用户的网络级路面养护决策优化模型考虑旅行时间和车辆燃料消耗成本

文摘

网络级沥青路面的维修管理决策一直是一个挑战,高速公路机构、和大量的因素。在这项研究中,一个网络级优化方法建立了集成维护的好处为0 - 1规划优化模型。一个优化的性能评价方法提出了沥青路面含有11种不同类型的组合。效益模型量化用户旅行时间的节省成本和车辆燃料消耗的路面状况指数(PCI)和骑质量指数(RQI),分别。基于简化评价方法以及量化维护效益模型,建立了一个优化模型,采用0 - 1规划。这种优化模型旨在最大化路面养护的改进/价格比率对整个路面网络。的计算结果存在最优策略维护网络中每一个路段。新模型的适用性验证了案例研究。方法在本研究有助于开发提供指导高速公路机构对网络级路面养护管理和决策。

1。介绍

经过几十年的发展,高速公路网络的规模在许多国家已逐步改进,他们已经或即将面临一个重大转变的阶段,“路面施工为主体”、“先路面养护。“因此,路面养护和管理问题吸引了越来越多的关注。在这种情况下,路面养护管理系统(PMMS),作为一个系统的、科学的管理和决策支持工具,可以更好地优化和完善高速公路网络的管理和决策能力。在其整个生命周期将会得到更好的使用性能和更高的服务水平(1]。

绩效评估在人行道上服务的本质是路面性能的分析程度满足指定的需求的调查路面状况数据。根据获得的分析和评价结果,可以估计路面性能和路面的详细的维修策略可以计划(2]。

路面性能评价通常是在两个方面进行,即路面结构和功能评估(3,4]。表面压力条件属于结构性条件评价,也包括结构承载力(5]。路面功能评价包括驾驶质量、服务水平和安全6,7]。可以评估一个路面性能评价指标或综合评价指数。具体来说,单一评价指标主要是分析和评价的使用性能,而多个单一评价指标权重和综合评价的综合评价指标。换句话说,单一评价指标反映了某种性能的路面条件和综合评价指数表示的综合条件路面服务性能(8]。在实践中,患有各种参数大的不确定性。忽略了不确定性可能导致次优的计划产生不利影响的网络条件。一些优化框架网络级路面养护和康复计划考虑路面恶化的不确定特性开发(9]。

路面养护的好处是直接和间接利益的总和,这源于路况的改善实施高速公路路面养护。路面养护工程的效益计算不仅直接反映路面养护的评估有效性但也是一个重要的先决条件的正确选择下一步路面养护方法。维修经理必须分配有限的预算中相互竞争的替代品。没有简单的决策方法加剧这个问题(10]。

不同的方法和角度上开发路面养护效益计算的具体指标和内容;例如,世界银行定义的好处道路项目分为三个方面,即所产生惠益车辆运营成本的节约,节省用户时间成本,在减少交通事故和储蓄。这些方面的好处是考虑具体路项目效益评价在许多国家,包括美国、英国和日本。一些研究人员表明,不仅仅是短期的,直接的和定量的经济效益也是长期的,间接的,应该考虑定性的经济效益(11]。此外,经济影响的建议是考虑成本效益分析(12]。基于实际经验,路面养护项目的效益计算在中国目前主要考虑运营成本降低的好处,用户节约时间旅行的好处,减少交通事故所带来的好处,提高运输服务质量(13]。

基于提出的指标,找到最好的路面养护方法的问题可以建模为一个组合优化问题14]。人们提出了不同的算法解决优化决策模型,可以应用于高速公路资产管理(15- - - - - -19]。最近,一个二进制布谷鸟搜索(BCS)算法实现对路面养护管理系统来解决优化问题。的结果对比遗传算法(气)的优点和BCS明显证明搜索路径的BCS在减轻过早收敛20.]。此外,多个应用程序使用不同的优化决策模型来提高整个路面养护解决方案可以找到在网络层。例如,一个多目标帮助工具(MODAT)是由测试数据从埃斯特拉达de葡萄牙的路面管理系统。MODAT使用多目标确定性section-linked优化模型与不同的可能目标(21]。

然而,由于缺乏维修经验,大规模的维修需求,和维护资金的短缺资源,全面和科学决策方法尚未建立。如何建立高效、科学的路面养护和管理方法,提高运营效率,满足高质量的路面养护的需要,并满足各种运输需求已经成为重要问题中遇到路面管理(22]。

本研究提出了一种网络级路面养护和康复优化模型考虑用户出行时间和费用的车辆燃料消耗。首先,列出的模型中使用的评价指标。之后,在中国使用的路面养护的优化方法是简要介绍。接下来,道路使用者成本的估算方法是集成的优化方法。理论依据的基础上,提出了一种网络级优化方法考虑道路使用者成本和详细描述。最后,一个案例研究使用开发的优化方法。

