（机械电子工程专业论文）公路预防性养护最优化决策与研究.pdf

摘要 我国从上世纪8 0 年代开始，高等级公路建设取得了突飞猛进的发展，其中高速公 路的建设更是处在空前的高速增长时期，截止2 0 0 7 年底，我国公路通车总里程达3 5 7 3 万公里，其中高速公路5 3 6 万公里。由于沥青路面相对水泥路面具有很多优点，所以我 国高速公路大部分为沥青路面。但是由于我国的基本国情，高速公路遭受严重的超载、 大交通量、气候环境等因素的影响，导致路面使用性能不断下降，并且出现了不同程度 的病害，影响高速公路的投入与收益。因此高速公路的路面养护工作就显得尤为重要， 受到各部门的重视。 本论文研究的是如何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。首先对高速公路早期病害进行了病理分析，然后介绍了 预防性养护的理念，强调了预防性养护的重要性，确定了实施预防性养护的时机，提出 了防治高速沥青路面早期病害的几种常用的预防性养护措施。对高速公路沥青路面使用 性能进行了比较深入的研究，建立了高速公路沥青路面养护的评价指标体系，提出了沥 青路面养护的评价标准，同时建立了高速公路沥青路面使用性能衰变方程。在有限的养 护资金投入下，为使路面使用性能达到最大效益就必须制定一个合理的路面养护计划。 在对路面养护决策进行优化的过程中，建立了多目标路面养护决策优化模型，并将最优 化理论和动态规划法应用其中，对其进行了初步的探讨，通过实例计算，验证结果的有 效性。 本论文以高速公路沥青路面养护决策优化为研究对象，尽管研究的成果需要在实际 问题中检验，并得到逐步的改进和完善，但是丰富了高速公路沥青路面养护的理论，而 且在一定程度上为高速公路建设和管理的科学决策提供了参考依据。 关键词：沥青路面，预防性养护，路面使用性能，多目标优化，动态规划，决策优化 a b s t r a c t s i n c e19 8 0 s ，t h ec o n s t r u c t i o no fc h i n a se x p r e s s w a y sh a sd e v e l o p e dr a p i d l y , e s p e c i a l l y f o re x p r e s s w a ya s p h a l tp a v e m e n tw h i c hi su n p r e c e d e n t e di nt h er a p i dg r o w t hp e r i o d ，f o et h e e n do f2 0 0 7 ，c h i n a st o t a lh i g h w a ym i l e a g ei su pt o3 5 7 3m i l l i o nk m ，e x p r e s s w a yi su pt o 5 3 ，6 0 0k m a sa s p h a l tp a v e m e n th a sm a n ya d v a n t a g e s ，t h em a j o r i t yo fc h i n a se x p r e s s w a yi s a s p h a l tp a v e m e n t h o w e v e r , d u et oc h i n a sb a s i cn a t i o n a lc o n d i t i o n s ，e x p r e s s w a yi ss u f f e r i n g t h ei n f l u e n c eo fs e r i o u so v e r l o a d i n g ，t h ev o l u m eo ft r a f f i c ，c l i m a t ea n do t h e re n v i r o n m e n t a l f a c t o r s ，p a v e m e n tp e r f o r m a n c ei sd e c l i n i n gg r a d u a l l y , a n dd i f f e r e n td e g r e e sd i s e a s e sh a v e a p p e a r e d ，w h i c hi m p a c t st h ei n v e s t m e n ta n dr e v e n u eo fe x p r e s s w a y t h e r e f o r e ，p a v e m e n t m a i n t e n a n c ew o r ko fe x p r e s s w a yi sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t ，a n dt h ei m p o r t a n c ei sa t t a c h e db y v a r i o u sd e p a r t m e n t s t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e ri sh o wt oh e l pd e c i s i o n - m