基于路面管理系统CPMS的公路养护决策树的研究

摘 要：目前《公路养护技术规范》(JTG H10-2009)对普通公路和公路采用相同指标进行评价，提出养护维修决策，而且提出的养护维修决策比较泛泛。本文利用《公路养护技术规范》和《公路技术状况评定标准》(JTG H20-2007)对公路技术状况评定及养护方面的要求，并结合多年的公路检测和养护维修经验，提出公路养护更加优化更加合理的养护决策树。

关键词：路面管理系统CPMS；养护；决策树

中图分类号： X734 文献标识码： A

1引言

在行车荷载和外界环境因素作用下，路面使用性能逐渐恶化，当损坏到低于可接受水平时，会严重影响到车辆的行驶质量，为使路面服务水平维持在一定水平，给道路使用者提供快速、舒适的通行环境，需要不断的投入养护资金，及时进行路面大、中修养护，采取养护措施之后，路面使用性能的变化又直接影响下次养护决策，即公路养护的实施时间和实施方案会对以后多年的养护资金投入、路面状况产生持续影响。如何根据公路的具体使用性能，选择技术上可行、经济上合理的养护维修决策，是分析选择维修项目，制定养护维修计划等的重要基础，是路面管理系统的另一个核心组成部分。由于我国公路特有的管理体制，决定了公路路面管理系统既不同于传统的网级管理系统，也有区别于传统的项目级管理系统，因而有必要提出适合当前我国公路实际管理情况的养护决策。

2养护决策研究概况

养护决策涉及系统工程、道路工程和经济分析等众多学科，国内外进行了大量的研究，提出了众多方法。国外如加州路面管理系统利用决策树，根据各种路面损坏状况采取相应的养护和改建决策，然后比较各相应决策，选取可以改正所有损坏并提供可接受服务水平的决策作为主要决策，最后根据平整度、路面损坏评级和交通量，按预先制定的排序表，确定各路段采取养护和改建措施的先后顺序。美国PAVER系统将PCI值选择养护和改建方案，并且将各路段按PCI值由大到小排序，该系统的最大特点是认为每一个路段可能考虑几种可行的养护和改建决策方案，通过经济分析选择合适的方案。Piya针对马尔可夫进行中长期规划需大量数据的缺点，提出了用随机模型模拟路面损坏的不确定性，然后用遗传算法进行优化的方法。Najafi提出了基于费用一效益分析的五步分析法，即路况采集、路网信息汇总、养护计划费用、养护优先次序、养护实施方案。国内如周伟等通过效用和价值两个数量指标的引入，综合考虑影响决策的各个因素，构造公路被选养护决策的效用函数，按最大效用原则确定项目养护需求，同时构造项目价值函数，根据项目社会价值的大小来反映养护迫切度，从而进行养护项目排序，以使养护投资发挥最大的社会价值。邹培国采用层次分析模型和启发式优化技术，确定在何时，对何种情况采用何种措施，才能逐年达到制定的服务水平，而总费用又为最小；或在定额资金内，在何时、对何种情况采用何种措施，才能达到最佳路况。

综上所述，在众多养护决策模型中，绝大多数是网级模型，目前还没有建立适合我国公路管理体制的路面养护决策模型，为此，本文借助当前网级和项目级养护决策模型，探讨建立适合我国国情的公路养护决策模型的思路。

3养护需求分析

3.1公路路面养护标准的确定

路面性能受到路面结构、交通量、路面材料和环境等众多因素的影响，随着时间的推移而降低，在实际道路养护中，当路面降低到一定程度或低于某一标准时，就要考虑对其进行某种方式的养护，恢复路面使用性能，延长路面的使用寿命，养护标准的高、低直接影响路面的处置时间和方案，间接的影响未来路面使用性能和养护费用，高的养护标准将对路面超前处治，路面性能维持较高的服务水平上，同时意味着投入更大的养护资金;反之服务水平下降，较少的养护资金投入。目前《公路养护技术规范》(JTG H10-2009)对普通公路和公路采用相同指标进行评价，提出养护维修决策，而且提出的养护维修决策比较泛泛。下面就《公路养护技术规范》(JTG H10-2009)对公路养护的具体要求汇总如下：

