道路路面性能预测
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道路路面使用性能预测
目录
1.使用性能概述 2.影响性能因素分析 3. 性能评价指标
4.使用性能预测模型与方法
2
1.路面使用性能概述
路面使用性能(Pavement Performance)的概念的提出
最早于1962年由美国各州公路与运输工作者协会(AASHTO)提出
路面使用性能的定义
对道路路面使用性能的一般理解是，路面为保障公路运输车辆的安全正常行驶 所具备的能力和属性。
5.使用性能预测方法应用实例
实例分析：
6.路面使用性能预测
综合指标
路面服务性能指数PSI （美国AASHO） 养护管理指数MCI （日本）
性能综合指标PQI
（中国）
；
3.性能评价指标
路面服务性能指数PSI （美国AASHO）
1958-1962 年 美 国 进 行 了 AASHO( 现 为 AASHTO) 道 路 试 验 , 产 生 了 AASHO道路设计方法,并提出了路面服务性能指数(PSI)的概念,以反映道路服 务水平。PSI评价模型将路面检测基础数据与专家评分方法结合起来 ,通过对 大量实测数据的回归分析,在专家调查评分的基础上,建立了PSI与路面状况的 关系。该指标最注重路面平整度的影响。
4.使用性能预测模型与方法
Байду номын сангаас
灰色理论的预测方法
可行性分析：对于路面使用性能预测系统而言 ,路面使用性能 的历史数据是己知的，影响路面性能的交通因素、气候因素、 工程因素等又是不确定的，导致路面使用性能变化速率的不 确定性，符合灰色系统的特征，因此可以采用灰色系统的预 测理论与方法分析研究路面使用性能的发展变化规律。
性能指标划分
从路面使用性能评价采用的指标来看，有单一评价指标和综合评价指标 两大类。单一评价指标是对路面使用性能的某一个方面进行衡量比较，综合 评价指标反映了路面使用性能的总体状况。
3.性能评价指标
单一指标
路面状况指数PCI 路面强度指数PSSI 路面行驶质量指数RQI 路面抗滑系数SRI
3.性能评价指标
5.转移概率矩阵确定 （1）根据性能评价结果得到2003与2004两年的路面性能状态分布。
其中各行分别表示RQI、PSSI、PCI、SRI等4项评价指标,各列分别表示“优、 良、中、次、差05个等级。
5.使用性能预测方法应用实例
实例分析：
（2）根据相应的综合指标权重计算综合2003,2004年的综合性能指标， 然后确定转移概率矩阵。
路面破损
路面弯沉
摩擦系数、横向系数 反光、炫目、能见度
2.影响性能因素分析
层 层 层 层 面 影响路面使用性能的因素很多，主要包括路面特征因素、交通因素、气候因 路面特征因素 类 类 厚 厚 材 型 型 度 度 料 素、工程因素等。在使用性能预测时，应充分分析考虑各种因素的影响，建立符 合道路实际情况的预测模型。 公路等级 交通因素 交通量 温度 气候因素 湿度 施工质量 工程因素 养护管理水平 路龄 其他因素 排水 绿化 面 基 面 基 路
式中：PCI、PQI、SSI、SRI都以百分制记, 为相应单项评价指标权重
4.使用性能预测模型与方法
确定性模型
经验模型 力学—经验模型 时间序列法
不确定性模型
概率模型：马尔可夫概率预测 贝叶斯概率预测 灰色理论的预测方法 人工智能：神经网络预测 遗传算法预测
4.使用性能预测模型与方法
灰色理论的预测方法
5.使用性能预测方法应用实例
灰色系统预测+马尔可夫概率预测的应用实例
主要思路： （5）该实例采用了属性综合评价的思想计算各单项指标的属性测度 （隶属度），属性测度函数与马尔可夫概率预测中的概率分布几的性质有 相似之处,通过属性测度函数可以很容易确定路面使用性能的概率分布。实 例就直接将路面使用性能的属性测度值作为系统状态的概率分布值。
概念提出：“灰色系统”的概念于1982年由邓聚龙教授提出 灰色系统描述：根据灰色系统理论,将信息完全已知的系统称 为“白色系统”，将信息未知的系统称为“黑色系统”，而 将部分信息己知、部分信息未知的系统称为“灰色系统”。 理论的核心思路：将己知的数据序列按某种规则构成动态或 非动态的白色模块，再按某种变换、算法来求解未来的灰色 模型。在灰色模块中，按某种准则逐步提高白度，直到未来 发展变化规律基本明确为止。此外，灰色系统预测模型采用 的不是原始数据序列，而是生成的数据序列。
