浅谈高速公路养护施工决策最优化设计

摘 要： 高速公路的建设事业在我国迅速崛起，但现存的问题仍是危害交通出行的主要原因。本文针对导致高速公路路面被损坏的常见原因，提出养护施工管理与机械组合的要求和约束指标 ，总结出组合安全作业最优化设计和组合成本最优化设计两种决策，并在危害原因的基础上阐述了沥青路面的合理摊铺，以期减少对交通运输的安全性影响。

关键词：高速公路；公路养护；施工决策；最优化设计

前言

所谓高速公路养护施工决策最优化设计，实质上是指利用有限的养护资金，把高速公路路面发挥到最优质的服务水平，或者从另一角度来看，即把高速公路路面产生最大的经济效益。最优化的高速公路养护施工决策，在传统的决策模式上有所创新，有利于降低资金的投入和减少二次施工对非保养路段的损害，更符合决策所要求的系统化、科学化和现代化。就目前我国高速公路养护施工决策常用的优化方法，可分为数学规划的优化方法，目前在我国应用最广和人工智能的优化方法两大类，其中人工智能的优化方法又称遗传算法。再者，高速公路路面养护施工决策设计分为单目标路面养护决策和多目标路面养护决策两种。

1 高速公路路面损坏的常见原因

1.1 路面出现裂缝 由于高速公路长期荷载车流量过高，导致部分路段严重变形，甚至出现路面沉陷，出现裂缝。有些路段由于未能及时养护，常导致坑洞磨损等现象，加速高速公路结构的破坏。

1.2 路面结构完整性被破坏 由于我国大部分高速公路的建设参照传统的方式，一些项目指标未能按照国际标准去执行。如耐久性设计、抗疲劳损伤设计、减隔震技术设计、路面状况指数PCI、行驶质量指数RQI、路面强度系数PSSI、行驶安全指数SRI等方面的测度和评价存在不足，容易忽略这些不足对高速公路路面的影响[1]。

1.3 施工材料选择不当 传统的高速公路特别注重整体的稳定性，所以把建设工程的目标放在提高整体路面的硬度任务上。过硬的公路路面容易产生裂痕，不利于沥青的摊铺，且增大路面损坏的密度[1]。

2 高速公路养护施工决策最优化设计模型

高速公路的养护措施决策优化包括两个方面，即高速公路养护管理体系的最优化和机械组合的最优化。这就需要对高速公路的使用添加一定的约束条件，例如沥青路面损坏程度的约束、车流量通行的约束等。

2.1 高速公路养护施工管理与机械组合要求和约束指标 该要求的优化目标是寻找有效的养护对策，在约束条件的限制下，指定维修和路面养护计划。所要求的数据资料有交通量、路段长度、路面类型、设备租买、材料预计、人力准备、路面状况各个评价指标等。对于路面养护施工管理系统，主要是协调各个部门的人力资源、设备、材料等对路况进行调查、评价，在相应时间内作出效果最佳的养护对策和计划。

高速公路的不同路面状况、不同路面损坏类型、不同路面损坏密度都会影响到决策的设计，一些相关的约束指标因此受到重视。日常养护维修的施工时间应在2 - 4 （h・ km -1），施工成本应控制在0.5 （万元・km -1 ）。局部挖补、铺盖3cm罩面耗时较短，稀浆封层和磨耗层耗时比较长。引用数学期望E值来测评高速公路养护的决策。对于高速公路路面状况基本良好，但抗滑性能不足，E值在30，此时可安排日常维修。对于路面凹凸不平、接缝处平整性不足、路面破损较为严重，则需采取局部或者大面铣刨，铺盖稀浆封层以及磨耗层。

2.2 高速公路养护施工管理系统流程 高速公路路面养护的管理系统流程包括调查仪器的采用、数据采集、数据分析、数据传送等。采用相关电脑数据统计软件，打开最优值的计算程序，负责人仅需把高速公路各路段的数据收集好并录入Access数据库中，记录成表，根据路况的路线确定每一个区段的养护时间、资金的合理分配以及相关工作人员的合理安排，以便于分析和观察。在明确给定的养护资金限额下，用线性规划确定每一个区段的最优养护施工的短期、中期、长期养护计划，大大提高公路使用的耐久性并且有效地控制养护资金。最后，由负责人在电脑上输出高速公路每一个区段的最佳资金分配、最佳工作人数分配、时间的最佳安排。此过程可进行不断地修改与调整，路况的现实情况也可作为一个反馈促进养护施工设计的优化。

2.3 高速公路掩护施工组织与机械组合最优化设计

2.3.1 组合安全作业最优化设计 解决组合安全作业最优化设计的理论依据是数学模型。可设定路面不同损坏程度为A 1，A 2，A 3 ……，A m，养护方法和机械的组合方式有B 1，B 2，B3，……，B n ，因此针对每种损坏程度所采用的养护方法和机械组合可设定为a ij ，施工时间可用b m 表示，以养护方法所需的时间为施工决策的变量 X j。得公式如下：

Min Z = x 1 + x 2 + x 3 + …… + x n

∑a ij x n ≥ b m

（n = 1 ， 2 ， 3 ，……，N）

2.3.2 组合使用成本最优化设计 和组合安全作业最优化设计方法一样，设定路面的不同损坏类型分别为，A 1，A 2，A 3 ……，A m，养护方法和养护机械的组合方式为B 1，B 2，B3，……，B n ，针对每一种路面损坏类型所采用相应的养护方法和养护器械组合为a ij ，为使施工成本降到最优值，设定施工成本为b’m 。高速公路养护施工组织与养护器械组合投资成本最优化的数学模型公式如下：

Min Z = x 1 + x 2 + x 3 + …… + x n

∑a ij x n ≥ b’m

（n = 1 ， 2 ， 3 ，……，N）

2.4 沥青路面摊铺 对于沥青的摊铺要选择恰当的摊铺机，所采用的原料要严格检验。此外，还要按照指示边桩和标高进行摊铺，控制好地基铺筑厚度，使得桥路接缝处更顺治、紧密。热拌沥青混合料的摊铺要严格按照操作规程控制，对每个路面保养区段分配专人进行检查，其内容主要包括压实温度、沥青混合料的颜色、配比情况，对每一项检查均认真做好记录。当施工环境气温大于等于10°C时，沥青的摊铺温度应大于等于120°C，碾压开始的温度应大于等于110°C，碾压后的温度应降低到70°C以下。热拌沥青混合料的碾压顺序由桥梁接缝处开始碾压全路，机械应选择轻型，然后进行第二次复压，机械改为重型，最后一次终压，机械改为轻型，机械轮迹重叠宽度不应该超过200 mm。

结束语

高速公路路面的养护施工是工程的重要环节，其对于提高公路使用的安全性、耐久性、适用性有着非常大的帮助。对于高速公路养护施工组织与机械的最优化组合决策，就是把施工方案的执行更加符合经济性和合理性。从组合安全作业最优化和使用成本最优化这两方面进行施工决策设计，提供的数学模型能高效地解决路面断裂、翻浆、接缝处出现横裂或者资金有限、分配不足等问题。完善的高速公路养护施工管理系统流程有利于负责人把项目的每一环把握到位，提高施工的效率，减少成本，使现有资金得到高效分配。

不同高速公路损坏路段有不同的养护方案和养护工具，施工者应具体问题具体分析，选择最优的养护方案和养护工具，作出最优化的决策。

参考文献

[1] 潘玉利.路面管理系统基础教程.[M]北京：人民交通出版社，2002 .