基于模糊物元的宁波市城镇道路中长期养护规划研究

2024-01-02何天涛

湖南交通科技 2023年4期

何天涛

(宁波市市政设施中心，浙江宁波 315000)

目前我国公路领域，对于沥青路面病害成因分析、中长期路面性能指标预测和中长期养护规划的研究较为成熟[7-8]，部分已用于指导公路的养护管理，而对于城镇道路，相关的研究、应用则较少。因此对城镇道路开展长期、大面积定期检测，并基于检测结果，进行使用性能预测，强化预防性养护措施的应用，具有较大的实际意义。本文采用模糊物元分析法制定适合宁波市城镇道路的路面中长期养护规划，在养护资金有限的情况下，提升城市道路精细化养管水平。

1 道路当前使用状况分析

1.1 “六纵六横”道路检测结果分析

自2016年以来，宁波市连续6 a按现行《公路路基路面现场测试规程》、《城镇道路养护技术规范》(CJJ 36-2016)等规范，采用国内最新的自动化检测设备，对市管“六纵六横”道路进行定期检测，采集路面破损、平整度、抗滑构造深度、沥青路面车辙、弯沉等指标等数据。具体各条道路损坏状况PCI、行驶质量指数RQI数据统计如图1～2所示。

图1 2016-2021年宁波市“六纵六横”各条道路路面使用性能趋势

图2 2016-2021年宁波市“六纵六横”路面使用性能均值趋势

从图1～2可以看出，2016-2021年，“六纵六横”道路在行车荷载、自然条件、路面养护等多因素的耦合作用下，路面性能指标中PCI指标总体呈逐年小幅下降趋势，RQI指标值总体保持稳定，存在略微小幅衰减。

由于各条道路路面每年抽检约20%路段的弯沉数据，按《城镇道路养护技术规范》(CJJ 36-2016)评价均为“足够”，所以，中长期规划时路面结构强度均按“足够”进行考虑。

1.2 病害类型及比重分布情况

结合6 a检测到的路面病害详情，按照《城镇道路养护技术规范》(CJJ 36-2016)中沥青路面病害分类，计算沥青路面损坏折算面积后，分类统计各类型路面病害占比如表1所示。

表1 宁波市六纵六横路面损坏类型占比统计序号损坏类型占比/%备注1线裂21.122龟裂43.80裂缝类3网裂22.284车辙9.31变形类5沉陷0.026剥落0.95松散类7坑槽0.048路框差0.929唧浆0.21其他类10泛油1.35

宁波市“六纵六横”道路路面主要病害为龟裂、线裂、网裂、车辙，此4类病害占总路面病害面积的96.51%。由于线裂、龟裂、网裂病害均为裂缝类病害，因此裂缝类及变形类的车辙病害为宁波市城市道路路面的关键病害。宁波市地处宁波平原，属亚热带季风气候，温和湿润，多年平均气温为16 ℃，月平均气温以七月份最高，一月份最低，分别为28 ℃和4.7 ℃。多年平均降水量为1 480 mm左右。“六纵六横”道路路面结构基本为(4+6)cm沥青路面，为城市主干道，车流量大，其中环城路、机场路等大型货运车辆占比较高，因此“六纵六横”路面主要病害成因分析为车辆疲劳荷载作用以及沥青老化引起的局部开裂，个别位置由于裂缝不能及时进行处治而导致病害加剧形成龟裂、网裂，以及局部路段路基块状开裂产生的反射裂缝。

2 路面使用性能预测

2.1 单元路段道路中修后路面指标分析

自2017年开始，在进行中修养护(铣刨重铺)的路段中，选取维修路段长度大于100 m的路段单元进行使用性能追踪，维修当年底以及其后每次定期检测时，将这些路段固定作为单元，单独进行PCI、RQI指标统计计算。进行路面性能追踪的路段单元共计32个，其中世纪大道8个，机场路6个，北外环路8个，环城路10个，养护路段单元PCI值逐年均值见图3。

图3 养护路段单元PCI值逐年均值

路面实施养护处理前，这32个路段单元的平均PCI为76.2，处理后的当年平均PCI为98.6，提升22.4，第2年路面平均PCI为93.2，较第1年降低5.4，处治后PCI指数得到了大幅提升，第2、3年路面性能逐步衰减，但衰减幅度缩小。RQI值与PCI值衰减趋势类似(见图4)，维修后显著提高，后逐步衰减，但衰减幅度缩小，说明采用路面大规模铣刨重铺方式可大幅提升路面性能和服务水平。