主要思路： （ 1 ）采用灰色系统预测模型 ,根据路面检测的历史基础数据 ,分别对 各项指标(RQI、PSSI、PCI、SRI)进行预测； （ 2 ）通过路面使用性能评价 ,确定路面使用能现状分布情况 ,作为马 尔可夫概率预测中初始时刻各种状态的概率分布。 （3）结合灰色系统预测模型的预测结果和马尔可夫概率预测的初始 状态分布,依据评价指标的近期预测值,推算马尔可夫转移概率矩阵。 （4）以年为时间刻度,根据转移概率矩阵,预测从现状到大修(中修) 一个周期内路面使用性能的发展变化情况,作为路面养护决策的主要依据。
式中： δ ——纵向平整度标准偏差,mm； C——裂缝率,%； D——车辙平均深度，mm。
、 ； 、 、
3.性能评价指标
性能综合指标PQI （中国）
PQI是我国现行《公路沥青路面养护技术规范》中采用的综合指标。其 关于路面使用品质综合评价的思路通常用路面使用性能各分项指标的加权算 术平均值来定义PQI，即：
4.使用性能预测模型与方法
马尔科夫概率预测方法
路面性能预测分析：马尔可夫概率预测模型的核心内容是转 移概率矩阵，对一个具体路网而言，不同路面结构、不同交 通水平、不同路龄的路面具有不同的使用性能衰变特征，其 转移概率矩阵也是不同的。
5.使用性能预测方法应用实例
灰色系统预测+马尔可夫概率预测的应用实例
分析路面使用性能的必要性
分析研究公路路面使用性能，是进行路面使用性能评价和预测的前提，也是高 速公路路面养护管理决策的基础。
1.路面使用性能概述
路面使用性能的划分
功能性能 路面的行驶质量和服务水平 平整度
结构性能
结构承载力 安全性能 外观性能
路面结构保持完好的程度
路面结构抵抗外部荷载及环境因素作用 路面的抗滑能力 道路使用者的视觉印象
4.使用性能预测模型与方法
灰色理论预测模型
4.使用性能预测模型与方法
马尔可夫概率预测模型
模型简介：马尔可夫概率预测模型的基本原理是根据系统现 在所处的状态，采用马尔可夫链理论得到系统未来可能达到 某种状态的概率。马尔可夫链实质上是指具有无后效性的离 散型随机过程，无后效性即是系统在将来所处的状态只与系 统现在的状态有关，而与其过去的状态无关。
路 面 使 用 性 能 影 响 因 素
3.性能评价指标
明确性能指标划分的目的
路面性能评价是路面性能预测和道路养护决策优化的基础。
性能评价包括的方面
根据对于路面使用性能的分析，路面使用性能评价可以从路面功能评价 和结构状况评价两个方面来进行。路面功能评价包括行驶质量、服务水平评 价和安全性评价，结构状况评价则包括路面破损状况评价和结构承载力评价。
5.使用性能预测方法应用实例
方法运用概述
根据灰色预测模型,以四种路面使用性能评价指标（PCI、PSSI、SRI、 RQI）的历史数据作为预测原始数据序列，分别采用GM(1,1)模型进行预 测,并对预测结果进行对进行残差检验、关联度检验和后验差检验，如检验 主要指标达不到要求还需要进行残差修正。
本文利用灰色预测模型进行短期分析预测的有效性特性,以路面检测数 据的末年作为预测基年,采用基年的实测数据和基年后一年的预测数据作为 转移概率矩阵的确定依据。
沥青路面： 水泥路面： 式中： SV——平均坡度变化； C——路面裂缝面积， P——修补面积 RD——车辙平均深度，cm
；
3.性能评价指标
养护管理指数MCI （日本）
养护管理指数MCI是日本在20世纪80年代初建立的基于道路管理者的路 面使用性能评价模型,采用多元回归分析技术建立了MCI与道路平度、路面裂 缝情况、车辙等因素之间的非线性关系,MCI的取值范围为0-10。 MCI模型中 路面平整度因素影响较小，侧重从道路管理者的角度出发,主要通过路面破损 状况和车辙来反映道路行驶质量和服务水平的一项评价指标。
5.使用性能预测方法应用实例
实例分析 1.预测对象：建成于1998年底的四川省某高速公路一条长为1 km的
路段。 2.数据介绍：
5.使用性能预测方法应用实例
实例分析：
3.灰色预测模型的确立
5.使用性能预测方法应用实例