表1 沥青路面养护标准

评价指标 量度指标 维修标准 养护对策

路面损坏 损坏状况指数PCI 高速公路、一级公路 评价为优、良，日常养护；评价中及以下，中修罩面

普通公路 评价为优、良、中，日常养护；评价为次及以下，中修罩面

路面车辙 车辙深度指数RDI 高速公路、一级公路 RD＞15mm，维修辙槽

普通公路 RD＞15mm，维修辙槽

路面平整度 行驶质量指数RQI 高速公路、一级公路 评价为优、良，日常养护；评价中及以下，罩面

普通公路 评价为优、良、中，日常养护；评价为次及以下，罩面

路面抗滑 抗滑能力SFC 高速公路、一级公路 SFC＜40，提高抗滑能力

普通公路 SFC＜35.5，提高抗滑能力

路面强度 强度系数 高速公路、一级公路 强度不满足要求，大修补强

普通公路 强度不满足要求，大修补强

表2 水泥路面养护标准

评价指标 量度指标 维修标准 养护对策

路面损坏 损坏状况指数PCI 高速公路、一级公路 评价为优、良，日常养护；评价中及以下，全路段修复或改善措施

普通公路 评价为优、良、中，日常养护；评价为次及以下，全路段修复或改善措施

路面平整度 行驶质量指数RQI 高速公路、一级公路 评价为优、良，日常养护；评价中及以下，改善平整度

普通公路 评价为优、良、中，日常养护；评价为次及以下，改善平整度

路面抗滑 抗滑能力SFC 高速公路、一级公路 评价为优、良，日常养护；评价中及以下，提高抗滑

普通公路 评价为优、良、中，日常养护；评价为次及以下，提高抗滑

路面强度 强度系数 高速公路、一级公路 强度不满足要求，补强

普通公路 强度不满足要求，补强

3.2公路路面养护决策

制订路面的养护标准后，就可以判别路面是否需要修复，当决定路面需要修复，选择合适的修复决策有多种方法，总的可分两类：一是静态技术分析；二是动态经济分析。

3.2.1静态技术分析

静态技术分析上要包括决策树、模糊变换法、专家系统等。决策树指针对一定路况的路面，在修复方式和路况指标间建立相互对应的关系，但不涉及经济参数的修复决策选择方法。由于决策树简单、直观、易于理解，同时在确定各种组合条件的可能决策时，能够通过专家调查等方法，综合考虑地区工程师的经验，能很好和人们的主观经验相结合，因此，路面管理系统中得到了广泛的应用，如文献指出在我国各省(市)得到广泛应用的CPMS就采用了决策树的决策方法，文献采用了决策树法、基于模糊理论的FuZZy法；刘提出了模糊变化法，该法通过隶属度给出各种决策对某特定路面的可行程度，由此判断决策的优劣；专家系统指用知识、经验和推力方法去解决那些必须由人类专家来分析和判断的复杂问题，并得出与人类专家相同结论的智能计算机程序。它包括四个阶段：①识别阶段即判别问题的领域，确定系统的目标；②概念化阶段即描述给定领域的问题求解过程；③形式化阶段即选定知识表达形式，并将关键概念和关系映射到该表达形式中来；④实现和测试阶段即连接和整理规格化的知识，并使之与问题的信息流特征相符，最后产生一个规则集和相关的控制结构来定义一个标准程序，并进行测试。采用专家系统方法确定修复决策选择时，把决策选择分为两个层次，第一层次确定修复决策，第二层次确定具体修复方法。

3.2.2动态经济分析

动态经济分析方法指针对某一具体选定的项目，先根据静态技术分析方法，提供若干个可能的决策，通过选择一定的分析期，应用工程经济学的寿命周期内费用一效益方法，根据一定的经济效益指标进行经济分析确定最优的养护维修决策，应用动态经济分析则能够确定理论上最优的项目养护决策及最佳实施时机。本节主要讨论得到广泛应用的静态决策方法一决策树法。

3.3影响决策的因素

不同的道路工程师在确定路面养护决策时所考虑的因素并不完全相同，影响沥青路面修复方式的因素主要有:公路等级、路面破损、路面结构、路面平整度、路面抗滑指数、交通量等。

(l)路面结构强度指数PSS工和路面状况指数PCJ是判断路面是否需要补强和罩面厚度的主要依据，损坏较严重的路段就需采取较大的修复工程，由于损坏和路面结构存在一定的关系，对结构强度足够的路段，对损坏只需采用局部修复方式，而结构强度不足的路段则需采用补强措施。

