【技术】山区公路沥青路面预防性养护决策智能化系统开发

《中国公路学会养护与管理分会

第十一届学术年会论文集》

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预防性养护作为一种成长中的养护理念，其从提出就受到了广泛关注，相比于常规的矫正性养护，具有经济效益高等优点，其核心问题是确定最佳的预养护时机。

预防性养护最初是由美国提出来，主要是指通过建设控制和科学预测，在沥青路面还未发生病害或者刚出现病害迹象时进行的一种强制性维修措施，实现延长路面使用寿命，延缓道路大中修期限的目的。

较国外而言，我国预防性养护技术明显偏少，且不同地区之间差距显著，尚未建立、健全预防性养护理念和应用体系。

我国公路经历了几十年的发展建设后，其重心正在向养护阶段迈进，公路管理部门的养护任务将繁重而迫切，养护工作量大幅增加，养护支出也将随之增加。而养护资金的短缺、交通事故的频发使得对路面养护管理的要求越来越高，国外虽开发较多的路面养护管理系统，但是由于国内外公路的建设、管理、运营等方面的差异，因此，需形成适合国内公路实际情况的路面养护管理体系。

常用预防性养护措施

沥青路面预防性养护能够延缓道路病害的发生，改善路面使用性能，延长道路使用寿命，从而降低全寿命周期费用。养护措施包括：

（1）表面处理

路面表面处理的目的是防止路面水损坏，改善路面平整度和抗滑性，从而恢复和改善路面表面功能。主要养护措施有：稀浆封层、微表处、雾封层、同步碎石封层等。

（2）裂缝填补

裂缝填补的主要目的是预防和阻止路面发生水破坏，防止水渗入路面基层和路床造成的水损坏。主要的养护措施有：封缝、填缝。

（3）局部修复

局部修复的主要目的是防止路面损坏扩展、保持路面完好，预防路面坑槽破坏。

（4）修补车辙。主要目的是确保交通安全和行驶舒适性。

（5）加铺罩面层。包括超薄磨耗层和超薄层罩面。

评价指标阈值划分与养护方案设计

（一）评价指标选取与阈值划分

我国《公路技术状况评价标准》（JTG 5210-2018）中提出以路面损坏情况（PCI）、路面平整度（RQI）、路面车辙（RDI）、路面跳车指数（PBI）、路面磨耗指数（PWI）、抗滑性能（SRI）和路面结构强度（PSSI）来评价路面技术状况。路面结构强度指数（PSSI）不参与路面技术状况（PQI）评定，路面抗滑指数（SRI）与路面磨耗指数（PWI）在计算PQI时二选一即可。各评价指标实行百分制，根据计算结果分为优、良、中、差、次五个等级。

在对路面使用性能实际评价时，发现依据相关指标计算得到的数据与路面的实际情况具有很大差异，所以对于路面使用性能评价而言，若只是通过评价指标体系进行分析，得到的结果准确性并不高，无法将路面当前的真实情况反映出来。且存在当使用性能综合评价的指标整体使用性能为优或良时，其中一种评价指标已经远低于标准值，若不及时采取预防性养护措施，则会造成该处路面的大面积损害，大幅度增加后期维修成本。

通过对贵州省沥青路面现状及养护情况的调研，得知贵州省沥青路面常见病害以裂缝为主，且贵州省具有多山的地貌和多雨的气候特征，经过综合评定，确定以PSSI为综合评价指标，横向力系数（SFC）、国际平整度（IRI）、车辙深度（RD）和裂缝率（CR）为微观评价指标，构建路面技术状况的科学评价体系。

综合指标PSSI的划分标准如表1所示，当沥青路面PSSI值满足表1阈值要求时，才能进行下一步骤微观指标的分析。

考虑到贵州地区山区公路线形设计指标较差，雨水多且集中的特征，由于车辆打滑而发生交通事故的情况较多，因此将横向力系数SFC作为决策树的一级指标，IRI和CR作为决策树的第二、三级指标，RD作为决策树的第四级指标。将这四个指标按照阈值所确定的严重等级分为良、中、差三个等级，用于评定沥青路面的技术状况。每个评价等级对应不同的养护强度，具体的养护需求时机与评价等级对应情况如表2所示。

（二）养护方案设计

根据道路沥青路面预防性养护措施的适用情景和养护效果，为81 种损坏组合设计了19种具体的养护措施，每种措施对应唯一的方案编号，并标注各措施所需的单位面积费用，用于沥青路面预防性养护系统的开发，在保证预防性养护效果的前提下缩减养护经费。

