一种沥青路面可持续性养护方案优化方法

1.本发明涉及一种沥青路面可持续性养护方案优化方法，属于道路工程技术领域。


背景技术：

2.据统计至2021年末全国公路总里程528.07万公里，比上年末增加8.26万公里，其公路养护里程总量达525.16万公里，占公路总里程比重的99.4％。在公路行业快速发展的同时，资源枯竭、气候变化、环境污染等问题也日益引起人们关注，绿色可持续发展正成为新的趋势和时代潮流。公路基础设施作为国民经济发展的基础和命脉，毫无疑问是资源占用和能源消耗大户。沥青路面作为公路基础设施中投资大、能源消耗大、环境影响大的关键工程，也是我国各等级公路的主要铺装方式。沥青路面的使用性能在车辆荷载和外界环境的作用下，会逐渐降低，直至达到路面的大中修。为了保证道路使用者的舒适性和安全性，需定期对沥青路面进行养护维修。具体养护维修方案大多根据路面的病害检测结果，并结合工程师自身经验，设计出几种合适的候选方案，再依据工程属性要求、计划成本、预期效果等约束条件，确定出多个养护维修方案。现有方案优化方法的决策过程更多依托于工程师个人经验，在多地虽然取得了较好的效果，但不是基于一套科学合理的优化方法，所以已实施的养护维修方案，并不一定为最优方案。
3.具体存在以下问题：1)缺乏全面的方案比选体系。现有方案比选体系，大多依据工程师自身经验一味追求基本的路用性能，缺少对环境、经济和技术标准的综合考量；2)缺乏科学的比选方法。在实际工程中，往往需要考虑方案对环境的影响、经济费用预算、方案技术水平以及交通荷载等各种因素，但是却没有一种科学的优化方法进行方案决策。由此可见，当前缺少一种考虑全面、科学合理的公路沥青路面可持续性养护方案的优化方法。
4.鉴于此，为了在方案比选时，减少更多主观和不确定因素影响，提高养护方案的最大价值，目前亟需提出一种可同时考虑多个目标、并在众多方案中优选出最佳方案的沥青路面可持续性养护方案优化方法。


技术实现要素：

5.本发明得目的是提供一种沥青路面可持续性养护方案的优化方法的新方法。该方法综合考虑了路面使用性能、环境影响、经济费用投资、技术施工水平，建立了沥青路面可持续性养护方案决策过程；该方法可以减缓决策存在主观性强、决策指标无法量化等问题，从养护方案的不同角度出发，实现对养护方案的综合评价，从而确定具有可持续性的沥青路面养护方案。
6.为实现上述目的，本发明的技术方案是：
7.一种沥青路面可持续性养护方案的优化方法，包括以下步骤：
8.s1、构建沥青路面可持续性养护方案路面使用性能模型，路面使用性能模型包括路面损坏(pci)、道路平整度(rqi)、结构强度(pssi)、抗滑性能(sri)、道路车辙(rdi)、路面跳车(pbi)、路面构造深度(pwi)等综合考量；
9.s2、构建沥青路面可持续性养护方案环境影响模型，考虑不同养护方案的原材料消耗、施工活动和交通延误产生的空气污染物排放量，计算co2、co、no2、so2和pm
10
等常见空气污染物排放量；
10.s3、构建沥青路面可持续性养护方案经济费用模型，经济费用模型包括处理路基病害的成本、加铺路面结构层的成本、施工机械成本、人工成本和后期维护费用；
11.s4、构建沥青路面可持续性养护方案技术水平模型，技术水平模型仅考虑技术使用年限；
12.s5、选用德尔菲法收集路面使用性能、环境影响、经济费用、技术水平等目标的相对重要性；
13.s6、根据收集到的相对重要性结果，采用层次分析法获取沥青路面可持续性养护方案关于这4个目标的权重
14.s7、引入物元分析模型对已有方案进行综合评价，最后对比各方案综合评价指数的大小，优选出沥青路面养护的最优方案。
15.步骤s1中一种沥青路面可持续性养护方案的路面使用性能指数pqi为：z
pqi
＝w
pci
pci w
rqi
rqi w
rdi
rdi w
pssi
pssi w
mpd
mpd w
pbi
pbi w
sri
sri
16.式中：w
pci
为评价结构完整性的权重、w
rqi
为评价道路舒适性的权重、w
pssi
为评价道路结构承载力的权重、w
sri
为评价道路安全性的权重、w
rdi
为评价沥青路面车辙的权重、w
pbi
为评价路面跳车的权重、w
pwi
为评价路面磨耗的权重；pci为路面损坏状况指数、rqi为路面行驶质量指数、pssi为路面结构强度指数、sri为抗滑性能指数、rdi为路面车辙深度指数、pbi为路面跳车指数、pwi为路面磨耗指数。
17.步骤s2中大中修过程中空气污染物排放量总和为：
18.min z2＝e
mc
e
sg
e
td
19.式中：z1为空气污染物排放量的最小值；e
mc
为材料材料物化空气污染物排放量，e
