（道路与铁道工程专业论文）项目级水泥混凝土路面养护管理专家系统研究.pdf

湖南大学硕士学位论文 攘要 按照水泥混凝土路藕养护管理的具体要求，本文对专家系统 技术在项目级水泥混凝土路面养护管理系统中的应用展开研究。 在调蠢研究的基襁上本文建立了对路瑟 破按修复决策秘路段养护 决策的决策过程的描述：运用证据璎论，提出了路段破损原因评 价指标及其计算方法；选用产生式舰则表达路面养护管理决策知 谈，采用可信度透论实现不确定稚瑶，并盈采用e + + 语言编制了 正向和反向推理枧。 专家系统技术在路面管理系统巾的应用，可以有效的使用路 瑟养护专家提供酶翔浚避行决策，舒对所选择的养护对策提供弼 户以专家级的技术咨询。根据所职究的内容和方法，采用 b o r l a n dc + + b u i l d e r 3 0 编码卒刀步研制开发了基于w i n d o w s 搽作系统煎顼强缀永混混凝土路舔养护管理系统软件。 关键诩2 项露级，水澎浞凝土路掰，管磁系统，证据瑶论，破损 艨因，浮侩指标 a b s t r a c t a c c o r d i n g t ot h e r e q u i r e m e n t o fc e m e n tc o n c r e t e p a v e m e n t m a n a g e m e n t ，t h es t u d yo fe x p e r ts y s t e mt e c h n i q n ea p p l yi np r o j e c t - l e v e rc e m e n tc o n c r e t e p a v e m e n t m a n a g e m e n ts y s t e m w a s i n t r o d u c e d b a s e do ns u r v e ya n dr e s e a r c h ，s e l e c t i o np r o g r e s s e so f d i s t r e s sr e p a i rm e t h o da n dp r o j e c t - l e v e rp a v e m e n tm a i n t e n a n c ea n d r e h a b i l i t a t i o nm e t h o dw e r ed e s c r i b e d l l e r e a ni n d e xi n l i g h t o f e v i d e n t i a l t h e o r y f o rs e c t i o n p a v e m e n t d e t e r i o r a t i o nc a u s e s e v a l n a t i o na sw e r ea si t sd e d u c em e t h o di sp u tf o r w a r da l s o b yu s i n g p r o d u c t i o nr u l e s t of o r mt h ee x p e r i e n c ea n dk n o w l e d g eo fe x p e l s ， c o n f i d e n tt h e o r yt or e a l i z eu n c e r t a i nd e d u c ep r o c e s sa n dar e a s o n i n g m a c h i n ed e v e l o p e di nc + + l a n g u a g et h a tc a nd ob o t hf o r w a r da n d b a c k w a r dr e a s o nt h e p r o j e c t l e v e r c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t m a n a g e m e n te x p e r ts y s t e m c a nd og o o du s eo ft h ee x p e r i e n c ea n d k n o w l e d g eo fp a v e m e n tm a i n t e n a n c ee n g i n e e r s a n dp r o v i d e su s e r s e x p e r t l e v e rt e c h n i q u es u p p o r t i na d d t i o n c o m b i n e dw i t ht h ec o n t e n ta n dm e t h o dp r e s e n t e di nt h i s t h e s i sp r o j e c t l e v e rc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tm a n a g e m e n te x p e r t s y s t e mr p c p m e s ) s o f l - w a r