基于支持向量机在役路面大修时机评定方法研究

'第40卷，第3期公路工程Vo1．40，No．320t15年6月HighwayEngineeringJun．，2015基于支持向量机在役路面大修时机评定方法研究李峰(湖南省交通规划勘察设计院，湖南长沙410008)[摘要】高速公路在运营期路面出现破损现象，影响行车舒适度及安全，因此需在合适的时期进行修补。以湖南省益常高速为例，采用支持向量机回归预测模型对路面行驶质量指标进行预测，并根据路面行驶质量指标预测值与交通量评定路面大修时机。计算结果证实了支持向量机用于路面质量预测的可行性，同时表明2014年为该高速公路大修时机。[关键词]支持向量机；路面大修；评定方法[中圉分类号]U418．8[文献标识码】A[文章编号】1674～0610(2015)03—0195—04EvaluationMethodonServicePavementReconstructionTimeBasedonSupportVectorMachineLIFeng(HunanProvincialCommunicationsPlanningSurvey&DesignInstitute，Changsha，Hunan410008，China)[Abstract]OperationofpavementofExpresswaydilapidation，influencethedegreeofdrivingtom·fortandsafetyandthereforerequiredattherighttimefortherepair．AcasestudyofHunanYi—Changhighway，supportvectormachineregressionpredictionmodelwasusedtopredictpavementridequalityindicators，andevaluationofpavementridingqualityindexforecastsandtraficpavementtime．There-suitsconfirmedthefeasibilityofsuppo~vectormachineforpredictionofsurfacequalityanddemonstratesthatin2014forthehighwaymaintenancetime．[Keywords]supportvectormachine；pavementreconstruction；evaluationmethod随着运营时间及交通量不断增加，高速公路路于VC维理论及结构风险最小化原理。支持向量机面出现不同程度的破损现象，影响到道路的服务能回归通过求解凸二次规划问题得到全局最优解，并力及行车的舒适与安全。对路面结构进行修复是一解决了维数问题。由于路面检测时空数据有限，在项重要的工程，目前主要集中在路面修复技术的探小样本情况下支持向量机有着出色的学习能力，求讨上¨。对路面使用性能评价及预测方法有物元解速度及精度均比神经网络等智能算法优越，因此模型、时间序列、人工神经网络法、熵权雷在工程生产领域中应用广泛。达图理论】、灰色理论¨坡等，以作为路面大修改假定具有n个独立样本：建时机预测评定依据¨-t5]。合理的路面大修时机(l，Y1)，⋯，(n，Yn)，ER，Y∈R(1)应根据路面行驶性能衰减规律而确定，但目前缺乏在函数集．s={，(，tt，)，WEn}中寻找一个较好的路面性能评价模型。因此本文采用支持向量最优函数f(，w0)对Y与之间的函数关系进行机回归预测模型，基于路面使用性能评价指数PCI、估计。当所得函数关系为非线性函数，其表达式为：RQI与SRI评定路面大修时机。厂()=+b(2)则采用非线性映射()映射至高维特征空间1支持向量机回归模型再进行线性回归。支持向量机回归是支持向量机重要分支，是基c收稿日期】2015-03—16【作者简介】李峰(1982-)，男，湖南长沙人，工程师，主要从事交通规划设计研究工作。 196公路工程40卷长73．083km。路基宽度27m，设计行车速度2路面性能评价指标分析100km／h，为双向四车道，施建期为1997年7月至现行《公路技术状况评定标准》采用路面损坏1999年12月，设计年限30a。状况指数(PCI)、行驶质量指数(RQI)和抗滑性能指根据《湖南省公路交通流量情况调查统计年报数(SRD共3个单项指标赋以某一权值后得到路面(2011年)》可知益常高速交通量为13631veh／d，质量指数(PQI)，从而表述路面使用性能。折算值为17169pcu／d。近年交通量增长已远远超2．1路面损坏状况指数过原工可预测值，交通量的快速增长使得既有公路路面损坏情形主要有裂缝、坑洞、唧泥、露骨及的服务水平急剧下降。益常高速公路通车以来，大错台等，直接反应了水泥路面的质量情况。