i t yi n d e x ) 作为表征路面行驶舒适性的指标；反映路面结构的 承载能力的评价标准，采用路面回弹弯沉表征路面结构的总体抗力。当然， 上述三个指标还可以进一步归纳为一个更为综合的指标路面质量综合指数 p q i ( p a v e m e n tq u a l i t yi n d e x ) 。考虑到过于综合的指标将大大削弱技术针对 性和准确性，所以在进行路面使用性能评价和预测时，往往只考虑一项单 一的指标。这种单一指标的选取应根据管理者对路面使用性能不同方面的 侧重而定。 2 2 使用性能衰变方程形式的选择 路面使用性能的变化是许多因素的函数，这些因素包括：路面结构、 路基强度和厚度、行车荷载、环境因素、养护类型、施工水平、路面材料、 路龄以及以上各因素的综合作用等等。在建立路面使用性能模型时，可以 根据管理水平和基础资料的详细程度不同而采用不同的衡量指标，既可以 采用比较具体的指标如疲劳开裂、车辙，也可以采用综合性指标，如p c i 、 r q i 等。前者具有比较强的针对性，有利于对路面进行详细的评价；而后 者反映了路面的整体性能。 同济大学的孙立军教授根据多年积累的路面使用性能变化的数据，提 出了沥青路面结构行为理论【3 】。该理论指出：路面结构和材料的物理特征和 8 第2 章路面使用性能预测 力学特性在外界因素( 荷载、环境和时f n j ) 的综合作用下所表现的使用性 能的变化规律。沥青路面的结构行为决定了沥青路面的使用性能，而沥青 路面的使用性能又是研究结构行为的基础。并以此为基础建立了新建沥青 路面的结构行为方程，如式( 2 一1 ) t 3 1 。 删= 嘲h 一 c ：刊 式中p p 卜一能够反映路面使用性能指数( 如p c i ，r q i 等) ； p p 打一初始使用性能指数； r 路龄； 卜模型参数。 既然行为方程反映的是路面结构与使用性能变化之间的关系，则该方 程就是一个能够进行路面使用性能预测的模型。虽然此方程是在大量的数 据基础上经回归分析而得到，但它不同于其它回归方程。方程中的回归参 数都有其确定的含义。其中参数的数学含义可以认为是路面使用性能指 数p 阿衰减至u 初始值尹p 如的6 3 2 时的路面使用年数。所以参数d 的大小 反映了路面使用寿命的长短。因此将它命名为使用寿命因子。口则放映了曲 线的形状。当卢由小变大时，衰变曲线将由凹变凸或呈反s 型。所以将芦 称为路面衰变的模式因子。 选取该方程作为本论文路面使用性能预侧方程的原因有两个t i 该方程形式简单，参数含义明确。 利用此方程，可以很方便的计算出新建路面使用性能评价指数随时间 的变化情况。以及路面在采取罩面后，新旧沥青路面经过耦合作用后路面 使用性能评价指数的衰变趋势，这为建立路面在罩面后使用性能衰变方程 提供了必要的基础。 2 该方程通用性较强。 一般利用回归分析得到的预测方程因其参数含义的不明确，外延性不 第2 章路面使用性能预测 强。但该方程因其参数的物理含义比较明确，这样当方程推广到不同地区 时，只需要根据不同地区的影响因素确定n 和口就可应确定方程形式。也 就是说，可以将一个复杂的难以描述的衰变方程映射为一个二维点( 饵口) ， 不同的吼口对应不同的衰变方程，这样就可以通过对珥p 变化规律的研究 来确定路面使用性能衰减规律的目的。 由于本论文选取用来反映路面使用性能的指标是路面状况指数p c i ( p a v e m e n t c o n d i t i o n i n d e x ) ，所以可以得到路况指数p c i 的衰变方程【3 = 删刊一d 一y 1 9 1 ， 式中p c 卜一新建路面在使用到y 年时的路面状况指数； 群嘞一初始年的路面状况指数： r 路龄： 吼卜模型参数。 