基于组合模型对高速公路路面使用性能的预测研究

基于组合模型对高速公路路面使用性能的预测研究
夏昌浩;张丽梅;崔文慧
【摘要】本文系统地总结了国内外高速公路路面使用性能预测模型的研究现状，本着利用组合预测方法提高预测精度和降低预测风险的思想，提出了衰变模型和马尔可夫概率模型的组合模型，以广东省北环高速公路为实例证明该组合模型的可应用性。

【期刊名称】《河北企业》
【年(卷),期】2016(000)010
【总页数】2页(P20-21)
【关键词】路面使用性能;衰变模型;马尔可夫概率模型
【作者】夏昌浩;张丽梅;崔文慧
【作者单位】河北科技大学研究生学院;河北科技大学研究生学院;河北科技大学研究生学院
【正文语种】中文
【中图分类】U418
高速公路质量检查与评定，是公路养护技术管理中的重要内容，是保证公路养护质量的有力措施。

高速公路养护质量指数应经常保持80以上，低于80时各分项指标(RQI、PSSI、PCI、SRI)均应保持75以上。

当MQI分项指标值低于75时，必须采取相应的维修措施，改善路况，提高高速公路的服务水平。

路面使用性能预测主要有确定型模型和概率型模型。

确定型模型采用单一模型的评
判标准，预测结果往往不准确；概率型模型不能很好地确定初始评判标准，在实际应用中不能体现该段路实际养护前后路面使用性能。

综上提出两种模型相结合方法，能够较准确地预测出养护规划前后路面使用性能的优良程度。

其中确定型模型采用最为普遍的衰变模型，根据路面检测历史基础数据，分别对各项指标（RQI、PSSI、PCI、SRI）进行预测，确定初始评判标准。

概率性模型采用马尔可夫模型，该模型主要是根据目前系统所处状态得到系统未来可能达到的某种状态的概率。

1.衰变模型建立。

预测时按照以下步骤进行：
（1）采用衰变预测模型，根据路面检测的基础数据，分别对各项指标（RQI、PSSI、PCI、SRI）进行预测。

（2）将（1）得到的指标作为马尔可夫概率模型的初始指标，再根据单属性测度
值函数，确定马尔可夫初始时刻各状态指标的初始概率分布。

（3）结合衰变模型和马尔可夫模型的初始状态分布，依据状态指标的预测值，确定马尔可夫转移概率矩阵。

（4）以年时间刻度，根据状态转移概率矩阵，预测从现状到为了路面性能的发展变化，依此作为养护决策的主要依据。

式中：PPI：为路面使用性能指数
PPI0：为初始性能指数
y：为路龄
α、β：为模型参数。

将式（1）中的PPI用各指标替换，即可得到路况指数预测方程。

式中α、β是两
个大于零的回归参数，α代表了路面寿命的长短，β决定了曲线的形状，它们的数据可由观测数据回归而得。

2.马尔可夫模型建立。

马尔可夫概率预测模型是根据目前所处状态，采用马尔可夫
链得到未来可能达到的某种状态的概率。

路面使用性能预测需要综合性评判标准，采用该模型很好的综合性预测出该段路养护规划前后的使用性能。

具体的转移概率矩阵如下：
以年为时间刻度，将衰变模型的确立的基年作为马尔可夫概率预测的初始时刻，分别计算综合评价指标在该年度的属性测度值，将其作为路面性能状态分布值。

即：现在系统在基年和基年后的状态分布，求转移概率矩阵P。

3.单指标属性测度分析计算。

根据我国高速公路路面使用性能评价标准，将CK分为C={C1,C2,C3,C4,C5}={优，良，中，次，差}，而评价指标集根据现场实际的调查情况，我们采用I=I{I1,I2,I3,I4,I5}={RQI,PSSI,PCI,SRI}四个指标，单指标属性测度函数如下：
设路面评价指标的第i个指标值为t，单指标测度函数为μxjk( t)
根据上述公式可得出各个单指标的属性测度值。

北环高速公路于2011年开始通车，全长近22公里，该公路属于特重交通路段。

根据上述模型预测未来五年该路段使用性能。

我们采用2014年为基准年，利用2013年具体检测数据预测未来使用性能。

1.路面使用性能检测基础数据。

2013和2104年针对该高速公路进行使用性能检测，得到路面性能评价指标值，具体数据如下表：
2.衰变模型确立。

根据2013年路面检测数据，采用衰变模型预测对2014年进行预测。

根据预测模型公式(1)计算。

其中根据北环高速公路具体情况，拟采用α、β，具体如下表：
3.马尔可夫概率模型确立。

根据衰变模型对2015年路面使用性能预测数据，选取2015年为基准年，采用属性测度值分别预测出未来五年北环路使用性能预测数据。

（1）根据衰变模型预测2015年使用性能数据表如下：
（2）根据属性测度函数得出单属性测度数据如下：
根据交通部颁发的《公路技术状况评定标准》（JTGH20-2007）评定标准，参照其中的权重值w=(0.4，0.15，0.35，0.1），计算该段路2014年和2015年综合性评定标准，即系统的分布情况如下：
2014年：P0=(0.337，0.513，0.15，0，0）
2015年：P1=（0.236，0.595，0.16，0.009，0）
根据转移概率矩阵公式算的概率矩阵如下：
根据上述概率转移矩阵预测未来四年综合评价指标如下：
2016年：P2=（0.165，0.6443，0.1724，0.018，0.0003）
2017年：P3=（0.1155，0.67，0.190，0.024，0.0009）
2018年：P4=（0.081，0.68，0.203，0.035，0.001）
2019年：P5=(0.058，0.671，0.22，0.051，0.002）
从预测结果来看，北环高速公路未来五年道路等级绝大多数里程处于良性，其中中等级随着路龄的增加越来越多，必须采取相应的大修措施，以及有效的道路维护手段。

高速公路路面使用性能预测在高速公路路面管理系统中，起着承上启下的作用。

本文通过衰变模型和马尔可夫概率模型组合方法分析高速公路路面使用性能预测，并通过广东省北环高速公路实例进行验证，证明了该方法的有效性。

随着现代化科技在道路工程领域内的广泛应用，特别是高速公路的飞速发展，对路面使用功能提出了更高的要求，使路面使用性能的内涵得到不断丰富完善。

高速公路路面使用性能是指：在高速公路路面设计使用年限内，设计的标准交通量的荷载作用下和一定的气候条件下，高速公路路面的使用性能仍可以达到设计使用功能要求。

检测指标为：路面破损、平整度、横向力系数(车辙、抗滑性能)、结构强度四个指标。

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