基于交通轴载数据的校验与模型建立

王 雨， 陆 韬

(浙江省交通集团检测科技有限公司， 杭州 310000)

交通荷载是影响路面使用性能与寿命的关键因素之一，不同类型与轴重的车辆会产生不同级别的轴载，交通荷载的大小直接决定病害的发展程度与速度。因此，交通荷载已经成为路面设计与养护工作中的一个重要因素[1-3]。

随着我国经济社会的发展与高速路网的不断延伸完善，高速公路上通行车辆的类型日渐复杂，轴载分布情况众多。我国高速公路采取联网收费制度，在高速公路网内设置了大量的互通及收费站，形成封闭式路网。联网收费系统采用称重系统完整记录了进出收费站车辆的详细称重信息，为建立路网的交通量与轴载参数信息提供了强大的数据支持[4-5]。

我国早期路面结构设计中，多根据以往少量的调查数据分析确定各类车辆代表车型的轴重典型值，再利用当量轴载换算公式将混合交通换算成当量轴载作用次数，易导致计算得到的当量轴载作用次数不能很好地反映实际情况[6-7]。

本文选取某省一段高速公路作为研究对象，利用高速公路联网计费称重系统采集到的车辆类型及轴重等相关数据进行当量轴载换算，进行交通荷载参数分析，提出缺失轴载数据的还原方法，建立基于贝叶斯理论的计重收费轴载数据计算模型，计算确定轴载谱和当量轴载换算系数，从而更客观、精确地反映交通荷载特性，为路面结构设计、养护与营运工作提供更精确客观的交通荷载特性数据[8-11]。

1 轴载数据采集

1.1 数据采集架构与传输

轴载数据采集依托于智慧高速的营运数据采集系统，该系统分3层架构，自下而上分别为：收费站—公司—集团，最终汇集至智慧高速数据库。

轴载数据传输策略分为3种，分别为：1) 整表传输，主要传输营运系统基础数据；2) 实时传输，主要传输一些实时数据；3) 增量传输，主要传输统计分析数据及非实时性数据。

1.2 数据采集内容

营运数据采集系统的数据主要为基础数据与业务数据。基础数据包括高速公路、公司、收费站、收费车道等基础信息，业务数据包括入口车道原始过车记录、出口车道原始过车记录、轴载原始记录、流量等业务信息[12-13]。

2 轴载数据整理

2.1 完整性校验与格式统一

原始营运数据传输至智慧高速数据库后，需对收费站采集的原始营运记录完整性进行校核。采用收费站出入口数据对比的校验方法，校核内容主要包括出入口车道原始记录数量与出口原始记录收费总金额是否一致。

计重收费数据格式的统一有助于后续数据分析。根据国家标准用数字编号给每类轴型命名，该省公路网中车辆的轴型主要有7种，轴型与编号的对应关系见表1。在本研究中，编号3、4、6三种轴型占比极低，因此对其做以下处理：将编号3、4转化为编号5，编号6转化为编号7进行分析。

现行JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》提出了车辆类型的分类方法，具体共11类，见表2。

在当量轴载换算过程中，每个轴型都有一个不同的轴组系数与之对应。本文通过对车辆轴数、车辆种类、各轴重量的分布情况等进行分析，并参考表2车辆分类方法，确定出车辆类型。其中1类车型较轻，对路面造成的损害较小，本文不考虑其影响。

表1 轴型分类

表2 车辆类型分类[14-15]

在营运系统采集的信息中，车辆信息数据主要存储在入口车道、出口车道原始过车记录、轴载原始记录中。其中，出口记录的车道编号、日期、流水号为组合关键词，依次对应轴载记录中的车道编号、日期、流水号，从而实现2个记录的关联；入出口记录的所属路段、路段区间、行驶方向通过二义性路径计算得出；出口记录的车辆类型通过轴载记录计算得出；轴载记录的车辆类型通过出口记录的车辆类型得出；轴载记录的轴载区间通过单轴轴重计算得出。对营运系统采集的数据进行格式统一，以便后续分析。

2.2 无效数据清洗

受前端称重设备误差、收费模式(客车不称重)的限制以及JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》的要求，营运系统采集的数据存在部分无效数据[16]，主要包括：