a k e r sd e v e l o pap l a nw h i c hg e t st h e o b j e c t i v ew h i c hm a k e sp a v e m e n tp e r f o r m a n c eg e tt h em o s te f f e c t i v ei nt h ec a s eo fl i m i t e d c a p i t a li n v e s t m e n t f i r s t ，t h i sp a p e rm a k e sas t u d yo fe x p r e s s w a ye a r l yd i s e a s e s ，a n dt h e n i n t r o d u c e st h ec o n c e p to fp r e v e n t i v em a i n t e n a n c e ，s t r e s s e st h ei m p o r t a n c eo fp r e v e n t i v e m a i n t e n a n c e ，i d e n t i f i e st h et i m i n go ft h ei m p l e m e n t a t i o no fp r e v e n t i v em a i n t e n a n c e ，r a i s e s s e v e r a lc o m m o np r e v e n t i v em a i n t e n a n c em e a s u r e sw h i c ha r ef o rp r e v e n t i o na n dc u r eo f e x p r e s s w a ya s p h a l tp a v e m e n te a r l yd i s e a s e s d om o r ei n - d e p t hr e s e a r c hf o rt h ee x p r e s s w a y a s p h a l tp a v e m e n tp e r f o r m a n c e ，e s t a b l i s ht h ee v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mo ft h eh i g h w a ya s p h a l t p a v e m e n tm a i n t e n a n c e ，m a k ea s p h a l tp a v e m e n tm a i n t e n a n c ee v a l u a t i o nc r i t e r i 码w h i l eb u i l d t h ee x p r e s s w a ya s p h a l t p a v e m e n tp e r f o r m a n c ed e c a ye q u a t i o n t o e n a b l ep a v e m e n t p e r f o r m a n c ea c h i e v et h em o s tr e v e n u e ，i tm u s tm a k ear e a s o n a b l ep a v e m e n tm a i n t e n a n c ep l a n i nt h ec a s eo fl i m i t e dm a i n t e n a n c ef u n d i n g i nt h e p r o c e s so fo p t i m i z i n gp a v e m e n t m a i n t e n a n c ed e c i s i o n ，t h i s p a p e re s t a b l i s h e s am u l t i o b je c t i v e p a v e m e n t m a i n t e n a n c e d e c i s i o no p t i m a lm o d e l ，a n da p p l i e st h eo p t i m i z a t i o nt h e o r ya n dd y n a m i cp r o g r a m m i n g ，a n d d oap r e l i m i n a r ys t u d y ，b ye x a m p l e ，v e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h er e s u l t s t h i sp a p e rs t u d i e so p t i m i z a t i o no fe x p r e s s w a ya s p h a l tp a v e m e n tm a i n t e n a n c ed e c i s i o n ， a l t h o u g ht h er e s u l t sn e e dt ob et e s t e d ，i m p r o v e da