一种面向大规模路面网可持续养护的多目标决策方法

1.本发明属于道路工程技术领域，具体涉及一种面向大规模路面网可持续养护的多目标决策方法。


背景技术：

2.随着我国高速公路沥青路面通车里程的不断增长，同时公路养护部门面临着如何科学的对路面资产进行管理的巨大挑战，其面临的挑战和压力主要体现在以下：在资源配置上，路面养护尽管能够提供路面使用性能，但也伴随着大量资金的消耗，和因养护技术实施所需沥青、石料、机械设备消耗产生的环境污染，以及用户延误等。公路养护部门如何在有限的资源下，实现兼顾多种可持续发展战略目标的决策显得格外重要；在空间分布上，公路路面养护管理具有节点多、路线长、面域广等管理难度大等特点，随着区域养护体系需求的不断响应，如何实现区域大规模路面网群单元决策是当前亟待解决的问题；在网络级与路段级协调性上，路面养护实施具有区域化、网格化等特点，养护技术需精准定位到小范围的路面网格单元中，且集团化的养护资金供给需划拨至区域化管养单位，如何协调网络级资金决策与路段级资金决策是当前需要着重攻克的难题。
3.在路面养护决策方法的设计中，尽管已有部分研究将决策方法成功开发，但极少有养护决策方法能够针对区域性大规模路面网络进行资源调度，并从可持续的角度开展资产管理。兼具可供选择的可持续目标、参与交互式决策等功能的养护决策方法的构建是当前亟待解决的关键问题一。
4.因此，针对我国高速公路沥青路面养护决策在资源配置、空间分布、网络级与路段级协调性上的关键问题，以及当前的养护决策方法在协调路段级及网络级决策等技术瓶颈，有必要开发一种面向大规模路面网可持续养护的多目标决策方法，实现在解决大规模路面网可持续多目标决策的同时，并协调网络级与路段级的决策结果。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种面向大规模路面网可持续养护的多目标决策方法，该方法实现对面向大规模路面网可持续养护的多目标决策。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
7.一种面向大规模路面网可持续养护的多目标决策方法，该方法利用二进制转换及决策树开展区域性路面网路段单元级养护决策；根据路段单元级养护决策结果和交通流时空分布特征，确定路段单元级的四个可持续目标值：用户延误成本、养护成本、性能及环境影响指数；基于决策空间降维原理将大规模的路段单元合并成小规模的养护单元，并计算网络级的四个可持续目标值用于后续开展网络级养护决策；利用多目标进化算法求解网络级的各可持续目标组合的优化模型，并在网络级层面提供一组包含多个潜在可行解的替代策略；通过交互式的方法从替代策略中选择最终可行解，再根据决策空间转换原理将网络级决策结果链接至路段单元级。
8.本发明还包括如下技术特征：
9.具体的，包括以下步骤：
10.步骤1，区域性路段单元级养护决策：
11.根据既定的养护技术构建不同性能需求的养护方案组合，并对养护方案组合进行二进制转换，对区域性路面网特征中使用性能进行描述并建立路段单元级的决策树，并利用二进制数组确定各路段单元的养护方案；
12.步骤2，计算路段单元级的可持续目标值：
13.基于交通流的时空分布特征确定路段单元级的用户延误成本，根据生命周期评估理论计算不同路段单元级的养护成本和环境影响指数，并根据差值法和归一化计算不同路段单元级的综合性能改善分值；
14.步骤3，生成小规模的养护单元：
15.根据区域性路面网的基本信息，获得影响养护资金调度的关键属性，使用决策空间降维原理将大规模的路段单元合并成小规模的养护单元，并构建两级单元的映射关系，并计算网络级的四个可持续目标值用于后续开展网络级养护决策；
16.步骤4，多目标优化计算：
17.利用步骤3中形成的养护单元作为决策变量，采用多目标进化算法对不同目标组合形成的优化模型求解，基于非劣解等级排序原理确定最优pareto-front曲面或曲线，在网络级层面形成具有多个潜在可行解的策略集合；
18.步骤5，交互式决策与决策单元转换：