sg
为原材料生产阶段、材料运输阶段、拌合阶段、摊铺阶段以及碾压和养生阶段所涉及的所有空气污染物排放量；e
td
为由交通延误产生的空气污染物排放量；
20.步骤s3中大中修活动中成本的公式如下：
21.minz3＝bc oc mc hc
22.式中：bc为处理路基病害成本；oc为每种养护方案中加铺不同结构层的费用；mc为每种养护方案中施工器械和人工成本；hc为每种养护方案在运营阶段所需成本；
23.步骤s4中方案技术水平主要参考施工团队掌握该施工技术年限。
24.该优化方法同样适用于水泥混凝土路面和砂石路面；在水泥混凝土路面可持续性养护方案优选中，路面使用性能模型仅包括路面损坏(pci)、道路平整度(rqi)、结构强度(pssi)、抗滑性能(sri)；在砂石路面可持续性养护方案优选中，路面使用性能模型仅包括路面损坏(pci)；在构建可持续性养护方案路面使用性能模型时，若某一项不参与考量，这该权重取0；
25.步骤s5中德尔菲法主要目的为在一个较为离散的背景下，通过一个组织交互过程，有组织地、系统地收集每个受访者的意见；所述受访人群包括道路管理部门、研究专家和道路使用者，每个群体3人，一共9人分别独立完成调查问卷；所述调查问卷的结果将用于
所述s6中层次分析法；
26.优选的，所述步骤s6具体包括：
27.s601：根据步骤s5中德尔菲法所得可持续性评价指标得相对重要程度，建立判断矩阵a：
[0028][0029]
式中，aj表示第j个可持续性评价模型的相对权重；am/aj表示第m个可持续性评价模型与第j个可持续性评价模型的相对权重；
[0030]
s602：计算一致性指标ci：
[0031][0032]
式中，λ
max
为a1判断矩阵的最大特征值，m为判断矩阵所考虑的可持续性评价模型数量，
[0033]
s603：计算一致性比率cr，并进行一致性判断：
[0034][0035]
式中，ci为一致性指标；ri为平均随机一致性指标；判断一致性比率cr是否小于0.1，若是，则权重系数有效且一致性检验通过，若否，则一致性检验不通过。
[0036]
s604：对判断矩阵a求取最大特征向量并做标准化处理，得到各模型的主观权重。
[0037]
优选的，所述s7具体包括：
[0038]
s701：确定经典物元：
[0039][0040]
式中n
0j
为所划分的第j个沥青路面可持续性评价模型等级，对于沥青路面，j＝1表示评价模型等级为“优”，j＝2表示评价模型等级为“良”，j＝3表示评价模型等级为“中”，j＝4表示评价模型等级为“次”，j＝5表示评价模型等级为“差”；ci表示沥青路面可持续性养护方案n
0j
的特征模型，i＝1～4分别表示了路面使用性能、环境影响、经济费用和技术水平等四项可持续性特征模型；x
0ji
分别为n
0j
关于ci所规定的量值范围，即各养护方案可持续性特征模型等级关于对应特征模型所取得数值范围(经典域)。
[0041]
s702：确定节域：
[0042][0043]
其中p表示沥青路面可持续性养护方案评价模型等级的全体，ci表示沥青路面可持续性养护方案的特征模型，x
pi
为p关于ci所取得量值范围，x
pi
取值范围应包括x
0ji
可持续性养护方案评价模型不同等级的量值范围
[0044]
s703：确定待评物元：
[0045]
对于沥青路面可持续性养护方案评价模型等级，可把所检测得到的数据或分析的结果用物元r0表示，称为沥青路面可持续性养护方案的待评物元等级。式中p0表示沥青路面可持续性养护方案评价等级，xi表示p0关于ci的量值，即对于待评可持续性养护方案(路面使用性能、环境影响、经济费用和技术水平)评估其沥青路面可持续性养护方案评价指标所得到的具体数据。
[0046][0047]
s704：确定待评可持续性养护方案对不同模型等级的关联度：
[0048]
待评沥青路面可持续性养护方案评价指标对于不同可持续性评价指标等级的关联度如下。
[0049]
当
[0050]
kj(xi)＝0.5，当xi＝a
pj
或b
pj
；
[0051]
当xi∈x
pi
；
[0052]
式中：kj(xi)表示在沥青路面可持续性养护方案中第i个可持续性评价指标关于第j级的关联度，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；
[0053][0054]
s705：计算沥青路面可持续性养护方案的综合评价指数：
[0055][0056]
s706：比较不同养护方案的综合评价指数，选出最优方案；
[0057]
步骤s1中所述的沥青路面可持续性评价模型在步骤s7中模型等级个数是相同的，但其每个评价模型的取值范围是根据评价模型自身的性质而定。
