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为保障道路的路面性能,需面向道路网络定期开展路面养护工作。由于城市道路网络规模庞大,且道路养护预算规模有限,需要可靠的路面网级养护策略优化方法,在受限的养护预算下提出有效的路网养护策略。
目前,国内外已形成了一些路面网级养护策略优化模型,并成功应用于道路管理领域。然而,已有的研究成果多面向公路系统,少有模型适用于城市道路网络路面养护问题。同时,这些方法未考虑道路养护过程中对交通的负面影响,模型难以描述不同养护策略在路面性能瞬时提升及养护后短期衰变速率变化方面的差异。为解决现有研究成果中存在的不足,论文以城市道路网络为研究场景,提出考虑交通影响的城市道路路面网级养护策略优化模型,提高城市道路养护管理的服务水平。
论文总结了国内外路面网级养护模型的研究现状及发展趋势,分析了现有研究的特点及不足,将论文的研究内容定位为城市道路路面性能衰变预测模型建模、道路养护后路面性能预测方法、道路养护对城市交通的影响量化方法、交通影响最小的路面网级养护策略优化模型等四个方面。
城市道路路面性能衰变预测模型建模方面,论文以上海市城市道路的路面检测数据为例,分析了道路结构、基准年道路PCI、道路等级等因素与连续两年的PCI衰变量(△PCI)的关系。在此基础上,论文利用广义极值分布模型,标定了不同道路结构及基准年道路PCI时△PCI的分布参数,建立了概率型路面性能衰变预测模型。数据验证显示,论文提出的衰变预测模型提升了衰变预测精度,并显著降低了预测结果的误差。
道路养护后路面性能预测方法方面,论文综述了道路养护对路面性能的短期影响,并将道路养护的影响划分为路面性能瞬时提升、短期衰变速率变化、衰变延迟等三个方面,并基于马尔科夫模型,构建了前两种衰变特征的概率型建模方法,为后续路面网级养护策略优化问题建立基础。
随后,论文以道路养护导致的路网行程时间增加量作为指标,描述网级养护过程对交通的负面影响。基于用户均衡理论,提出了路网行程时间增加量的计算方法,用于估算道路养护对交通的影响。
最后,论文基于上述研究成果,构建了规划年内路网加权PCI最高、路网行程时间增加量最小为目标的路面网级养护策略优化模型,构建了基于带精英策略的非支配排序遗传算法的启发式求解算法。随后,论文以SiouxFalls路网开展案例分析。形成了考虑路网加权PCI和养护对交通影响的支配解无差异曲线,管理者可以根据实际的管理需要选择适合的养护策略。论文进一步比较了支配解集曲线中行程时间与加权PCI比最小的可行解和已有模型选择的PCI最大的可行解的差异,结果显示两者的加权的PCI差异仅为2.45分,但前者实现了2368.7天/年的年均出行时间增加量的降幅,降幅达36.9%,显著降低了道路在养护过程对交通产生的影响。上述结果有效地证明了论文提出的模型及求解算法的有效性和合理性。
目前,国内外已形成了一些路面网级养护策略优化模型,并成功应用于道路管理领域。然而,已有的研究成果多面向公路系统,少有模型适用于城市道路网络路面养护问题。同时,这些方法未考虑道路养护过程中对交通的负面影响,模型难以描述不同养护策略在路面性能瞬时提升及养护后短期衰变速率变化方面的差异。为解决现有研究成果中存在的不足,论文以城市道路网络为研究场景,提出考虑交通影响的城市道路路面网级养护策略优化模型,提高城市道路养护管理的服务水平。
论文总结了国内外路面网级养护模型的研究现状及发展趋势,分析了现有研究的特点及不足,将论文的研究内容定位为城市道路路面性能衰变预测模型建模、道路养护后路面性能预测方法、道路养护对城市交通的影响量化方法、交通影响最小的路面网级养护策略优化模型等四个方面。
城市道路路面性能衰变预测模型建模方面,论文以上海市城市道路的路面检测数据为例,分析了道路结构、基准年道路PCI、道路等级等因素与连续两年的PCI衰变量(△PCI)的关系。在此基础上,论文利用广义极值分布模型,标定了不同道路结构及基准年道路PCI时△PCI的分布参数,建立了概率型路面性能衰变预测模型。数据验证显示,论文提出的衰变预测模型提升了衰变预测精度,并显著降低了预测结果的误差。
道路养护后路面性能预测方法方面,论文综述了道路养护对路面性能的短期影响,并将道路养护的影响划分为路面性能瞬时提升、短期衰变速率变化、衰变延迟等三个方面,并基于马尔科夫模型,构建了前两种衰变特征的概率型建模方法,为后续路面网级养护策略优化问题建立基础。
随后,论文以道路养护导致的路网行程时间增加量作为指标,描述网级养护过程对交通的负面影响。基于用户均衡理论,提出了路网行程时间增加量的计算方法,用于估算道路养护对交通的影响。
最后,论文基于上述研究成果,构建了规划年内路网加权PCI最高、路网行程时间增加量最小为目标的路面网级养护策略优化模型,构建了基于带精英策略的非支配排序遗传算法的启发式求解算法。随后,论文以SiouxFalls路网开展案例分析。形成了考虑路网加权PCI和养护对交通影响的支配解无差异曲线,管理者可以根据实际的管理需要选择适合的养护策略。论文进一步比较了支配解集曲线中行程时间与加权PCI比最小的可行解和已有模型选择的PCI最大的可行解的差异,结果显示两者的加权的PCI差异仅为2.45分,但前者实现了2368.7天/年的年均出行时间增加量的降幅,降幅达36.9%,显著降低了道路在养护过程对交通产生的影响。上述结果有效地证明了论文提出的模型及求解算法的有效性和合理性。