摘 要

随着我国高速公路建设里程的增加，高速公路路面养护管理工作日益繁重，路面养护优化方案的制定也愈发困难。由于传统的方法很难解决路面养护决策的多目标多约束优化问题，因此，本文采用了对目标函数的性质无要求、搜索域大且不限于单个最优解的遗传算法。本文首先列举了高速公路路面损害类型以及路面养护质量评价指标，进行了路面养护经济性分析，阐述了如何量化计算高速公路路面养护总效益，并结合MATLAB遗传算法工具包阐述了遗传算法的计算过程，编制了运算程序，通过具体高速公路路面养护决策预选案例详细解释了使用遗传算法进行高速公路路面养护决策优化的过程，其间采用的两种MATLAB计算方案可供比选，计算结果表明遗传算法适用于高速公路路面养护决策优化问题。本文的研究对高速公路路面养护优化方案的制定具有一定的指导意义。

关键词：高速公路；路面养护；决策优化；遗传算法

Abstract

With the increasing mile of highway construction in China, the road maintenance and management of expressway is becoming increasingly arduous and the development of road maintenance optimization is becoming more and more difficult. Traditional method is difficult to solve the multi-objective and multi-constrained optimization problem of pavement maintenance. Therefore, this paper adopts the genetic algorithm which does not require the properties of the objective function and the search domain is vast and not limited to a single optimal solution. In this paper, the types of expressway pavement damage and the quality of pavement maintenance are listed, and the economic analysis of pavement maintenance is carried out. The general benefits of quantitative calculation of expressway pavement maintenance are expounded. The genetic algorithm is described with the combination of MATLAB genetic algorithm tool. The calculation procedure is compiled, and the process of highway road maintenance decision optimization using genetic algorithm is explained in detail through the pre-selection case of expressway pavement maintenance decision. The two MATLAB calculation schemes are available for comparison. The calculation results show that the genetic algorithm is applicable to the optimization of highway pavement maintenance decision. The research result of this paper has some guiding significance for making expressway pavement maintenance decision.

Key Words: Expressway; Pavement Maintenance; Decision Optimization; Genetic Algorithm

目 录

第1章 绪论1

1.1 研究背景1

1.2 国内外研究现状1

1.1.1 国外研究现状1

1.1.2 国内研究现状2

1.1.3 研究现状综述3

1.3 研究内容与技术路线3

第2章 高速公路路面养护质量评价5

2.1 高速公路路面损坏类型5

2.1.1 沥青路面损坏类型5

2.1.2 水泥路面损坏类型5

2.2 高速公路路面养护措施5

2.3 高速公路养护质量评价指标6

2.3.1 路面养护质量指标（PQI）7

2.3.2 路基状况指标（SCI）9

2.3.3 桥涵构造物状况指标（BCI）9

2.3.4 沿线设施状况指标（TCI）9

2.3.5 高速公路养护质量指标（MQI）9

第3章 高速公路路面养护经济性分析11

3.1 高速公路路面养护概述11

3.2 路面养护成本分析11

3.3 路面养护社会效益分析12

3.3.1 车辆通行时间成本节约15

3.3.2 车辆行驶成本节约17

3.3.3 车辆安全成本节约19

3.3.4 环境成本节约19

3.4 路面养护企业效益分析21

3.4.1 交通量预测21

3.4.2 企业效益增加量22

第4章 高速公路路面养护决策优化24

4.1 遗传算法概况24

4.1.1 遗传算法的基本操作24

4.1.2 遗传算法的多目标优化27

4.1.3 遗传算法的约束处理28

4.2 高速公路养护决策优化预选方案29

4.2.1 目标函数与约束条件29

4.2.2 公式简化30

4.3 遗传算法计算31

4.4 计算结果分析32

第5章 结论与展望36

5.1 结论36

5.2 展望36

5.3 创新点36

参考文献38

致谢40

第1章 绪论

1.1 研究背景

我国高速公路总里程截止2016年已突破13万公里^[1]，稳居世界第一位。高速公路在建成通车后，为保证在设计使用年限里，保持良好的使用性能, 具备较好的服务水平，充分发挥已有投资的效益，必须对其进行养护。随着我国高速公路建设里程的增加，高速公路路面养护管理工作日益繁重。由于养护时要考虑诸多限制因素，且可能有多个养护期望，传统的方法很难达到要求。因此，我们要寻求更优的高速公路路面养护决策制定方法，提升我国高速公路路面使用性能，提升我国高速公路路面养护总效益，让服务水平最大化、投资收益最大化。想要养护决策最优，我们就要寻求更加科学的养护管理方式，找寻更加合适的养护决策工具来帮助路面养护决策者对道路进行养护管理，使高速公路在整个设计使用年限内有较高的服务水平和投资收益。

目前，养护决策有诸多方法，主要采用的方法有马尔可夫决策、动态规划法、近似优化法、纯数学优化法、排序法和决策树法等^[2]。马尔可夫决策和动态规划法虽能求出唯一最优解，但不适应于多目标养护决策优化。近似优化法忽略了时间对方案安排产生的影响。纯数学的优化方法虽然在理论上可以非常好地优化路面养护决策方案，但它对数据完备性和计算量等方面的要求较高，因此用于庞大路网的路面养护决策问题过于复杂。排序法在选择解决方案时往往忽略了方案间的效益和实施方案时的时间影响。而决策树法适用于简单问题的优化，分枝的标准不细致且绝对化。因此，以上方法都不太适合处理多目标多约束的路面养护决策优化问题。