2。理论基础

2.1。评价指标的沥青路面

全球流行的路面性能指标是路面状况指数(PCI)。这是一个0到100之间的数字指标,最初是由美国陆军,后来由ASTM标准(23]。一种总线标准反映了路面上的困苦和他们的程度。因此,新建道路PCI 100,恶化随着时间的推移,变得无法通行,其PCI趋于0时。计算PCI要求数据对几种类型的祸患及其严重程度如下:坑坑洼洼,疲劳开裂、车辙、开裂,开裂,纵向和横向开裂,修补,推搡,出血,抛光骨料,纠缠24]。一种总线标准可以由以下方程(25]: 在哪里和分别计数器遇险类型和严重程度水平;观察压力类型的总数;是痛苦的严重性级别的数量类型 ; 是扣除值随压力类型和严重程度 ;和时调整重量与路面损坏类型到达事故的严重程度 。

路面粗糙度标准在路面性能的评估是不可或缺的,它不仅起着重要的作用在路面的使用寿命,还经济的操作和车辆和交通安全的能力。骑质量指数(RQI)可以作为一个标准来评估路面粗糙度。之间的关系国际平整度指数(IRI)和RQI,根据高速公路性能评估标准(JTG h20 - 2007) [25,可以通过以下方程表示: 在哪里和标准参数值为0.026和0.65,分别为(25]。

路面的抗滑性(或摩擦)中扮演一个重要的角色在道路安全轮胎之间的摩擦,和路面是一个关键因素在减少潜在的事故。这个安全性能也是评估人行道的服务性能的一个主要标准。路面的结构纹理极大地影响其抗滑性。路面的抗滑性指数(SRI)是用来评估其抗滑性能。根据高速公路性能评估标准(JTG h20 - 2007) [25),直接测量旁路力系数之间的关系(证监会)和斯里兰卡可以由以下方程描述: 在哪里抗滑性限制和吗和标准参数值为28.6−0.105,分别。

挠度是一种有效的指数,以反映路面承载力和结构强度。测量挠度的优点是方便、直观,经济、高效。根据高速公路性能评估标准(jtg5210 - 2018) [26),路面结构强度指数(PSSI)是由容许路面偏转,实测路面偏转,模型和模型参数,其中参数是固定的值。当道路结构自身的特点确定(如公路等级和路面结构类型),人行道上的容许挠度也独特的决定(27]。因此,路面结构的强度是由测量路面挠度值如下: SSI是结构强度指数,可以计算 和和是允许和沥青路面的变形测量,分别。

路面质量指数(劲永国际)是整个“分数”给路面部分范围从0到100。100代表了道路完好无损的价值(通常最初建造时)。劲永国际是一个输出指标,是一个函数的PCI, RQI,斯里兰卡,PSSI根据(28)如下:

重量的每个索引不是固定的,而是在一定范围内波动,取决于实际道路条件和不同的维修策略。这可以调整适当的技术规范中给出的推荐范围,但值的0.35,0.35,0.1,和0.2通常推荐的四个参数,分别。

2.2。优化路面性能评价方法

路面服务绩效评估包括薮猫指标如PCI、RQI,斯里兰卡,PSSI,是一个综合评价系统。尽管劲永国际可以反映了路面的综合维修条件,有必要确定维护策略取决于具体情况,即。,只有使用劲永国际开发详细的维修策略是不合适的。为了考虑每个性能的利弊条件,需要结合不同的路面性能条件和不同等级为每个评价指标,这样有利于维护决策的优化。

在中国当前的标准分类四个指标(PCI, RQI、斯里兰卡和PSSI)分为五个层次:好,好,公平,贫穷,和非常贫穷。因此,总共有625种不同的组合状态,和每个国家都有不同的维护措施,使得成千上万的可能的情况。因此,优化决策的规模过于复杂,不利于解决。需要分析和研究结合的路面性能,减少不必要的结合状态和进一步减少的规模优化决策。在这项研究中,分析特定状态组合的基础上根据相关技术规范(28),采用简化的新兴相似的水平减少条件组合。特别是,PCI和RQI的条件水平指标调整结合优秀(90 - 100)、好(80 - 90)水平一样好(80 - 100)并结合公平(70 - 80)和穷人(60 - 70)作为公平(60 - 80)。斯里兰卡和PSSI索引,只有两个条件水平保留足够的和不充分的。确定组合的细节如表所示1。

从表1的总 不同条件组合后的沥青路面性能简化可以概括。通过这不仅简化优化决策的需求满足,而且它的规模大大降低,更有利于决策和解决方案。此外,值得注意的是,大部分的这些条件仍然是没有实际意义的。例如,如果PSSI指数评价是不够的,必须进行结构加固不管其他三个索引。如果斯里兰卡指数评估不足但PSSI指数是充分条件,必须铺设防滑层恢复抗滑不管其他三个索引。斯里兰卡的特殊要求和PSSI索引导致显著降低路面条件的有效组合。在实际的决策过程,只有组合与实际意义是必要的适当进行进一步分析和相应的维修策略将选择的结果。表2显示了每个组合的维护策略的条件。