ew a sd e v e l o p e dw i t hb o r l a n dc + + b u i l d e r3 0u n d e rw i n d o w s9 5e n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：p r o j e c t - l e v e r ，c e m e n t c o n c r e t e p a v e m e n t ，m a n a g e m e n t s y s t e m ，e v i d e n t i a lt h e o r y ，d e t e r i o r a t i o nc a u s e s ，e v a l u a t i o ni n d e x 塑堕查兰堡主兰堡丝兰 第一章绪论 1 1 路面管理系统概述 1 1 1 路面管理系统的概念 路面管理工作是协调和控制同路面有关的各项活动，其目的是使管理部 门通过这一过程能有效的使用资源( 资金、劳动力、机具、设备、材料、能 源等) ，以最低的资源消耗，提供并维持足够的服务水平的路面，其工作内 容包括：规划、施工、养护、路况监测和评价、研究等方面。对于路面管 理系统的定义有许多种，美国在路面管理系统指南( a a s h o ，1 9 9 0 ) 中定义 为：用于决策者在公路评价、养护中寻求投资有效分配的工具。澳大利亚 道路研究所的定义是：用于优化利用路面养护资源，包含信息采集、信息 分析和方案决策的管理方法。为适应不同管理层次的需要，路面管理系统 分为网级管理系统和项目级管理系统。 网级管理系统的管理范围包括一个地区( 省、市) 的公路网或一大批 工程项目。其主要任务是为管理部门在进行关键性的行政决策时提供对策。 包括： 1 ) 路况分析：路网内路面现有状况的分析和今后路面状况的预估分析： 2 ) 路网规划：确定路网内需要养护改建的项目； 3 ) 计划安排：这些项目应进行养护、改建和新建的时间、顺序； 4 ) 预算编制：路网达到不同预定服务水平时、各年度所需的投资额； 5 ) 资源分配：各行政区域或不同等级道路或养护、改建和新建之间的资 源分配。 项目级管理系统的工作范围仅针对一个具体项目，其主要任务是为管理 部门对某一工程进行决策时提供优化方法和对策，包括： 1 ) 数据采集：收集路段的材料、交通、环境、结构性能、破损、平整度 等数据； 2 ) 路况分析：路段内路面现有状况的评价和今后路面状况的预估： 潮袁大学硬士学位论文 3 1 养护决策：根据路面评价的结果对路面养护作决策； 4 ) 凌策饶豫；采麓寿命分辑等方法对券护决策进移技术经济毙轻，提懑 最优养护方案。 1 1 2 路面管璩系统研究动恣 l 。国夕 疆究炊猿 路面管理系统起源于加摩大，6 0 年代中期美国全国公路合作研究计划 ( h c h r p ) 首次将系统分祈努法甩乎路面设计中，并提出了路面设计系统酌 概念。一? o 年代中期，原来豹鼹嚣设计系统被扩鼹为路藤养护案理系统。1 9 7 4 年，美翻华盛顿州公路局在h c h r p 的基础上完成了路面管蠼系统的开发， 落主要粥于臻有遂赣的养轳管理。最荦汗始永漉混凝士路鬣管理系统硪究 的是美融，有代表性的系统有： 1 ) 华盛顿州路面管理系统； 2 ) 伊零j 诺戆媛拳淀鼹瑟镑理系统： 3 ) 美国空鼙机场道面管理系统： 美国空军机场邋面管理系统疑美国空军建筑工稷研究所为机场道面开 发豹维护管理系统，其中对水泥撼凝邋嚣擞的臻究鸯： 1 ) 刚性道厕损坏的明确定义、分类； 2 ) 刚健道瑟损坏的具体灏囊方式； 3 ) 遨嚣状况评价的损坏搠分函数及权避数越线； 4 ) 主客观因素相结合的路面性能指数计算方法； s 遂鬣摄环形成橇蓬分耩； 6 ) 针对各种损坏的详细养护修复策略； 7 ) 考虑修建费、维护费及残值的修复对策经济分析方法。 黠遂瑟撰嚣状琵戆评惨秘分辑是该系统臻究懿鬟点，箕辑究络栗对疆 飚的对水泥混凝土路灏管理系统研究产生了重爨影响。 2 国内研究获况 我霆最旱豹路露管理系统磅袋是1 9 8 4 年在辽宁饕臼移攘茭嚣黪8 躐溪 2 塑堕丕兰堡主堂堡丝苎 青路面评价系统，之后又陆续引进芬兰f p m s 路面管理系统及世界银行h d m - - i i i 公路投资效益分析模型。“七五”期间在引进消化的基础上，通过国家 重点攻关项目“干线公路路面评价养护系统成套技术”的研究，建立了我 国的干线公路评价养护系统( c p m s 一一c h i n ap a v e m e n tm a n a g e m e n t s y s t e m ) ，被列为“九五”国家重点推广项目。由于水泥混凝土路面在我国 的推广还是九十年代的事，因此以上管理系统都是为沥青路面开发的，在 水泥砼方面，1 9 8 9 年江西交通科研所雷茂锦提出水泥砼路面的评价方法 o ”，随后又利用经济分析方法导出了水泥混凝土路面的养护管理费用模 型，1 9 9 3 年开发出一个包含刚性路面和柔性路面的地区级公路路面维护管 理系统 2 ”。1 9 9 2 年西安公路学院李硕提出以路面破损率为基础的简化费用 模型 3 ”。