基于模糊物元的寧波市城鎮道路中長期養護規劃研究

何天濤

(寧波市市政設施中心，浙江 寧波 315000)

目前我國公路領域，對于瀝青路面病害成因分析、中長期路面性能指標預測和中長期養護規劃的研究較為成熟[7-8]，部分已用于指導公路的養護管理，而對于城鎮道路，相關的研究、應用則較少。因此對城鎮道路開展長期、大面積定期檢測，并基于檢測結果，進行使用性能預測，強化預防性養護措施的應用，具有較大的實際意義。本文采用模糊物元分析法制定適合寧波市城鎮道路的路面中長期養護規劃，在養護資金有限的情況下，提升城市道路精細化養管水平。

1 道路當前使用狀況分析

1.1 “六縱六橫”道路檢測結果分析

自2016年以來，寧波市連續6 a按現行《公路路基路面現場測試規程》、《城鎮道路養護技術規范》(CJJ 36-2016)等規范，采用國內最新的自動化檢測設備，對市管“六縱六橫”道路進行定期檢測，采集路面破損、平整度、抗滑構造深度、瀝青路面車轍、彎沉等指標等數據。具體各條道路損壞狀況PCI、行駛質量指數RQI數據統計如圖1～2所示。

圖1 2016-2021年寧波市“六縱六橫”各條道路路面使用性能趨勢

圖2 2016-2021年寧波市“六縱六橫”路面使用性能均值趨勢

從圖1～2可以看出，2016-2021年，“六縱六橫”道路在行車荷載、自然條件、路面養護等多因素的耦合作用下，路面性能指標中PCI指標總體呈逐年小幅下降趨勢，RQI指標值總體保持穩定，存在略微小幅衰減。

由于各條道路路面每年抽檢約20%路段的彎沉數據，按《城鎮道路養護技術規范》(CJJ 36-2016)評價均為“足夠”，所以，中長期規劃時路面結構強度均按“足夠”進行考慮。

1.2 病害類型及比重分布情況

結合6 a檢測到的路面病害詳情，按照《城鎮道路養護技術規范》(CJJ 36-2016)中瀝青路面病害分類，計算瀝青路面損壞折算面積后，分類統計各類型路面病害占比如表1所示。

表1 寧波市六縱六橫路面損壞類型占比統計序號損壞類型占比/%備注1線裂21.122龜裂43.80裂縫類3網裂22.284車轍9.31變形類5沉陷0.026剝落0.95松散類7坑槽0.048路框差0.929唧漿0.21其他類10泛油1.35

寧波市“六縱六橫”道路路面主要病害為龜裂、線裂、網裂、車轍，此4類病害占總路面病害面積的96.51%。由于線裂、龜裂、網裂病害均為裂縫類病害，因此裂縫類及變形類的車轍病害為寧波市城市道路路面的關鍵病害。寧波市地處寧波平原，屬亞熱帶季風氣候，溫和濕潤，多年平均氣溫為16 ℃，月平均氣溫以七月份最高，一月份最低，分別為28 ℃和4.7 ℃。多年平均降水量為1 480 mm左右?！傲v六橫”道路路面結構基本為(4+6)cm瀝青路面，為城市主干道，車流量大，其中環城路、機場路等大型貨運車輛占比較高，因此“六縱六橫”路面主要病害成因分析為車輛疲勞荷載作用以及瀝青老化引起的局部開裂，個別位置由于裂縫不能及時進行處治而導致病害加劇形成龜裂、網裂，以及局部路段路基塊狀開裂產生的反射裂縫。

2 路面使用性能預測

2.1 單元路段道路中修后路面指標分析

自2017年開始，在進行中修養護(銑刨重鋪)的路段中，選取維修路段長度大于100 m的路段單元進行使用性能追蹤，維修當年底以及其后每次定期檢測時，將這些路段固定作為單元，單獨進行PCI、RQI指標統計計算。進行路面性能追蹤的路段單元共計32個，其中世紀大道8個，機場路6個，北外環路8個，環城路10個，養護路段單元PCI值逐年均值見圖3。

圖3 養護路段單元PCI值逐年均值

路面實施養護處理前，這32個路段單元的平均PCI為76.2，處理后的當年平均PCI為98.6，提升22.4，第2年路面平均PCI為93.2，較第1年降低5.4，處治后PCI指數得到了大幅提升，第2、3年路面性能逐步衰減，但衰減幅度縮小。RQI值與PCI值衰減趨勢類似(見圖4)，維修后顯著提高，后逐步衰減，但衰減幅度縮小，說明采用路面大規模銑刨重鋪方式可大幅提升路面性能和服務水平。

圖4 養護路段單元RQI值逐年均值

2.2 養護投入產出相關性分析

在常規養護下，“六縱六橫”道路在行車荷載、自然條件、路面養護等多因素的耦合作用下，路面性能指標體呈小幅下降趨勢。但從單條道路來看，隨著養護投入的提高，路面性能指標同時增大。以世紀大道數據為例，2019-2021年世紀大道PCI與路面養護費用投入折線圖如圖5所示。按照目前日常養護和局部中修處治，PCI在80左右時，單條道路路面養護費用與道路PCI具有一定相關性的線性關系，隨著投入增加，整條道路路面PCI提高幅度增大。