在工程量超载车辆的通行造成了既有路面的严重破坏，桥实践中采用路面损坏状况指数(PCI)表征路面的损梁、涵洞等构造物也出现了不同程度的病害，车辆运伤程度，其计算式为：行速度、行车安全性与舒适性逐年下降，道路服务水PCl：100—10．66DRo·(3)平与高速公路的性质、功能渐不相称，同时交通事故频发，严重影响人民的生命财产安全。∑wiAf3．2基于支持向量机路面质量预测DR=100L(4)A益常高速公路路面宽23．5In，为水泥混凝土路式中：f为第i类路面损坏权重；Af为第￡类路面损面。路面结构为15cm干刚性底基层+18cm半刚坏面积，m；A为调查的路面面积，m。性基层+24cm水泥混凝土面层。为掌握路面质量2．2行驶质量指数现状并做出预测以估计路面大修时机，因此对该高道路行驶质量指数、路面平整度及车辆特征及速公路某段路面进行长时期检测，其数据见表1。司乘人员感觉有关，为减小评价指标的主观性，采用采用2007年一2013年数据训练进行支持向量机预车载式颠簸仪测试与评定，其计算式为：测2014年之后的路面性能指标数值，从而判定路面大修时机。表1中各数值进行归一化后得到表2。RQI=丽丽(5)表1益常高速公路某段2007—2013年路面性能检测数据式中：／RI为国际平整度指数，m／km。／RI值是1／4Table1TestingdataonasectionofYi—Changhighway车在80km／h时的数值，为无量纲量指数，是评价路pavementperformancein2007—2013面质量及服务水平的一个重要指标。2．3抗滑性能指数路面构造、干湿情况及行车速度是影响路面抗滑性能的主要因素，常采用横向力系数SFC作为路面抗滑性能的主要指标，其计算式为：s，丽+35(6)为对路面使用性能作出综合评价，对以上3个表2益常高速公路某段2007—2013年路面性能数据归指标赋予不同权重后通过计算采用路面质量指数一化数值表Table2NormalizedvalueoftestingdataonasectionofYi—PQI综合评定，其计算式为：Changhighwaypavementperformancein2007—2013PQI=lPCI+W2PQI+W3SRI(7)式中：加。、WW，分别为路面破损度、路面平整度及抗滑性能的权重值，且。+2+钾3=1。3工程实践应用分析3．1工程背景益常高速公路位于湖南省益阳市和常德市境内，路线起于长张高速公路K76+000处(长益高速以PCI的2007～2012年检测数据为样本进行资江二桥以北)，止于K149+083(常德檀树坪)，全训练学习，建立向量的3维方程为： 第3期李峰：基于支持向量机在役路面大修时机评定方法研究197①益常高速公路路面PCl为82．I4，评定等级脯i为良，四车道路面均不同程度出现多处典型的水泥板损坏，其中行车道更为严重，主要类型有破碎板、修补、裂缝、板角断裂、唧泥、错台、边角剥落等。全线断板率为7．39％(行车道断板率为9．72％)，共Il10．144I计破碎板925块，裂缝板2111块，板角断裂的y=l=l0．140I(9)3436块。【J【-0．136J行车道评定结构为良的路段仅有45段(含上、选取径向基函数：下行)，占全路段的30．82％。全线路面评定等级为(gi，g)=exp(一7IIgf—gII)，>0为基良主要因为超车道路面使用情况良好，实际上行车本函数，其中gf为的行向量，1，2，3。道路面状况指数较差，适时开展路面大修是必要的。’拉O格0朗日0函数为：根据不同车型、路段和方向对比分析2000—11l444l2o12年历年标准轴载作用轴次ESAL(次／d)及其增64O(，11●●●●●●●J8L(tt，，b，，n、)=÷IlII+÷y∑一长率：其中2012年底上行车道ESAL平均值为4065一i=lj次／d，较上年增长55．06％；下行车道平均值为∑口f【tt，(Xi)+b+一)，】(10)4560次／d，较上年增长63．92％。这主要是由于i=I2012年吉茶高速开通，给益常高速带来一定的诱增经Matlab计算可知：，为0．1344，还原为和转移流量。根据历年标准轴载分析累积交通轴81．17，其相对误差为2．09％，同理2014年PCI预载：2012年底上行一个车道平均累计当量轴次为测值为80．36，R预测值为76．83，SRI预测值为1528961次；下行一个车道平均累计当量轴次为81．54。1738227次，均属于重交通等级。通过对比各路段基于支持向量机评定益常高速公路全线PCI为车道平均累积当量轴次和平均PQI，可知：两者呈82．14，等级为良，下行优于上行，全线无差等路。全反比关系，这也与实际经验相符。利用累积交通轴线修补数量达到68774．6m，且主要集中在行车载，根据疲劳应力学原理计算并分析原路面使用年道。全线破碎板即交叉裂缝板的面积为17507．