1 9 9 4 年公路水泥混凝土路面设计规范给出了水泥砼路面路况 的评定方法以及旧水泥砼路面的加铺设计方法。1 9 9 6 年公路路面养护技 术规范( 以下简称养护规范) 给出了详细的水泥砼路面破损定义、测 量和评定方法，还给出了相关的养护技术措施。养护规范的完善大大促 进了水泥砼路面管理系统的发展，国内许多科研单位与当地公路部门合作 在养护规范给出的评定方法和评定指标的基础上开发了一些管理系统 d 2 3 钉。水泥混凝土路面管理系统研究发展比较迅速，但总的来说取得的成 果相对要少。 1 1 3 项目级路面管理系统原理 项目级路面管理系统要做出的决策是该段路面应在何时进行改建和应 该采取什么养护和改建对策。通常按路面的使用性能下降到某一预定的最 低水平是确定路面的改建时间，而采取什么样的改建对策，则按经验或者 在经济分析的基础上选择。 一般来说，虽然不同的管理系统在内容和结构上各有侧重，但都包括 了路面数据采集，路状分析，未来预测，对策选择和系统实施几个过程。 项目级管理系统同样包括上述几个过程： 1 路况数据采集 塑堕查堂堡主堂堡丝苎 1 1 结构承载力测定：测定方法一般可分为无破损方法和破损试验两类。 无破损方法是通过弯沉检测，测定系统又5 种：贝克曼梁弯沉仪， 自动弯沉仪，稳态动弯沉仪，脉冲弯沉仪，落锤式弯沉仪等。破损 试验一般是钻芯取样进行力学试验。 2 ) 路面抗滑性能测定：测定方法有制动距离法，锁轮拖车法，偏转轮 拖车法和摆式仪法。 3 ) 路面破损数据采集：比较普遍的数据采集方法是人工调查收集路况 数据，对路面病害分类统计。8 0 年代末交通部科研所从法国引进了 一台野外高速摄影人工室内判读的表面破损车，这种方法很先进， 但是费用昂贵。 4 ) 路面平整度测定：测定方法一般有颠簸积累仪法，三米直尺法等。 2 路面使用性能评价 1 ) ，行驶质量评价：主要方法是通过回归分析建立起主观评价( 人) 与 客观测量结果( 平整度) 的关系。评价时将每次的平整度实测结果 代入关系式得到行驶质量评价。 2 ) 路面损坏状况评价：主要方法是对不同程度的损坏类型、严重程度 和范围规定不同的扣分值，对一个损坏度量指标扣分，以剩余数值 表征路面的完好程度，评价路面的好坏。 3 ) 结构承载力评价：主要方法是通过对结构承载力数据评定确定路面 的结构承载力状况和路面的剩余寿命。 4 ) 抗滑能力评价：主要方法是通过实测抗滑指标与规定值的比较加以 评价。 3 路面使用性能预估 为了决定何时对路面进行大修养护或改建，要求对路面性能进行预估， 而要对所提出的加铺改建方案作寿命周期分析，也要求对对策的效果进行 预估。现有的路面性能预估方法有： 1 ) 确定性模型：如力学法，力学经验法，回归分析法，动态自适应算 4 塑查2 三兰堡主兰垡丝兰 法等。 2 1 概率型模型：如残存曲线模型。马尔可夫模型和半马尔可夫模型等。 4 养护对策确定 根据对现有路面质量的评价和预测结果的分析，根据对公路性质、等 级和交通等因素的考虑，结合当地技术水平、地理区域特点，合理安排大、 中小修及日常养护对策和先后次序，为该路段制订一个短期和长期的养护 日程表。 5 系统实施 在资金的约束下，不可能做到对所有的破损都如期进行养护，必须对 破损分清轻重缓急制订修复次序计划。以便系统实施。 项目级路面管理系统的基本组成如下： 图l 项目级路面管理系统基本组成 湖南大学硕士学位论文 1 2 专家系统概述 1 2 1 专家系统技术概况 专家系统就是在某一特定领域内，运用人类专家的丰富知识进行推 理求解的计算机程序系统，是人工智能的重要应用领域。1 9 6 8 年美国斯坦 福大学研制成功第一个用以推断化学分子结构专家系统d e n d r a l 。该系统具 有从化学专家那儿获得的关于质谱测定法的知识，投入使用后，每日能为 上百个国际用户提供化学结构的解释。这个系统让人们看到，在某些专门 领域里，以知识为基础的计算机程序可能起到领域专家的作用。1 9 7 1 年麻 省理工学院研制的m a c s 讧a 系统的再次成功，带动一大批专家系统从化 学、数学、医学、气象、军事、电子、工程等各方面涌现出来。其中被人 工智能界称为“经典”之作的有：1 9 7 3 年斯坦福大学研制的用于诊断和治 疗细菌感染性血液病的m y c i n 系统；匹兹堡大学研制的用于医疗咨询 c a d u c e u s 系统；卡内基一梅隆大学研制用于语音理解的h e a r s a y 系 统和用于v a x 计算机系统的配置x c o n 系统：1 9 7 6 年斯坦福大学研制用 于地质勘探的p r o s p e c t d r 系统。 伴随着专家系统的开发以及专家系统技术的逐渐成熟，人们从不同类型 的专家系统和知识处理系统中抽取共性，在1 9 7 7 年召开的国际人工智能联 合会议上，提出了知识工程的概念。知识工程的研究促进了专家系统从单 学科专用型向多学科通用型发展，出现了一批通用程度不等、类型不同的 专家系统工具。e m y c 聃是第一个专家系统外壳，它是从系统抽掉细菌感 染的领域知识而得到的一个与领域无关的专家系统骨架。此外比较著名的 专家系统外壳还有w s i g h t 2 + 、c l i p s 、y pe x p e r t 等。 