基于GM模型的西北省级干线公路养护决策研究

2022-12-13蒋睿宁文帅群

城市建设理论研究（电子版） 2022年31期

蒋睿宁文帅群

1.宁夏公路管理中心银川分中心宁夏银川 750000

2.武汉科技大学汽车与交通工程学院湖北武汉 430070

养护决策在公路日常养护管理当中占有重要的比重，是道路养护和管理最主要的内容。养护决策中选择的维修方案是否合理，会直接影响到路面的使用性能和通行服务水平。城市道路由于其复杂的特殊性，在完成建设并投入使用后，需要进行必要的养护管理[1]，确保道路能达到并保持设计的使用寿命、强度和平整度，从而保障道路能正常使用和通行。本文以宁夏地区干线公路的路面养护管理为研究对象，建立基于GM模型的路面性能预测模型，利用模型预测公路的技术指标，根据养护标准制定养护决策。

1 路面养护决策流程分析

路面养护分析的主要目的是依据各项路况指标的评定结果[2]，并适当参考公路技术等级和交通量等因素，分析在设定的养护标准下，路面当前的养护需求及费用。养护分析思路还应充分考虑宁夏普通干线整体路况水平与特点[3]，对有养护需求的路段按照不同重要程度进行合理分级，划定优先顺序，匹配养护方案。路面养护决策的基本流程如下：

1）建立路面性能预测模型；

2）确定各项路面使用性能指标（PCI与RQI）的养护标准；

3）将低于养护标准的路段，列入需要进一步分析的大中修及预防性养护候选路段；

4）根据具体路况水平与特点确定不同路段重要程度与优先次序，并综合考虑各项路况指标的实际水平与衰减程度，确定是否需要实施大中修及预防性养护；

5）根据典型措施的养护单价估算各种大中修及预防性养护方案的费用，并统计汇总。

2 GM路面性能预测模型的构建

利用历史数据通过回归方法建立性能预测模型是最为常用的一种预测模型建立方法，但这种方法使用的前提是存在大量的历史数据。在缺乏历史数据的情况下，专家经验法也是建立性能预测模型的一种可行方法。其中灰色预测模型计算简单方便，可以在较少的路面数据情况下得到较好的预测结果[4]，因此本文中采用GM (1，1)模型对PCI指标进行预测。

2.1 理论预测模型分析

GM (1，1)模型是一阶微分方程，只含一个变量且只需要四个数据，首先构建模型的原始序列，其计算公式如式1所示，假设为X（0）；

在上式的基础上进行一次数据累加得到X（1），得到新的数列，其计算公式如式2所示；

为了增加平稳性，新的数列的随机性比初始序列的随机性要小得多。新数列的变化表示公式如式3所示:

式中:a—发展灰数;

b—内生控制灰数。

GM (1，1)模型得表示公式如式4所示:

最终求出GM(1，1)的模型计算公式如式6所示。

本文采用后验差检验，将预测数据和原始数据进行对比，直接判断数据拟合的优劣，不用和其他数据进行比较，检验更为简单直接。

表1 预测精度等级划分表

2.2 基于GM(1，1)模型的路面养护预测实现

通过上文的理论公式分析，然后依据宁夏普通干线2016-2019年的路面技术状况(PCI)的原始数据如表2所示就可以预测2020年路面损坏情况。

表2 2016-2019年路面技术状况数据表

求出GM（1，1）的模型如下：

进行后验差检验：

由表2数据，可求得残差值，如表3所示。

表3 后验差检验有关参数结果值

进而计算残差序列的标准差

结果验证模型精度高，预测效果好，预测计算得到2020年路面技术状况PCI为75.8，路面使用状况为良，已经进入了需要进行维修养护的阶段，如果在这时不进行人为干预任其发展，将导致路面状况进一步变差，从而缩短路面的使用寿命。

3 制定养护决策研究

3.1 养护标准分析

养护标准是对路面技术状况做出的一种技术限定。当路况实测值或预测值超出限值时，就产生了养护需求，即当路面使用性能衰变到一定程度或低于养护标准时[5]，就要考虑对其进行某种方式的养护，以保全或恢复路面的使用性能。设置养护标准可以给当前和未来的养护需求提供一个客观依据，以及在时间和空间上保证了养护决策的一致性[6]。

根据《公路技术状况评定标准》，本次宁夏普通干线的实际路况水平为路面损坏PCI平均值为84.34（良等），平整度RQI平均值为90.51（优等）。路面平整度相对较好，路面损坏相对较差，以路面损坏PCI指标为主导，同时参考平整度RQI指标[7]，拟定普通干线的大中修养护标准如表4所示。

表4 宁夏普通干线大中修养护标准

预防性养护对路面技术状况的基本定性要求是：路面结构强度充分，路面损坏相对较少，路面较平整，如表5所示。沥青路面预防性养护是主要通过封闭路表水进入路面结构，恢复路面宏观构造深度和抗滑系数[8]，恢复或延缓路面沥青老化，改善路面平整度，防止路面病害的发生或者轻微病害的进一步扩展。通过早期维修费用较低的预防性养护，延长原有路面的使用寿命来推迟昂贵的大修和重建活动，从而节约道路生命周期内的养护成本[9]。再进一步结合路龄和交通量等相关因素对备选范围路段进一步筛选，对相邻路段进行合并优化。

表5 适宜预防性养护的路况条件

可以视路面养护工作的实际情况，挑选一定长度的路况相对较差的规模路段开展预防性养护工程。

3.2 养护费用分析

路面养护需求分析过程中的大中修及预防性养护费用估算的依据是常规养护方案的单价，养护方案单价基于宁夏实际调查情况，并参考了一些公路养护工程预算定额而确定，如表6所示。

表6 路面典型大中修及预防性养护单价

3.3 干线公路养护策略的制定

依据宁夏普通干线路况特点与已有的养护经验，并参考2019年全区普通干线检测情况，对于养护候选路段尤其是重点路段进行排序，确定各种类型路段的优先级别，有针对性的开展养护工作，最大限度的发挥有限的养护资金的使用效率，切实有效的提高路况水平[10]。宁夏普通干线检评总长度合计3095.92km，路面损坏PCI平均值为84.34，评定为良，其优良路率为75.37%；路面损坏PCI次等路占5%，差等路占8%。其中在宁夏各养管单位中银川地区路面破损状况较好，优良路率所占最高，为86.97%，次差路率所占最低，为5.24%；而在中卫地区路况较差，优良路率仅为63.70%，而次差路率占到了22.79%。

在公路养护管理中，决策者需要了解下一年度的路面养护需求情况以及养护资金的投入方式。本文根据2019年度路面技术状况检测数据和评定结果及前述建议的养护标准、大中修养护路段优先次序和养护决策模型，实施了2020年的路面养护需求分析，包括年度需要实施养护的长度和养护费用，如表7所示。