因为参数以口与路面使用性能的衰变曲线是一一对应的，故所有影响 路面使用性能的因素都将影响巩口的数值，即： a = f ，( 交通轴载，结构强度，面层厚度，基层类型，环境状况，材料类型) 口= 乃( 交通轴载，结构强度，面层厚度，基层类型，环境状况，材料类型) 经数据分析后，最后如下公式来计算3 】 a = 五 1 一e x p ( 一0 7 l oj 1 ( 2 - 3 ) 五= a l h “e s a l c l ( 2 4 ) 卵= 巩h ”e s a r 2( 2 5 ) r = 8 。h 们e s a f 3( 2 6 ) 夕= 吼h “e s a l c l 矗“ ( 2 7 ) 式中：h 一新建路面面层厚度( e m ) e s a l 一分布r 标准轴次( 次只侔道) 1 0 第2 章路面使用性能预测 厶一初始弯沉( 0 0 1 t u r n ) 2 ，叩，f ，口，b ，c ，d 一回归系数或指数 本论文所研究的对象是高等级公路沥青路面，所以拟定的路面结构和 路面设计轴重为： 面层厚度8 e r a 麟“卜分布日标准轴载( 次h 车道) 2 5 0 0 f 扩一初始弯沉( 0 0 1 m m ) 2 0 基层类型半刚性基层 设计标准轴载b z z - - 1 0 0 按以上拟定条件所得方程中各参数值如下 表2 1a 中的各回归参数值( b z z - - 1 0 0 ) 基层类型计算式 abc ( 2 4 ) 1 5 7 2 3 80 5 8 6 10 2 0 6 4 半羁q 性基层 ( 2 _ 一5 ) 1 1 9 6 6o 1 1 2 40 ，1 0 5 3 ( 2 6 ) 1 5 2 4 70 1 0 1 60 0 9 8 6 表2 2t 3 中的各回归参数值( b z z 一1 0 0 ) 基层类型 abc d 【半刚性基层 0 6 5 3 6o 3 3 4 90 0 2 5 5 0 0 9 8 1 最后按表中的数值计算参数值为a = 9 ，5 9 ，1 3 = o 7 8 8 所以可以得到新建沥青路面的路况指数p c i 的衰变方程为： 一嘲h 一吲” 对于新建路面，如果采用分析期为1 5 年，则其路面状况指数p c i 的衰 减曲线如图卜1 第2 章路面使用性能预测 1 2 0 i o o 8 0 趔 只6 0 4 0 2 0 o 路面厚度h = 8 c m p c i 衰减曲线 - 一 ， j。 012 345 678 9l oi l1 21 3 1 41 5 年份 图2 1 新建沥青路面的路况指数p c i 的衰减曲线 2 3 不同罩面厚度下路面使用性能衰变方程的确定 路面在使用过程中，其使用性能会随着行车荷载和自然因素的作用而 逐渐衰减，当路面损坏到某一预定标准或最小可接受水平时，既需要采取 改建措施，如进行罩面或加铺以恢复和提高路面的使用性能。为了提出路 面维护方案，对设计方案进行寿命周期费用分析以及选择最佳养护和改建 对策，都需要知道何时采取何种养护和改建措施是合理的。这就要预先预 测到路面在采取罩面或加铺措旌后，其使用性面随时间或轴载作用次数的 变化规律。 罩面之后的路面，其使用性能的变化规律与上一节所描述的新建路面 的变化是不同的。路面在实施不同罩面方案后，其使用性能的衰变曲线也 是不一样的( 如图2 2 ) ，分析不同罩面后路面的衰变趋势对进行方案比较、 确定最佳养护计划具有重要的意义。 2 3 1 复合式沥青路面使用性能衰变方程的确定 因为路面在实施罩面后，其原有的路面结构发生了改变，所以可将此 第2 章路面使用性能预测 时的路面结构称为复合式沥青路面结构。 方案i 1 0 0 p c i 6 0 y 水可， 图2 2 分析期内不同罩面方案性能衰变曲线示意图 1 复合路面结构的耦合行为模型 路面在经过罩面后其路面结构发生了变化。在原有路面面层上加铺一 层或将原有路面刨去一层然后再加铺层，这使得面层厚度发生了变化。 