基于路面性能预测的高速公路养护决策研究

基于路面性能预测的高速公路养护决策研究

陈  ,洪

广东江中高速公路有限公司

摘要:高速公路作为重要的交通网络，能够引领地区经济发展，目前我国的高速公路已经进入了养护时代，因此要准确合理的进行路面性能预测，结合气候状况、交通载荷、施工水平等诸多因素，强化整体的数据分析、数据集成，构建路面性能衰变曲线，进行有效的养护决策分析，有效延长高速公路的使用寿命，保证日常的行驶安全。

关键词:路面性能预测、高速公路、养护决策

引言：高速公路养护维修是提高速公路使用寿命的一个重要手段，技术人员要科学准确的预测路面使用性能，结合数据模型进行分析优化，明确不同环境下路面的衰变规律，克服回归模型固有的缺陷，提高整体预测的准确度，以保证整体的行车安全。

一、路面性能预测的高速公路养护的背景

道路是经经济发展的重要基础，也是综合交通运输体系的基础网络，我国目前的一级高速公路数量逐渐增多，道路养护维修工作也日益繁杂，粗放的管理模式难以适应高速公路的实际需求。因此，顺应时代发展，强化数据集成，结合前期的施工数据与日常的交通载荷，构建路面性能预测模型，为后续的养护提供科学化，精准化，针对化的措施。在实际管理过程中，要注重预防性养护，走低碳环保之路，大力推动新技术、新工艺、新设备，综合利用计算机技术，通过数学模型进行系统化管理，线上线下同时更新辅助养护人员做出维修决策。

随着我国基础建设快速发展，高速公路里程也在不断增高，截止到2022年底，公路总里程535万公里左右，其中高速公路17.7万公里。交通事业在当下的社会中占据了重要地位，公路道路的施工质量不仅直接关系着交通事业安全，同时影响着经济发展效率以及整体的社会安全。因此要明确公路道路施工技术中的难点和重点，做好前期的技术交底，结合道路施工中的危险因素，完善预防措施，提高道路交通运输的灵活性以及安全性。高速公路在取得辉煌成就的同时，也面临着一定的问题，随着我国物流行业快速发展，重型车也越来越多，高速公路整体的车流量较大，高速公路出现不同程度的破损，其中车辙和横向裂缝作为常见的破损类型，不仅降低了路面的实用性能，同时还会影响整体你行车的安全性，因此要对路面进行养护和维修，提高路面的使用性能和经济效益比。

二、路面性能预测模型

路面性能预测对于后续的路面养护起到了重要的指导意义，因此要结合路面的交通载荷情况、路龄、路面结构材料、外界环境进行综合模拟，要确定性能预测模型，明确基本的物理量和功能性能。主要的建模方法包括力学法、力学经验法、经验回归法、现代数学模型等。

（一）力学法

力学法以粘弹性理论为基础，通过对路面的结构进行计算，分析路面在不同载荷和不同环境下的物理量。力学法的理论较为成熟，但计算较为复杂，整体工作量大，一般只能建立在特征性的路面力学指标上。在实际作业过程中，数据经常出现偏差，因此要结合其他方式进行共同预测，以提高预测的准确性。

（二）力学经验法

力学经验分析法首先对路面结构进行力学计算，以得出基本的应力条件、应变、位移数据，从而分析路面各个层的模量，再次通过回归分析建立物理量与性能指标之间的对应关系。力学经验法可以准确预测路面结构、车辙、未来使用年限等重要指标。

（三）经验回归法

经验回归法是一种统计学原理，将路面使用性能和与之相关的几个变量共同分析，建立数学关系，综合路面结构、外界环境、累计载荷等多项参数经验。回归避开了传统复杂的力学计算，在降低计算量的同时，维持较高的预测精度，同时可以结合历史数据进行分析，但经验回归法对历史数据的样本量较为敏感。经验回归法形式简单易于建立和修改，主要的概念模型包括马尔可夫模型，半马尔可夫预测模型和残存曲线模型。

马尔可夫模型作为典型的概率预测模型，能够在少量历史数据的情况下，结合工程信息进行建模分析，其核心是构建路面使用性能的不同状态矩阵，并结合交通量、路龄、环境、养护水平，预测路面使用性能，马尔马尔可夫模型属于一种静态预测状态，难以实现动态控制。半马尔可夫预测模型认为状态转移并不是静态的，随着时间的推移，引入不确定的外界量，以保证整体预测的动态性，半马尔可夫的实际计算过程较较为复杂。