n dp e r f e c t e di nr e a lp r o b l e m s ，e n r i c h e s tt h e i i t h e o r yo fe x p r e s s w a ya s p h a l tp a v e m e n tm a i n t e n a n c e ，a n dt os o m ed e g r e e ，r a i s e sr e f e r e n c e s f o r t h es c i e n t i f i cd e c i s i o no fe x p r e s s w a yc o n s t r u c t i o na n dm a n a g e m e n t k e yw o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t ，p r e v e n t i v em a i n t e n a n c e ，p a v e m e n tp e r f o r m a n c e ， 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 ，d y n a m i cp r o g r a m m i n g ，d e c i s i o no p t i m i z a t i o n 1 1 1 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 钏娃吨删年乡月2 驴日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 训点唬 l z 莎年，月二f 日 导师签名：磊习吁 川p 年丁月三? 日 长安大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早三：百t 匕 高速公路是二十世纪三十年代在西方发达国家开始出现的专门为汽车交通服务的 基础设施。高速公路不仅是交通现代化的重要标志，也是国家现代化的重要标志。 随着我国加快社会基础设施投资政策的实施，高速公路建设正以前所未有的速度 发展。面是道路工程主要工程结构物。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，路面养护是公路养护工作的中心环节，我国高速公路大部分都采用的 是沥青混凝土路面【l l 。然而，高速公路无论是沥青路面或是水泥路面，随着使用年限和 里程的不断增加，许多高速公路已出现各类病害，特别是重载交通条件下的许多高速公 路通车几年就出现早期破坏，导致路面使用性能及服务能力逐渐降低。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，保持路面具有较好的使用性能。 特别是伴随着我国高速公路里程的不断增长和高速公路网的逐渐形成，高速公路的路面 养护问题也越来越受到普遍关注和重视。 我国在9 0 年代以前，高速公路管理部门对高速公路的路面管理缺少系统的检测、 评价和科学的路面养护决策管理。高速公路路面的养护管理主要依靠对路面状况的定性 了解和工程师的经验来进行。在决策过程中，常常由于经验限制及缺乏对路面破损程度 的定量掌握，使路面养护方案不尽合理，由此造成养护资金浪费、路面质量下降及使用 费用上升。显然传统的“凭经验、靠人工的效率低下的路面养护模式已经不能适应高 速公路养护事业发展的需要了。 然而，公路的养护资金总是有限的，如何合理地分配有限的养护资金，采取经济、 高效、合理的养护手段减少各类病害的产生，延长路面使用寿命，使高速公路路面处于 最佳服务水平或产生最大经济效益需要有一个科学的决策方法，这是摆在公路管理部门 及公路工程技术人员面前的一大课题。它的应用，将保证高速公路的运行效率，解决我 国高速公路管理者如何在利用有限的养护资金条件下，寻求最佳养护方案和最大的社会 经济效益的问题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 自2 0 世纪7 0 年代末期开始，早期修建的高速公路沥青路面临近使用中期，维修、 第一章绪论 罩面工程逐年增多，为了对高速公路开展科学的养护维修管理，美国德克萨斯大学汉德 森教授( h u n d s o n ) 等运用运筹学和系统工程学理论开发了“路面养护管理系统”( p m s ) 。 随后美国和加拿大的许多州和省相继建立和实施网级路面管理系统，到2 0 世纪8 0 年代 中期，约有3 5 个州和省已经建成或基本建成路面管理系统。其中，较有代表性的有： 美国加利福尼亚州路面管理系统( 1 9 7 8 ) ，华盛顿州路面管理系统( 1 9 8 0 ) ，亚利桑那州 路面管理系统( 1 9 8 0 ) ，美国陆军工兵团的p a v e r 路面管理系统( 1 9 8 3 ) ，美国空军机 场路面维护管理系统( 1 9 8 1 ) ，加拿大阿尔伯达省的路面信息和需求系统( p 烈s ，1 9 8 3 ) 、 改建信息和优序系统( i 洄p s ，1 9 8 4 ) 及城市路面管理系统( m p m s ，1 9 8 7 ) 。