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基于全寿命周期的高速公路养护决策优化研究熊辉斌

发表时间：2020/5/21 来源：《基层建设》2020年第3期作者：熊辉斌1 袁舜尧2

[导读] 摘要：高速公路运营中，其道路病害的发展都因地质环境、建设质量、交通环境、养护投入等不同，遵循一定周期有规律发展。因此，建立一套基于全寿命周期的高速公路养护决策机制，是构建科学养护决策体系的基础。

        1浙江沪杭甬高速公路股份有限公司浙江省杭州市 310000 2浙江沪杭甬高速公路股份有限公司杭州管理处浙江省杭州市 310000
        摘要：高速公路运营中，其道路病害的发展都因地质环境、建设质量、交通环境、养护投入等不同，遵循一定周期有规律发展。因此，建立一套基于全寿命周期的高速公路养护决策机制，是构建科学养护决策体系的基础。
        高速公路养护管理，是一项基础性学科。当前养护决策水平发展相对较慢，长期停留在基于典型案例和经验决策为主阶段，受决策者个人经验、专业水平或主观偏好影响较大；且受制于历史数据的积累和分析水平，作为决策基础的养护历史往往易被忽视，养护决策科学水平总体偏低。随着近年“云计算、大数据、5G”等信息化技术的快速发展，智慧养护将成为未来行业发展的趋势和大变革。建立基于全寿命周期的高速公路养护决策体系也将逐步具备技术路径，养护决策体系也将由当前基于经验决策为主向依赖大数据分析决策为主，经验决策为辅转变。
        关键词：寿命周期；高速公路养护；决策；优化
        前言：
        高速公路全寿命周期养护作为一个新的理念已越来越被重视。提升养护投入有效性，实现路况水平与投资需求、社会效益与经济效益的合理平衡，是提升养护科学决策水平的最终目的，也是公路养护践行“创新、协调、绿色、开放、共享”理念的重要举措。全寿命周期管理目的在于提升整个寿命周期养护投入的有效性。
        1现代高速公路养护管理情况
        从行业发展来说，国内的高速公路养护管理正在尽可能的完善有关的管理及技术储备和强化决策支持，不仅包括养护规范化发展及“四新”技术的广泛应用，还包括养护机械化、信息化水平的不断提升，极大提升了养护效率和业务能力。但就目前而言，养护决策智能化、科学化水平总体仍较低。一是养护管理行业长期受限于物联网、自动化检（监）测、云计算等信息化技术突破，且跨管理机构或业务职能的协作能力偏低，加之缺乏信息化技术专业人才作为技术支撑，还未形成基于全寿命周期的路况评价暨养护决策体系，无法有效集成建设原貌、养护历史、交通流量、路况检测、病害发展、养护技术、材料应用、养护成本等大数据分析，往往对养护时机、养护技术、施工材料等的选择存在一定随意性。二是道路巡检，特别是桥隧等结构物经常性检查等领域原始数据自动化采集技术较低，基本依赖人工现场观察，后期数据整理登录方式完成，数据准确性完全取决于检查人员责任心、专业能力、个人偏好及检查条件、检查技术等，数据可靠度偏低。因此，依托信息化技术的快速发展，搭载技术进步方舟，解决原始数据自动化采集、大数据集成分析，是建立基于全寿命周期的养护决策体系亟待解决的最主要问题。
        从高速公路经营单位管理需求来说，高速公路养护管理界面点多面广，路域环境千差万别，道路病害成因错综复杂，经营效益盈亏不一，管理者业务水平良莠不齐，依靠人工经验为主的决策机制很难寻求一套统一的养护决策标准。在当前养护决策体系下，决策者往往采取“自上而下”的倒挂决策方式，根据高速公路当年经营效益决策养护投入，执行者往往“看钱点菜”，在诸多道路巡检时发现的病害中，按轻重缓急原则安排养护计划。因此，道路全寿命周期内的养护系统性、前瞻性较差，养护科学决策缺乏理论依据。
        2全寿命周期的核心
        全寿命周期的核心在于在高速公路的寿命周期内尽可能的降低资源消耗水平，进而提高高速公路运行效率。全寿命管理高速公路的过程中，主要是将公路”投、建、管、养“一体化的思考和处理，具体就是指在建设高速公路的时候考虑到使用情况，通过规划设计等环节进行互相结合的过程来体现出公路项目效益并尽可能增加效益，进而实现可持续性发展的理念。
        3养护目标分析
        本文以养护措施性能模型预测的路面长期性能作为多目标优化中的效益目标，利用多目标优化算法实现成本最小化、性能效益最大化的养护决策体系。本研究的优化最终需要实现两个目标：成本最小化、性能最优化。
        3.1成本最小化
        为对高速公路中长期养护方案进行整体规划，基于全寿命周期理论，结合养护方案一次养护后性能衰变趋势，寻找各路段一个规划寿命期内最佳养护时间点和养护方案，使得一个寿命周期内所有路段使用的养护方案费用总和最小。
        3.2性能最优化
        各路段养护后依据采用的养护方案不同，其不同性能将有不同程度提升。通过路面养护使得路面性能提升是养护工程最终要实现的目标。本文涉及多项路面性能评价指标，通过优化需使得寿命周期最长，路面综合性能评价指标（PQI）最优化。
        4基于全寿命周期的高速公路养护决策优化设计
        全寿命周期决策是一个迭代和重复的类似动态规划过程，以每年的备选方案作为决策过程参数，将现阶段路面决策方案、路段状态所对应的性能衰变模型以及单次性能状况决策树视作状态转移函数，以每年应用方案后的性能指标下限为约束方程，根据路况状态，判断养护时机，找到规划寿命周期内不养护、预防性养护及矫正型养护方案的最佳组合。
        第一年决策，选取路段1，用LD1表示，针对路段现状，确定其相应的一种或多种养护备选方案，每种方案的养护方案、级配材料、病害针对性处理措施相同，才可称为同一种方案，若其中有任一点不同，则列为两种不同的备选方案。假设LD1的情况如表1所示。