（四）现代数学模型

人工智能技术快速发展，现代数学预测方法广泛应用于路面使用性能的预测中，比较经典的理论包括灰色理论、人工神经网络，现代数学模型具有较高的预测精度。人工神经网络预测模型是人工智能技术在路面使用性能预测中的典型应用，其中最为经典的是以PB神经为代表的网络预测模型，以信号传递、误差反向等多重环节进行数据的输入和输出。一般的网络结构可以分为输入层、隐含层、输出层等不同节点。在实际应用过程中采取梯度下降法，通过反向传播的方式，动态调整网络的权值和域值，有效降低网络中的误差，通过大量历史数据的训练，降低了整体的误差值，并以PS I为输出电量，从而建立了适应性较强的路面实用性预测模型，提高了整体网络模型的稳定性。灰色模预测模型主要以小样本，不确定的系统为研究对象，通过对部分数据进行深入挖挖掘，实现对数据的补充分析，一般灰色理论可以有效反映环境因素与使用性能之间的复杂关系。

三、路面性能评价体系

路面使用性能是指道路在预设年限内能够保证行驶舒适，安全行驶的性能。在我国将道路使用性能定义为路面结构，主要表示路面结构和物和材料的物理特征和力学特征，以路面破损，路面变形，材料特性，力学性能等四个方面为主。可以概括为功能性能，结构性能，安全性能和外观性。路面性能评价体系内容包括路面破损情况、结构强度、抗滑性能和路面车辙等不同参数。

图1路面使用性能评价体系

（一）路面损坏状况评价

路面结构损坏反映了路面结构在行车和自然因素作用下保持完整性的特点，对不同的损坏类型、严重程度和损坏范围进行不同程度的扣分，按照录按分路段进行扣分累计，主要的参数包括路面破损率和标定系数。

图2沥青路面损坏类型和权重

（二）路面行驶质量评价

路面行驶质量直接决定了驾驶员的驾驶体验和行驶的安全性，良好的路面状态可以提供安全舒适的环境，采取              IRQ为主要指标评价，高速公路和一级公路采用0.026，其他等级公路采用0.0185。

（三）车辙深度

当下我国交通运载量不断增加，重载车辆增多，车辙已经成为了高速公路的一种主要病害，尤其是在夏天，持续高温的情况下，沥青本身的强度会大幅度增加，会行车载荷反复作用的情况下，沥青路面出现固结、变形和侧向剪切，严重的车辙会造成雨水汇集，影响了行车的安全性和舒适性，在对车辙进行计算时，以车辙深度为主要指标，采取分段计算，不同的车辙深度，采取不同的模型参数。

（四）路面抗滑性能

路面的抗滑性直接影响着驾驶的安全性，尤其是在雨雪天气会增加车辆滑漂水漂的可能性，路面的抗滑性可以通过路面摩擦系数进行表征 ,摩擦系数高路面的抗滑能力高，可以有效缩短车辆的制动距离，保证行驶的安全性。

四、路面性能的主要影响因素

高速公路的使用性能容易受到气候，环境，交通载荷，养护管理水平等不同方面的影响，随着高速公路通行年限不断增长，路面整体的性能指标也在不断下降，路面开裂，基坑等问题屡见不鲜，严重影响了交通运输的安全性、稳定性，因此要采取针对性的检测和养护措施，以保证整体的路面通行质量。

（一）内在因素

路面本身的结构性能直接决定了外在的表现状态，主要的影响因素包括路面结构和路龄。路面结构包括不同各结构的层次，不同结构类型对应着不同的路面结构强度，反映路面在不同因素下综合承载能力，路面使用年限是道路的固有属性，随着使用年限不断增加，路面本身的病害也逐渐增多。

（二）外在因素

外在的影响因素主要包括行车载荷、环境、养护水平等不同要素，外在影响因素对路面的使用性能有着巨大的影响。交通载荷是影响路面性能的主要因素，主要体现在载荷大小和载荷作用上，尤其是重载超载车辆增多会导致路面结构严重损坏，提前达到整体提前达到路面的寿命年限，在长期反复作用下，路面会出现疲劳、破坏裂缝等病害。此外，由于高速公路上部分路段的车道分流，会导致车辆在横断面上分布不均匀，同一条道路不同车道的损伤也存在一定的差异。