[0058]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0059]
本发明涉及的一种沥青路面可持续性养护方案的优化方法，解决了公路沥青路面大中修养护方案决策过程中片面追求经济效益、路用性能以及施工技术水平等因素，而忽视大中修养护方案对环境影响的问题，以及只依靠工程师主观经验进行决策的问题。本发明公开的方法可以兼具路面使用性能、环境影响、经济费用以及施工技术水平，有效解决四方面在现实中的矛盾问题，在保证各方面独立性的同时，又能发挥他们的协调效应。并且该优化方法还具有动态性和开放性，可通过调整评价指标、经典域和节域来平衡模型，使道路养护工作人员可以根据实际情况的需要来进行改进和完善，从而有效地选出最优的沥青路面给可持续性养护方案。
附图说明
[0060]
为了更清楚地说明本发明实施案例或现有技术中的技术方案，下面将对实施案例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施案例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0061]
图1为本发明沥青路面可持续性养护方案的优选方法具体流程图；
[0062]
图2为本发明沥青路面可持续性养护方案的优选方法的具体评价模型；
具体实施方式
[0063]
下面以国道青某线石门寨口至石岭段养护方案决策为例，对本发明作进一部解释说明。
[0064]
干线公路桩号范围为k132 123～k166 412，年平均日交通量为12934vpd，表1为需要进行养护维修的桩号以及路面结构和养护历史本次养护路段为k132 12-k136 934路段，养护总里程为4811m。
[0065]
表1国道青某线部分路面结构层汇总
[0066][0067]
对国道青某线进行路面病害检测、钻芯取样及方案技术水平检测与调查后，最终选定以下四种备选养护方案：1)铣刨9cm后铺筑5厘米ac-20中粒式沥青混凝土，通铺4厘米
esma-13沥青玛蹄脂碎石(m&o)；2)铣刨9cm后铺筑5厘米掺20％再生沥青下面层，通铺4厘米esma-13沥青玛蹄脂碎石(m&o rap)；3)铺筑12厘米全深式泡沫沥青冷再生基层，5厘米ac-20中粒式混凝土以及4厘米esma-13沥青玛蹄脂碎石上面层(cir)；4)铺筑12厘米全深式泡沫沥青冷再生基层，5厘米掺20％再生沥青下面层以及4厘米esma-13沥青玛蹄脂碎石上面层(cir rap)。
[0068]
s1、构建沥青路面可持续性养护方案路面使用性能模型，路面使用性能模型包括路面损坏(pci)、道路平整度(rqi)、结构强度(pssi)、抗滑性能(sri)、道路车辙(rdi)、路面跳车(pbi)、路面构造深度(pwi)等综合考量；由于本次工程的实际需求，在路面使用性能方面着重考虑路面损坏、道路平整度、抗滑性能和道路车辙四方面的影响分别取w
pci
＝0.3、w
rqi
＝0.3、w
pssi
＝0.3、w
sri
＝0.1，具体数据见表2。
[0069]
表2国道青某线部分养护方案路面使用性能模型汇总
[0070]
养护方案路面损坏道路平整度抗滑性能道路车辙z
pqi
m&o8692759188.2m&o rap7585708781.1cir9293859291.6cir rap8387828584.7
[0071]
s2、构建沥青路面可持续性养护方案环境影响模型，考虑不同养护方案原材料消耗、施工活动和交通延误产生的空气污染物排放量，计算co2、co、no2、so2和pm
10
等常见空气污染物排放量。大中修过程中空气污染物排放量总和为：
[0072]
minz2＝e
mc
e
sg
e
td
[0073]
式中：z1为空气污染物排放量的最小值；e
mc
为材料材料物化空气污染物排放量，e
sg
为原材料生产阶段、材料运输阶段、拌合阶段、摊铺阶段以及碾压和养生阶段所涉及的所有空气污染物排放量；e
td
为由交通延误产生的空气污染物排放量，在本次由于缺少交通数据不做考虑，且仅考虑co2的排放量，具体排放结果见表3。
[0074]
表3国道青某线部分养护方案co2空气污染排放量汇总(kg
·
t-1
)
[0075]
养护方案e
mcesg
z2m&o13720m&o rap10818cir11617cir rap9514
[0076]
s3、构建沥青路面可持续性养护方案经济费用模型，经济费用模型包括处理路基病害的成本、加铺路面结构层的成本、施工机械成本、人工成本和后期维护费用。
[0077]