我们可以看到在桌子上2,只有11个条件组合的实际意义的路面养护决策优化问题的性能。此外,两个组合(10和11)将消除在以后的决策优化由于强制性的要求维护策略。只剩下9组合需要决策的优化,因此,决策优化的规模减少。

2.3。用户成本的估算

高速公路路面养护项目可以带来的好处主要体现在各种相关的成本节约。美国州国家公路运输协会(AASHO)定义了路面养护项目的好处汽车旅行节省成本,节省旅行时间,减少交通事故,减少汽车废气排放。在这项研究中,定义用户节约成本包括用户出行时间和费用的车辆燃料消耗。

2.3.1。成本节约用户旅行时间

用户旅行时间成本产生的价值是由于时间的机会成本的存在期间消耗的汽车之旅(29日,30.]。旅行时间节省用户实施后路面养护成本可以通过以下方程[表示13]: 在哪里旅行时间价值的转换系数,路段的交通量,是一个汽车的旅行时间在维修之前,然后呢是一个汽车维修之后的旅行时间。转换系数通过计算 。计算方程(6)需要一个功能关系用户路段的旅行时间和路面状况。然后采用PCI作为路面状况的指标。功能之间的关系和PCI可以通过大量的路上测试部分,这是表示如下(13]: 在哪里段距离,是最大的设计速度和 , ,和的参数来确定。

因此,储蓄在路面养护后用户旅行时间成本可以表示如下: 在哪里代表的PCI值维护和前路代表了PCI道路维修之后的价值。

2.3.2。成本节约车辆燃料消耗

燃料消耗成本是指车辆在旅行过程中费用消耗的能量(31日- - - - - -34]。根据(35),对于一辆小型货车,选为标准的车辆在这项研究中,燃料消耗之间的关系,车辆速度,和IRI可以表示由以下方程: 在哪里L / 100公里,油耗吗车辆的速度。当假设车辆速度80公里/小时的速度,燃料消耗和IRI之间的关系可以被描述为如下方程:

基于方程(10),成本节约燃料消耗之后可以表示为路面养护 在哪里燃料价格,代表的IRI值道路在维修之前,和代表了PCI道路维修之后的价值。

3所示。发展网络优化模型的路面养护的水平

3.1。问题陈述和基本假设

在这项研究中,在路面养护的选择问题是定义为一个高速公路网络组成的道路。根据节2.2,有 路面性能的组合条件。不同部分的性能条件相同的道路可能显著不同,和的比例我- - - - - -th路下j -th组合在给定的时间来标示 。总共高速公路的维修策略实现。确保基本通行能力,一个最小值通常所需的劲永国际公路网络在应用维护策略。基于这一限制,不同道路的维护策略和性能道路条件部分决心确保维修的价格性能比最大化。这意味着道路用户节约成本的比例投资维护成本最大化。

以下假设提出了研究开发网络级的路面养护的优化模型:(1)按照可持续发展的要求,道路的服务水平和路面性能在整个生命周期不严重下降,这意味着在规划当前年度的维护优化服务水平的状况和道路的路面性能必须考虑前一年。(2)在11给出了部分道路性能的组合条件2.2,10号和11号条件被排除在维护优化由于其日常维护策略。因此,在实际的优化模型,N₂减少从11到9。(3)对于任何路段,只有一个维修策略是采用当前的维护周期。(4)交通量的增加的影响在第二年估计用户成本是被忽视的。(5)维护的实现不会改变路段的容量。(6)维护措施可以达到所需的标准值。

3.2。优化模型的发展

根据维护要求中提到的前部分,本研究采用0 - 1整数规划方法(36)构建网络级道路的维护优化决策模型,下面所示的方程。

目标函数如下:

约束如下: 在哪里保存的用户应用后旅行时间成本kth维护战略我下th路段jth组合条件下,是保存应用后从车辆燃料消耗吗kth维护战略我下th路段jth组合条件下,是应用的维护成本kth维护战略我下th路段jth组合条件下,的总里程吗我th路,的比例吗我th路下jth组合条件,劲永国际值在应用吗kth维护策略下的路段jth组合条件。与方程(13),每个路段都是确保维护策略,并根据需求在实际路面的使用维护,当路段不应用特殊的维护策略,所需的常规道路养护措施仍是必要的。方程(14)限制了整个道路网的维护质量保证维修后的平均劲永国际道路网络超过90。方程(15)定义了0 - 1哑变量为0 - 1整数规划方法在当前的研究中。的变量的值为0或1。1的值表明,kth维护策略的应用我下th路段j否则th组合条件或0。