此外，温度和湿度也会影响路面的使用性能，不同地区的降雨量，温度条件差异较大，当夏季温度过高时，会改变沥青本身的力学性质，影响整体的蠕变性能，在高温条件下，沥青容易出现车辙形变。而当湿度过大或者是长期的雷雨天气，会导致路路基的承载能力，大量雨水渗入到路基或土基时，会影响整体结构的刚性强度和稳定性。

五、路面破坏形式

根据将高速路面的破损可以分为裂缝类，松散类，变形类。

（一）裂缝

裂缝对路面的危害较大，严重影响了路面的整体性，由于裂缝本身的存在会导致一些杂物或者是雨水加速渗入，使原本破坏的路面引发一系列病害，影响了路面的结构层。一般的裂缝包括横向裂缝和纵向裂缝。横向裂缝与道路行驶方向接近，垂直的裂缝一般产生的原因包括路基收缩反射，导致沥青路面层应力不平衡致使沥青路面产生横向裂缝。而纵向裂缝是与道路行驶方向接近平行的长直裂缝，纵向裂缝产生的原因主要是混合摊料时接缝位置未达到基本要求，路基压实度不均匀，不同位置的沉降度不同。网状裂纹是一种交错衔接的裂缝，导致路面呈不规则的网状结构，一般尺寸小于50×50厘米，网状裂缝在后续载荷的作用下，逐渐形成纵横交错的网格裂缝。

图3沥青路面裂缝示意图

（二）松散

松散型破坏式路面表层沥青的一种早期破坏模式，根据表层破坏情况，可以主要分为轻度松散和重度松散。一般路面脱皮、麻面的现象属于轻度松散，脱皮、露骨、小坑洞则属于重度松散。松散出现的原因包括积料的含泥量过大，路面结构粘合力有限，内部孔隙偏大，当水分侵入后，在载荷的作用下不同结构层脱落。

(三)变形

变形类破坏主要包括车辙、沉陷两种问题，主要是在外力的作用下，路面表面结构发生变化。车辙是指车辆在车轮碾压作用下路面残留的车辆碾压痕迹，车辙深度直接反映了行车的舒适性以及路面的使用性能和寿命，一般常见车辙产生的原因主要包括车制动力与车轮的摩擦力不足，路基本身的强度不够，沥青混合料配料不合理等问题。

六、

路面性能预测下高速公路养护中存在的问题

（一）作业难度大

道路施工属于公路工程，大部分以外包的形式进行，许多施工单位只重视经济利益，在施工时压缩成本，原料较差，混凝土质量达不到基础的强度标准，长时间的恶劣环境时，容易出现裂缝问题。在公路施工过程中，施工线路范围广，分布不均匀，养护作业难度大。易受到外界经济因素的制约。在施工过程中要综合考虑物质条件与自然地理条件，根据道路的规模、结构、投入、使用状况等多方因素，进行综合的施工标准匹配。

（二）外界环境复杂

高速公路在温度差较大环境下，路面在反复温缩变形的作用下，极容易出现后遗向裂缝，而外界交通载荷较重时，容易出现纵向裂缝，严重影响了高速公路的使用寿命。

（三）模型的拟合度有限

路面使用性能模型主要仍以经验回归模型为主，但由于我国早期建设的路面结构、材料质量、施工水平都与现在存在一定的差异，衰败速率存在显著性区别，照搬复制传统的预测方法，难以反映当下路面使用性能的衰变规律。数据类型单一，无法满足实际的标准和要求，现场施工秩序混乱，缺乏实际的监督管理体系，材料、设备使用不当，导致公路生命周期较低。

（四）人员素质参差不齐

人员作为养护作业的核心力量，优秀的人才队伍建设对一个企业长久发展至关重要。但在实际的施工过程中，人员管理形式并不乐观，公路养护施工作业属于体力劳动，现场施工人员素质参差不齐，施工技术难以保障，大部分施工人员没有编制，缺乏专业的安全培训，在工作过程中不按照安全指令进行作业，增大了施工风险。