经济费用包括处理路基病害的成本以及加铺路面结构层的成本，在四种养护方案中，m&o和m&o rap需要对路基进行病害处理，因为这两种方案是在旧路基的基础上加铺的；而cir和cir rap两种方案将路基挖除加铺新的路基，因此不需要计算处理病害的成本，本文没有加入交通设施、交通标线等与养护方案无关的成本，综上所述大中修活动中成本的公式如下：
[0078]
minz3＝bc oc mc hc
[0079]
式中：bc为处理路基病害成本；oc为每种养护方案中加铺不同结构层的费用；mc为
每种养护方案中施工器械和人工成本。
[0080]
下表4为各项方案不同养护措施对应的成本情况，归结如下：
[0081]
表4不同养护方案的结构层造价
[0082][0083]
s4、构建沥青路面可持续性养护方案技术水平模型，技术水平模型仅考虑技术使用年限，具体数据见表5。
[0084]
表5不同养护方案技术使用年限
[0085]
养护方案m&om&o rapcircir rap技术使用年限(年)12941
[0086]
s5、在工程所在地随机抽选道路管理部门、研究专家和道路使用者，每个群体3人，一共9人进行有关路面使用性能、环境影响、经济费用、技术水平等目标的相对重要性的数据收集，在两个评价模型进行比较时，可参考取表6对4个评价模型进行评价，收集结果平均后，结果为1、4、5和3。
[0087]
表6各级标度
[0088]
标度说明1两模型相比较，同等重要3两模型相比较，一个模型比另一个稍微重要5两模型相比较，一个模型比另一个明显重要7两模型相比较，一个模型比另一个重要得多
9两模型相比较，一个模型比另一个极端重要2、4、6、8去上述两相邻判断的中值
[0089]
s6、根据收集到s5德尔菲法收集到的相对重要性结果，采用层次分析法获取沥青路面可持续性养护方案关于这4个目标的权重
[0090]
s601：现建立判断矩阵a：
[0091][0092]
s602：计算一致性指标ci：
[0093][0094]
s603：计算一致性比率cr，ri值取自表7，并进行一致性判断：
[0095][0096]
表7平均随机一致性指标ri值
[0097]
n12345678ri000.520.891.121.261.361.41
[0098]
式中，cr小于0.1，权重系数有效且一致性检验通过。
[0099]
s604：对判断矩阵a求取最大特征向量并做标准化处理，得到各指标的主观权重，所的计算结果见表8。
[0100]
表8各个模型的权重
[0101]
评价模型1234w0.5320.1280.0830.257
[0102]
s7、引入物元分析模型对已有方案进行综合评价，数据见表9。
[0103]
表9本次待评数据
[0104][0105]
确定经典物元及节域：
[0106]
沥青路面可持续性养护方案优选分为五个等级，优、良、中、次、差，根据沥青路面可持续性养护方案评价模型各自的取值范围确定经典域和节域：
[0107][0108][0109][0110]
为考虑实际实际问题，在实际计算时将环境影响模型和经济费用模型的最值b
5n
＝ ∞ ∞拟作100和100000。
[0111]
确定待评可持续性养护方案对不同模型等级的关联度，采用下列计算公式：
[0112]
当
[0113]
kj(xi)＝0.5，当xi＝a
pj
或b
pj
；
[0114]
当xi∈x
pi
；
[0115]
s705：计算沥青路面可持续性养护方案的综合评价指数，权重见表8，计算结果见表10：
[0116][0117]
表10综合评价指数
[0118]
方案优良中次差m&o-0.127-0.194-0.202-0.571-0.665m&o rap-0.3560.017-0.071-0.482-0.605cir-0.718-0.427-0.425-0.449-0.677cir rap-0.338-0.201-0.484-0.595-0.412
[0119]
s706：比较不同养护方案的综合评价指数，通过表10，可以比选出四种方案综合考虑路面使用性能、环境影响、经济费用及施工技术水平的优先顺序，经分析可发现m&o“优”的评估值最大，m&o rap“良”的评估值最大，cir“中”的评估值最大，cir rap“良”的评估值最大。考虑到m&o rap和cir rap的评估值均为良，但由于m&o rap的关联度为0.017，而cir rap的关联度为-0.201。因此，最终顺序为m&o、m&o rap、cir rap、cir。
[0120]
本发明未述及之处适用于现有技术。
[0121]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。