1) 1类车数据。根据JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》，只分析2类～11类车辆，因此，在出口记录和轴载记录中将1类车相关数据清洗剔除。

2) 轴型不符数据。在轴载记录中，如轴型未正确识别，则标记为0，需将这部分数据清除，同时清除出口记录中的对应数据。

3) 车辆类型不符数据。根据轴载记录判别车辆类型，如车辆类型在规范规定分类之外，则需清除，同时清除出口记录中的对应数据。

4) 轴重异常数据。根据规范眼球，在轴载数据中，如出现单个轴组的轴重数据超出该轴型最大区间，则需清除，同时清除出口记录中的对应数据。

5) 轴载记录缺失数据。客车车辆在现行的收费模式中不采用计重收费模式，因此，在出口记录中无法获得全部客车的轴载数据记录。针对这部分数据的处理方法不是简单的清除，而是保留出口记录，根据比例进行还原。除此之外，内部工程车等特殊车辆因不收费也存在轴载数据缺失的情况，这部分数据也需清除。

3 轴载数据计算模型建立

以某省已建成通车的高速的公路甲为研究对象，经收集智慧高速数据库中该路的相关数据，得到其在各收费站点完整的车辆出、入口信息。利用前文提到的方法对轴载数据进行整理与格式统一，依据现行JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》中轴载数据的计算方法，基于贝叶斯理论，通过计算机编程建立相应的计算模型，实现对车辆类型分布系数、轴载分布系数、当量轴载换算系数等参数的分析计算。

3.1 车道系数

车道系数指某一车道上2类～11类车辆数量在该方向上2类～11类车辆数量中所占比例。根据JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》，并结合高速公路甲的实际情况，确定车道系数取0.8。

3.2 车辆类型分布系数

车辆类型分布系数是指2类～11类车辆中，各类型车辆的数量在2类～11类所有车辆数量中所占比例。基于高速公路甲上行方向搜集的完整轴载信息数据，计算了其上行方向每种车型的数量所占百分比，见表3。

3.3 平均轴数

由于同一车型其轴载组成方式可能不同，为了计算各类型车型的平均轴数，必须对各类型车辆的轴载组成进行全面分析。本文以高速公路甲上行A-B段为例，利用计重收费系统采集的车道上车辆类型、轴型组成和轴重数据，分别计算了高速公路甲上行方向各类车辆中不同轴型的平均轴数，见表4。

表3 车型数量占比

表4 高速公路甲(A-B段)各类车辆不同轴型的平均轴数

3.4 轴重分布系数

轴重分布系数是针对固定车型和轴型，轴重位于某一轴重区间的轴数占总轴数的百分比。在确定轴重分布系数前，需给每种轴型配置适当的轴重间隔，合理把握精确性与繁琐性之间的平衡，使得既要满足设计分析的精确要求，又要便于计算分析。根据现行JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》，确定轴载谱，给每种轴型配置适当的轴重间隔，单轴单胎、单轴双胎、双联轴和三联轴分别间隔2.5 kN、4.5 kN、9.0 kN、13.5 kN划分轴重区间，按照该轴重间隔，计算高速公路甲A-B段上行方向各类车辆不同轴型的轴重分布系数。

3.5 当量轴载换算系数

当已知各类车辆和各种轴型的轴载谱时，采用以下公式计算各类车辆的当量轴载换算系数：

(1)

式中：EALFm为m类车辆的当量设计轴载换算系数；NAPTmi为m类车辆i种轴型的平均轴数；EALFmij为m类车辆i种轴型在j级轴重区间的当量轴载换算系数；ALDFmij为m类车辆i种轴型在j级轴重区间的轴重分布系数；m的取值为2类～11类车；i的取值分别为单轴单胎、单轴双胎、双联轴、三联轴。

根据式(1)计算各种轴型在不同轴重区间的当量轴载换算系数时，取各轴重区间中点值作为该轴重区间代表轴重：

(2)

式中：Ps为m类车辆i种轴型在j级轴重区间的单轴轴载，对于双联轴和三联轴，为平均分配到每根单轴的轴载；b为换算指数，分析沥青混合料层疲劳和沥青混合料层永久变形时，b=4；c1为轴组系数，双联轴取2.1，三联轴取3.2；c2为轮组系数，双轮组取1.0，单轮时取4.5。