四个微观指标都有A，B，C三个边界值，做如下规则：针对第一个指标SFC，AB之间的范围记为a，BC之间的范围记为b，C以后的范围记为c；针对其它三个指标，小于A的范围记为a，AB之间的范围记为b，BC之间的范围记为c，则指标数据与方案编号之间存在如下关系(从左到右四个字母分别表示SFC、IRI、CR和RD的数据分别对应的指标区间)，部分指标阈值区间字母组合描述与养护方案编号对应关系如表3所示。将病害组合区间描述与养护措施方案编号对应，从而实现养护方案的决策。

沥青路面预防性养护系统模块介绍

通过了解路面的使用寿命和健康状况而设计的在短时间内能进行养护决策分析与评价并生成完善的、图文并茂的养护咨询报告和路面维修设计的分析系统，实现对高速公路、一、二、三、四级公路的不同阶段的路面状况和使用性能进行分析。该分析系统采用成熟的向导框架系统，对日常工作中的预防性养护决策分析做了流程化的定制性开发，通过可视化的方式来约束分析流程，并最终导出全部信息供后续工作使用。系统功能总体结构如图1：

图1  沥青路面预防性养护决策分析系统结构图

沥青路面预防性养护系统的方法应用

基于提出的沥青路面预防性养护方法体系，与C++语言结合，开发出一套沥青路面预防性养护智能化决策系统，本系统是一套“绿色系统”，无需安装，输入账号、密码即可使用，系统具体功能及操作流程如下。

（一）建立项目

打开系统程序，登录界面中填写用户名以及用户密码，点击登录按钮即可。登录后依次进行养护日期、养护方案、养护段落、路面结构及厚度的输入，输入界面如图2。

图 2  建立项目页面

（二）项目执行

建立项目信息完成后，将进入决策分析系统的核心环节，导入已经确定好的检测指标阀值文件，在完成导入阀值后，页面将出现指标阀值的页面，四个指标阀值均可以实现人工修改，确定后即可执行，若在更改过程中想恢复原有设置，选择按从文件恢复按钮即可。

图3  阀值导入后页面

图4 阀值更改模块

在完成阀值确定和成功导入后，通过下一步按钮将进入数据导入并执行分析页面，检测数据导入后，通过按分析按钮，系统将对不在阀值范围内的检测数据进行提出并标红显示，此步骤在于提醒用户该部分数据不在本次决策分析范围内。界面中可用性一栏为false的即为无效数据。图5、图6为系统显示过程图。

图5  检测数据导入界面

图6  被提出检测数据显示界面

为了让用户直观的感受到检测路段的路面状况，系统设置了自动生成图表功能，通过选择曲线图按钮，进入图7界面，界面主要功能在于数据查看，可以选择不同的指标来显示不同的曲线图，提出的数据也将在图标中用红色显示，对细部检测桩号指标的数据查看，可以通过双击某段大桩号范围，即可看到最小桩号范围内的指标值。执行步骤见图7、图8所示。

图7  数据指标图生成

图8 最小桩号范围数据显示

在最后一个页面检测数据导入完成之后，将进入养护方案导入界面，按选择按钮，进入方案导入页面，导入方案后，点击生成决策按钮，系统将把检测数据与阀值区间对号，实现预防性养护的智能决策，不同养护路段的养护方案和工程造价显示在界面中，如图10。点击导出文件按钮可获得相应的数据分析及决策方案文件。

图9  方案导入结果界面

图10  方案决策导出界面

沥青路面预防性养护决策分析系统通过信息化技术，可以处理大量人工重复工作、计算量等，实现每个养护编号报价和总报价的自动计算，每种养护措施的单价成本可根据不同地区原材料的差异进行修改，具有高度的适应性，很大程度上提升公路预防性养护决策的效率，节约了成本。同时将SFC、IRI、CR、RD四个评价指标根据主次依次分为一级、二级、三级和四级，每个指标都被分成了良、中、差三个等级，根据指标等级的排列组合，得到81种不同的道路损害类型，根据损害类型的特征设计了19种预防性养护措施，在程序中实现了将检测数据自动分析并输出对应的预防性养护措施编号，使得繁琐易错的人工选择操作转变成准确高效的计算机语言，提高了工作效率和准确度。

▎资料来源：《中国公路学会养护与管理分会第十一届学术年会论文集》，节选自《山区公路沥青路面预防性养护决策智能化系统开发》，作者：程引南，王晓雄，龚国欢，朱旭