由于新旧路面的耦合作用，路面使用性能的衰减情况将发生变化。考虑到 对于新建路面的路面结构行为方程中，参数喁口的确定需要有新建路面的 厚度。如果在建立复合路面的结构行为时仍然采用新建路面的结构行为方 程的形式，则只需确定新建路面厚度与复合式路面厚度之间的关系，就可 以建立起复合路面的结构行为方程。如图2 3 掣面层 等效沥青面层 原沥青面层 基层 底幕层 复合结构等效结构 ab 图2 3 复合路面结构的耦合模型 1 3 基层 底基层 第2 章路面使用性能预测 通常将罩面后沥青路面的厚度经过耦合作用后转化为相当于新建路面 的厚度称为等效厚度。图b 中，等效结构的基层、垫层与原路面结构一致， 其作用可以通过弯沉、基层类型等参数在结构行为方程中体现；等效结构 中的面层与罩面层和原面层厚的关系可用如下表达式来说r j ) t 3 ： h = h ，+ 风 ( 2 8 ) 式中卜等效面层厚度； 广一罩面层厚度； 厂一原路面面层厚度； 厂一原路面面层的有效厚度系数。 显然，如果能确定厂( 原路面面层的有效厚的系数) ，就可以得到等效 厚度，然后将得到的罩面厚度带入到新建路面的路面结构行为方程中，就 可以得到罩面后的沥青路面的结构行为方程。 2 有效厚度系数厂的确定 同济大学孙立军教授3 1 根据所积累的资料，利用罩面后历年p c i 的实 测值，先将其代入路面结构行为方程中，反算出参数卢，并由以口，e s a l ， f 。，利用式( 2 7 ) 计算出等效厚度h ，再根据等效厚度、罩面厚度h j 和原 沥青路面厚度 口计算出有效厚度系数 然后，将所得数据按h 。、p c i 、e s a l 和厂分组后进行回归分析。经回归分析后，发现有效厚度系数只与罩面前的 p c 以及原路面厚度 d 有关，其关系式如下： f = u c , 4 h g 3 罩面后的沥青路面的结构行为方程的确定 设幽为罩面后原沥青路面面层有效厚度，则幽的表达式为： e h = 妒o ? i “ ( 2 9 ) 幽一有效厚度r 乃。j p c i , 一罩面前路况指数 一原沥青路面面层厚度 1 4 第2 章路面使用性能预测 a ，y 一回归系数或指数 而罩面后等效面厚度h ，等于罩面厚度h j 和原沥青路面厚度幽之和。 所以，复合式沥青路面的结构行为方程可以表示为3 1 ： 一砜 e x p i c z 训， a = 五【1 一e x p ( 一0 7 t , , 川 五= a 1r ，+ e h ) ”e s a l 。1 r l = a 2 f ，+ 幽，“e s a u 2 f = a ： r ，+ 曲广e s a u 3 8 ：a i ( h l + e h a e s a l 。4 l o d 式中参数的意义同前。由上面几式可见，有效厚度模型是罩面后结构 行为方程的基础。复合式沥青路面的结构行为方程的建立，对分析期内不 同养护措施对路面使用性能的影响以及制定分析期内最佳养护方案起着关 键的作用。 如果采用的罩面厚度分别是2 5 e m 和6 c m 则根据上式所计算的复合式 沥青路面结构行为方程中的参数见表( 2 3 ) ： 表2 3罩面厚度为2 5 e m 和6 c m 时的等效厚度 罩面厚度等效厚度 a 1 3 2 5 c m5 5 c m6 7 4 80 7 0 6 6 c m 9 e m8 8 0 50 8 3 2 根据所算得的罩面厚度分别为2 5 c m 和6 c m 的n ，和p 的值所绘制的衰 变曲线见下图( 取分析期为1 5 年) 第2 章路顽使用性能预测 1 2 0 1 0 0 8 0 蚓 g 6 0 凸_ 4 0 2 0 0 罩面厚度h = 2 5 c m p c i 衰减曲线 一 一 _ o12345678 91 01 11 2 1 3 1 