1 2 2 专家系统在公路行业中的应用 目前专家系统在公路设计、施工、养护方面还不如在其他领域应用的那 么广泛，但是应用的项目和数量在不断增加。根据在巴黎的国际经济合作 与发展组织的调查，在公路方面应用的专家系统约9 0 项，大致分类及应用 6 塑堕查竺堡主兰堡堡塞 一一一 如下 1 应用分类【7 1 1 ) 交通管理与控制对交通管理与控制提建议和帮助，如根据传感 信息、偶发事件、标志信号等交通问题提供分析资料。 2 ) 行车冲击与安全通过判别等方法，以减少行车冲击，如噪音控 制、安全工作区域布置和事故调查。 3 ) 公路设计与计划为公路设计提供服务，并分析公路的需求和问 题，如几何形状、塌方预测及排水等。 4 ) 公路管理用于公路养护、运营和决策等，包括路面维修、桥面 翻修以及桥体喷漆等。 2 在路面养护管理中的应用 由于缺乏有效的路面监测和检测技术和设备或者是因为尖端的监测方 案代价昂贵，目前而言，路面的评定和修复是经验性很强的一项工作，在 很大程度上取决于养护工程师以往的经验和工程判断。因此在路面养护管 理中采用专家系统技术是非常有效的。专家系统在路面养护管理系中统应 用可以起到如下几方面作用： 1 ) 可以提供对整个路网或路段进行养护的一般方案； 2 ) 可以帮助公路部门确定最佳养护和修复方案： 3 ) 可以用来确定路面破坏的原因； 4 ) 可以用来预测将来要出现的问题。 国外几个代表性的实用路面管理专家系统有1 4 7 1 1 4 8 彤o 】【”】：r o s e ，由加拿 大安大略省交通运输部研制，目的是对寒冷地区的沥青混凝土路段的日常 养护和封层工作进行排序；s c e p t r e ，由华盛顿运输局研制，用于对沥青 路面表面损坏情况进行评估，并建议可行的修复策略：e x p e a r ，由美国伊 利偌伊大学为联邦公路局和伊利偌伊运输局研制。能帮助工程师对某一路 段的刚性路面损坏进行评定，并给出各种修复方案。该系统将许多决策树 以规则的型式储存在文件中形成知识库。系统最初采用专家系统外壳i n s i g h t 塑堕盔兰堡主兰堡堡苎 2 + 开发，之后因为与系统其他部分的接口问题比较大、推理效率比较低等 原因，采用t u r b op a s c a l 改写。改写后的系统虽然知识库的透明度和可修改 性不如以前，但与系统的其他部分的接口很好，运行效率也有很大提高。 该系统适用于三种刚性路面：有接缝素水泥混凝土路面( j p c p ) 、有接缝配筋 水泥混凝土路面o r c p ) 、连续配筋水泥混凝土路面( c r c p ) i ”i 。 以上的系统是将专家系统作为路面管理系统的核心部分应用，除此以 外，专家系统在路面管理系统中应用的另一种方式是将专家系统部分作为 系统的一个辅助功能模块存在而不是主模块。比较典型的是美国t e x a s 州 1 9 9 0 年完成的城市道路管理系统( u r m s ) n ”，该系统由四部分组成：网级 规划、项目级设计、施工和养护子系统。其养护子系统采用一个简单的专 家系统工具实现，允许养护工程师即使没有编程的知识也可以修改知识库， 实现日常养护工作的决策智能化“”。 国内首次将专家系统引入路面管理系统的是同济大学，1 9 8 9 年孙立军 为北京市公路管理局建立我国第一个路面养护管理专家系统，并提出了一 种适合网级路面养护决策的实用推理方法m l 。1 9 9 4 年同济大学邹培国采用 专家系统技术为上海市开发研制完成城市道路路面养护决策支持系统 r p m d s s ) t 2 ”。 1 2 3 专家系统基本原理与特点 1 基本原理 ， 专家系统实际是一套能在某特定领域内，利用知识和推理，以人类专家水 平去解决该领域内问题的计算机程序。从知识工程的角度讲，专家系统是 一个知识加工的工厂，他首先获得专家解决问题的知识，然后利用这些知 识，通过推理来模仿专家的思维过程解决领域的问题。 专家系统最基本的单元是知识库，推理机和工作存储空间。如下图所示： 8 喜上一业 1 推理机 l 图2 专家系统的基本结构 对于一个实用的专家系统，一般说要在上述三个基本单元的基础上加以 扩展，例如添加知识获取模块，友好人机界面等功能模块。 专家系统的工作过程就是根据知识库中已有的知识，及工作存储空间的 事实，不断的由已知的的前提推出其中蕴含的结论，再把这些结论纳入工 作存储空间，如此往复，直到没有新的结论产生。专家系统在因其在工作 过程中表现出来的由已知状态推断出未知状态的功能而被纳入人工智能的 范畴。 2 专家系统与传统程序的区别 专家系统从本质上讲仍是一个计算机应用程序，因此，它们在设计、 实现方面有许多共同的特征，如软件开发也需要进行系统分析，设计，编 写代码，调试，维护等。在开发的各个阶段也要用到与普通应用程序相同 的技术和手段。但是，专家系统又是一个智能程序系统，因此，与传统程 序相比有许多不同的特色。如传统程序的数据处理靠的是复杂的算法，只 要输入数据正确，就能得到预期的结果，其结构可表达为： 传统程序= 数据+ 算法 专家系统的特征在于在计算机上完成大量的符号处理，采用启发式的 方法来模拟专家的思维过程，通过推理使用知识来解决问题，其结构可表 专家系统= 知识+ 推理 如果说传统程序能通过i f e l s e _ _ t 髓n 结构来处理一些问题， 表现出一些智能的话，那末我们认为这种智能是僵化的，因为如果加入新 9 湖南大学硕士学位论文 的分支，程序必须重新修改源代码、编译、链接。