基于预防性养护最佳方案的长期规划决策法研究

王志超

(辽阳市交通运输综合行政执法队，辽宁 辽阳 111200)

0 引 言

公路养护部门选择养护决策措施一般是根据过去的工程经验，这种方法并没有考虑到路面产生了病害类型以及病害的恶化程度。为此，本文提出了适合于对道路实施多次养护、节约成本、延长道路使用寿命的长期规划决策法，结合实体工程数据利用此方法可以确定每次养护的最佳措施和最佳时机，进而得到最佳方案。

1 长期规划决策法方案体系的建立

1.1 基本原理

长期规划决策法是通过计算不同方案的效益与相应费用，在道路生命周期内实施多次预防性养护，并以效益费用比最大化作为准则来确定每次预防性养护的最佳措施和实施的最佳时间，此方法既提高了道路的使用价值又节约了养护费用。

1.2 不同方案的波动模式

在整个道路生命周期内实施不同次数的预防性养护，每次实施时都可以选择不同的技术，实施任何一次养护后，相应的指标性能曲线产生波动，零养护和三种不同方案性能曲线的波动模式如图1所示。未实施、实施一次、实施两次、实施三次预防性养护的指标衰变曲线变化模式分别如曲线1～曲线4所示。

图1 不同方案性能曲线的波动模式

1.3 方案效益的确定

如果选择递减型指标，以PCI为例，其效益面积示意图如图2所示。其计算公式如下

EPCI=A+AT

(1)

BPCI=A/AT×100%

(2)

式中：n为分析年份；AADT为年平均日交通量；L为路段的长度；A、AT、EPCI、BPCI、PCIN、PCIR、PCImin的含义如图2所示。

图2 PCI的效益面积示意图

如果是递增型指标，以IRI为例，其效益面积示意图如图3所示，计算公式如下

(3)

BIRI=A/AT×100%

(4)

式中:A、AT、EIRI、BIRI、IRIN、IRIR、IRImax的含义如图3所示。

图3 IRI的效益面积示意图

当一些路面产生的病害相对复杂需要利用多个指标时，此时需要赋予不同指标各自的权重。根据工程实际以及不同预防性养护自身的特点，某种预防性养护技术其对车辙的效益是20%，而对裂缝的效益就不一定是20%了，公路养护部门根据路面病害特点以及性能衰减程度来选取指标权重。

总效益计算公式为

B总=BPCI×QPCI+BIRI×QIRI

(5)

式中：QPCI为PCI指标的权重；QIRI为IRI指标的权重；B总为总效益。

例如，一种预防性养护措施对车辙、裂缝、摩擦的效益分别为31%、18%、52%，权重定为55%、25%、20%，则总的效益计算如表1所示。

1.4 费用计算及最佳方案的选择

本研究采用的日常养护费用的模型[1]为：

MCn=x+y·(100-PCIn)AADTn

(6)

式中：MCn为第n年日常养护费用，元/m2/年；x，y为参数，根据实际情况标定；PCIn为第n年路面损

表1 总效益计算结果

坏状况指数；AADTn为第n年平均日交通量；n为年份。

总费用现值的计算公式为

(7)

式中：FC(n)为实施后第n年预防性养护费用；i为贴现率；PWC为总费用现值。

在计算出每种方案的费用后，折算成现值，把方案的效益与对应的总费用现值进行比较得出方案的CE值，选择最优方案，CE的计算公式如下：

CE=B总/PWC

(8)

式中：B总为总效益；CE为效益费用比。

2 长期规划决策法的应用

2.1 指标性能衰变曲线

本研究计算最佳方案选择路面状况指数(PCI)以及国际平整度(IRI)这两个评价指标。由于PCI是反映路面破损程度的综合指标，也是公路养护部门更注重的指标，因此把PCI的权重定的，相对要高为0.85，则IRI的对应权重为0.15，PCI、IRI的数值最低标准为80[2]。综合大量国内实体工程中道路的使用性能衰变规律，得到两项指标的曲线方程如图4和图5所示。

图4 零养护下的PCI衰变曲线

图5 零养护下的IRI衰变曲线

根据图4中的曲线方程得到新建公路运营对应PCI值，如表2所示。

表2 新建公路的PCI值

根据图4和图5中的曲线方程以及指标的最低水平80[2]，可以得出PCI和IRI达到最低标准时的路龄分别为4.5和10.6年，本文选择实施三种不同的预防性养护措施分别在道路运营2、3、4年时(表2)。根据大量国内工程数据以及不同预防性养护技术自身的特点，在不同时间实施时超薄磨耗层、碎石封层[3]、微表处[4]的寿命如表3所示。由于IRI权重较小是相对次要的指标，为了简化计算，对其采用相同的曲线方程，得出三种措施的IRI指标寿命如表3所示，且分别在公路运营2、3、4年时实施超薄磨耗层、碎石封层、微表处后的IRI值均为1.68、1.69、1.72 m/km。

表3 不同措施的寿命及费用

在实施第一次预防性养护之后，仍然选定在公路运营2、3、4年时实施第二次、第三次预防性养护，且为了简化问题，实施养护后各指标采用与第一次相同的衰变曲线，可以得到不同措施各指标在公路运营2、3、4年时实施的衰变曲线方程如表4所示。

表4 实施不同措施的性能曲线方程

2.2 最佳方案的分析

分析结果表明，整个道路生命周期内实施一次预防性养护的情况下在新建公路运营3年时实施微表处是最有效的方案，其CE值为0.019，此方案使道路的生命周期维持了6年。整个道路生命周期内实施两次预防性养护最有效的方案是新建公路运营第4年实施碎石封层，实施第一次养护后道路PCI变为100，之后运营2年实施实施微表处，其CE值为0.024，此方案使道路的生命周期维持了10.4年。同样，在整个道路生命周期内实施三次养护最有效的方案是实施三次预防性养护分别在新建公路运营4年、第一次养护后运营3年、第二次养护后运营3年都实施微表处技术，其CE值为0.026，此方案使道路的生命周期维持了13.3年。

本研究进行的实体工程计算分别是在整个道路生命周期内分别实施一次、两次、三次预防性养护，实施的次数越多相应的CE值越大。根据实施不同次数养护下的最优方案测CE值可以得到最佳方案CE随着养护次数增加的变化趋势如图6所示。

图6 不同方案水平下的最佳方案效益费用比CE变化趋势

3 结 论

鉴于在合适的时间实施合适的预防性养护技术可以有效的增加道路的生命周期、减少道路的维护成本、增加道路的使用价值，在考虑多个性能指标、交通量、不同措施的效益及费用的基础上，提出了预防性养护的长期规划决策法，运用此方法可以同时确定预防性养护各阶段的最佳措施以及措施实施的最佳时机。借鉴国内大量的实体工程，对长期规划决策法进行了验证，结果表明在道路生命周期内实施不同次数的预防性养护会得到不同的最佳方案，最佳方案的效益费用比会随着养护次数的增加而增大，体现出了长期规划决策法的优点。