19.根据步骤4形成的多个潜在可行解策略集合，通过交互式的方法从策略集合中选择最终解，联合步骤3中构建的两级单元映射关系，将网络级的决策结果映射至路段单元级，并利用统计方法描述将各类可持续目标值在路段单元、养护方案的分布情况。
20.具体的，所述步骤1包括：
21.步骤1.1，对养护方案组合进行二进制转换：
22.根据当前的路面网条件确定养护技术类型数量m，根据养护活动实施的情况确定养护方案组合数量n，设方案组合的文本格式为a，每个方案由向量a
i1
＝(a
i1
,
…
,a
ij
,
…
,a
im
) 构成，其中，i＝1～n，j＝1～m，向量内的每个元素表示该养护技术的序号，则由二进制转换得到的方案数组bn×m构造方法为：
[0023][0024][0025]
步骤1.2，对区域性路面网特征的使用性能构建路段单元级的决策树时，基于性能构建决策树，并基于该决策树确定各路段单元的养护方案：
[0026]
设路面网的使用性能数组为ps×g，其中s代表路面网中路段单元的数量，g表示决策树中采用的使用性能指标数量，每个路段的使用性能由向量p
s1
＝(p
s1
,
…
,p
sg
)构成，定义fs表示路段s的方案编号，且任一fs均能在方案数组bn×m中找到一个行向量与之对应；则量化
后所得的养护方案描述数组fs的构造方法为：
[0027][0028]
其中，fi＝b
j1
,
…
,b
jm
),i＝1,
…
,s；j＝1,
…
,n，按照映射关系，可认为 f
i,1
＝b
j1
,
……
,f
i,m
＝b
jm
。
[0029]
具体的，所述步骤2包括：
[0030]
步骤2.1，根据不同可持续目标的分类，计算各路段的用户延误成本之前，应先计算路段单元的各时段交通量q
t,s
，假设路段s的交通量为aadts，0～24小时内的交通量平稳期时段点、第一高峰时段点、第一高峰时段消散点、第二高峰时段点、第二交通量消散点分别为t1、t2、t3、t4、t5，则各时段的交通量q
t,s
计算方法如下：
[0031][0032]
其中，c1～c
10
为常量；
[0033]
步骤2.2，根据不同可持续目标的分类，计算各路段的用户延误成本之前，在获得路段单元的各时段交通量q
t,s
基础上，结合通行能力计算方法，可得出路段s在实施养护技术期间的封闭段内通行能力为c
s,zone
、正常路段通行能力c
s,d
，定义运行速度为v
l
，和正常路段的运行速度为vc，待养护路段的长度为ls，加速和减速的总长度为la，封闭区间的过渡段长度为l
p
，每个路段实施对应养护技术的起始时间分别为t
ss
、t
se
，路段s中第 v车型的比例为r
s,v
，单位延误成本为cost
s,v
，则各路段单元中因实施养护技术造成的用户延误成本rucs计算方法为：
[0034][0035][0036]
步骤2.3，根据不同可持续目标的分类，通过步骤1.1中确定的二进制方案数组bn×m和步骤1.2中为路面网确定的养护方案数组fs，根据生命周期评估理论确定出不同养护技术的单位面积的养护成本uacm，假设待养护路段s的长度为ls，宽度为ws，可得出路段s在实施相应养护技术后产生的养护成本lcacs计算方法为：
[0037][0038]
步骤2.4，根据不同可持续目标的分类，通过步骤1.1中确定的二进制方案数组bn×m和步骤1.2中为路面网确定的养护方案数组fs，根据生命周期评估理论确定出不同养护技术的单位面积的环境影响指数ueim，可得出路段s在实施相应养护技术产生的环境影响指数lceis计算方法为：
[0039][0040]
步骤2.5，根据不同可持续目标的分类，通过步骤1.1中确定的二进制方案数组bn×m，设目标性能指标的数量为p，定义实施养护方案后形成的目标性能数组opn×
p
，则可得出每个路段实施养护方案后形成的目标性能数组tps×
p
，每个路段的原始性能数组为 ops×
p
，按照目标性能与当前性能值的相对值，定义不同性能指标类型的权重值α
p