同时，其 他国家也陆续开展并建立了路面管理系统，如丹麦路面管理系统( 1 9 8 0 ) ，英国运输和 道路研究所( t r r l ) 的公路养护评价系统( c h a r t ，1 9 8 0 ) 等【2 】。 美国的养护管理系统( m a i n t e n a n c em a n a g e m e n ts y s t e m ) 是一整套用来记录日常养 护工作的系统。该系统具有制定养护计划、进行养护预算、安排养护日程、指导养护工 作、完成养护报表、分析和评价养护工作等多种功能。养护人员日常养护工作均有相关 文件加以规定，使得公路的养护评价工作规范而高效【3 1 。上世纪八十年代开始，英国运 输部陆续以信函和附录的形式颁布了干线公路管理和养护说明( t r u n kr o a d m a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c en o t i c e s ) ，用于指导公路养护代理在养护合同协议书规定的 范围内进行干线公路及附属构造物的养护。随着养护技术和水平的发展，英国运输部又 于1 9 9 2 年4 月1 日新颁布了干线公路养护手册( t h i n kr o a dm a i m e n a n c em a n u a l ) ， 该手册克服了原有文件的不足和缺陷，进一步完善了原养护说明的文件内容，从而能更 好地指导英国干线公路养护工作。 到2 0 世纪8 0 年代末，不断完善的p m s 系统已被高速公路管理部门采纳作为政府 决策确定养护对策的必备程序，同时还产生了许多以p m s 为经营主体的科技公司，协 助政府或工程企业完成路面养护管理和决策工作。除了管理技术之外，高速公路路面养 护技术、养护材料与养护机械也逐步开发完善，而形成成套的技术，如局部修补技术、 罩面技术、稀浆封层技术、恢复抗滑能力技术、沥青再生技术等。因此，在发达国家， 由于有完善的管理系统和成套的养护维修技术，高速公路虽然使用年限很长，但是路面 使用品质始终保持在良好状态。 在美国、英国等西方国家正在进行一项路面长期性能( l t p p ) 研究计划，其目标是 考虑不同的荷载、环境、土基材料和养护历史等情况，通过研究不同新路设计和改建路 面结构设计法，来延长路面的使用寿命。其中美国的战略公路研究计划( s h i 心) 所包 2 长安大学硕上学位论文 含的l t p p 最具有代表性。在s h r p 期间，利用国家路面性能数据库( n p p d b ) 已获得 的数据，进行了若干初步数据分析工作，针对l t p p 的各方面目标开展，如：评价现有 设计方法，改进路面维修策略和新建路面的设计过程，确定荷载、环境、材料特性及其 变异性、施工质量和养护水平对路面性能的影响，确定设计中的某些要点内容对路面性 能的影响。s h r p 还对今后的数据分析研究提出若干目标【4 】： 1 开发可用于设计程序、路面管理和敏感性分析的路面损坏预测模型； 2 用数据对现有力学经验模型进行标定； 3 研究路面各层刚度与路表断面的季节性变化： 4 开发全面的性能预测和策略选择工具； 5 以上面模型为基础，引入路面寿命周期内的养护维修策略分析、可靠性设计概念 和经济分析，完善路面设计、养护策略选择工具。 尽管国外已形成了较为完善的高速公路路面管理系统，但这些系统都是根据本国公 路结构形式，材料性质和地理环境条件等建立起来的。其性能评价指标和方法不适合我 国高速公路路面结构和行车特点，其采用的路面养护决策也与我国的实际情况有差别。 1 2 2 国内研究现状及存在的问题 我国对路面养护管理系统的研究始于1 9 8 4 年。1 9 8 5 年交通部在辽宁引进了英国的 沥青路面养护管理系统，1 9 8 7 年湖南省开发了适合该地区的路面养护系统，而后，北京、 广东、河北、山东、河南、云南和江西等省市的公路部门相继建立了省市级或地区级沥 青路面养护管理系统。“七五 、“八五 期间，我国在引进、消化的基础上，建立了我 国的路面管理系统c p m s ( c h i n ap a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m ) ，并且其理论水平已接 近或达到发达国家的水平【5 ，6 l 。 高等级公路路面养护管理系统的核心问题是路面的养护决策优化，通过建立路面使 用性能的评价模型，对所采集的路面检测基础数据进行分析评价，按照路面养护维修列 策模型、费用模型确定养护维修方案，然后依据路面使用性能、政策要求、资金约束等 因素对路网内各项目进行排序，确定最优方案，为公路养护管理部门提供决策支持。因 此，高等级公路养护管理系统的建立和实施，对减少和延缓各种设施的损坏，充分发挥 和利用各种设施的功能，维护和提高公路的服务水平，以及合理分配养护和进行科学狭 策，具有重要意义。 国内从2 0 世纪9 0 年代后期随着高速公路的发展，已有人对高速公路的养护性能评 3 第一章绪论 价和预测进行过研究，但对高速公路的养护决策研究较少。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， 以最大限度地满足系统的要求。对于路面管理系统来讲，需要决策的是路面养护、大中 修和改建的策略、计划和资金分配。