图4 养护路段单元RQI值逐年均值

2.2 养护投入产出相关性分析

在常规养护下，“六纵六横”道路在行车荷载、自然条件、路面养护等多因素的耦合作用下，路面性能指标体呈小幅下降趋势。但从单条道路来看，随着养护投入的提高，路面性能指标同时增大。以世纪大道数据为例，2019-2021年世纪大道PCI与路面养护费用投入折线图如图5所示。按照目前日常养护和局部中修处治，PCI在80左右时，单条道路路面养护费用与道路PCI具有一定相关性的线性关系，随着投入增加，整条道路路面PCI提高幅度增大。

图5 世纪大道2019-2021年道路PCI与养护投入关系

2.3 PCI指标预测及养护时机确立

目前路面性能预测模型分为确定型模型和概率型模型。建模方法基本可归纳为经验法、力学法、力学-经验法这3种。在实际养护规划中，概率型模型适用性不高，而力学法或者力学-经验法建模工作量较大，需要原始数据量较多，并且结构分析复杂，预测结果不够精准，在实际养护规划中难以应用。因此，在进行预测时，本文基于同济大学孙立军教授的沥青路面结构行为方程，通过非线性回归获得各个评价指标的预测模型，它利用多元回归分析技术建立回归方程，以预估路面性能指标随某些影响变量(如路面结构、路龄、交通量、气温等)的变化。

采用MATLAB对路面PCI预测模型进行非线性回归，得到宁波市城市道路路面PCI性能预测模型为：

R2=0.942

(1)

式中：PCI为预测年限路面状况指数；y为使用年限。

根据前文得到的宁波市城市道路路面PCI性能预测模型，将宁波市“六纵六横”路面预防性养护进行分级，如路段PCI值需要矫正性养护的阈值为80。根据预测模型曲线得到各年的指标值(见图6)，在不进行其他预防性养护措施的情况下，宁波市城市道路当路龄为8 a时，PCI指标将衰减至需要矫正性养护的阈值80。

3 基于物元法路网中长期养护规划

城市道路路网养护规划主要通过寿命周期效益分析，为道路各阶段配置并优选最佳的中长期综合管养方案，其核心问题可概括为“四控一保”：①控制病害规模总量。通过日常养护及时修复，总体控制路网、路段裂缝类、变形类病害量等存量病害。②控制路面病害发展速度。通过对历年检测道路的病害类型、面积进行对比分析，对路面病害发展迅速的路段，进行彻底处治，必要时处治到基层。③控制纵深层次病害。将病害限制在沥青面层或上面层，降低基层及路基发生相关损坏，是延长路面使用寿命的根本。④控制影响行车安全的路面损坏。对于抗滑性能不足、严重车辙、拥包、跳车等病害重点进行处治。⑤保证高比例的A级路率：以每年定期检测的路面状况评价值为依据，在养护规划中，对路面各指标做专项分析和目标设定，以兼顾满足资金框架和使用性能的需要。

本文采用模糊物元分析法分级制定路面中长期养护规划。路面养护规划的设计研究，主要针对路面病害时空发展的复杂性，将路面聚类因子、路面破损因子、病害间隔因子纳入到规划体系，并结合路面平整度、抗滑、道路交通量及气候、养护历史、养护资金等多种因素，同时考虑了日常养护中病害修补对于路面性能指标总体的影响。

3.1 养护规划考虑要素

3.1.1路面主导病害

沥青路面的损害类型包括线裂、网裂、龟裂、拥包、车辙、沉陷、翻浆、剥落、坑槽、啃边、路框差、唧浆、泛油等，对于类型严重程度不同、的路面损坏采取不同的处治措施。由1.2节分析可知，宁波市城市道路沥青路面的主导病害为裂缝类和变形类的车辙病害。

3.1.2路面聚类因子

路面PCI计算模型中，各类沥青路面病害类型的影响权重不一致。对PCI指标相近的不同路面单元，路面病害的类型、大小与影响程度可能相差较大，应采取差异化的养护处治方式，不应将PCI作为路面破损状况的单一决策指标。

根据单位长度上路面破损百分率，路面病害疏密程度等对路面进行聚类分段，将路面破损因子Df(Disease factor)、病害间隔因子If(Interual factor)相互耦合得到的无量纲系数定义为路面病害聚类因子CF(Clustering factor)。路面病害聚类因子CF综合考虑了路面病害的分布状况及长度，当CF超出临界值CF0时，认定该路段需进行连续养护处治，当CF≤CF0时，认定该单元需进行局部病害处治。

3.1.3路面破损因子

定义路面破损因子Df作为单位长度上路面破损百分率，是确定路面进行矫正性处治还是预防性处治的重要指标之一。

(2)