七、基于路面性能预测的高速公路养护决策研究

（一）数据优化

数据是路面性能预测的核心，对路面养护过程中，要借助数据的方式进行有效规划，实现目标规划，综合人工智能算法、遗传算法，快速迭代，实现经济效益和交通安全的双目标。数学规划是现代运筹学发展的一个分支，同时也是解决现实问题的一种理论方式，根据目标选取变量，通过多种等量同时建立函数目标，在现实问题的基础上建立约束值，通过计算机迭代计算，对不同决策和实施时间进行组合，以确定最佳的养护策略。

数学规划具有一定的理论性，难以整合实践过程中存在的大量变量，因此在实际作业过程中，需要整合线性规划，目标规划，动态规划，马尔可夫决策等多重数据，因此在实际管理过程中要引入动态规划方式，讲不同维度的问题转化为一维最优化问题，逐一求解，同时，要借助马尔科夫决策方式，综合考虑了事务发展的不确定性，结合路面状况和实际成本进行统一化计算。

例如，人工智能在对路面信息进行预测过程中，存在着大量的信息需要统筹大量数据，在实际作业过程中，要结合遗传算法，粒子群优化和蚁群算法，统筹多种数据得到最优解。基于自然选择原理，寻求最优算法，模拟自然界在生命中的进化机制，实现对历史数据的分析进行迭代计算，最终求得最优解，通过对于大量数据的分析和模拟进行有效的数据预判。实际管理过程中要BIM技术，统筹养护设备、作业环境，根据原有的设计方案、施工标准，确定主要指标，基于自身可视化模拟性的特点，实现对养护进度的全过程把控，更加有序的安排施工进度，有效降低后续的管理成本。现在未来发展过程中，公路养护将与人工智能、物联网深度融合，动态收集环境因素，通过远程监控、实时分析、动态调控等方式对裂缝程度进行评估，集在线监测、数据收集、建模分析、远程控制，红线预警等多种方式为一体，建立相应的养护数据库，为后续的养护工作提供数据支持。

（二）综合采用多种养护手段

高速公路养护是一项长期性的工作，在实际养护过程中，要按照《公路沥青路面养护技术规范》进行，强化日常的巡视与检查，结合小修保养、中修、大修改建工程进行专项作业，从养护设计角度出发，对于大型的作业单元进行结构，有效诊断病害原因，强化整体的养护效果分析，明确养护过程中存在的问题，进行有效的预防性养护，结合不同的路面结构，采取不同的养护手段，实现有效的养护处理。

（1）预防性养护

预防性养护指针对路面整体性能良好但存在轻微问题路段进行的养护手段，预防性养护能够有效延长路面的使用寿命。预防性养护可以分为表面封层和薄层罩面类，不同预防性养护措施的特点和适应条件不同。

雾封层采用专用的喷洒设备将乳化后的沥青和专用的养护剂进行混合，形成均匀的泥浆材料铺洒在外面，形成的薄层能够在到防水填补细小的缝的裂缝，增强沥青附着力的作用。

HAP石屑封层是雾封层的一种进阶手段，主要在高分子改性沥青乳化中按一定比例配合添加石屑矿粉，通过改良喷洒材料，能高整体的防水和抗滑性。石屑封层整体的附着力强，能够有效修补裂缝、松散、泛油等问题。

稀浆封层是配合使用水泥，石灰，石粉，乳化，沥青等不同材料，按比例配合成稀浆混合料，一般的稀浆封层平均厚度可以达到一厘米左右，稀浆封层可以在短时间内快速开放交通，并且能够有效抑制沥青的氧化变质，可以有效修复轻度的横向裂缝、块裂问题，显著提高路面的防滑系数，保证行车的安全性.