4 1 5 年份 图2 4 罩面厚度为2 5 c r a 时的沥青路面的路况指数p c i 的衰减曲线 1 2 0 1 0 0 蚓8 0 蓉 6 0 4 0 2 0 0 罩面厚度h = 6 c m p c i 衰减曲线 一 01234567891 01 11 2 1 31 41 5 年份 图2 5 罩面厚度为6 c m 时的沥青路面的路况指数p c i 的衰减曲线 1 6 第3 章经济分析的方法 第3 章经济分析的方法 在对路面养护决策进行优化的过程中，往往需要对同一个项目在实施 不同养护措施( 单年) 或养护计划( 多年) 后的结果进行比较，以选出一 个最佳的养护计划。如何评价每一个养护计划的优劣昵? 很显然需要确定 一个能够对所有不同养护计划进行评价的标准。随着工程技术经济方法在 公路建设中广泛应用，道路工作者也把这种方法应用于路面管理系统当中 来，利用工程技术经济分析的方法来分析每一个项目在采取不同养护措施 后的效果的好坏。 3 1 寿命周期费用分析 寿命周期费用分柝是以经济分析原理为基础来评价可选投资方案的长 期经济效果的一种技术，它考虑了比选投资方案的初始建设费以及未束的 管理费用、用户费用和寿命期内的其它相关费用，其目的是为投资消耗确 定最佳值，即获得满足所求性能目标下的长期费用最低的方案。 3 1 1 寿命周期费用分析的概念1 1 】 寿命周期费用分析方法是指：将路面在整个分析期内的主要投入和收 益全部转换成费用表示，并把不同是期发生的费用以现值来表示，以便对 各方案做出合理的经济比较的分析方法。 路面在整个分析期的养护过程中，会有多个养护计划选择；是按路面 达到所规定的最低可接受养护水平时才采取养护措旌制定养护计划，还是 按预先提前一段时间就采取养护措施，那一个方案更经济；以及在整个分 析期内是不断的采取中小规模的养护以维持路面的服务水平，还是采取一 定时间是就采取一次大修来提高路面的使用性能，那一个会更经济等等， 这些都必须以寿命周期费用分析为基础，来进行经济比较。 第3 章经济分析的方法 3 1 2 寿命周期费用模型 以寿命费用分析为基础的费用组成主要包括：管理部门的费用、用户 费用、路面残值。 ( 一) 管理部门费用 l 设计费设新建或改建路面所需的费用，包括现场调查、材料试 验、交通分析、路面结构设计等。 2 初期修建费按设计文件和贵干修建路面所需的费用。 3 养护费为使路面使用性能保持在预定水平上而进行的日常预防 性养护和修补工作所需的费用。通常称为小修保养费。 4 改建费为恢复路面使用性能到某一可接受水平而定期交纳性能 高的修复或改建工作所需的费用。通常称为大中修费用。 ( 二) 用户费用 用户费用是指用户在使用道路是多支出的费用。包括车辆运营费、延 误费、行程时间费、和事故费等。 1 车辆运营费车辆在道路上行驶过程中各项资源消耗多支出的费 用，如燃油、轮胎、保修材料和工时、大修、车辆折旧等。 2 延误费由于路面改建或养护活动，使车辆减速或绕道行驶而增 加的车辆营运费和行驶时间费。 3 行驶时间费车辆在路程上的行驶时间乘以单位时间的价值。 4 事故费因出现交通事故而支出的费用，通常以事故率乘以每个 事故的平均费用计算。 ( 三) 残值 到寿命周期末，路面的使用性能没有下降到最低可接受水平，即路面 还有使用寿命可以在寿命周期后继续承受车辆作用，这部分剩余寿命所具 有的价值就是残值( 如图3 一1 ) 。不同的设计方案可能具有不同的剩余寿命， 在经济分析时应考虑这部分价值。 第3 章经济分析的方法 蓁：亡整三 i 域低町接受水半 i _ 一寿命周期一 3 2 经济分析比较的方法 1 9 第3 章经济分析的方法 用和用户费用做比较( 求两者的差值) ，选出净现值最大的方案作为经济方 案。 净现值法可用下式表述： n p y i | 。