水泥混凝土路面养护决策综述

范瑛宏，彭 鹏，侯子义，闫倩倩

(1.河北工业大学土木工程学院;2.交通运输部公路科学研究院)

1 路面使用性能评价模型

1.1 PSI模型

PSI模型是世界上第一个评价路面使用性能的模型，首次将路面在一定时间范围内的性能进行系统量化，是美国实施的AASHO道路试验的最重要的研究成果之一。在文献中论述建立PSI模型时，考虑了与公路有关、职业不同的各种评价人员组成一个多人的专家组。利用数学方法建立道路检测人员对试验路段的路面损坏状况与专家评价的结果之间的数学关系，并确定相关的参数，得出了水泥混凝土路面服务能力指数PSI的计算公式，其模型主要包含3个可变参数

式中:SV为轮迹处平整度离散度;C为裂缝度，m2/1 000 m2;P 为修补度(Patching)，m2/1 000 m2。

从模型参数上看，PSI模型实际上是与平整度主相关的行驶舒服性的模型。PSI评定的结果能够客观的反映路面的整体技术状况，但是却不能确定具体是哪一种指标导致了PSI值的变化。

1978年，日本道路协会借鉴了AASHO的建模方法，又结合了本国内路面的损坏特点，去除了路面修补度，并将路面裂缝度换成了路面裂缝率，对美国的PSI模型参数进行标定，形成了如下公式的PSI模型

式中:σ为纵向平整度标准偏差，mm;C为裂缝率，%;D为车辙深度，cm。

与美国不同的是，日本的PSI模型对于路面的裂缝和车辙较为重视，而对路面的平整度的比重较轻。

1.2 MCI模型

1981年，日本建设省土木研究所的研究员饭岛等，在参考美国和日本的PSI的基础上，研究出养护管理指数MCI。采用由道路管理人员组成的专家组对道路进行现场评价，考虑路面平整度、裂缝率和车辙对道路的养护管理和需求的影响。利用数学统计得到了MCI的模型，计算公式为

式中:MCI为养护管理指数，0～10;C为裂缝率，%;D为车辙深度，mm;σ为平整度，mm。

按照饭岛的解释，由多个关系模型的联合使用可以使得评价的结果更接近于道路实际的状况，其缺点是多种关系模型处理不同的路面状况给应用带来了混乱。可以这样说，日本的MCI模型是美国PSI模型思路的延续，同时也包含了一些模糊不定的创新意识。

1.3 PCI模型

美国军队工程研究室采用扣分法来建立路面状况评价模型PCI，即该模型考虑各种损坏的扣分及重复损坏的影响，PCI模型为

式中:PCI为路面状况指数;a(i)为损坏类型;i为破损类型;j为严重程度;p为总破损类型;m(i)为第i中破损的损坏数量;F(t，q)为重复破损修正系数。

由上式可以看出，美国的PCI模型没有反应出平整度的影响，仅仅根据专家评分确定单项扣分值和重复损坏修正系数，这种方法的优点在于能够准确的计算和折算出多种损坏所导致的总体的损坏程度。可以说PCI模型克服了日本MCI模型的缺陷，在理论上是比较完整和严谨的。

20世纪80年代末，我国依据沥青路面特点并结合国外经验，建立了PCI路面评价模型，并且交通部公路科学研究院在河北和浙江等有关地区选择试验路段进行试验。通过试验的数据分析，建立了如下模型

PCI=10-α1DR0.33-α2［log(1+BI)］8.49

式中:PCI为路面状况指数;DR为路面破坏率，%;BI为道路平整度(颠簸累积仪检测数据)，m/km;α1模型参数，取0.73;α2为模型参数，取0.000 042 2。

我国早期建立的PCI路面评价模型，包括路面损坏指标DR和行驶舒适性指标BI，概念上存在模糊。为此，潘玉利、曾沛霖提出了我国普通公路网级路面系统的基本构架及模型。同济大学和北京、广东省公路管理局合作进行了路面管理系统的研究工作，并且参考了美国的一些系统评价指标、方法和标准，确定了对路面进行大中修的对策。当前，在全国范围内，被广泛使用的是由交通部公路科学研究所开发的路面管理系统，该系统是基于回归技术的一个网级路面管理系统。我国利用CPMS评价模型的研究成果和参考国外的优秀经验，建立了对水泥混凝土路面使用性能的评价模型，是选取了路面损坏状况(PCI)、平整度和抗滑性三个指标，然后分配不同的权重值进行加权求和即可得到PQI的值来评价水泥路面的使用性能。我国的PQI模型将PCI模型作为一个评价的指标，再综合权重值，计算到PQI模型中。