，可得出路段s在实施相应养护技术后的综合性能改善分值rps计算方法为：
[0041][0042]
具体的，所述步骤3包括：
[0043]
步骤3.1，利用上述步骤2.2～2.5为每个路段计算的每个可持续目标值，在多目标优化中，假设所选择的目标维数为o，则由目标函数值构成的数组为os×o，从路面网特征属性中选择r个属性用于将s个路段单元划分成m个养护单元，故假设属性数组为is×r，将其与os×o组合成为增广数组(i,o)，映射后的增广数组(i
′
,o)构造方法为：
[0044][0045]
步骤3.2，利用映射后的增广数组(i
′
,o)，根据左侧列数组中相同元素合并的原则，重新计算网络级的四个可持续目标值，将(i
′
,o)转换成(i
″
,o
′
)，转换后(i
″
,o
′
)的行维数为k，其中左侧的列数组由k个编号组成(k＜＜s)，则构造方法如下：
[0046][0047]
具体的，所述步骤4包括：
[0048]
步骤4.1，利用上述步骤3.2构造的增广数组，将右侧的k
×
o数组用于构造多目标优化的数学模型，假设每个养护单元实施养护技术的二进制决策变量为xk×1＝ [x1,x2,
…
,xk]
t
，假设约束函数为hi(x)≤0，则数学模型构造方法为：
[0049]
min.y＝(o
″k×o)
t
xk×1[0050]
s.t.hi(x)≤0,(i＝1,2,
…
)
[0051]
步骤4.2，基于非劣解等级排序原理，采用多目标进化算法，为步骤4.1构造的数学模型进行求解，求解得出的pareto-front前沿解集合，设解集中的可行解个数为l，则可行解中形成的决策变量空间的可行解数组pf
x
和决策目标空间数组pfo分别描述为：
[0052][0053][0054]
具体的，所述步骤5包括：
[0055]
步骤5.1，利用步骤4.2得到的决策变量空间的可行解数组pf
x
和决策目标空间数组 pfo，可基于交互式的方法从策略集合中选择最终解，交互式的方法包括如下三类：
[0056]
第一类为直接选定可行解的编号，即假设确定出可行解编号为i，则可行解对应的决策变量为xi＝[x
i,1
,x
i,2
,
…
,x
i,k
]
t
，目标空间为oi＝[o
i,1
,o
i,2
,
…
,o
i,r
]
t
；
[0057]
第二类为采用最佳理想点法确定最终可行解编号，假设第i个pf解中，各个目标值的最大值为max.o
i,r
，则第i个可行解到最佳理想点的最短距离d
min,i
构造方法如下：
[0058][0059]
并根据确定出最小的可行解编号i；
[0060]
第三类为采用权重法确定最终可行解编号，假设第i个pf解中，各个目标值的最大值和最小值分别为max.o
i,r
、min.o
i,r
，第r个目标的权重为αr，则第i个可行解的综合值fi的构造方法如下：
[0061][0062]
并根据确定出最小的可行解编号i；
[0063]
步骤5.2，利用步骤5.1中任一类交互式方法得到的可行解编号i，联合步骤3.2构造的映射关系，可将网络级的决策结果映射至路段单元级，按照步骤4.2定义的决策变量空间和决策目标空间，得出网络级的决策结果链接至路段单元级的决策结果转换方法如下：
[0064][0065][0066]
根据转换后的结果，可得出每个路段单元因实施对应养护方案，形成的多种可持续目标的分布情况。
[0067]
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
[0068]
本发明可解决区域大规模路面网络群单元养护决策的问题，根据决策者的养护需求确定养护技术类型及数量，并利用二进制转换及决策树开展区域性路面网中路段单元级
养护决策，根据路面特征信息数据，利用交通流时空分布特征确定路段单元级的用户延误成本，并计算相应的养护成本、性能及环境影响指数等可持续目标值，根据决策者需求确定路段单元的划分属性，利用决策空间降维原理将大规模的路段单元合并成小规模的养护单元，从而建立路段单元与养护单元的映射关系，利用多目标进化算法计算多种可持续目标组合的优化模型，从而生成一组包含多个潜在可行解的替代策略，并根据交互式的方法从替代策略中选择最终可行解，再根据两级单元的映射关系将网络级决策结果链接至路段单元级。