而专家系统只需修改知 识库后便能实现智能的提高，这很象人类的学习机能。综合传统程序和专 家系统的区别，见表l 所示。 综合传统程序和专家系统的区别表1 对比项目传统程序专家系统 编程思想某一算法( 问题不同，算法不同)启发式推理方法 编程方法知识与使用知识混合知识与使用知识分离 处理对象数据符号 可惨改性难度大。需重新编译只需修改知识库 结论特征不允许不确切容忍不确切 1 2 4 专家系统的特点及适于求解的问题 i 专家系统的特点： i ) 启发性：启发性是相对确定性而言的，人类专家解决问题都会用到 两类指示：确定性知识和启发性知识。确定性知识指客观世界已经 认识的部分，如一些定理、公理等。启发性知识通常指人对客观世 界没有严瑾的理论依据但在工作中有简洁有效的模糊认识，诸如经 验、感觉等。专家系统的特点之一就在于能有效的应用启发性知识 解决实际问题。 2 ) 灵活性：专家系统的一个重要特征是知识与推理机分离，知识的修 改并不影响推理机。这样用户领域专家可以完全不懂编程工 作，只要对推理机的工作过程和知识库的语法有一定的了解，就能 自己动手修改知识库，使系统不断完善，质量不断提高。 3 ) 透明性：专家系统能解释本身的推理过程。给出工作的推理路径， 这时的用户对系统给的解答不但知其然而且知其所以然，增强对系 统的信赖。 2 专家系统适于解决的问题范围 1 ) 较窄的专业领域问题。启发性知识一般不能推而广之，只能面向相 对较窄的领域。如果问题的涉及的面比较广，启发性知识得不到有 效的应用将使系统的效率大为降低。 2 ) 难易适度的问题太容易的问题没必要研制复杂的系统去解决；如 l o 湖南大学硕士学位论文 果问题太难，以至必须充分发挥人类专家的创造性才能解决的问 题，则超越了专家系统的解题能力专家系统没有创造力。 3 ) 有提供知识的专家。专家系统的知识库是存储专家知识经验的容 器，没有专家知识就不能构成专家系统。 4 ) 问题必须能明确定义。应用专家系统技术的前提是人们必须能明确 描述该领域的问题。问题的输入、输出可以很复杂，但必须概念清 晰、能够描述。如果专家也无法理清该领域问题的条理，那是不能 应用这项技术的。 1 3 本文研究的主要内容 1 3 1 开展本文研究的意义 在路面养护实际工作中，项目级路段的养护决策实际包含两方面内容， 首先是对路段的整体评价，即对路面的损坏状况、平整度、交通量及强度 做出估价，然后对该路段做出大、中小修的决策。第二步是在上一步决策 的约束下采取措施对单个的破损进行处治。即便第一步做出的决策是某种 形式的加铺，也要对原有破损做处理。同时，无论是第一步决策还是第二 步，都是由养护工程师到现场根据路面的状况凭经验进行或结合自己的经 验进行。这种决策过程通常是无法用确定的理论和公式来描述的，用传统 程序方法开发的路面管理系统一方面不能贴切地描述路面养护专家的养护 决策知识、经验，另方面随着养护工程师对路面性能的认识的不断深化 和经验的积累、养护技术的不断发展，他的决策能力和水平也不会固定不 变，如果要采用传统程序方法开发的项目级路面管理系统来描述这样一个 动态的、经验性很强的决策过程，将面临需要不断的更新程序模块的问题。 从前文对专家系统技术的介绍可以看出专家系统适合解决结构性不良的 问题，如果能采用采用计算机系统以适当的形式表达、存储和利用路面养 护专家的有关路面养护修复的知识，那么不但可以把养护专家从繁重的日 常事物中解放出来，去进行其他更需创造性思维的工作，而且可以利用存 储在计算机系统中路面养护专家的知识向用户提供有关路面养护方案的决 湖南大学硕士学位论文 策咨询。 1 3 2 本文研究的主要内容 本文的研究重点是在项目级路面养护管理系统中应用专家系统技术对路 面养护专家对水泥混凝土路面的养护决策过程和思维模式进行模拟，研究 具有智能意义的项目级水泥混凝土路面管理系统。在人工智能学科研究成 果的基础上，本文研究要解决的技术问题包括：领域问题的定义，项目级 水泥砼路面评价指标的完善和专家知识的表达、存储、利用方式。因此研 究的主要内容包括： 1 ) 项目级路面养护管理决策问题输入、输出、决策过程的定义； 2 ) 项目级路面养护管理专家系统决策指标的研究； 3 ) 项目级路面养护管理专家系统决策的知识表示方法的研究； 4 ) 项目级路面养护管理专家系统决策推理的研究： 5 ) 开发项目级路面养护管理专家系统软件，系统结构如图3 。 图3 项目锻水泥混凝土路面管理专家系统结构 1 2 湖南大学硕士学位论文 第二章路面养护管理知识 2 1 水泥混凝土路面养护管理概述 路面在交通荷载、环境条件等外部作用下，其性能会逐渐下降，影响行 车的速度、舒适性和安全性。因此为了保证公路及其设施的完好状态，保 障行车安全、舒适、畅通，应及时修复损坏部分。 2 1 1 养护工程分类 公路的养护按工程性质、规模大小、技术难易程度划分以下几类： 1 ) 小修保养工程：对管养范围内的公路及其工程设施进行预防性保养和 修补其轻微损坏部分，使之经常保持完好状态。