1.4 其他模型

除上述模型外，还有一些国外的具有代表性的研究成果，如美国加利福尼亚州路面管理系统，采用平整度、路面损坏和抗滑能力三个单项的指标建立的决策模型;亚利桑那州路面管理系统，选取平整度和开裂两方面使用性能的四项参数(现有平整度、现有开裂量、上年度开裂量的变化、初裂指数)建立的模型;华盛顿州的系统是采用平整度和损坏状况两项指标，将两者组合成一项综合的评分指标R;犹他州选择服务能力指数、损坏状况指数和结构能力指数，采用不同权重建立了一个FI模型;加拿大阿尔伯达省的路面信息和需求系统，采用目测路面状况指数(VCI)、行驶舒适性指数(RCI)、结构能力指数(SAI)三项指标，并将这三项指标综合成一个总的路面质量指数(PQI)模型等等。

2 养护决策

2.1 排序法

运用排序法分析时，首先要把需要养护的道路划分成不同的路段，然后确定排序的指标，对各个路段的路面状况进行评价，并且对其进行排序，根据排序的结果做相应路段的养护方案。文献中采用经济指标排序和技术指标排序，其中经济指标选取了净现值(NPV)和效益费用比(BCR)，NPV或者BCR的值越大，则经济性越好;技术指标选取了道路重要性、路面平整度(RQI)、路面损坏(PCI)、路面结构强度(PSSI)、抗滑性能(SRI)和年平均日交通量(AADT)，从工程技术角度分析哪些路段需要处治。文献中建立了优先次序指数PIDX对路面养护质量评价，并且将所有的路段按PIDX由小到大进行排序，排在前面的应优先进行养护。文献中采用排序的方法，结合灰色物元分析法对路面进行评价和排序，即是首先确定一个最佳事物灰元作为参照物，然后将待评价的各个路段与之进行对比，从而可以选出最佳的路段和最差的路段，这样就可以对各个路段的养护进行优先排序。在文献中采用的排序法是结合了优化法进行养护决策的。可以根据路面的使用性能指标进行排序，如PSI、PCI等;可以根据经济分析参数进行排序，使得结果达到最优;也可以利用数学模型分析，按照总费用或效益进行排序并优化，确定最佳的养护和改建措施及最佳的资金分配方案的分析。

2.2 决策树

在养护决策过程中，决策树法是相对比较简单和直观的方法，并且容易理解和操作。同时，可以对各种因素进行不同的组合分析，提出可能的对策，再结合实际调查和工程师的经验，能够全面的分析得出不同路段的养护措施。文献中首先是选取一个或者一组技术上可行的养护方案，这些方案需要考虑分析年限，且在一定的分析年限内可能进行多次处治，因而就形成了不同的养护方案，这样就可以根据工程师的经验形成决策树，之后再运用其他方法进行分析和优化。文献在建立决策树时，选取了6个基本因素(公路等级、AADT、PCI、RQI、PSSI、SRI)，并将强度和抗滑指标分为足与不足两类，其他的指标分三类，然后，根据决策树模型进行各种组合条件的综合考虑，并在各分枝的末端给出相应的养护措施。文献中依据道路等级、路况等各种因素，将路网进行分枝、细化，并在分枝末端给出了各种组合条件下的可能处治对策。最后，结合湖南省某高速公路的养护实践，确定了水泥路面的养护决策树模型，分析得出水泥混凝土路面病害之间的密切联系。文献中依据路面使用性能评价方法和标准，采用决策树的方法建立了江苏省高速公路路面大中修的养护技术决策体系。根据文中列出的大中修技术方案集，再结合经济、环保、交通等因素，确定最优的大中修养护技术方案。