有效的决策可以合理分配有限养护资金等资源，确 定最佳养护对策和实施时间的过程。为了提高高速公路养护管理水平，使有限的养护资 金发挥最大的经济效益，江西省交通科研院、江西公路开发总公司和长安大学合作开发 了专门针对高速公路沥青路面养护的管理系统一高速公路养护管理系统，简称h p m s ； 蒋红妍，戴经梁等提出了基于智能决策支持系统i d s s 的高速公路路面养护管理系统【7 】； 潘玉利等提出了专家系统在路面养护管理中的应用研究【8 】：郑渊等提出了基于g i s 的高 速公路养护管理系统设计方法【9 1 。 长期以来，我国公路部门对路面的养护一直是处于被动的位置，一般都是路面破坏 比较严重时才临时采取相应的措施，没有真正建立起预防性养护的理念，往往错过最佳 养护时机。路面使用性能指标数据的采集也大都是被动的收集，很多都是出于应付上级 部门的检查，没有真正建立起相关的数据库系统。我国早在8 0 年代就在公路养护技 术规范中提出了评价体系和标准，而这个评价体系是建立在普通公路数据的基础上， 无法有效的对路面使用性能进行评价、预测和决策研究。路面性能预测问题，预测模型 和方法繁多，相对数据不足如何选取预测模型与方法的办法不多，建立的预测模型移植 性差，局限性强，这些对路面养护决策的制定很不利，因此传统的高速公路路面养护决 策是高速公路养护决策者是根据以往工作的经验进行决策，选择养护方案，即对一些常 规性的、经常大量发生的养护情况，根据经验选择一种有效的路面养护方案，同时根据 方案实施的情况为以后类似问题的决策提供参照依据，这种方法缺乏科学根据，主观性 太强。目前我国部分省市还实行的是路面管理系统( c p m s 2 0 0 1 ) ，它的决策结果没有充 分考虑当地的实际情况，而且c p m s 2 0 0 1 得到的养护计划与实际需要的养护计划又有较 大的误差。 1 3 国内外高速公路发展情况 高速公路是上世纪2 0 年代兴起的一种完全快速、通过能力大的新型交通手段。 世界各国的高速公路没有统一的标准，命名也不尽相同。美国、加拿大、澳大利亚把高 速公路命名为f r e e w a y ，德国命名为a u t o b a h n ，法国命名为a u t o r o u t e ，英国命名为 m o t o r w a y 。这些国家尽管对高速公路命名不同，但都是专指有4 车道以上、两向分隔 4 长安大学硕士学位论文 行驶、完全控制出入口、全部采用立体交叉的公路。此外，有不少国家对部分控制出入 口、非全部采用立体交叉的直达干线也称为高速公路。国际道路联合会在历年的统计年 报中，把直达干线也列入高速公路范畴。我国交通部“公路工程技术标准规定，高速 公路是指“能适应年平均昼夜小客车交通量为2 5 0 0 0 辆以上，专供汽车分道高速行驶并 全部控制出入的公路 。一般能适应1 2 0 公里d , 时或者更高的速度，要求路线顺畅， 纵坡平缓，路面有4 个以上车道的宽度；中间设置分隔带，采用沥青混凝土或水泥混凝 土高级路面，为保证行车安全设有齐全的标志、标线、信号及照明装置；禁止行人和非 机动车在路上行走，与其他线路采用立体交叉、行人跨线桥或地道通过。 1 3 1 国外高速公路发展情况 高速公路是2 0 世纪3 0 年代在西方发达国家开始出现的为汽车交通提供特别服务的 基础设施。到2 0 世纪6 0 年代，在发达国家掀起了修建高速公路的热潮，到7 0 年代， 这些国家公路运输方式所完成的客、货运输量，在全社会的客、货运输量中，已超过铁 路，成为完成比例最高的运输方式。从此，改变了一个多世纪以来，以铁路运输为中心 的局面，公路运输在各种运输方式中起到了主导作用，成为现代化综合运输体系中的核 心。 德国是修建高速公路最早的国家，早在1 9 1 9 年就修建了世界第一条高速公路。意 大利是高速公路发展最早的国家。荷兰是高速公路面积密度最大的国家，每1 0 0 0 k m 2 面 积中有高速公路4 3 9 k m 。美国是高速公路人口密度最大的国家，每1 0 0 万人口占有 3 8 0 6 1 k m 。表1 1 是国外几个主要国家高速公路建设的数据，表中数据是2 0 世纪9 0 年 代后期统计的，由于这些国家当时均已建成高速公路网，近些年来主要致力于提高路网 的管理和使用水平，高速公路里程基本上没有增加，数据与目前相差不大【m 】。 表1 1 国外高速公路通车里程 公路总里程 高速公路通车里程高速公路占总里 国家年份 ( 万k m )( k m )程 美国 1 9 9 76 3 4 8 28 8 7 2 71 4 加拿大1 9 9 59 0 1 91 6 5 7 11 8 4 德国1 9 9 86 5 6 l1 1 4 0 01 7 4 法国1 9 9 88 9 3 31 0 3 0 01 1 5 5 第一章绪论 两班牙1 9 9 73 4 6 99 0 6 32 6 l 意大利1 9 9 76 5 4 76 9 5 71 0 6 日本1 9 9 71 1 5 2 26 1 1 4 0 5 3 英国1 9 9 8 3 7 1 6 3 3 0 30 8 9 荷兰1 9 9 81 2 5 62 2 3 51 7 8 韩国1 9 9 88 7 01 9 9 62 2 9 目前，全世界已有8 0 多个国家和地区拥有高速公路，通车总里程超过了2 3 万公里。 