(2)路面平整度和抗滑性能是路面功能性能的主要评价指标，平整度直接影响用户费用，是路面破坏的潜在因素，抗滑性能是影响行车安全的重要因素，如果结构状况较好，只有平整度和抗滑性能不能满足使用要求，应采取一定的措施恢复其性能，因此它们是补强和罩而决策的辅助参数。

(3)交通量是路面承受的直接外部荷载，是造成路面破坏的主要外部因素。在进行养护决策时，交通量越大的路面，受到的注意程度越高，对路面养护的要求也越高，同样的损坏条件，交通量较大的路面应采取较好的养护措施。

4优化决策树

公路的典型养护处治决策可分为三大类：日常养护小修；恢复路面功能性破坏的罩面工程；大、中修养护。根据上面谈到的公路路面养护标准和典型养护处治决策，结合山东省公路和其它省份公路的实际情况，决策树如表。

表3 水泥路面养护维修决策树

路面 平整 路面 决策措施

损坏 度 抗滑 高速 一级 二级 三级及以下

优良 日常养护 日常养护

优良 中 日常养护 日常养护 日常养护 日常养护

次差 刻槽 刻槽

优 优良 日常养护 日常养护

中 中 日常养护 日常养护 日常养护 日常养护

次差 刻槽加磨错台 刻槽加磨错台

次 白改黑处理 白改黑处理 磨错台 日常养护

差 白改黑处理 白改黑处理 磨错台 磨错台

优良 日常养护 日常养护

优良 中 日常养护 日常养护 日常养护 日常养护

良 次差 刻槽 刻槽

优良 日常养护 日常养护

中 中 刻槽加磨错台 刻槽加磨错台 日常养护 日常养护

次差 白改黑处理 白改黑处理

良 次 白改黑处理 白改黑处理 磨错台 日常养护

差 白改黑处理 白改黑处理 磨错台 磨错台

优良 板块修理(1) 板块修理(1) 日常养护 日常养护

中 中 白改黑处理 板块修理(1) 板块修理(1) 日常养护

次差 白改黑处理 白改黑处理 板块修理(1) 板块修理(1)

优良 白改黑处理 板块修理(2) 板块修理(2) 日常养护

次 中 白改黑处理 白改黑处理 板块修理(2) 板块修理(2)

次差 白改黑处理 白改黑处理 白改黑处理 板块修理(2)

优良 白改黑处理 白改黑处理 板块修理(3) 板块修理(3)

差 中 白改黑处理 白改黑处理 白改黑处理 板块修理(3)

次差 白改黑处理 白改黑处理 白改黑处理 白加黑处理

表4 沥青路面养护维修决策树(一)

结构 路面 平整 车辙 抗滑 决策措施

强度 损坏 度 高速 一级 二级 三四级

优良 日常养护 日常养护

优良 中 微表处 日常养护

优良 次差 微表处 日常养护 日常养护

中 优良 日常养护 日常养护

中次差 4细 日常养护 日常养护

优 次差 4细 日常养护

优良 优良 4细 日常养护

中 中次差 4细 日常养护 日常养护

中 4细 日常养护

次差 8粗4细 4细

次差 8粗4细 4细 4细 3细

优良 日常养护 日常养护

优良 中 微表处 日常养护

优良 次差 微表处 日常养护 日常养护 日常养护

中 优良 日常养护 日常养护

中次差 4细 日常养护

良 次差 4细 日常养护

优良 优良 优良 4细 日常养护

中 中次差 4细 日常养护 日常养护 日常养护

中 8粗4细 日常养护

次差 8粗4细 8粗4细

次差 8粗4细 8粗4细 4细 3细

优良 优良 4细 4细

优良 中次差 4细 4细 日常养护 日常养护

中 8粗4细 4细

次差 8粗4细 8粗4细

中 优良 8粗4细 4细

优良 中 8粗4细 4细

中 次差 8粗4细 8粗4细 4细 3细

中 8粗4细 8粗4细

次差 8粗4细 8粗4细

次差 8粗4细 8粗4细

次、差 优良 8粗4细 8粗4细 4细 稀浆封层

中 8粗4细 8粗4细 6中4细 3细

次差 8粗4细 8粗4细 6中4细 3细

表5 沥青路面养护维修决策树(二)