5限，得到益常高速2o14年疲劳应力将大于设计初期m，是益常高速的主要破坏类型，是除去修补之外的容许弯拉应力6blPa，故将“白改黑”大修时间安面积最多的损坏。排在2014年是合理的。益常高速全线行车道平整度RQI值为89．8，总②益常高速公路的RQ，值为89．8，评定等级为体评定为良。全线无差等路，上下行总体水平相当。良，行车道RqZ为86．4、87．4，超车道为92．8、益常高速公路IRI值上行行车道分布在1．36—4．3392．7，上下行总体水平相当，优良路率为97．26％，之间，平均IRI为2．68，变异系数为24．11％，表明全线共有8km评价为中、次的路段。该车道IRI较为离散，有少数路段会出现颠簸。下③益常高速公路抗滑性能良好，路面抗滑性能行行车道情况类同。超车道IRI总体在2．3以下，指数SRI为94．9，全线均为优、良等路，无抗滑性能行车舒适性较好。益常高速公路全线抗滑性能SRI不足路段。为94．9，评定等级为优，全线无中、次、差等路。4结论益常高速路面使用性能PQ，为86．48，综合评定为良，全线无次、差等路。比较PQI的3个技术指以湖南省益常高速高速公路路面质量指标标可发现，权重最大的破损性指标PCI的分值最低，2007—2013年的检测数据为研究对象，基于支持向说明路面破损相对平整度和抗滑性能表现的更为严量机时间序列预测模型对2014年PCI、t,qt及SRI重，导致益常高速公路PQI的综合评定未能达到优进行预测，并依据预测值评定路面大修时机。通过秀，因此应着重关注路面破损给路面带来的影响。本文研究可得到以下几点结论：3．3路面大修时机评定①路面使用性能指标检测数据有限，支持向量参照的检测报告检测项目主要包括路面破损情机适用于小样本数据且运算速度及预测精度均较况、平整度和抗滑性能3项。高，2013年PCI的预测误差为2．09％。 I98公路工程4O卷②基于支持向量机预测益常高速公路某段[7]张涛．基于人工神经网络的路面使用性能预测【D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009．2014年PCI、PQI及SR1分别为80．36、76．83与[8]尚保玉，郭顺生。郭钧．基于粗糙集和RBF神经网络的高速公8154。路路面使用性能评价研究[J]．武汉理工大学学报：交通科学③结合益常高速整体路面质量预测值及交通与工程版，2011(35)：1125—1129．量，建议2014年作为益常高速大修时机。[9]尚保玉．高速公路沥青混凝土路面使用性能评价方法研究[D]．武汉：武汉理工大学，2011．[参考文献】[1OJ邢荣军，徐湃．路面性能评价的熵权雷达图理论模型[J]．交通信息与安全，2010，28(5)：10—13．[1]湖南省交通规划勘察设计院．G5513长张高速公路(益常段)党奇志．基于灰色理论的旧沥青混凝土路面使用性能综合评大修项目工程可行性研究报告[R]．长沙：湖南省交通规划勘价方法[J]．公路，2011(11)：207～209．察设计院，2013．[12]刘秀菊，郑彦军．基于灰色理论的沥青混凝土路面使用性能[2]欧阳润泽，武和平，聚丙烯纤维碾压混凝土在路面大修工程中多指标预测方法研究[J]．公路，2012(4)．的应用[J]．公路工程，2013(6)：183—188．[13]李金龙．重庆高速公路沥青路面使用性能评价预测及养护决[3]吴超凡，黄治湘，张继森．G4高速公路湖南宋宜段大修工程路策优化研究[D】，重庆：重庆交通大学，2012．面结构方案设计[J]．公路工程，2014(4)：153—156．[14]唐卫华，雷春鸣．末宜高速公路水泥路面大修改建时机研究[4]曾俊标，袁万杰．早期修建低等级公路路面结构大修设计技术[J]．公路工程，2014，39(5)：356—360．研究[J]．公路工程，2012，37(1)：75—78．[15]张季男，刘薇．高速公路路面大修段落的筛选与校正[J]．中[5]赵雅晴．李志农，杨三强．基于物元模型的吐一乌一大高等级公外公路，2012，32(5)：90—92．路路面使用性能综合评价分析[J]．交通科学与工程。2014，[16]赵功．祁晒高速公路路面大修时机理论探究[J】．山西交通科(1)：93—97．技，2014(4)：4—5．[6]梅勇．应用时间序列对高速路面性能评价指标的预测研究[J]．湖南交通科技，2011，37(1)：13—15．(上接第147页)[5]张俊平，刘爱荣，李永河，等．蝴蝶拱桥的模型试验与理论研[3]邵长字．九堡大桥组合结构桥梁的技术构思与特色[J]．桥梁究[J]．桥梁建设，2007(2)：l5一l7．建设，2009(6)：42—45．[6]苏庆田，杨国涛．拱肋外倾角对异形空间拱桥受力的影响[4]张成，李贵勋．空间异形组合拱肋拱桥的静力及稳定性研究[J]．桥梁建设，201l(1)：14一l7．[J]．工程结构2013，33(4)：120—122。'