[0069]
由于区域性大规模路面网包含的路段单元可能会造成优化求解时产生指数爆炸，例如，省一级养护单位条件下，待决策的路段单元通常有7000～10000个，而对于多目标优化而言，变量规模数超过100即属于大规模决策问题；而传统方法大多数通过聚类分析将多个路段合并从而降低变量规模，但该方法无法在合并之后为每个路段确定最佳的养护方案；另外传统的决策方法大多以某一个指标为目标指定养护资金分配方案，而并未考虑当前对可持续发展的需求。所以本发明能够科学的解决区域性大规模路面网中存在超大变量规模的问题，从而实现权衡经济成本、用户成本、环境保护、性能提升等多种目标制定出可持续决策方案，同时实现将网络级的决策结果链接至路段单元级。
附图说明
[0070]
图1为本发明的实现框架图；
[0071]
图2为案例实验中养护成本和环境影响指数在路线中的分布图；
[0072]
图3为案例实验中养护成本和环境影响指数在管养单位的分布图；
[0073]
图4为案例实验中综合性能改善分值在路线中的分布图；
[0074]
图5为案例实验中综合性能改善分值在在管养单位的分布图。
具体实施方式
[0075]
本发明提供一种面向大规模路面网可持续养护的多目标决策方法，本方法实现的基本框架如图1所示，该方法利用二进制转换及决策树开展区域性路面网路段单元级养护决策；根据路段单元级养护决策结果和交通流时空分布特征，确定路段单元级的四个可持续目标值：用户延误成本、养护成本、性能及环境影响指数；基于决策空间降维原理将大规模的路段单元合并成小规模的养护单元，并计算网络级的四个可持续目标值用于后续开展网络级养护决策；利用多目标进化算法求解网络级的各可持续目标组合的优化模型，并在网络级层面提供一组包含多个潜在可行解的替代策略；通过交互式的方法从替代策略中选择最终可行解，再根据决策空间转换原理将网络级决策结果链接至路段单元级。
[0076]
具体包括以下步骤：
[0077]
步骤1，区域性路段单元级养护决策：
[0078]
根据既定的养护技术构建不同性能需求的养护方案组合，并对其组合进行二进制转换，对区域性路面网特征中使用性能进行描述并建立路段单元级的决策树，并利用二进制数组确定各路段单元的养护方案；
[0079]
步骤2，计算路段单元级的可持续目标值：
[0080]
基于交通流的时空分布特征确定路段单元级的用户延误成本，根据生命周期评估
理论计算不同路段单元级的养护成本和环境影响指数，并根据差值法和归一化计算不同路段单元级的综合性能改善分值；
[0081]
步骤3，生成小规模的养护单元：
[0082]
根据区域性路面网的基本信息，获得影响养护资金调度的关键属性，使用决策空间降维原理将大规模的路段单元合并成小规模的养护单元，并构建两级单元的映射关系，并计算网络级的四个可持续目标值用于后续开展网络级养护决策；
[0083]
步骤4，多目标优化计算：
[0084]
利用步骤3中形成的养护单元作为决策变量，采用多目标进化算法对不同目标组合形成的优化模型求解，基于非劣解等级排序原理确定最优pareto-front曲面或曲线，在网络级层面形成具有多个潜在可行解的策略集合；
[0085]
步骤5，交互式决策与决策单元转换：
[0086]
根据步骤4形成的多个潜在可行解策略集合，通过交互式的方法从策略集合中选择最终解，联合步骤3中构建的两级单元映射关系，将网络级的决策结果映射至路段单元级，并利用统计方法描述将各类可持续目标值在路段单元、养护方案的分布情况。
[0087]
其中，步骤1包括：
[0088]
步骤1.1，养护方案组合的二进制转换包括：
[0089]
根据当前的路面网条件确定养护技术类型数量m，根据养护活动实施的情况确定养护方案组合数量n，设方案组合的文本格式为a，每个方案由向量a
i1
＝(a
i1
,