2.3 经济分析法

随着经济分析法在道路养护决策中的应用，一些管理部门开始采用寿命周期费用分析的方法来评价养护措施，并且将养护维修的公路和用户效益定量化，依据对不同路段的不同措施进行经济分析的结果进行决策。文献中采用的是以经济分析原理为基础的寿命周期费用分析法，来评价可供选择的养护方案的长期的经济效率，以便选出费用最低、效益最高的养护方案。主要采用的经济分析方法有现值法、年费用法，并建立了养护费用模型、用户费用模型等来分析。文献中采用了费用—效益边际分析法，对不同的养护方案的投资分配和不同的修复方案进行效益分析。建立了包括管理部分费用、用户费用、外部费用的费用模型，并设定合理的折现率，进行转换比较。利用费用现值和效益现值作为经济分析的评价指标。文献中在确定最佳的养护方案时，利用一些经济模型预测各个养护方案的时间费用、道路总用户费用和道路的养护费用等。根据预测结果和工程技术经济指标，计算得到各个养护方案的效益净现值NPV或效益费用比BCR，来确定道路的最佳养护方案。最后，还利用敏感分析和风险分析，得到影响NPV或BCR值的重要参数。文献中论述了运用年度等额费用法、净现值法、投资回收期法、效益费用比法、内部收益率法等工程经济分析的方法，并分析各自的优缺点，以便获得最优的养护决策。同时，为了确定最优的养护措施和最佳的养护时机和顺序，又进行了经济效益分析，主要通过计算成本和效益来实现。

2.4 其他方法

随着路面管理系统的应用和推广，工程经济分析方法被广泛的应用于项目级道路的养护决策分析中，其中主要的还是排序法和决策树法。除此之外，各种数学规划的方法也得到了应用，如线性规划、动态规划、马尔可夫决策规划等等。另外，还可采用人工智能的方法弥补数学规划模型解的不稳定性，即可以优化决策，主要有遗传算法、人工神经网络、模糊集理论、灰色系统理论等等。

3 结语

(1)建立对现有水泥混凝土路面的性能进行评价的模型主要目的是为了调查确定路面的损坏类型及原因，确定路面的各个路面的检测指标值，通过路面的评价模型，提出推荐的具体养护措施，为公路的养护管理部门进行养护决策提供依据。文中列出的一些评价模型，因考虑和侧重的评价指标不同，因而存在各自的优缺点。但是，随着科技的进步和研究的不断深入，使得对路面的现有性能评价更加准确，能够更好的为养护管理部门进行养护决策。

(2)采用排序法的优点在于能够很清楚的确定对所分析道路的影响效果最大的那个评价指标，对于根据经济指标排序，可以直接确定不同路段的养护次序或不同养护方案的选择，而缺点是在选择项目时通常没有考虑项目之间的效益和实施时间的影响;采用决策树进行养护决策的优点在于能够很好的利用经验，并且采用的方法也可以很好的适应当地区域的条件，这种方法比较简单、易于理解和应用。但是，它的缺点也比较明显，即不能完全考虑影响养护决策的所有因素，且分枝的标准粗、绝对化，也不合适开发和适用新的处治措施，同时也不能够对不同的养护措施进行评价，无法定量的分析决策树提供的方法是最优、最合理的;在养护决策过程中，利用经济分析的方法，能够准确的计算出各个养护方案的费用及效益问题，更好的评价养护措施的好坏，可以定量的分析方法的合理性。但是，采用定量的分析方法的话，就会加大计算的麻烦。

(3)通过对一些文献中涉及的有关养护决策方法和模型的分析，总结了水泥混凝土路面养护决策的过程。综合各篇文献的分析，进而得出了进行水泥混凝土路面养护决策的过程中应该将各个方法综合运用，以便使养护决策过程能够准确的确定最佳的养护措施。

(4)对于道路的养护管理部门来说，应根据道路的等级、路面的使用性能、经济条件等综合因素，确定最佳的养护时机，采用排序法和决策树的方法并结合经济学分析方法，以最优化的方式利用有限的资金，做出正确合理的养护，能使路面的使用寿命得到延长，同时也能够提高路面的使用性能，产生巨大的经济效益和社会效益。

［1］ 冯德成，邹南昌，王彩霞.公路路面养护对策的确定方法［J］.东北公路，1998，(3):52-54.

［2］ 李莉娟.基于预防性养护的山区高等级公路路面使用性能预测和养护决策研究［D］.重庆交通大学，2012.

［3］ 邹昌敏，安永娜.浅谈水泥混凝土路面的养护措施［J］.黑龙江科技信息，2011，(13):235.