它通常是由养护工区 ( 站) 在年度小修保养定额经费内，按月( 旬) 安排计划，经常进行 的工作。 2 ) 中修工程：对管养范围内的公路及其工程设施的一般性磨损和局部损 坏进行定期的修理加固，以恢复原状的小型工程项目。它通常是由基 层公路管理机构按年( 季j 安排计划组织实施的工作。 3 ) 大修工程：对管养范围内的公路及其工程设施的较大损坏进行周期性 的综合修理，以全面恢复到原设计标准，或在原技术等级范围内进行 局部改善和个别增建，以逐步提高公路通行能力的工程项目。它通常 是由基层公路管理机构或在其上级机构的帮助下，根据批准的年度计 划和工程预算来组织实施的工作。 4 ) 改善工程：对公路及其工程设施因不适应交通量和载重需要而分期逐 段提高技术等级，或通过改善显著提高其通行能力的较大工程项目。 它通常是由省级公路管理机构或地( 市) 级公路管理机构根据批准的 计划和设计预算来组织实施或招标完成。 上述方法侧重于根据路面养护的规模和管理范围分类，根据在养护计 划实施时对策处治路面的范围不同，本文把公路路面养护工作分为两类： 1 ) 单处破损的修复：这类措施只能处治路面的局部面积，修复小范围的 破损。 塑堕盔兰堡主竺竺丝苎 一 路黝嘲：j 犁躺啪能黜芑似锻，可以蜘耐嗄晰鼬蝴 凰 当养护决策为中小修时，该路段的公路路面养护工作就仅限于单处破 损的修复，当养护决策为大修和加铺时，也必须先对原路面的严重破碎、 脱空、裂缝等单处破损作修复后进行加铺。 2 1 2 水泥砼路面破损定义与分类 1 9 7 9 年美国联邦公路局出版的公路路面损坏识别手册对路面的各 种损坏从一般机理、严重程度到量测标准都做了描述。在国内，自1 9 8 9 年 雷茂锦等提出水泥砼路面的评价方法以来啪。”，水泥混凝土路面的破损定 义与分类已进入实用，国内也有比较系统的著述啪“。水泥混凝土路面损 坏可分为裂缝类、接缝类、变形类、松散类和其他类型。表2 给出了路面 破损的分类分级。 路面破损的分类分级表2 损坏类型损坏特征分级标准 单位 纵横斜向面板断裂成2 块重1 3 m 以上错台或裂缝宽大于2 5 m m 和块 裂缝中边缘有中等或严重碎裂。高度小于1 3 m 的锚台：缝宽小于2 5 m 的裂缝 轻缝隙宽度小于3 m 的细裂缝 交叉裂缝面板破裂成3 块以上重板被裂分为5 块以上或被中等裂缝分为3 m 和块 块以上 轻板被分为3 至4 块 扳角断裂裂缝垂直到底并从角隅到断重1 3 , 1 以上错台或缝宽大于2 5 m 的裂缝 m 和块 裂两端的距离小于或等于板 由 边缘有中等或严重碎裂，高度小于1 3 m 边长的一半的错台，缝宽小于2 5 u 的裂缝 轻缝隙宽小于3 m 的细裂缝 错台接缝或裂缝两边出现高差重错台量6 - 1 2 u m 处 轻错台量小于6 r a m 唧泥荷载通过时板体发生弯沉。不分等级 条 横缝附近有污染或沉积着基 层材料 边角剥落邻近接缝6 0 c m 内或板角内，-重影响行车安全或损害轮胎 处 混凝土开裂或成碎片中剥落范围大于8 c e ，碎块松动。但不影响 行车 轻剥落发生在8c m 以内 接缝材料接缝材料挤出、老化、或无重2 3 缝长损坏 条 破损填料轻约1 3 缝长出现损坏 坑洞面板表现出直径为2 5 -不分等级块 l o o m ，深为1 2 - 5 c m 的坑洞 1 4 湖南大学硕士学位论文 续上表 修补损坏面板损坏修补后再次损坏 重修补已损坏，四周严重剥落块 中四周中等剥落且内部有裂缝 轻修补功能尚好。四周有轻微剥落 拱起横缝两侧板体明显抬高不分等级处 表面裂纹路表有网状浅而细的裂纹或重面积大于2 帆扳块面积块 层状劓落轻 面积小于或等于2 喁扳块面积 2 1 3 常用的养护对策 我国常用的路面破损修复方法有： 1 ) 接缝修理措旅：接缝板嵌缝、加热式填缝、常温式填缝； 2 ) 裂缝修理措施：直接灌缝法、喷嘴灌浆法、条带罩面法、换板； 3 ) 板块修理措施：全厚式角隅修理、换板； 4 ) 脱空修理措施：顶升施工法、沥青灌浆施工法、水泥灌浆施工法； 5 ) 错台修理措施：机械磨平法、沥青砂或沥青砼罩面法、板底灌浆抬 高法； 6 ) 表面损坏修理措施：沥青表处法、水泥砼表处法、树脂砂浆表处法； 。7 ) 抗滑力差修理措施：刻痕法、罩面法。 a a s h t o 将刚性路面路面破损修复方法分为：全厚修补、部分修补、接缝 填塞、板底灌浆、底部排水、打平磨平和表面处理七类】。 2 1 4 水泥砼路面加铺对策及型式 、 剐性路面上加铺设计的主要问题是有反射裂缝存在，针对反射裂缝，常 用的加铺结构型式分为结合式、分离式和直接式三种。从施工难易程度来 看，直接式最简单，分离式次之，结合式最繁，最难；从适用性来看结合 式受力特性最好，加铺厚度较薄但要求旧混凝土路面基本完好，而且要求 新旧路面接缝对齐；分离式加铺受力特性最差，要求加铺层较厚。美国刚 性路面评定与改建系统e x p e a r 中提出的对路段养护对策有1 4 9 i ： 1 ) 重建双车道 2 ) 重建外车道，修复内车道； 3 ) 加铺结合式或分离式混凝土加铺层： 4 ) 加铺热拌沥青混凝土； 塑塑查兰堡主兰垡丝壅 5 ) 将路面破碎，压稳加铺热拌沥青混凝土。 