b = p w c 一p w c 。? 。 式中：p 。采取方案x ，时在分析期n 年内的净现值； p 耽不采取任何改建措施时在分析期n 年内的效益现值； j d 阮。采取方案x ，时在分析期”年内的效益现值。 在这里，效益主要是指路况改善给道路使用者带来的用户费用的节省。 因而，方案的效益是通过同其他方案进行比较后确定的。通常采用不采取 改建措施的方案作为基本方案。 净现值法把效益和费用联系在一起，并用单一的现值费用来表示，将 不同养护方案的比较关系统一到费用的指标上来，方便了不同方案之间的 比较。 3 2 2 效益一费用比法 效益一费用比法是以某一方案的效益现值同费用现值的比值作为不同 方案之间进行比较的标准，来对不同方案进行比选的方法。即： = 熹 p w b 。采取方案工，时在分析期h 年内的总费用现值 效益费用比反映了单位费用的效益比净现值法能更好地反映投资 的效率，有较强的对比性。 3 3 费用与效益 通过上面对经济分析方法的介绍，可以看到，无论是净现值法还是费 用效益比法其本质所在是在寿命周期费用分析的基础上将方案之间可比较 的因素转换为费用，在费用这个统一的标准下进行方案比较。在第一章中 第3 章经济分析的方法 曾论述过路面管理实质上是一个投入与收益的问题，即研究如何对某一路 网或路网中的某一路段进行投入才能获得对大收益的问题。所以在对某一 个项目进行不同的养护方案比较时，应着重考虑各养护方案所需要的投入 和所获得的效益之间的不同。很显然，这里所说的“投入”是指在整个分 析期内对路网或路网中的某一路段所投入的养护和改建的费用。那么“效 益”是指什么呢? 笔者认为对效益的理解应当从两个方面来考虑，即直接 效益和间接效益。众所周知，某路段实施养护和改建措施后，直接产生的 效益应当是路面使用性能的提高。例如：对路面进行重新罩面后，路表面 的状况发生了变化，车辙和拥包减少。路面的行驶质量得到了改善，r q l 的值得至4 了提高；路面表面的破损减少，坑槽、裂缝等病害减少，路面状 况指数p c i 值相应增加。间接产生的效益是指由于路面使用性能的改变， 将会给道路使用者带来的好处。如何理解“给道路使用者所带来的好处” 呢? 例如：由于r q i 的提高，使用户在车辆运营费上的消耗得到了节省； 路面平整度的改善，使行车更加舒适和安全，同时也会在一定限度内提高 车速，减少行车时间；新型道路铺装材料的应用，所带来的噪声的减少； 由于汽车尾气排放减少而使的空气质量的提高从而对环境的影响等等，这 些都可以认为是所产生的间接效益。 从寿命周期费用分析的角度，对于某一个项目在其分析期内所有的可 进行方案比较的因素( 主要指养护方案的费用和效益) 都要计算成费用来 进行比较。这其中管理部门在分析期内的养护和改建的投入是很容易用费 用柬表示的。但对由于管理部门的投入使路面使用性能提高所带来的效益， 是很难用费用来准确的衡量。目前在考虑将效益转换为费用的计算中，仅 考虑了便于计算的车辆的营运费，这其中包括燃油消耗费、轮胎磨损费、 保修材料和工时、大修、车辆折旧的费用。而对于像由于路面使用性能提 高而给道路使用者带来的交通事故的减少、行驶时间的缩短，以及更广泛 的效益诸如因养护改建后路面性能的改变所带来的噪声的减少，由于汽车 尾气排放减少而使的空气质量的提高从而对环境的影响等等，这些是很难 第3 章经济分析的方法 用费用来直接衡量的。目前，路面管理系统在对这方面的效益的计算上， 不得不将它们忽略掉。这在很大程度上将会影响方案比较的结果。 3 4 效果的定义及其计算方法 既然有些效益是很难用费用直接来计算的，是否可以考虑用其他的指 标来对其进行衡量呢? 前面曾提到，路面采取养护和改建措施后所得到的 收益主要是因为路面的使用性能得到了改善，使道路使用者得到了收益。 因而，可以把路面使用性能的变化当作衡