CN110777625B - 一种沥青路面服役性态聚类降维评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种沥青路面服役性态聚类降维评价方法，属于路面服役性评价领域，包括以下步骤：S1：采集路面技术状况原始参数；S2：路面技术状况实测参数向量的基变换；S3：路面技术状况聚类指标体系及评价排序。本发明基于聚类降维思想，在保留绝大部分原始信息的基础上，提出了一种路面技术状况间接评价方法，该方法来源于对实测数据的深度挖掘，受主观因素影响小，具有优良的通用性，可广泛应用于公路、市政、港口、机场等行业路面或铺面检测评估工作。

Description

一种沥青路面服役性态聚类降维评价方法

技术领域

本发明属于路面服役性评价领域，涉及一种沥青路面服役性态聚类降维评价方法。

背景技术

全面、准确评价路面服役性态是科学、有效实施路面维修养护措施的基础与关键，目前已有方法均是基于检测、监测或其它测试手段所得物理、力学参数，直接进行评价，存在评价维度高、参数蕴含信息重复交叉等缺陷。

按照现行《公路技术状况评定标准》(JTG 5210-2018)，要全面评价沥青路面服役性态，需要至少建立七个评价指标，而构建此七个评价指标，可能需要数十个原始参数，高维度的评价体系给准确、快捷评估路面服役性态带来了极大的困难。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于基于主成分分析原理，引入基变换技术，在保留原始测试参数绝大部分信息的基础上，提出一种沥青路面服役性态聚类降维评价方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种沥青路面服役性态聚类降维评价方法，包括以下步骤：

S1：采集路面技术状况原始参数；

S2：路面技术状况实测参数向量的基变换；

S3：路面技术状况聚类指标体系及评价排序。

进一步，步骤S1中，表征沥青路面技术状况的参数包括强度类参数、损坏类参数和表观类参数；

针对强度类参数，选取九点动态弯沉作为需要采集的原始参数，采用落锤式弯沉仪FWD进行测试，所述九点动态弯沉为：以距离加载中心点为0、20cm、30cm、60cm、90cm、120cm、150cm、180cm、210cm的九个点位为测点进行动态弯沉测试；

针对损坏类参数，选取沥青路面九种典型病害的长度或面积作为需要采集的原始参数，其中，条状裂缝、块状裂缝、沉陷、车辙、拥包、坑槽、松散七种病害的损坏程度分为轻微、严重两个等级，在严重等级损坏状况下，各参数乘以1.7的放大系数，泛油、修补两种病害，参数值乘以0.2和0.1的折算系数；

针对表观类参数，选取国际平整度指数、车辙深度、横向力系数、路面跳车扣分、左侧轮迹带路面构造深度、右侧轮迹带路面构造深度作为需要采集的原始参数，分别从路表平整、路表变形、路表抗滑、路表行车舒适程度、路表磨耗维度表征沥青路面表面技术状况。

进一步，步骤S2中，具体包括以下步骤：

S21：针对n条路段，开展路面技术状况原始表征参数的采集工作，所有数据构成m行n列的矩阵A，其中m为参数个数，每条路段的m个原始参数实测值组成列向量a_j＝[a_1j,a_2j,...,a_mj]^T(j＝1,2,...,n)，矩阵A称为路面技术状况初始评价矩阵；

S22：针对矩阵A每一行的元素，做如公式(1)所示的变换：

公式(1)中，a_1j、a_2j、...、a_mj(j＝1,2,...,n)为矩阵A第1行、第2行、...、第m行的元素；AVE(a_1j)、AVE(a_2j)、...、AVE(a_mj)为矩阵A第1行、第2行、...、第m行的元素均值；a'_1j、a'_2j、...、a'_mj(j＝1,2,...,n)为a_1j、a_2j、...、a_mj与AVE(a_1j)、AVE(a_2j)、...、AVE(a_mj)的差值；

S23：构造矩阵A的变换矩阵A'，矩阵A'称为路面技术状况评价矩阵，并计算矩阵A'的协方差矩阵B，如公式(2)与公式(3)所示：

式(2)与式(3)中，m为原始参数个数，n为测试路段总数。

进一步，步骤S4中包括以下步骤：

S41：协方差矩阵B为一m行m列的方阵，计算协方差矩阵B相应的特征值λ_i与单位特征向量e_i(i＝1,2,...,m)，设m个特征值的大小顺序为：λ₁≥λ₂≥...≥λ_m，对应的特征向量为e₁、e₂、...、e_m，以上m个特征向量组合而成初始降维矩阵C，如式(4)所示；

S42：如式(5)所示，按照“k_c大于等于80％”这一原则截取初始降维矩阵C的前p行，组成p行m列的降维矩阵C'，如式(6)所示；

式(5)与式(6)中，λ_i(i＝1,2,...,m)为协方差矩阵B相应的特征值，且λ₁≥λ₂≥...≥λ_m，p为降维矩阵C'的行数，m为初始降维矩阵C的行数，p≤m；