该系统着重区分内外车道，这与美国道路交通状况比较好有关。我国大 多数道路为双向混合交通，所以不需要对内外车道区分养护对策。但是从 我国已建成的高等级公路特别是高速公路的使用状况看，内外车道路况差 别比较大，在养护对策上也有必要加以区分。 在设计方法上美国提出的设计方法比较多，也比较完善，有波特兰水泥 协会法、a a s h o 法等，前者采用力学经验法，后者是基于a a s h o 道 路实验提出的经验法。我国的加铺设计方法是采用等刚度原则1 2 3 i ，按层间 结合条件将双层混凝土板换算为等效的单层混凝土板设计的力学方法。其 中直接式加铺的层间结合系数由经验确定。 与发达国家相比我国大规模推广水泥混凝土路面的时间较晚，因此在旧 水泥砼路面加铺方面的研究相对落后。江苏省的经验是：将破损严重的水 泥砼路面破碎，整平后加铺沥青混凝土，把刚性路面改造为柔性路面1 4 ”。 绍兴公路局自1 9 9 3 年以来的旧水泥砼路面加铺实践经验认为修复交通不能 中断的旧水泥砼路面优先采用沥青罩面结构“。1 9 9 8 年湖南省公路局采用 少量配筋的混凝土路面对特重交通量的1 0 7 国道旧水泥砼路面进行分离式 加铺实验，经一年使用效果尚好，已在1 0 7 国道推广。 结合国外路面管理系统所使用的养护对策和我国实际情况，本系统采用 以下几个加铺对策： r ) 加铺结合式混凝土层( 初估厚度1 2 c m ) ； 2 ) 加铺分离式混凝土层( 初估厚度2 2 c m ) ： 3 ) 加铺分离式钢筋混凝土层( 初估厚度2 4 c m ) ； 4 ) 加铺热拌沥青混凝土( 初估厚度7 c m ) ； 5 ) 将路面破碎，压稳加铺热拌沥青混凝士( 初估厚度1 2 c m ) 。 2 2 水泥混凝土路面破损养护决策 2 2 1 水泥混凝土路面破损原因 水泥混凝土路面的养护是一项比设计、铺筑它们更为复杂和艰巨的工 1 6 塑塑查堂堡主兰垒堡苎 作。在路面运营过程中，不但设计中所能考虑因素的变异性将充分地表现 出来，如交通荷载，环境温、湿度等等，而且施工中的质量控制，包括混 凝土的配比，水泥、砂石材料，施工气温，模板，养生过程等因素的变异 性也会充分表现出来。在运营过程中它们以各种破损的形式反映到路面上 来。对这些破损的修复和预防，如果不能恰当地判断其原因，养护工作将 事倍功半。我国养护规范把路面破损的原因分为以下几类：设计原因、 施工原因、养护原因，这样分类的优点在于可以找出路面破损的“病根” 出现的阶段。针对路面破损的原因本文提出在养护规范分类的基础上 再对它们按诱因进行区分，诱因分为： 1 ) 荷载原因2 ) 气候原因3 ) 其他原因 前两个原因都是对路段作用具有普遍性的因素，路段的整体性能受它们 影响很大。本文把诸如排水、传力杆位置等不对路面产生普遍性影响的因 素归入“其他原因”。表3 给出了水泥混凝土路面破损原因的分类情况。 路面破损原因表表3 破损类型 原因诱因 l23 裂缝 1 ) 重复荷载应力 2 ) 翘曲应力、收缩应力j 3 ) 土基、基层强度不够 4 ) 接缝丧失传荷力j 5 ) 材料质量差 ， 6 ) 施工质量差 1 ) 重复荷载应力 板角断裂 2 ) 翘曲应力 3 ) 土基、基层强度不够 1 ) 重交通重复作用 边角剥落 2 ) 接缝落入杂物。板边被硬物挤碎 3 ) 接缝混凝土强度低 错台 1 ) 面板在车辆作用下不均匀下沉 2 ) 板在接缝处产生翘曲 3 ) 捕工不当 唧泥 1 ) 重交通重复作用 2 ) 填缝料损坏 ， 表面裂纹与层状剥落 1 ) 施工质量差 1 7 湖南大学硕士学位论文 续上表 l 坑洞 1 ) 施工质量嫠或混凝士中夹有杂物 2 ) i 车落物撩击、， i 修补攒坏 1 ) 惨补措施不当 2 掺静震盈蓑 i 3 ) 变通荷载大 2 2 2 水泥混凝土路强破损修复、养护决策过程 水泥混泥土路面的特点是在养护良好的条件下，使用年限比其他路面 长，馒用燕溪好。熬一虽舞始破棼，破臻会邈速发疑，西戴，瘩泥混溅 路面必须做好预防性、经常性养护，农破损出现后，应该及时鸯清原因。 不失雾尊梳的采取适当的措施。 对于如何判断路面破损韵原必，因凌尚来见系统著述。在实际工 乍中 由养护工程师现场勘察根据经验麴别原因，制定本地区适用的缎修方案。 经过调套分擀，荤处路瑟破撰处治黪决繁过程分三类： 1 不能判别破损原因 1 ) 破损程度尚轻，病窖现象不明鬣，原因未暴露，难阻判断； 2 ) 姜护王程师对病害的认识程度尚不毙搬摆表浆分辨玻损原戳： 3 ) 路面破损由综合因卷导致，不能确切判断破坏原因。 这种类型懿教授一般都是穰据酸按类黧、程发直接掰本墙嚣运用酌常筑方 法处治。决策过程是：破损类型、破损程度养护决策。 2 能够判剐破损原因： 养护工羧萝摹对羧握路嚣表象箴在采取蔗孳捡溺鼹胃戳判裂主要原臻豹 破损决策过程是：袭象( 梭测结果) 破损原因养护决策。 3 多个病害在同一块板土发生： 对手在网一块路面扳上共发的瘸害，养护工程娣将综套考虑，尽薰采 用一种维修措施以全面处治。决策过程是：( 破损l 、破损2 ) 破损 壤嚣养护黠策。 在破损处治对策选定厝，在确定实施计划前由予资金的约柬，必须对 各种不同种类、程度的破损区分轻重缓急在资金的许可范围内处治需癸优 湖南大学硕士学位论文 先处治的破损。