圖5 世紀大道2019-2021年道路PCI與養護投入關系

2.3 PCI指標預測及養護時機確立

目前路面性能預測模型分為確定型模型和概率型模型。建模方法基本可歸納為經驗法、力學法、力學-經驗法這3種。在實際養護規劃中，概率型模型適用性不高，而力學法或者力學-經驗法建模工作量較大，需要原始數據量較多，并且結構分析復雜，預測結果不夠精準，在實際養護規劃中難以應用。因此，在進行預測時，本文基于同濟大學孫立軍教授的瀝青路面結構行為方程，通過非線性回歸獲得各個評價指標的預測模型，它利用多元回歸分析技術建立回歸方程，以預估路面性能指標隨某些影響變量(如路面結構、路齡、交通量、氣溫等)的變化。

采用MATLAB對路面PCI預測模型進行非線性回歸，得到寧波市城市道路路面PCI性能預測模型為：

R2=0.942

(1)

式中：PCI為預測年限路面狀況指數；y為使用年限。

根據前文得到的寧波市城市道路路面PCI性能預測模型，將寧波市“六縱六橫”路面預防性養護進行分級，如路段PCI值需要矯正性養護的閾值為80。根據預測模型曲線得到各年的指標值(見圖6)，在不進行其他預防性養護措施的情況下，寧波市城市道路當路齡為8 a時，PCI指標將衰減至需要矯正性養護的閾值80。

3 基于物元法路網中長期養護規劃

城市道路路網養護規劃主要通過壽命周期效益分析，為道路各階段配置并優選最佳的中長期綜合管養方案，其核心問題可概括為“四控一?！保孩倏刂撇『σ幠？偭?。通過日常養護及時修復，總體控制路網、路段裂縫類、變形類病害量等存量病害。②控制路面病害發展速度。通過對歷年檢測道路的病害類型、面積進行對比分析，對路面病害發展迅速的路段，進行徹底處治，必要時處治到基層。③控制縱深層次病害。將病害限制在瀝青面層或上面層，降低基層及路基發生相關損壞，是延長路面使用壽命的根本。④控制影響行車安全的路面損壞。對于抗滑性能不足、嚴重車轍、擁包、跳車等病害重點進行處治。⑤保證高比例的A級路率：以每年定期檢測的路面狀況評價值為依據，在養護規劃中，對路面各指標做專項分析和目標設定，以兼顧滿足資金框架和使用性能的需要。

本文采用模糊物元分析法分級制定路面中長期養護規劃。路面養護規劃的設計研究，主要針對路面病害時空發展的復雜性，將路面聚類因子、路面破損因子、病害間隔因子納入到規劃體系，并結合路面平整度、抗滑、道路交通量及氣候、養護歷史、養護資金等多種因素，同時考慮了日常養護中病害修補對于路面性能指標總體的影響。

3.1 養護規劃考慮要素

3.1.1路面主導病害

瀝青路面的損害類型包括線裂、網裂、龜裂、擁包、車轍、沉陷、翻漿、剝落、坑槽、啃邊、路框差、唧漿、泛油等，對于類型嚴重程度不同、的路面損壞采取不同的處治措施。由1.2節分析可知，寧波市城市道路瀝青路面的主導病害為裂縫類和變形類的車轍病害。

3.1.2路面聚類因子

路面PCI計算模型中，各類瀝青路面病害類型的影響權重不一致。對PCI指標相近的不同路面單元，路面病害的類型、大小與影響程度可能相差較大，應采取差異化的養護處治方式，不應將PCI作為路面破損狀況的單一決策指標。

根據單位長度上路面破損百分率，路面病害疏密程度等對路面進行聚類分段，將路面破損因子Df(Disease factor)、病害間隔因子If(Interual factor)相互耦合得到的無量綱系數定義為路面病害聚類因子CF(Clustering factor)。路面病害聚類因子CF綜合考慮了路面病害的分布狀況及長度，當CF超出臨界值CF0時，認定該路段需進行連續養護處治，當CF≤CF0時，認定該單元需進行局部病害處治。

3.1.3路面破損因子

定義路面破損因子Df作為單位長度上路面破損百分率，是確定路面進行矯正性處治還是預防性處治的重要指標之一。

(2)

式中：Df為路面破損因子，%；Li為各類瀝青路面病害的長度，m；ai為各類瀝青路面病害的影響系數；L為路面單元總長度，m。

3.1.4病害間隔因子

路面破損因子考慮了路面病害長度，但路面單元內路面病害的發生間距以及排布狀況不一致時，為實現路段養護單元的精準定位，確保施工經濟性，實現精準養護，宜對具有不同路面病害間距的路段單元采取差異化的養護措施。

病害間隔因子If用來衡量路段單元內路面病害發生疏密程度。

(3)