第一名是美国，美国于1 9 3 7 年开始修筑宾夕法尼亚州收税高速公路，长2 5 7 公里。 目前高速公路总长度为8 8 万公里，已完成以洲际为核心的高速公路网，其总里程约占 世界高速公路总里程的一半，连接了所有5 万人以上的城镇。 美国的高速公路建设，有一套评估谁、规划立项、投融资以及维护管理的机制，每 个项目的认证至少要两年时间。高速公路建设资金投入的比例为州政府1 9 6 ，地方县 市7 7 4 ，联邦政府3 ，平时维护费用主要由州政府负责。 第二名是中国，至2 0 0 6 年底，达到4 5 3 万公里。中国台湾省于1 9 7 8 年底建成基 隆至高雄的中山高速公路长3 7 3 公里。1 9 8 8 年l o 月3 1 日，上海至嘉定1 8 5 公里高速 公路建成通车，使中国大陆有了高速公路。此后，我国高速公路建设突飞猛进：2 0 0 4 年8 月底突破了3 万公里，比世界第三的加拿大多出近一倍。 我国目前用于高速公路建设的资金主要来源于各种专项税费和财政性资金( 如车购 税、养路费、国债、地方财政等) 、转让经营权、直接利用外资、通行费收入、企业自 筹资金以及国内外银行贷款。其中银行贷款占了很大比重。 第三名是加拿大，共修建了1 6 5 万公里高速公路，而且不征收车辆通行费，所以路 上也没有收费站、检查站。 第四名是德国，拥有1 1 万公里高速公路，建于1 9 3 1 1 9 4 2 年的波恩至科隆高速公 路是世界上第一条高速公路。 德国的公路系统由联邦远程公路、州级公路、县市级公路和乡镇级公路组成，公路 总里程约6 5 万公里，公路面积约占国土面积的4 8 ，其中约1 8 为高速公路，高速公 路总里程达1 1 万多公里。 第五名是法国，目前拥有1 万公里高速路，由于采取了大量吸收民间投资的方法， 6 长安大学硕上学位论文 有力地推动了高速公路的建设速度，拥有全世界最发达的公共交通系统】。 1 3 2 国内高速公路发展情况 我国的高速公路发展比西方发达国家晚近半个世纪的时间，从8 0 年代末开始起步， 经历了8 0 年代末至1 9 9 7 年的起步建设阶段和1 9 9 8 年至今的快速发展阶段。在改革开 放初期，随着我国国民经济的快速发展，公路客货运输量急剧增加，公路交通长期滞后 所产生的后果充分暴露出来，特别是主要干线公路交通拥挤、行车缓慢、事故频繁。为 改善主要干线公路交通紧张状况，缓解公路交通的瓶颈制约，从“六五”开始，公路交通 部门重点对干线公路进行加宽改造。尽管有些路段加宽到1 5 米甚至2 0 米以上，但收效 甚微。为了寻求缓解我国公路交通瓶颈制约的有效途径，公路交通部门开始深入研究发 达国家解决交通问题的经验，并对我国主要干线公路的交通情况进行调查研究。研究结 果显示，我国公路交通存在着三个突出问题：一是由于运输工具种类繁多，汽车、拖拉 机、自行车、畜力车、行人混行，车辆行驶纵向干扰大；二是由于人口稠密，公路沿线 穿越城镇较多，横向干扰大；三是公路平交道口多，通过能力低，交通事故严重。以上 三个问题严重影响了公路交通功能的发挥。根据发达国家的实践经验，建设高速公路是 解决主要干线公路交通紧张状况的有效途径。 1 起步建设阶段【1 2 】 1 9 8 8 年上海至嘉定高速公路建成通车，结束了我国大陆没有高速公路的历史；1 9 9 0 年，被誉为“神州第一路”的沈大高速公路全线建成通车，标志着我国高速公路发展进入 了一个新的时代；1 9 9 3 年京津塘高速公路的建成，使我国拥有了第一条利用世界银行贷 款建设的、跨省市的高速公路。为了集中力量、突出重点，加快我国高速公路的发展， 1 9 9 2 年，交通部制定了“五纵七横”国道主干线规划并付诸实施，从而为我国高速公路持 续、快速、健康发展奠定了基础。 到1 9 9 7 年底，我国高速公路通车罩程达到4 7 7 1 公里，1 0 年间年均增长4 7 7 公挈。 相继建成了沈大、京津塘、成渝、济青等一批具有重要意义的高速公路，突破了高速公 路建设的多项重大技术“瓶颈”，积累了设计、施工、监理和运营等建设和管理全过程的 经验，为1 9 9 8 年后的快速发展奠定了基础。 2 快速发展阶段【1 2 1 1 9 9 8 年，为应对亚洲金融危机，国家实施了积极财政政策，加快了基础设旋建设步 伐。交通行业按照国家的统一部署，加大了公路建设力度，从1 9 9 8 年至今，高速公路 建设进入了快速发展时期，年均通车里程超过4 0 0 0 公里，年均完成投资1 4 0 0 亿元。1 9 9 9 7 第一章绪论 年，全国高速公路里程突破1 万公里；2 0 0 0 年，国道主干线京沈、京沪高速公路建成通 车，在我国华北、东北、华东之间形成了快速、安全、畅通的公路运输通道；2 0 0 1 年， 有“西南动脉”之称的西南公路出海通道经过1 0 多年的艰苦建设实现了全线贯通，西部 地区从此与大海不再遥远。 2 0 0 2 年年底，我国高速公路通车里程一举突破2 5 万公里，位居世界第二位，2 0 0 4 年年底超过3 万公里。除西藏外，各省、自治区和直辖市都已拥有高速公路，有1 5 个 省份的高速公路里程超过1 0 0 0 公里。辽宁省和山东省已实现了省会到地市全部由高速 公路连接，长江三角洲、珠江三角洲、环渤海等经济发达地区的高速公路网络也正在形 成。