…
,a
ij
,
…
,a
im
) 构成，其中，i＝1～n，j＝1～m，向量内的每个元素表示该养护技术的序号，则由二进制转换得到的方案数组bn×m构造方法为：
[0090][0091][0092]
步骤1.2，对区域性路面网特征的使用性能构建路段单元级的决策树时，基于性能构建决策树，并基于该决策树确定各路段单元的养护方案：
[0093]
设路面网的使用性能数组为ps×g，其中s代表路面网中路段单元的数量，g表示决策树中采用的使用性能指标数量，每个路段的使用性能由向量p
s1
＝(p
s1
,
…
,p
sg
)构成，定义fs表示路段s的方案编号，且任一fs均能在方案数组bn×m中找到一个行向量与之对应；则量化后所得的养护方案描述数组fs的构造方法为：
[0094][0095]
其中，fi＝(b
j1
,
…
,b
jm
),i＝1,
…
,s；j＝1,
…
,n，按照映射关系，可认为 f
i,1
＝b
j1
,
……
,f
i,m
＝b
jm
。
[0096]
步骤2包括：
[0097]
步骤2.1，根据不同可持续目标的分类，计算各路段的用户延误成本之前，应先计算路段单元的各时段交通量q
t,s
，假设路段s的交通量为aadts，0～24小时内的交通量平稳
期时段点、第一高峰时段点、第一高峰时段消散点、第二高峰时段点、第二交通量消散点分别为t1、t2、t3、t4、t5，则各时段的交通量q
t,s
计算方法如下：
[0098][0099]
其中，c1～c
10
为常量；
[0100]
步骤2.2，根据不同可持续目标的分类，计算各路段的用户延误成本之前，在获得路段单元的各时段交通量q
t,s
基础上，结合通行能力计算方法，可得出路段s在实施养护技术期间的封闭段内通行能力为c
s,zone
、正常路段通行能力c
s,d
，定义运行速度为v
l
，和正常路段的运行速度为vc，待养护路段的长度为ls，加速和减速的总长度为la，封闭区间的过渡段长度为l
p
，每个路段实施对应养护技术的起始时间分别为t
ss
、t
se
，路段s中第 v车型的比例为r
s,v
，单位延误成本为cost
s,v
，则各路段单元中因实施养护技术造成的用户延误成本rucs计算方法为：
[0101][0102][0103]
步骤2.3，根据不同可持续目标的分类，通过步骤1.1中确定的二进制方案数组bn×m和步骤1.2中为路面网确定的养护方案数组fs，根据生命周期评估理论确定出不同养护技术的单位面积的养护成本uacm，假设待养护路段s的长度为ls，宽度为ws，可得出路段s在实施相应养护技术后产生的养护成本lcacs计算方法为：
[0104][0105]
步骤2.4，根据不同可持续目标的分类，通过步骤1.1中确定的二进制方案数组bn×m和步骤1.2中为路面网确定的养护方案数组fs，根据生命周期评估理论确定出不同养护技术的单位面积的环境影响指数ueim，可得出路段s在实施相应养护技术产生的环境影响指数lceis计算方法为：
[0106][0107]
步骤2.5，根据不同可持续目标的分类，通过步骤1.1中确定的二进制方案数组bn×m，设目标性能指标的数量为p，定义实施养护方案后形成的目标性能数组opn×
p
，则可得出每个路段实施养护方案后形成的目标性能数组tps×
p
，每个路段的原始性能数组为ops×
p
，按照目标性能与当前性能值的相对值，定义不同性能指标类型的权重值α
p
，可得出路段 s在实施相应养护技术后的综合性能改善分值rps计算方法为：
[0108][0109]
步骤3包括：
[0110]
步骤3.1，利用上述步骤2.2～2.5为每个路段计算的每个可持续目标值，在多目标优化中，假设所选择的目标维数为o，则由目标函数值构成的数组为os×o，从路面网特征属性中选择r个属性用于将s个路段单元划分成m个养护单元，故假设属性数组为is×r，将其与os×o组合成为增广数组(i,o)，映射后的增广数组(i
′
,o)构造方法为：
[0111][0112]