式中：If為病害間隔因子，以1為分界指標，當病害間距≥1或0時，認定該單元路面病害為疏，當病害間距<1且≠0時，認定該單元路面病害為密；Dn為第n個病害的樁號；Dn-1為第n-1個病害的樁號。

3.2 模糊物元法模型

城鎮道路網級中長期養護規劃主要解決養護需求、養護路段和養護資金分配這3個方面的問題，其中每年的養護資金分配是核心。養護規劃決策過程可以概括為：根據實際路面狀況指標的檢測數據、性能預測及路面養護決策體系，確定具體的路面養護路段、路面養護措施以及最佳養護時機。

本研究采用模糊物元分析法進行寧波市城市道路路面中長期養護規劃，把具有模糊性的事物、特征、量值等3個要素來描述并形成“事物、特征、模糊量值”的有序三元組。構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為模糊物元；C為事物M的特征；M為事物；μ(x)為事物其特征相應量值的隸屬度。

若m個事物用其共同的n個特征及其相應的模糊量值，可以稱其為m個事物的n維復合模糊物元，表示為：

(5)

式中：Rmn為m個事物的n維模糊復合物元；Mj(j=1,2,…,m)為第j個事物；μj(xji)為第j個事物Mj的第i個特征Ci相應量值的隸屬度。

對于城市道路瀝青路面中長期規劃，路面性能檢測指標、交通量路面破損因子、病害間隔因子等參數值均具有一定離散性，按照大數定律，當數據量足夠大時，則可認為這些數據x對同一類別的隸屬函數μ(x)服從正態分布。

3.3 “六縱六橫”路面養護規劃

選取路面PCI，路面聚類因子、路面破損因子、病害間隔因子、平整度、抗滑、道路交通量及氣候、養護歷史、養護資金、養護需求等參數，采用模糊物元分析方法以及寧波市城市道路常用的養護措施。采用模糊物元法的分析步驟如下：

1)通過隸屬度確定方法得到各參數對應的分級養護標準隸屬度；

2)依據隸屬度函數μ(xji)、分級養護標準，計算并按照關聯系數Kji建立模糊復合物元；

3)參照M(·，+)運算模式，計算各參數對應分級養護標準的關聯系數Kji及其關聯系數權重向量W，建立關聯度復合模糊物元。

4)根據最大關聯度原則、各參數的影響因子，確定對應道路的預防性養護及矯正性養護時機及策略。

由AHP法和熵值法綜合得到的熵權θi構成熵權復合物元如式(6)所示：

(6)

將確定的模糊復合物元R7×4及熵權復合物元Rθ，按照M(·，+)運算，得到關聯度復合物元R：

(7)

式中：K為路段1中長期養護規劃所對應影響因子的關聯度。

根據寧波市“六縱六橫”道路養護等級、養護需求以及近幾年檢測數據中路面破損因子、病害間隔因子、路面抗滑性能路面等影響因子與路面養護標準的關聯度，路面PCI、RQI、抗滑性能不足的路段矯正性養護以及一級養護路段預防性養護應盡快實施。未來5年“六縱六橫”路面養護規劃方案及最佳養護時機如表2所示。

表2 最佳養護時機養護分類最佳養護時機說明矯正性養護一級養護需求2022-2023年PCI、RQI、抗滑能力存在評價為C或者D二級養護需求2023-2024年預防性養護一級養護需求2022-2023年一級路段二級養護需求2023-2026年二、三、四、五級路段

根據“六縱六橫”道路路面的具體檢測數據、歷史養護情況，寧波市典型養護措施制定未來5 a的總體養護規劃，實施預防性及矯正性養護里程統計如圖7所示。

圖7 未來5年規劃養護路段長度

預防性養護主要采用局部病害處治，如霧封層、微表處和超薄磨耗層等處治方式，矯正性養護主要采用面層銑刨重鋪、面層銑刨重鋪+2 cm超薄磨耗層、基層翻修等措施。矯正性養護根據養護需求的不同分2 a進行實施，其中，一級養護需求定于2022-2023年實施；二級養護需求定于2023-2024年實施。矯正性養護按銑刨重鋪上面層進行計算，預計在確?，F有路面性能略微提高的基礎上，至2025年，總體可以節約養護資金2200萬元。

4 結語

城鎮道路路面養護規劃是一項非常復雜的系統性工作，通過采用模糊物元分析法，將長期的道路檢測、觀測數據，以及非完備的歷年路面養護記錄、路面結構及交通量等基礎資料整合起來，分析并預測道路使用性能，并以此為基礎組織瀝青路面中長期養護技術措施，把握合適的養護時機，制定有的放矢、從容有度的養護對策。

1)在中長期規劃中適當采用路面預防性措施具有明顯的經濟優勢，可顯著改善路面使用性能、延長路面使用壽命、降低全壽命周期內養護費用。

2)按照中長期養護規劃實施養護計劃，在養護過程中，還應進行實時跟蹤、綜合評價養護效果，修正規劃，實現動態規劃。