决定破损处治优先级别的因素有： 1 ) 对行车安全性有影响的优先处治： 2 1 使路面板破损速度显著加快的优先处治； 3 ) 使路况指数p c i 下降大的优先处治。 2 2 3 水泥混凝土路面破损修复、养护决策指标 t e x a s 州城市道路管理系统( u p , m s ) 采用的专家系统实现养护子系统 的智能决策的决策过程可简单的表示为：路面破损种类及程度养护对 策。具体实现方法是：对每一种破损根据其严重程度、破损密度、交通等 级指定一种养护策略h 。该系统的决策指标为； 1 ) 破损类型； 2 ) 破损严重程度：分严重、中等、轻三级； 3 ) 破损密度：分重、轻两级； 4 ) 交通状况：分重、中等、轻三级。 由上述分析，对于水泥混凝土路面破损处治的决策指标，本文选择以 下几个： 1 ) 破损种类：按养护规范分类； 2 ) 破损程度：按养护规范分类； 3 ) 并发表象：是与破损共同出现j 用来准确判断破损原因的现象或检 测结果，这一指标不是必须的，视专家对问题的认识而定。 2 3 水泥混泥土路面大中小修、加铺决策 2 3 1 水泥混泥土路面大中小修、加铺决策指标现状 在路面管理系统中要做出养护决策，首先要选用适当的指标对路面状 况进行评价，然后根据评价结果做出养护决策。评价指标通常有单指标评 价和综合评价两种方法，单指标是对某一类路面性能进行评价：综合指标 则是对路面的综合性能做出总体评价。 1 评价指标研究状况 世界上第一个路面使用性能评价模型p s i ( p r e s e n ts e r v i c e a b i l i t y i n d e x ) 是由美国a a s h o 基于长达1 0 年的实验观测结果于6 0 年代提出的。 1 9 塑塑查堂堡主兰竺堡茎 该模型对7 0 年代的公路养护管理技术，特别是路面管理系统发展产生了深 刻影响。以a a s h o 的p s i 模型为范例，加拿大、日本、也包括我国在内的 许多国家和地区建立了不同概念和含义的路面使用性能评价模型。下面对 a a s h o 的p s i 模型作一简单介绍。 m s h 0 的p s i 模型是1 9 6 0 年a a s h o 道路实验的重要研究成果之一。这 是在公路管理行业第一次采用专家评分技术。建立模型时。研究人员把与 公路有关的、职业不同的人员组织起来，组建一个8 一1 6 人组成的专家评 分小组，通过路上行走评分。同时，道路检测人员对实验路段进行损坏现 象调查。用多元回归的方法建立这些路面破损与各路段评分的关系，建立 的关系称为路面服务能力指数p s i 。下面是沥青路面和水泥混凝土路面的 p s i 模型： p s i = 5 0 3 1 9 1 l g ( 1 + s v ) 一0 o l 石i 万一0 2 1 r d 2 ( 沥青路面) p s i ：5 4 1 1 8 0 1 9 ( 1 + s v ) 0 0 5 c 4 - c z - 3 3 p 。( 水泥路面) 式中：s v 轮迹处纵向平整度离散度；c 一裂缝度，m l o o o m ： p 修补度，m l o o o m ；r 卜车辙深度，c m 。 该模型包含了三种基本损坏：平整度、表面裂缝及车辙，属于综合评 价。 这种建模方法的特点是利用回归技术建立路况指标与专家评价的直接 关系。用专家法建模的另一种方法是扣分法。这种方法为美国军队工程研 究所实验室首次采用。我国在“七五”国家重点攻关项目采用这种方法建 立北京和广东省的路面状况评价模型。用扣分法建立路面评价模型的一般 方程是： pm ， p c = 1 0 0 一艺口( n ，s j ，d g ) i - i i - i 式中：a ( t i ，s j d u ) 某种损坏类型t i 按其损坏程度s j 和损坏密度d i j 求得的扣分值： i ，j 损坏类型数和损坏程度数： p 各种损坏类型总数； 塑塑盔堂婴主堂堡丝苎 m ：第i 种损坏类型的损坏程度数： 在这个模型中没有反映平整度，属于单指标评价，式中的扣分值是根据 专家评分法求得的。 在路面管理系统建立过程中选择合适的决策指标是开发人员首先要考虑 的问题，不同的路面管理系统中都要考虑本地区本系统的实际情况，采用 合适的决策指标。例如，在美国的刚性路面管理系统中，一般都要通过落 锤弯沉仪的检测，对路面的结构能力进行评价，而在我国目前还做不到， 因此在水泥砼路面养护管理中暂不要求对结构能力进行评价。表4 是各国 常用的路面评价指标。表5 是几个路面管理专家系统用到的路面评价指标。 单项评价指标表4 评价内容评价指标计算公式说明 ， 破损 1 路面评级p s r0 1 01 主观评定 2 破损度指数d i o ( 8 i + d t )2 c i 破损类型s l 严重程度 d 。破掼密度 3 破损牢d r e e d t i c3 d t 第i 类破损j 类严重程度的损坏 面积或长度 _ k 。相应杈重 c 所测路段的总面积 4 路况指数p c i 1 0 0 - e f i d l 4 d 。破损类型、严重程度、破损密 5 路况评级s c l度决定的扣分数 f 不同破损类型权值 平整度 行驶舒适性指数 a + b