实例分析：
4.灰色预测指标结果
5.使用性能预测方法应用实例
实例分析：
目录
1.使用性能概述 2.影响性能因素分析 3. 性能评价指标
4.使用性能预测模型与方法
2
1.路面使用性能概述
路面使用性能(Pavement Performance)的概念的提出
最早于1962年由美国各州公路与运输工作者协会(AASHTO)提出
路面使用性能的定义
对道路路面使用性能的一般理解是，路面为保障公路运输车辆的安全正常行驶 所具备的能力和属性。
5.使用性能预测方法应用实例
实例分析：
6.路面使用性能预测
综合指标
路面服务性能指数PSI （美国AASHO） 养护管理指数MCI （日本）
性能综合指标PQI
（中国）
；
3.性能评价指标
路面服务性能指数PSI （美国AASHO）
1958-1962 年 美 国 进 行 了 AASHO( 现 为 AASHTO) 道 路 试 验 , 产 生 了 AASHO道路设计方法,并提出了路面服务性能指数(PSI)的概念,以反映道路服 务水平。PSI评价模型将路面检测基础数据与专家评分方法结合起来 ,通过对 大量实测数据的回归分析,在专家调查评分的基础上,建立了PSI与路面状况的 关系。该指标最注重路面平整度的影响。
4.使用性能预测模型与方法
Байду номын сангаас
灰色理论的预测方法
可行性分析：对于路面使用性能预测系统而言 ,路面使用性能 的历史数据是己知的，影响路面性能的交通因素、气候因素、 工程因素等又是不确定的，导致路面使用性能变化速率的不 确定性，符合灰色系统的特征，因此可以采用灰色系统的预 测理论与方法分析研究路面使用性能的发展变化规律。
性能指标划分
从路面使用性能评价采用的指标来看，有单一评价指标和综合评价指标 两大类。单一评价指标是对路面使用性能的某一个方面进行衡量比较，综合 评价指标反映了路面使用性能的总体状况。
3.性能评价指标
单一指标
路面状况指数PCI 路面强度指数PSSI 路面行驶质量指数RQI 路面抗滑系数SRI
3.性能评价指标
5.转移概率矩阵确定 （1）根据性能评价结果得到2003与2004两年的路面性能状态分布。
其中各行分别表示RQI、PSSI、PCI、SRI等4项评价指标,各列分别表示“优、 良、中、次、差05个等级。
5.使用性能预测方法应用实例
实例分析：
（2）根据相应的综合指标权重计算综合2003,2004年的综合性能指标， 然后确定转移概率矩阵。
路面破损
路面弯沉
摩擦系数、横向系数 反光、炫目、能见度
2.影响性能因素分析
层 层 层 层 面 影响路面使用性能的因素很多，主要包括路面特征因素、交通因素、气候因 路面特征因素 类 类 厚 厚 材 型 型 度 度 料 素、工程因素等。在使用性能预测时，应充分分析考虑各种因素的影响，建立符 合道路实际情况的预测模型。 公路等级 交通因素 交通量 温度 气候因素 湿度 施工质量 工程因素 养护管理水平 路龄 其他因素 排水 绿化 面 基 面 基 路
式中：PCI、PQI、SSI、SRI都以百分制记, 为相应单项评价指标权重
4.使用性能预测模型与方法
确定性模型
经验模型 力学—经验模型 时间序列法
不确定性模型
概率模型：马尔可夫概率预测 贝叶斯概率预测 灰色理论的预测方法 人工智能：神经网络预测 遗传算法预测
4.使用性能预测模型与方法
灰色理论的预测方法
5.使用性能预测方法应用实例
灰色系统预测+马尔可夫概率预测的应用实例
主要思路： （5）该实例采用了属性综合评价的思想计算各单项指标的属性测度 （隶属度），属性测度函数与马尔可夫概率预测中的概率分布几的性质有 相似之处,通过属性测度函数可以很容易确定路面使用性能的概率分布。实 例就直接将路面使用性能的属性测度值作为系统状态的概率分布值。
概念提出：“灰色系统”的概念于1982年由邓聚龙教授提出 灰色系统描述：根据灰色系统理论,将信息完全已知的系统称 为“白色系统”，将信息未知的系统称为“黑色系统”，而 将部分信息己知、部分信息未知的系统称为“灰色系统”。 理论的核心思路：将己知的数据序列按某种规则构成动态或 非动态的白色模块，再按某种变换、算法来求解未来的灰色 模型。在灰色模块中，按某种准则逐步提高白度，直到未来 发展变化规律基本明确为止。此外，灰色系统预测模型采用 的不是原始数据序列，而是生成的数据序列。