随着高速公路里程的不断延伸，规模效益逐步发挥，人们切身感受到高速公路带来 的时间、空间观念的变化，在山东、辽宁、广东、江苏等地，省会到地市当天可以往返， 这在过去难以想象。 高速公路的快速发展，大大缩短了省际之间、重要城市之问的时空距离，加快了区 域间人员、商品、技术、信息的交流速度，有效降低了生产运输成本，在更大空间上实 现了资源有效配置，拓展了市场，对提高企业竞争力、促进国民经济发展和社会进步都 起到了重要的作用。今天，高速公路的速度和便利正在改变着人们的时空观念和生活方 式。图1 1 为我国历年高速公路通车里程。 昌 考 醛 母 瀣 愈 删 檀 年份 图1 1 我国历年高速公路通车里程 1 4 研究目的和内容 本文研究的目的是帮助公路管理部门和路面养护决策者合理利用有限的养护资金， 8 长安大学硕上学位论文 找到最佳的养护方案，从而使路面达到最佳路面状态( 最佳服务水平或产生最大经济效 益) 。 本文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 务水平时的养护资金需求。在对路面养护决策进行优化时，建立了多个目标的路面养护 决策优化模型，在对模型进行求解时，运用了动态规划的理论。 本文的主要研究内容有以下几个方面： 1 高速公路的早期破坏形式及预防性养护理念与方法； 2 路面使用性能的评价与预测，重点研究了路面状况指数p c i 和行驶质量指数r q i 的衰变行为； 3 高速公路沥青路面养护决策优化问题； 4 多目标优化问题； 5 动态规划问题； 6 动态规划在路面养护决策优化中的应用； 7 用动态规划优化路面养护决策的实例分析。 9 第二章高速公路沥青路面的预防性养护 第二章高速公路沥青路面的预防性养护 2 1 高速公路沥青路面早期破坏 2 1 1 不同类型的早期损坏 对各个工程来说，早期损坏的发生形态是不一样的，有其各异的个性，同时其中又 有普遍的共性。产生的原因很复杂，但是往往是各种原因综合在一起才产生损坏。这种 个别性和普遍性共存，复杂性和综合性混杂的情况使得分析路面早期损坏的成因增加了 许多困难。 根据沥青路面损坏后的直观表象，早期损坏大概有以下几种类型：1 ) 裂缝；2 ) 桥 头跳车；3 ) 沉陷；4 ) 车辙；5 ) 坑槽；6 ) 水损坏等等【”】。从整体来看，我国高速公路 沥青路面存在两种性质不同的早期损坏。 1 第一类早期破坏：通车后短时间内发生的早期破坏【1 4 】 第一类的早期破坏往往发生在通车后不久，有的是当年，有的在1 3 年内发生，一 般有以下特点： 1 ) 大量的情况是，针对同一地区，或者一条路来说，早期损坏都是局部性的，只有 极个别的产生全路段的大规模破坏。在结构相同、超载车及雨水影响相同的同一条路上， 只有某些局部的点、某个段落先发生损坏。这种情况在许多路上表现为出现局部的坑槽、 松散、部分路段出现车辙等等。 2 ) 这些损坏通常是在行车道首先发生，很明显与超载车有密切的关系。 3 ) 这些损坏的发生有强烈的时间特性，雨季和春融季节，水的危害是首位的。水 损坏是最常见的现象，包括坑槽、松散、掉粒、网裂等。车辙毫无疑义是发生在夏季高 温季节，尤其是在长大纵坡的上坡路段。开裂大部分发生在气候转冷的入秋季节和冬季。 说明这些损坏受环境影响很大。 4 ) 这些损坏通过及时的局部性的维修和铣刨加铺可以得到缓解。这看起来很乐观， 似乎路面的损坏都可以通过维修解决。但是，如果交通量很大，不仅是白天无法上路修 补，甚至晚上都忙不过来，不能及时维修，更大的损坏就难以避免了。 至于各条高速公路发生的损坏情况，与每条路所处的地理位置和气候特点有关，也 与交通情况有密切的关系。在这些路上，其实真正测到的损坏面积不会太大，但是它对 交通的影响却很大。每隔若干米一个坑槽，所占的面积比例非常非常小，但连续的坑槽 l o k 安大学颐学位论文 将使行车十分颠簸，道路的服务性能大幅度下降。 图21 列出了某高速公路的损坏类型比例。在该高速公路上，车辙很少，只有少量 的泛油，大量的都足与水损坏有关的病害。 圈2 1 某高速公路路面损坏的主要类型 南方某高速公路于1 9 8 9 年8 月8 日建成通车，第二年出现较多的横向裂缝，1 9 9 3 年加铺了改性沥青罩面4 e m 。罩面后，局部出现坑槽、松散等病害破坏，经维修处理后 的数年内路况基本保持良好。但随着交通量的大幅度的增长，1 9 9 9 年1 0 月扩建成单向 的4 车道或3 车道。在加宽工程开工后，由于路基边坡开挖与施工车辆的影响，病害越 来越严重，使道路的使用性能太大降低。据2 0 0 1 年8 月对其中破坏严重的路段( 2 1 2 0 m ) 进行的路况调查，损坏情况如图2 2 所示，很明显，该段主要的损坏类型是龟裂，显然 与路面结构的损坏有关。 抻粒剥萍挫触 2 n 也裂 菇= 章高速公路沥青路面的预防性养护 掉粒，剁薄、格敞 图22 南方某高速公路的损坏情况 钔上行方向；b 1 下行方向 2 第一类早期损坏：深层次原因导致的甲期损坏【1 q 从更深层次上说，我国铺筑的高速公路大多数都达不到设计年限就需要“大修”。 从这个意义上讲，也可以说是普遍发生了早期损坏。晟近几年来许多没有达到设计年限 的高速公路沥青路面丌始大修、翻修、重建，严格来说，也应该属于早期损坏而且是 更为严重的早期损坏。