S43：构造路面技术状况聚类评价指标矩阵D，如式(7)所示：

由式(7)知，每条路段的聚类评价指标向量为d_j＝[d_1j,d_2j,...,d_pj]^T(j＝1,2,...,n)，据此，计算每条路段综合评价指标d_cj(j＝1,2,...,n)得分，如式(8)(9)所示：

根据式(8)(9)计算得到的综合评价指标值，对各个路段路面技术状况或服役性态进行排序。

本发明的有益效果在于：本发明基于聚类降维思想，在保留绝大部分原始信息的基础上，提出了一种路面技术状况间接评价方法，该方法来源于对实测数据的深度挖掘，受主观因素影响小，具有优良的通用性，可广泛应用于公路、市政、港口、机场等行业路面或铺面检测评估工作。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明所述沥青路面服役性态聚类降维评价方法流程图；

图2为n条路段m个参数实测值构成的路面技术状况初始评价矩阵；

图3为路面技术状况聚类评价指标矩阵。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明基于主成分分析原理，引入基变换技术，在保留原始测试参数绝大部分信息的基础上，提出一种沥青路面服役性态聚类降维评价方法，其主要流程如图1所示。

S1：采集路面技术状况原始参数

表征沥青路面技术状况的参数可分为强度类参数(如动态弯沉)、损坏类参数(如裂缝长度)、表观类参数(如平整程度)等，每类参数因测试目的、方法与仪器不同，又可细分为若干种，参照现行标准，本专利选取以下24种需要采集的原始参数，作为后续分析的基础，如表1所示。

表1

针对强度类参数，选取九点动态弯沉(距离加载中心点为0、20cm、30cm、60cm、90cm、120cm、150cm、180cm、210cm的九个点位)作为需要采集的原始参数，推荐采用落锤式弯沉仪(FWD)进行测试。

针对损坏类参数，选取沥青路面九种典型病害的长度或面积作为需要采集的原始参数，其中，条状裂缝、块状裂缝、沉陷、车辙、拥包、坑槽、松散七种病害的损坏程度分为轻微、严重两个等级，在严重等级损坏状况下，各参数均需乘以1.7的放大系数，泛油、修补两种病害，参数值需乘以0.2和0.1的折算系数。

针对表观类参数，选取国际平整度指数、车辙深度、横向力系数、路面跳车扣分、轮迹带路面构造深度(左、右侧)等作为需要采集的原始参数，分别从路表平整、路表变形、路表抗滑、路表行车舒适程度、路表磨耗等维度表征沥青路面表面技术状况。在路面跳车扣分中，跳车程度可分为轻度、中度、重度三类，不同程度跳车的单位扣分值分别为0、25、50，路面跳车扣分即为评价单元(如1千米)内，各处跳车扣分值之和。

S2：路面技术状况实测参数向量的基变换

假设针对n条路段，开展了路面技术状况原始表征参数的采集工作，那么所有数据可构成m行(参数个数)n列(路段总数)的矩阵A，其中，每条路段的m个原始参数实测值组成列向量a_j＝[a_1j,a_2j,...,a_mj]^T(j＝1,2,...,n)，矩阵A称为路面技术状况初始评价矩阵，如图2所示。

然后，针对矩阵A每一行(共m行)的元素，做如式(2.1)所示的变换：

式(2.1)中，a_1j、a_2j、...、a_mj(j＝1,2,...,n)为矩阵A第1行、第2行、...、第m行的元素；AVE(a_1j)、AVE(a_2j)、...、AVE(a_mj)为矩阵A第1行、第2行、...、第m行的元素均值；a'_1j、a'_2j、...、a'_mj(j＝1,2,...,n)为a_1j、a_2j、...、a_mj与AVE(a_1j)、AVE(a_2j)、...、AVE(a_mj)的差值。

最后，构造矩阵A的变换矩阵A'(矩阵A'称为路面技术状况评价矩阵)，并计算矩阵A'的协方差矩阵B，如式(2.2)与式(2.3)所示。

式(2.2)与式(2.3)中，m为原始参数个数，n为测试路段总数。

S3：路面技术状况聚类指标体系及评价排序

由式(2.3)可知，协方差矩阵B为一m行m列的方阵，首先，计算其相应的特征值λ_i与单位特征向量e_i(i＝1,2,...,m)，设m个特征值的大小顺序为：λ₁≥λ₂≥...≥λ_m，对应的特征向量为e₁、e₂、...、e_m，以上m个特征向量组合而成初始降维矩阵C，如式(3.1)所示。

然后，按照“k_c大于等于80％”(如式(3.2)所示)这一原则截取初始降维矩阵C的前p行，组成降维矩阵C'(p行m列)，如式(3.3)所示。

式(3.2)与式(3.3)中，λ_i(i＝1,2,...,m)为协方差矩阵B相应的特征值，且λ₁≥λ₂≥...≥λ_m，p为降维矩阵C'的行数，m为初始降维矩阵C的行数，p≤m。