微表处是将聚合物改性后的乳化沥青、矿粉等不同物质，迅速铺洒到原原路面上，形成薄厚的体的处置效果，一般使用寿命可平均可以达到六年，微表处弥补路面微小的缺陷，特填补车辙。

（2）加铺罩面

沥青路面加铺罩面是指在原路面的基础上，加铺3到5厘米的沥青面层，提高路面的平整度、抗滑能力，加铺罩面作为养护工程中一种常用的维修方法，可以有效解决原路面出现的松散、骨料外露等问题，可以有效延长路面使用寿命，但相对而言，作业时期较长，整体的经济投入较大。

（3）路面重铺

铣刨重铺是指对于原有的沥青层进行并铣刨回收，并掺入一定的锌结料再生材料，以实现系统性修复。一般路面重铺常用于大中型的养护工程，以修复结构型破坏。

（三）合理确定养护时间

路面养护重要的是合理选择养护时段，要进行前期的数据预测，明确整体的养护时机，结合行驶质量指数和破坏指数，实现对公路的全生命周期管理，充分遵照有效性，经济性的原则进行养护，不同路段的行驶量和载客量也存在一定的差别，在指标选择时，可以采取多重指标进行分析，进行有效的微分解算，同时要综合多种系数特点进行回归分析，明确养护的总合效益和可接受水平，建立数据参数进行计算，确保整体经济效益的最大化。

例如，在确定养最佳养护时间是可以采取生命周期内效益费用分析方法，选取合适的评价指标和最低可接受水平，明确效益权重，对养护的总效益进行分析，根据效率指标确定养护时间，养护过程中要明确时限管理，要保证在48小时内进行修复，减轻交通压力，如果情况较为严重，也要根据具体情况具体分析，适当延长修复时间，保证公路道路迅速通行，定时观测点实时监控路面的沉降状况。强化日常的维修养护制度，及时消除各种安全隐患。在养护作业过程 中完善整体的顶层战略，通过以顶层战略为驱动，确定具体的业务目标，配合技术团队建立科学的实施方案，加强组织领导，明确自身所承担的责任，结合各个部门的实际情况，真正做到统筹兼顾，合理规划，办公室要加强组织协调实施，制定实施方案，明确各个部门分工，将智慧养护业务平台建设工作切实落地。

（四）强化人员管理

高速公路道日益增多，公路部门飞速发展。目前公路已经成为了公民出行的主要运输方式。随着科学技术不断进步，公路建设也有了新的面貌，技术作为第一生产力。要强化日常的数据作业，通过数据控制，进一步降低经济成本。打造过硬的数据分析团队，以良好的队伍建设保证养护工程工作有效推进，强化对于养护现场的监测。人才作为技术发展的基础，因此要构建高素质的专业团队，推动业务向高层次方向发展，依托人力资源部门，及时挖掘行业中优秀人才，强化外部引进与内部培养，优化整体的人员管理方式，确保人员管理工作的积极性、主动性、创造性。人员管理作为推动公路稳定发展的重要一环，能够保证公路部门稳定发展。要明确施工人员的需求，完善绩效考核制度，打造一支专业、敬业的施工养护队伍，实现企业利益最大化。公路部门发展要积极顺应时代需求，贯彻科学可持续的观念，优化企业内部的人才结构，对优势资源进行合理分配。设置合理的薪酬激励制度，提高一线工人的积极性，保证企业内部的薪资平等或者是略高于其他企业同岗位的薪资，同时结合实际水平。将技术创新与人才管理有机结合，有效扩大资金来源，对技术进行处理过程中，要基于用户的阅读习惯建立用户标签库，吸引更多专业的技术工作者，优化整体的硬件设施，为整体的技术升级奠定基础。

高速养护施工现场野外作业多，施工环境较为恶劣，而施工人员作为公路部门中的基础，不同企业对于人才的需求有所不同，管理人员应该完善考核机制。以企业的长期发展为目标，实行人才培养机制。招聘数据技术专业人员，不断整合内部资源，鼓励施工员工不断钻研，持续创新，培养复合型的高质量施工队伍。创新人才激励制度，重视人才培养。根据技术工种制定不同的薪酬制度，为未来公路技术创新打下坚实的基础。设置相应的津贴制度，对于在恶劣环境工作的、或有重大突破人员给予一定嘉奖，保障企业长效发展。

总结：高速公路建设作为重点项目，决定着城市的流通度。本文主要围绕着高速公路路面使用性能的预测和养护展开了研究，分析了基本的预测模型，明确了在路面养护中存在的基本问题，结合实践情况，分析养护师段。因此应该加强资金投入，融入高新科技，进行有效预判，实现更高的社会效益与经济效益，建立公路系统的数据平台，进行数据自检与校对，实现对整体施工的数据控制。

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