通过计算得出高速公路甲上行方向A-B段的当量设计轴载换算系数，结果见表5。

表5 各类车辆的当量设计轴载换算系数

根据表5中计算得出的各类车辆当量设计轴载换算系数，按式(3)计算初始年设计车道日平均当量轴次。

N1=AADTT×DDF×LDF×

(3)

式中：AADTT为2轴6轮及以上车辆的双向年平均日交通量，辆/d；DDF为方向系数；LDF为车道系数；m为车辆类型编号；VCDFm为m类车辆类型分布系数。

根据初始年设计车道日平均当量轴次N1、设计使用年限等，按式(4)计算设计车道上的当量设计轴载累计作用次数Ne。

(4)

式中：Ne为设计使用年限内设计车道上的当量设计轴载累计作用次数；t为设计使用年限；γ为设计使用年限内交通量的年平均增长率；N1为初始年设计车道日平均当量轴次，次/d。

通过计算得出高速公路甲上行方向A-B段的设计轴载累计作用次数，结果见表6。

表6 当量轴载作用次数

4 缺失轴载数据挖掘

4.1 数据还原方法

前文已针对高速公路甲上行方向A-B段，建立了基于轴载数据完整情况下的计重收费轴载数据计算模型，但因高速公路管辖所属不同，会造成轴载数据缺失问题。以某年度高速公路甲下行方向B-A段为例，现阶段收费站轴载信息获取率仅为40.9%，无法精确计算和反映实际轴载情况，因此，需采取有效方法对缺失的轴载数据进行挖掘。

本文基于车辆档案的数据还原方法，利用大数据平台的分析能力，为车辆建立车辆轴型档案，并利用车辆轴型档案对缺失数据进行挖掘补充。基本实施方法如下：

1) 利用大数据平台分析处理能力，根据车牌对所有轴载数据进行分析，建立车辆的轴型档案，包含车牌、车辆类型、轴序号、轴型、加权平均轴重、轴载区间等信息；2) 获取该年度可能经过A-B段的所有入口记录；3) 清除该年度不经过A-B段的所有入口记录；4) 获取该年度下行方向经过B-A段的部分车辆的轴载记录；5) 补充该年度下行方向经过B-A段车辆的缺失记录，并根据入口记录的车牌和车辆轴型进行补全和还原；6) 根据完整数据的模型计算补全后的轴载数据。

4.2 实例应用分析

以高速公路甲下行方向B-A段为例：该年度A、B两个收费站之间所有收费站入口记录获取数量共计7 862 068条，同时匹配到此区间内的4 385 542条出口记录，表明最终有3 476 526辆车经过了B-A收费站。根据集团智慧高速数据库内所有收费站的出口和轴载数据，共获取到1 422 071条数据，其中1类车1 251 083条，2类及以上169 536条，轴型错误数据1 442条，其余不在集团管辖内收费站出高速的车辆数据需要进行还原，总量为2 054 455条，其中2类及以上共1 250 695条记录，车牌识别错误记录为100 108条，错误率8%。对1 150 587条正常车牌记录进行车辆档案关联后，成功关联1 006 461条记录，成功率87.4%，其中1类车数据829 398条，2类及以上数据177 063条。最终获取高速公路甲下行方向B-A段轴载记录346 599条，相比于上行方向A-B段419 780条记录，基本处于同一流量水平，满足模型计算要求。

通过计算得出高速公路甲下行方向B-A段的设计轴载累计作用次数，结果见表7。

表7 当量轴载作用次数

5 结束语

本文以某省一段高速公路甲双向A-B段沿线收费站计重轴载数据为基础，利用计算机编程，研究建立了计重收费轴载数据的计算模型，得到以下认识：

1) 基于智慧高速营运数据采集系统和轴载原始记录等，进行整理和校核，统一数据格式，剔除无效数据，提出了关于计重收费轴载数据的采集要素与数据完整性的校验方法，确立了5类无效数据的清洗原则。

2) 围绕已通车高速公路，建立车辆轴型档案库，对车辆历史轴载数据进行收集整理。依据现行JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》，基于贝叶斯理论建立轴载计算模型，得到当量设计轴载累计作用次数。

3) 提出车辆缺失轴载数据的还原方法，对因高速公路运营管辖所属不同所造成的轴载缺失数据进行有效补充和完善。