接着，构造路面技术状况聚类评价指标矩阵D，如式(3.4)、图3所示。

由式(3.4)与图3可知，每条路段的聚类评价指标向量为d_j＝[d_1j,d_2j,...,d_pj]^T(j＝1,2,...,n)，据此，可计算每条路段综合评价指标d_cj(j＝1,2,...,n)得分，如式(3.5)所示。

根据式(3.5)计算得到的综合评价指标值，可对各个路段路面技术状况或服役性态进行排序。

全面、准确评价路面服役性态是科学、有效实施路面维修养护措施的基础与关键，而目前已有方法均是基于检测、监测或其它测试手段所得物理、力学参数，直接进行评价，存在评价维度高、参数蕴含信息重复交叉等缺陷，本发明基于聚类降维思想，在保留绝大部分原始信息的基础上，提出了一种路面技术状况间接评价方法，该方法来源于对实测数据的深度挖掘，受主观因素影响小，具有优良的通用性，可广泛应用于公路、市政、港口、机场等行业路面或铺面检测评估工作。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种沥青路面服役性态聚类降维评价方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：采集路面技术状况原始参数；表征沥青路面技术状况的参数包括强度类参数、损坏类参数和表观类参数；

针对强度类参数，选取九点动态弯沉作为需要采集的原始参数，采用落锤式弯沉仪FWD进行测试，所述九点动态弯沉为：以距离加载中心点为0、20cm、30cm、60cm、90cm、120cm、150cm、180cm、210cm的九个点位为测点进行动态弯沉测试；

针对损坏类参数，选取沥青路面九种典型病害的长度或面积作为需要采集的原始参数，其中，条状裂缝、块状裂缝、沉陷、车辙、拥包、坑槽、松散七种病害的损坏程度分为轻微、严重两个等级，在严重等级损坏状况下，各参数乘以1.7的放大系数，泛油、修补两种病害，参数值乘以0.2和0.1的折算系数；

针对表观类参数，选取国际平整度指数、车辙深度、横向力系数、路面跳车扣分、左侧轮迹带路面构造深度、右侧轮迹带路面构造深度作为需要采集的原始参数，分别从路表平整、路表变形、路表抗滑、路表行车舒适程度、路表磨耗维度表征沥青路面表面技术状况；

S2：路面技术状况实测参数向量的基变换；具体包括以下步骤：

S21：针对n条路段，开展路面技术状况原始表征参数的采集工作，所有数据构成m行n列的矩阵A，其中m为参数个数，每条路段的m个原始参数实测值组成列向量a_j＝[a_1j,a_2j,...,a_mj]^T(j＝1,2,...,n)，矩阵A称为路面技术状况初始评价矩阵；

S22：针对矩阵A每一行的元素，做如公式(1)所示的变换：

公式(1)中，a_1j、a_2j、...、a_mj(j＝1,2,...,n)为矩阵A第1行、第2行、...、第m行的元素；AVE(a_1j)、AVE(a_2j)、...、AVE(a_mj)为矩阵A第1行、第2行、...、第m行的元素均值；a'_1j、a'_2j、...、a'_mj(j＝1,2,...,n)为a_1j、a_2j、...、a_mj与AVE(a_1j)、AVE(a_2j)、...、AVE(a_mj)的差值；

S23：构造矩阵A的变换矩阵A'，矩阵A'称为路面技术状况评价矩阵，并计算矩阵A'的协方差矩阵B，如公式(2)与公式(3)所示：

式(2)与式(3)中，m为原始参数个数，n为测试路段总数；

S3：路面技术状况聚类指标体系及评价排序。

2.根据权利要求1所述的沥青路面服役性态聚类降维评价方法，其特征在于：步骤S4中包括以下步骤：

S41：协方差矩阵B为一m行m列的方阵，计算协方差矩阵B相应的特征值λ_i与单位特征向量e_i(i＝1,2,...,m)，设m个特征值的大小顺序为：λ₁≥λ₂≥...≥λ_m，对应的特征向量为e₁、e₂、...、e_m，以上m个特征向量组合而成初始降维矩阵C，如式(4)所示；

S42：如式(5)所示，按照“k_c大于等于80％”这一原则截取初始降维矩阵C的前p行，组成p行m列的降维矩阵C'，如式(6)所示；

式(5)与式(6)中，λ_i(i＝1,2,...,m)为协方差矩阵B相应的特征值，且λ₁≥λ₂≥...≥λ_m，p为降维矩阵C'的行数，m为初始降维矩阵C的行数，p≤m；

S43：构造路面技术状况聚类评价指标矩阵D，如式(7)所示：

由式(7)知，每条路段的聚类评价指标向量为d_j＝[d_1j,d_2j,...,d_pj]^T(j＝1,2,...,n)，据此，计算每条路段综合评价指标d_cj(j＝1,2,...,n)得分，如式(8)(9)所示：

根据式(8)(9)计算得到的综合评价指标值，对各个路段路面技术状况或服役性态进行排序。

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