本实施方案中，对区域性路面网特征的使用性能构建路段单元级的决策树时，路面网特征属性包括各路段单元的使用性能数据(结构强度、车辙指数、平整度指数、抗滑性能指数、破损指数及其分项数据)、交通量及组成数据(年平均日交通量aadt、车型分布比例、交通量时空分布特性)、道路特征信息(每个路段单元的编号、上下行单元的桩号、路面宽度、车道数、隶属的二级管养单位、自定义的路段属性值)；
[0113]
步骤3.2，利用映射后的增广数组(i
′
,o)，根据左侧列数组中相同元素合并的原则，重新计算网络级的四个可持续目标值，将(i
′
,o)转换成(i
″
,o
′
)，转换后(i
″
,o
′
)的行维数为k，其中左侧的列数组由k个编号组成(k＜＜s)，则构造方法如下：
[0114][0115]
步骤4包括：
[0116]
步骤4.1，利用上述步骤3.2构造的增广数组，将右侧的k
×
o数组用于构造多目标优化的数学模型，假设每个养护单元实施养护技术的二进制决策变量为xk×1＝[x1,x2,
…
,xk]
t
，假设约束函数为hi(x)≤0，则数学模型构造方法为：
[0117]
min.y＝(o
″k×o)
t
xk×1[0118]
s.t.hi(x)≤0,(i＝1,2,
…
)
[0119]
步骤4.2，基于非劣解等级排序原理，采用多目标进化算法，为步骤4.1构造的数学模型进行求解，求解得出的pareto-front前沿解集合，设解集中的可行解个数为l，则可行解中形成的决策变量空间的可行解数组pf
x
和决策目标空间数组pfo分别描述为：
[0120][0121][0122]
步骤5包括：
[0123]
步骤5.1，利用步骤4.2得到的决策变量空间的可行解数组pf
x
和决策目标空间数
组 pfo，可基于交互式的方法从策略集合中选择最终解，交互式的方法包括如下三类：
[0124]
第一类为直接选定可行解的编号，即假设确定出可行解编号为i，则可行解对应的决策变量为xi＝[x
i,1
,x
i,2
,
…
,x
i,k
]
t
，目标空间为oi＝[o
i,1
,o
i,2
,
…
,o
i,r
]
t
；
[0125]
第二类为采用最佳理想点法确定最终可行解编号，假设第i个pf解中，各个目标值的最大值为max.o
i,r
，则第i个可行解到最佳理想点的最短距离d
min,i
构造方法如下：
[0126][0127]
并根据确定出最小的可行解编号i；
[0128]
第三类为采用权重法确定最终可行解编号，假设第i个pf解中，各个目标值的最大值和最小值分别为max.o
i,r
、min.o
i,r
，第r个目标的权重为αr，则第i个可行解的综合值fi的构造方法如下：
[0129][0130]
并根据确定出最小的可行解编号i；
[0131]
步骤5.2，利用步骤5.1中任一类交互式方法得到的可行解编号i，联合步骤3.2构造的映射关系，可将网络级的决策结果映射至路段单元级，按照步骤4.2定义的决策变量空间和决策目标空间，得出网络级的决策结果链接至路段单元级的决策结果转换方法如下：
[0132][0133]
根据转换后的结果，可得出每个路段单元因实施对应养护方案，形成的多种可持续目标的分布情况。
[0134]
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
[0135]
实施例1：
[0136]
本实施例以优化养护成本、环境影响指数以及综合性能三目标开展路面养护决策分析，包括以下内容：
[0137]
(1)区域性路段单元级养护决策：
[0138]
1)养护方案组合的二进制转换：
[0139]
选择5种养护技术(m＝5)，并定义了5种养护技术的单位养护成本、单位环境影响指数；将该5种养护技术用于形成9种养护方案组合(n＝9)，5种养护技术的基本参数如表1：
[0140]
表1 5种养护技术的基本参数
[0141][0142]
9种养护方案组合的基本参数如表2，二进制转换后的结果见表2最后一列，目标性能个数为4(p＝4)每种养护方案实施后形成的目标性能数组op9×4为：