主要思路： （ 1 ）采用灰色系统预测模型 ,根据路面检测的历史基础数据 ,分别对 各项指标(RQI、PSSI、PCI、SRI)进行预测； （ 2 ）通过路面使用性能评价 ,确定路面使用能现状分布情况 ,作为马 尔可夫概率预测中初始时刻各种状态的概率分布。 （3）结合灰色系统预测模型的预测结果和马尔可夫概率预测的初始 状态分布,依据评价指标的近期预测值,推算马尔可夫转移概率矩阵。 （4）以年为时间刻度,根据转移概率矩阵,预测从现状到大修(中修) 一个周期内路面使用性能的发展变化情况,作为路面养护决策的主要依据。
式中： δ ——纵向平整度标准偏差,mm； C——裂缝率,%； D——车辙平均深度，mm。
、 ； 、 、
3.性能评价指标
性能综合指标PQI （中国）
PQI是我国现行《公路沥青路面养护技术规范》中采用的综合指标。其 关于路面使用品质综合评价的思路通常用路面使用性能各分项指标的加权算 术平均值来定义PQI，即：
4.使用性能预测模型与方法
马尔科夫概率预测方法
路面性能预测分析：马尔可夫概率预测模型的核心内容是转 移概率矩阵，对一个具体路网而言，不同路面结构、不同交 通水平、不同路龄的路面具有不同的使用性能衰变特征，其 转移概率矩阵也是不同的。
5.使用性能预测方法应用实例
灰色系统预测+马尔可夫概率预测的应用实例
分析路面使用性能的必要性
分析研究公路路面使用性能，是进行路面使用性能评价和预测的前提，也是高 速公路路面养护管理决策的基础。
1.路面使用性能概述
路面使用性能的划分
功能性能 路面的行驶质量和服务水平 平整度
结构性能
结构承载力 安全性能 外观性能
路面结构保持完好的程度
路面结构抵抗外部荷载及环境因素作用 路面的抗滑能力 道路使用者的视觉印象
4.使用性能预测模型与方法
灰色理论预测模型
4.使用性能预测模型与方法
马尔可夫概率预测模型
模型简介：马尔可夫概率预测模型的基本原理是根据系统现 在所处的状态，采用马尔可夫链理论得到系统未来可能达到 某种状态的概率。马尔可夫链实质上是指具有无后效性的离 散型随机过程，无后效性即是系统在将来所处的状态只与系 统现在的状态有关，而与其过去的状态无关。
路 面 使 用 性 能 影 响 因 素
3.性能评价指标
明确性能指标划分的目的
路面性能评价是路面性能预测和道路养护决策优化的基础。
性能评价包括的方面
根据对于路面使用性能的分析，路面使用性能评价可以从路面功能评价 和结构状况评价两个方面来进行。路面功能评价包括行驶质量、服务水平评 价和安全性评价，结构状况评价则包括路面破损状况评价和结构承载力评价。
5.使用性能预测方法应用实例
方法运用概述
根据灰色预测模型,以四种路面使用性能评价指标（PCI、PSSI、SRI、 RQI）的历史数据作为预测原始数据序列，分别采用GM(1,1)模型进行预 测,并对预测结果进行对进行残差检验、关联度检验和后验差检验，如检验 主要指标达不到要求还需要进行残差修正。
本文利用灰色预测模型进行短期分析预测的有效性特性,以路面检测数 据的末年作为预测基年,采用基年的实测数据和基年后一年的预测数据作为 转移概率矩阵的确定依据。
沥青路面： 水泥路面： 式中： SV——平均坡度变化； C——路面裂缝面积， P——修补面积 RD——车辙平均深度，cm
；
3.性能评价指标
养护管理指数MCI （日本）
养护管理指数MCI是日本在20世纪80年代初建立的基于道路管理者的路 面使用性能评价模型,采用多元回归分析技术建立了MCI与道路平度、路面裂 缝情况、车辙等因素之间的非线性关系,MCI的取值范围为0-10。 MCI模型中 路面平整度因素影响较小，侧重从道路管理者的角度出发,主要通过路面破损 状况和车辙来反映道路行驶质量和服务水平的一项评价指标。
5.使用性能预测方法应用实例
实例分析 1.预测对象：建成于1998年底的四川省某高速公路一条长为1 km的
路段。 2.数据介绍：
5.使用性能预测方法应用实例
实例分析：
3.灰色预测模型的确立
5.使用性能预测方法应用实例
实例分析：
4.灰色预测指标结果
5.使用性能预测方法应用实例
实例分析：