指节2.3, , ,和可以由以下方程: 在哪里i路段的交通量,保存的用户应用后从每个车辆旅行时间吗kth维护战略我下th路段jth组合条件,是保存应用后从每个车辆燃料消耗吗kth维护战略我下th路段jth组合条件,的维护成本每公里吗我th路应用kth维护策略。

和可以通过 在哪里和保存的用户从每个车辆行程时间并节省燃料消耗后应用kth维护战略j分别在单位公里th组合条件。

采用方程(8)和(11),和可以确定以下方程: 在哪里表示下的道路的路面状况指数j后应用th组合条件kth维护策略,代表了路面状况指数下的道路j在应用th组合的状态kth维护策略,表达了国际平整度指数下的道路j后应用th组合条件kth维护策略表示国际平整度指数下的道路j在应用th组合的状态kth维护策略。

3.3。案例研究

3.3.1。背景和输入参数

在中国陕西、基于操作路部分,本研究中所开发的模型应用于优化维护计划的决定。十高速公路进行了调查,他们都是沥青路面(37]。相应的里程和交通量如表所示3。

人行道上测试后,路面的不同组合条件的分布在这个网络在目前展示在表4。

在不同的道路部分进行现场调查,五个常见的维修策略的成本不同的道路部分确定在这个网络,表中列出5。

经过全面调查今年关于国内生产总值(GDP),人口规模,陕西省的平均工作时间,时间价值转换系数和当前国内燃料价格测定值的15.34和6.73元/ L,分别。的价值 在这种情况下,建议采用由传输机构。

这三个系数矩阵的决心 , ,和需要研究中的模型的应用。为 ,劲永国际可由方程(5),平均价值的路面性能指标采用计算。在这项研究中,假设日常维护不能提高路面性能评价指标。PCI指标增加了两个层次,RQI时增加了一层铺设覆盖(38]。抗滑性能指数斯里兰卡,最优水平是恢复当铺设防滑层,进行路面重建或结构加固。路面结构强度指数PSSI,最优水平是由进行路面恢复重建或结构加固38]。例如,如果路段5组合条件下,采用覆盖铺平道路的维护策略。这意味着PCI和RQI指数从70增加到70是95年和90年,分别。然而,另外两个指标保持不变。然后,这条路的劲永国际维修之后可以通过方程计算(5)作为劲永国际= 0.35×0.1×0.35×95 + 90 + 81 + 0.2×90 = 90.85。基于这些假设,劲永国际值在应用不同的维修策略下不同组合如表所示6。

相应的系数矩阵和如表所示7和8,分别。

3.3.2。基于计算结果的最优维护决策

基于确定的系数矩阵,使用术语软件开发模型计算和最优维护方法选择基于计算结果。细节如表所示9。

发现从表9结构加固的策略比战略更可取的道路路面改造的部分表现不佳。这是预期的,因为这两个策略的好处几乎是相同的,但是康复的价格明显高于结构加固。铺设防滑层的方法不是采用的路面有足够的抗滑性,因为这种方法未能改善PCI和RQI指标。目标函数的最大值为1.73,表明1.73元的用户单位路面养护成本可以节省投资。值得注意的是,维护成本的总量并没有限制在当前的模型。然而,该模型可以方便地修改考虑limit-maintenance-cost情况下,通过引入一个额外的约束的维护成本。

4所示。结论和展望

本研究提出了一个网络级优化的开发和实现方法在路面管理信息系统。网络级优化方法集成了道路使用者成本的估算方法包括用户旅行时间和车辆油耗,并提供高速公路机构的能力做出更好、更合理的管理和对网络级路面养护决策。本研究的主要结论如下。

沥青路面性能评价方法的优化包括11种不同的组合。沥青路面养护的效益模型建立了考虑到用户的成本,其中包括成本节约用户旅行时间和车辆燃料消耗。基于路面性能的简化评价方法以及用户成本的量化评估方法,建立了优化模型。(1)最大化的新模型能够改善/价格比率的路面养护道路网络和(2)确定相应的维修策略对任何路段的道路网络。优化模型在当前的研究铺平道路的路径积分的用户旅行时间和车辆燃料消耗成本到应用程序网络级道路养护决策。这里值得注意的是,建立的模型可以很容易扩展为更复杂的道路网络的调查或考虑其他影响因素。

为未来的研究,更多的组件的用户成本(例如,车辆轮胎磨损成本和车辆安全成本)以及环境成本包括废气排放污染成本和交通噪声污染成本应该被纳入优化模型。交通量的增加的影响在第二年应该考虑用户成本的估计。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

金融支持中央大学的基础研究基金项目(批准号2242021 k30034)。

引用

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