[0143]
表2 9种养护方案组合的基本参数
[0144][0145][0146]
注：n表示不改善，计算性能得分改善值时按原路面性能处理。
[0147][0148]
路面网特征信息数据集准备：
[0149]
选择由1100公里形成的高速公路沥青路面网，路面的基本特征信息包括使用
①
性能数据：结构强度、破损指数、车辙指数、平整度指数、抗滑性能指数等直接指标及按照公路养护技术评定标准计算的百分制指标，
②
交通量及组成数据：aadt、车型分布比例、交通量时空分布特性；
③
道路特征信息：路段单元编号、上下行、路面宽度、车道数、隶属的二级管养单位；
[0150]
1100条路段单元的特征信息数据如表3：
[0151]
表3 1100条路段单元的特征信息数据
[0152][0153][0154]
其中，表3中的直接性能1～4列中所有数据构成性能数组p
1100
×4。
[0155]
2)养护决策树及路段单元养护方案确定：
[0156]
按照公路沥青路面养护设计规范及其相关规范，确定不同养护方案实施时对性能上下限界定，并按性能所处的范围对各个路段的性能组合分类，最后得到每个路段的方案数组f
1100
，仅选择路段1和路段1100为例，方案数组获取如下：
[0157][0158]
其中，f1＝(0,0,1,0,0,0),按照映射关系，可认为f
1,1
＝0,f
1,2
＝0,f
1,3
＝1,f
1,4
＝ 0,f
1,5
＝0,f
1,6
＝0,。
[0159]
(2)计算路段单元级的可持续目标值：
[0160]
由于选取的优化目标分别为养护成本lcac，环境影响指数lcei和综合性能得分值rp，按照给定的计算公式，可得出所有路段单元的可持续目标值，结果见表4：
[0161]
表4所有路段单元的可持续目标值
[0162][0163]
(3)生成小规模空间的养护单元：
[0164]
按照实施步骤，选择的目标维数o＝3，选择路线编号、上下行和管养单位作为属性值，即r＝3个属性值，用于将s＝1100个路段单元划分成k＝30个养护单元，则划分后的养护单元级的可持续目标数组元素见表5：
[0165]
表5养护单元级的可持续目标数组元素
[0166][0167][0168]
同时，由3个属性值划分成i1,
…i30
个种类，则路段单元级与养护单元级的映射关系为：
[0169][0170]
(4)多目标优化计算：
[0171]
利用表5种的数组元素作为多目标线性规划问题的系数数组，选择了2种约束条件 (养护比例上下限分别为8％、100％，养护预算上下限为1000万、10000万)；模型求解方法选
择了nsga-ii进化算法，通过计算得到了200个pareto-front解集合。
[0172]
(5)交互式决策与决策单元转换：
[0173]
采用交互式决策中的最佳理想点法，确定出pf编号为185(i＝185)的解作为最终解，该解特征为：养护单元级的决策变量空间数组 xi＝[0,0,1,0,0,0,0,0,0,1,1,0,0,0,0,0,1,1,1,0,0,0,0,0,1,1,0,1,1,0]
t
，目标空间数组oi＝ [3457.292,24513.221,1883.202]
t
；因此，通过路段单元级与养护单元级的映射关系，可得出路段单元级的决策变量和决策目标空间数组，以及方案编号和对应的养护单元见表6，并基于此，可进一步得出不同养护成本、环境指数以及综合性能改善分值在空间维度的分布，如图所示，该案例也验证了模型针对大规模路面网的可持续养护决策的有效性，如图2～图5所示，图2为案例实验中养护成本和环境影响指数在路线中的分布图(横坐标为路线名称，纵坐标为养护成本lcac和环境影响指数lcei)；图3为案例实验中养护成本和环境影响指数在管养单位的分布图(横坐标为管养单位，纵坐标为养护成本lcac和环境影响指数lcei)；图4为案例实验中综合性能改善分值在路线中的分布图(横坐标为路线名称，纵坐标为性能改善分值pi)；图5为案例实验中综合性能改善分值在在管养单位的分布图(横坐标为管养单位，纵坐标为性能改善分值pi)。