式中：Df为路面破损因子，%；Li为各类沥青路面病害的长度，m；ai为各类沥青路面病害的影响系数；L为路面单元总长度，m。

3.1.4病害间隔因子

路面破损因子考虑了路面病害长度，但路面单元内路面病害的发生间距以及排布状况不一致时，为实现路段养护单元的精准定位，确保施工经济性，实现精准养护，宜对具有不同路面病害间距的路段单元采取差异化的养护措施。

病害间隔因子If用来衡量路段单元内路面病害发生疏密程度。

(3)

式中：If为病害间隔因子，以1为分界指标，当病害间距≥1或0时，认定该单元路面病害为疏，当病害间距<1且≠0时，认定该单元路面病害为密；Dn为第n个病害的桩号；Dn-1为第n-1个病害的桩号。

3.2 模糊物元法模型

城镇道路网级中长期养护规划主要解决养护需求、养护路段和养护资金分配这3个方面的问题，其中每年的养护资金分配是核心。养护规划决策过程可以概括为：根据实际路面状况指标的检测数据、性能预测及路面养护决策体系，确定具体的路面养护路段、路面养护措施以及最佳养护时机。

本研究采用模糊物元分析法进行宁波市城市道路路面中长期养护规划，把具有模糊性的事物、特征、量值等3个要素来描述并形成“事物、特征、模糊量值”的有序三元组。构成模糊物元是物元分析方法的主要思想，可按式(4)表示:

(4)

式中：R为模糊物元；C为事物M的特征；M为事物；μ(x)为事物其特征相应量值的隶属度。

若m个事物用其共同的n个特征及其相应的模糊量值，可以称其为m个事物的n维复合模糊物元，表示为：

(5)

式中：Rmn为m个事物的n维模糊复合物元；Mj(j=1,2,…,m)为第j个事物；μj(xji)为第j个事物Mj的第i个特征Ci相应量值的隶属度。

对于城市道路沥青路面中长期规划，路面性能检测指标、交通量路面破损因子、病害间隔因子等参数值均具有一定离散性，按照大数定律，当数据量足够大时，则可认为这些数据x对同一类别的隶属函数μ(x)服从正态分布。

3.3 “六纵六横”路面养护规划

选取路面PCI，路面聚类因子、路面破损因子、病害间隔因子、平整度、抗滑、道路交通量及气候、养护历史、养护资金、养护需求等参数，采用模糊物元分析方法以及宁波市城市道路常用的养护措施。采用模糊物元法的分析步骤如下：

1)通过隶属度确定方法得到各参数对应的分级养护标准隶属度；

2)依据隶属度函数μ(xji)、分级养护标准，计算并按照关联系数Kji建立模糊复合物元；

3)参照M(·，+)运算模式，计算各参数对应分级养护标准的关联系数Kji及其关联系数权重向量W，建立关联度复合模糊物元。

4)根据最大关联度原则、各参数的影响因子，确定对应道路的预防性养护及矫正性养护时机及策略。

由AHP法和熵值法综合得到的熵权θi构成熵权复合物元如式(6)所示：

(6)

将确定的模糊复合物元R7×4及熵权复合物元Rθ，按照M(·，+)运算，得到关联度复合物元R：

(7)

式中：K为路段1中长期养护规划所对应影响因子的关联度。

根据宁波市“六纵六横”道路养护等级、养护需求以及近几年检测数据中路面破损因子、病害间隔因子、路面抗滑性能路面等影响因子与路面养护标准的关联度，路面PCI、RQI、抗滑性能不足的路段矫正性养护以及一级养护路段预防性养护应尽快实施。未来5年“六纵六横”路面养护规划方案及最佳养护时机如表2所示。

表2 最佳养护时机养护分类最佳养护时机说明矫正性养护一级养护需求2022-2023年PCI、RQI、抗滑能力存在评价为C或者D二级养护需求2023-2024年预防性养护一级养护需求2022-2023年一级路段二级养护需求2023-2026年二、三、四、五级路段

根据“六纵六横”道路路面的具体检测数据、历史养护情况，宁波市典型养护措施制定未来5 a的总体养护规划，实施预防性及矫正性养护里程统计如图7所示。

图7 未来5年规划养护路段长度

预防性养护主要采用局部病害处治，如雾封层、微表处和超薄磨耗层等处治方式，矫正性养护主要采用面层铣刨重铺、面层铣刨重铺+2 cm超薄磨耗层、基层翻修等措施。矫正性养护根据养护需求的不同分2 a进行实施，其中，一级养护需求定于2022-2023年实施；二级养护需求定于2023-2024年实施。矫正性养护按铣刨重铺上面层进行计算，预计在确保现有路面性能略微提高的基础上，至2025年，总体可以节约养护资金2200万元。