        完成第一年决策，依据选定的不同备选方案，结合路面性能指标现状，选择相应性能衰变模型，分别对采用备选方案1、2、3、4后的路面各项性能指标进行预测，预测结果将用于进行下一年养护方案决策，及相应路面使用性能指数PQI的计算。
        记第i年养护前的性能指标X值为Xi，养护后的指标X值为Xi'。则依据第0年预测的结果给出不同方案养护后的PQI值，作为第一年养护后的路面综合状况，记为PQI1'，养护前LD1的PQI记为PQI1。若采用养护方案，则PQI1'与PQI1不同，若采用不养护的方案，则PQI1'与PQI1相同。
        寿命周期规划过程中，考虑寿命周期的费用成本效益，可适当选择在路面性能状况尚可的年份不采用任何养护方案，规定一个性能指标下限，若依据预测模型得到下一年养护前该指标触及该下限，则本年度必须养护。若在第i年时，养护前PQIi与PQIi+1值均未触及指标下限，则第i年该路段可以选择不养护。本文规定：在每年度养护前PQIi不低于80分时，才能采用不养护的方案。
        据此，上文LD1完成第一年决策后可形成一个使用不同方案的第1年决策性能指标预测值汇总表，用于评价当年养护后的路段性能状况。同时依据预测模型还将产生第2年用于决策和评价的性能状况汇总表。

        5结束语
        本文阐述了全寿命周期理念在高速公路养护工作中的应用，通过将全寿命周期理念引入高速公路养护工作，可以有依据、有目标、有计划的开展各类养护方案，保证了在“恰当的时间”对“合适的路段”进行“合理的养护”，从而使养护资金得资金利用最大化，路况改善最大化。
        参考文献：
        ［1］李汝霞.全寿命周期成本理论在高速公路建设方案决策中的应用研究[D].长沙理工大学管理科学与工程，2018.
        ［2］张爽.多目标规划方法在高速公路路面养护中的应用[J].商，2015（51）：192－193.