这种现象引起的社会反响极大，各级领导和工程技术人员也都甚 感苦恼，即使是严格管理，完全按照设计认真施工、使用的材料也完全合格的工程，有 不少确实是建设者兢兢业业、努力裔斗而修筑的“精品工程”，为什么仍然发生意想不 到的早期损坏，为什么用了几年以后都不行了，这就清楚地说明这种早期损坏有着其深 层次的原因。因此，大家都在反思为什么国外公路的设计寿命越来越长，使用寿命更 长，而我们为什么就达不到呢? 使用寿命与设计寿命是两个概念，设计年限是用以计算 路面结构时采用的交通量依据的年限，但是即使达n t 设计年限，路面开始损坏只要及 时养护，或者提前进行预防性养护，是可以延长路面使用年限的。只要维修养护及时， 沥青路面是町咀长时川使用f 去的。 2 12 路面早期损坏的原因 i 外因交通量和超载车问题1 我国的高速公路建设时预测的交通量增长速度，一般都赶不上实际的增长速度。而 且不仅是交通量的数量增加，更直接地反映在超限超载车辆问题上。我国的货车性能好 坏相差悬殊，有国际先进水平的，更多的是老牛拉车式的破旧车，许多车已经超过报废 长安大学硕上学位论文 年限，还在使用中，导致稍稍有点上坡，就严重减速，爬不上去，更使得高速公路上交 通混乱。在许多运煤干线、砂石料运输线，超载情况尤为普遍。毫无疑问，超限超载车 辆是造成公路损坏的主要因素之一，因为如果没有超限超载车辆的作用，公路是不会那 么快就损坏的。其最典型的例证是发生损坏的高速公路，行车道要比超车道严重得多。 车辆超载问题，在国际上都是难题。据了解，几乎所有的国家，在经济腾飞、运输 要求高速发展的时期，都曾经遭遇过这样的问题。许多发达国家，经过相当长时间的立 法、治理，已经取得了相当好的效果。尽管如此，超载情况也不可能绝迹。超载车问题 是世界各国在经济转型和大发展时期的必然产物，几乎每个国家都遇到过，经济发达国 家经过长时间的治理，已经普遍制订了相关的法律。超载情况有了彻底改观，尽管如此， 现在仍然会有超载车，但多半出现在晚上，据美国的a a s h t 0 2 0 0 2 年的报告中某高速 公路测定的轴载谱的实际情况，超载情况也是很严重。在我国，由于近年来的经济高速 增长，超限超载车辆的情况十分严重，其原因是多方面的，主要是车辆生产制造、维修 和改装、以及收费方法等原因。结果大吨小标、擅自改装的情况越来越猖獗，辆车装 载上百吨的情况司空见惯。我国的标准轴载是1 0 0 k n ，实际上达到2 0 0 k n 甚至3 0 0 k n 的不在少数。超载还表现在轮胎气压上，超过1 0 m p a 乃至1 2 m p a 的也屡见不鲜。凡此 种种，不仅严重影响交通，经常造成交通堵塞，而且严重损伤路面，成为公路损坏的“第 一杀手 。 2 内因一管理、设计、施工、养护环节的问题【1 4 】 对于早期损坏的原因，都归咎于超载车也是不科学的。因为同样受到超载车的影响， 在同样的地区或者同样的一段路上，并没有全面损坏。从管理、设计、施工、养护各方 面找原因。盲目地将早期损坏统统都归咎于超载车，是无助于总结经验教训的。这对于 全国的每一条路都是这样。 对第一类早期损坏，即在通车不久就发生水损坏、车辙、坑槽、开裂等等情况，大 部分与施工质量有关。我们必须检查，是不是按照施工组织设计认真施工了，还是不顾 一切地抢工期? 材料是不是合格，是不是均匀? 路基、基层的质量有没有达到要求? 沥 青混合料的拌和有没有偷工减料，矿料级配和油石比控制得好不好? 尤其是没有做到碾 压成型，压实度是不是真正达到了标准? 沥青混合料的质量是否能达到规范规定的最起 码的要求? 沥青路面是否存水，防排水系统是否完善等等。有的工程说的是压实度 1 0 0 ，平整度也很好，可是第二年平整度就严重衰减，路面颠簸，这不是明摆弄虚作 假吗? 所以对发生损坏的路段，必须仔细检查。该开挖的开挖，该钻孔的钻孔，只有认 1 3 第二章高速公路沥青路面的预防性养护 真地从施工过程的各个环节去追究，才能查清楚，到底是什么原因造成路面早期损坏。 施工组织设计是施工的依据，但是现在有许多工程，施工组织设计等于是摆设，只 有招投标时用一下，真正施工的时候，工期安排、工序，甚至连施工工艺、用多大的油 石比，都是由某个领导说了算。工期经常是前松后紧，实在来不及就赶工、抢工，施工 温度是否合适，根本就不管了。 对现在到处都出现的大修情况，其实问题的根源大家都清楚，可是每到总结经验， 分析原因时，只要一谈到结构问题，都会理直气壮地说，完全是按照规范设计的，肯定 没有问题。路出现了损坏，首先想到的是施工单位不认真，偷工减料。我们不排除有施 工不认真及偷工减料的问题，但总不可能都是这样，有些问题我们应该从根儿上找原因。 维修养护的及时与否与路面早期损坏也有很大的关系，如果抓紧进行了预防性养 护，及时进行补缝、补坑，也许水不容易进去，损坏发展也不会那么快。 2 2 预防性养护综述 在绝大多数发达国家，公路网已经完善，养护管理成为公路工作的重点，很早就着 手于公路养护管理的相关调查、研究工作。例如，美国公路管理部门从上世纪8 0 年代 以来，通过对几十万公里不同等级道路进行跟踪调查，发现道路的使用性能和寿命有一 个共同的变化特征：条质量合格的道路，在使用寿命7 5 的时间内性能下降4 0