结构 路面 平整 车辙 抗滑 决策措施

强度 损坏 度 高速 一级 二级 三四级

优良 日常养护 日常养护

优良 中 微表处 日常养护

次差 微表处 日常养护

优良 优良 日常养护 日常养护 日常养护

优 中 中次差 4细 日常养护 日常养护

次差 4细 日常养护

中 优良中 4细 日常养护 日常养护

次差 8粗4细 4细

次差 8粗4细 8粗4细 4细 3细

优良 日常养护 日常养护

优良 中 微表处 日常养护

次差 微表处 日常养护

优良 优良 日常养护 日常养护 日常养护 日常养护

中 良 中 中次差 4细 日常养护

次差 4细 日常养护

中 优良 8粗4细 4细 稀浆封层

中次差 8粗4细 8粗4细 4细

次差 8粗4细 8粗4细 3细

优良 4细 4细

优良 中 8粗4细 4细 日常养护 日常养护

中 次差 8粗4细 8粗4细

中 优良 8粗4细 8粗4细 4细

中次差 8粗4细 8粗4细 3细

次差 8粗6中4细 8粗4细 6中4细

次、差 优良 8粗6中4细 8粗4细 4细 稀浆封层

中 8粗6中4细 8粗4细 6中4细 3细

次差 8粗6中4细 8粗4细 6中4细 6中3细

表6 沥青路面养护维修决策树(三)

结构

强度 路面

损坏 平整

度 车辙 抗滑 决策措施

高速 一级 二级 三四级

次差 优 优良 优良 优良 日常养护 日常养护 日常养护 日常养护

中 微表处 日常养护

次差 微表处 日常养护

中 优良 日常养护 日常养护

中次差 4细 日常养护

次差 4细 日常养护

中 优良中 4细 4细 4细 3细

次差 8粗4细 4细

次差 8粗4细 8粗4细 6中4细

良 优良 优良 优良 日常养护 日常养护 日常养护 日常养护

中 微表处 日常养护

次差 微表处 日常养护

中 优良 日常养护 日常养护

中次差 4细 日常养护

次差 4细 日常养护

中 优良 优良中 8粗4细 4细 6中4细 3细

次差 8粗4细 8粗4细

中 8粗6中4细 8粗4细

次差 8粗6中4细 8粗4细

次差 46渣8粗

6中4细 8粗4细 8粗4细 6中3细

中 优良 优良 8粗4细 6中4细 6中4细 6中3细

中 8粗4细 6中4细

次差 8粗4细 8粗4细

中 优良 优良中 8粗4细 6中4细

次差 8粗4细 8粗4细

中 8粗6中4细 8粗4细

次差 46渣8粗

6中4细 8粗4细

次差 46渣8粗

6中4细 46渣8粗

6中4细 40渣8粗4细 30渣8粗3细

次差 优良 46渣8粗

6中4细 46渣8粗6中4细 4细 3细

中 46渣8粗

6中4细 46渣8粗

6中4细 6中4细 6中3细

次差 46渣8粗

6中4细 46渣8粗

6中4细 40渣8粗4细 30渣8粗3细

5结论

通过对公路进行技术状况评价，掌握公路质量的动态变化，按照优化决策树进行大、中修养护，能更加优化更加合理的适应目前公路养护工作的需要。首先，对养护决策的分类更加清晰，把养护手段按照各类指标的评分进行组合，提高了公路管理与养护工作的科学技术水平。其次，加强了公路的日常养护管理，能实时的掌握公路的技术状况，通过综合分析、辅助决策，实现了公路管理与养护现代化、科学化和信息化。再次，对公路实施预防性养护，在公路没有发生结构性破坏以前，为了更好的保持公路的良好运营状态，延缓公路未来的破坏，在不增加结构承载能力的前提下，针对公路出现或可能出现的病害，在适当的时机，积极采取相应的综合技术措施，用以改善公路系统的总体功能状况，提升公路服务水平。

参考文献

[1] 公路资产管理系统CPMS用户手册，交通部公路科学研究院，2009.

[2] 公路技术状况评定标准(JTG H20-2007)，交通部公路科学研究院，2007.

[3] 公路养护技术规范，中华人民共和国交通运输部，2009.

[4] 程珊珊.高速公路沥青路面养护与维修方案的选择与设计.公路交通科技，2005(5).