[0174]
表6路段单元级的决策变量和决策目标空间数组以及方案编号和对应的养护单元
[0175]

技术特征：
1.一种面向大规模路面网可持续养护的多目标决策方法，其特征在于，该方法利用二进制转换及决策树开展区域性路面网路段单元级养护决策；根据路段单元级养护决策结果和交通流时空分布特征，确定路段单元级的四个可持续目标值：用户延误成本、养护成本、性能及环境影响指数；基于决策空间降维原理将大规模的路段单元合并成小规模的养护单元，并计算网络级的四个可持续目标值用于后续开展网络级养护决策；利用多目标进化算法求解网络级的各可持续目标组合的优化模型，并在网络级层面提供一组包含多个潜在可行解的替代策略；通过交互式的方法从替代策略中选择最终可行解，再根据决策空间转换原理将网络级决策结果链接至路段单元级。2.如权利要求1所述的面向大规模路面网可持续养护的多目标决策方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，区域性路段单元级养护决策：根据既定的养护技术构建不同性能需求的养护方案组合，并对养护方案组合进行二进制转换，对区域性路面网特征中使用性能进行描述并建立路段单元级的决策树，并利用二进制数组确定各路段单元的养护方案；步骤2，计算路段单元级的可持续目标值：基于交通流的时空分布特征确定路段单元级的用户延误成本，根据生命周期评估理论计算不同路段单元级的养护成本和环境影响指数，并根据差值法和归一化计算不同路段单元级的综合性能改善分值；步骤3，生成小规模的养护单元：根据区域性路面网的基本信息，获得影响养护资金调度的关键属性，使用决策空间降维原理将大规模的路段单元合并成小规模的养护单元，并构建两级单元的映射关系，并计算网络级的四个可持续目标值用于后续开展网络级养护决策；步骤4，多目标优化计算：利用步骤3中形成的养护单元作为决策变量，采用多目标进化算法对不同目标组合形成的优化模型求解，基于非劣解等级排序原理确定最优pareto-front曲面或曲线，在网络级层面形成具有多个潜在可行解的策略集合；步骤5，交互式决策与决策单元转换：根据步骤4形成的多个潜在可行解策略集合，通过交互式的方法从策略集合中选择最终解，联合步骤3中构建的两级单元映射关系，将网络级的决策结果映射至路段单元级，并利用统计方法描述将各类可持续目标值在路段单元、养护方案的分布情况。3.如权利要求2所述的面向大规模路面网可持续养护的多目标决策方法，其特征在于，所述步骤1包括：步骤1.1，对养护方案组合进行二进制转换：根据当前的路面网条件确定养护技术类型数量m，根据养护活动实施的情况确定养护方案组合数量n，设方案组合的文本格式为a，每个方案由向量a
i1
＝(a
i1
，...，a
ij
，...，a
im
)构成，其中，i＝1～n，j＝1～m，向量内的每个元素表示该养护技术的序号，则由二进制转换得到的方案数组b
n
×
m
构造方法为：
步骤1.2，对区域性路面网特征的使用性能构建路段单元级的决策树时，基于性能构建决策树，并基于该决策树确定各路段单元的养护方案：设路面网的使用性能数组为p
s
×
g
，其中s代表路面网中路段单元的数量，g表示决策树中采用的使用性能指标数量，每个路段的使用性能由向量p
s1
＝(p
s1
，....，p
sg
)构成，定义f
s
表示路段s的方案编号，且任一f
s
均能在方案数组b
n
×
m
中找到一个行向量与之对应；则量化后所得的养护方案描述数组f
s
的构造方法为：其中，f
i
＝(b
j1
，....，b
jm
)，i＝1，....，s；j＝1，....，n，按照映射关系，可认为f
i，1
＝b
j1
，........，f
i，m
＝b
jm
。4.如权利要求3所述的面向大规模路面网可持续养护的多目标决策方法，其特征在于，所述步骤2包括：步骤2.1，根据不同可持续目标的分类，计算各路段的用户延误成本之前，应先计算路段单元的各时段交通量q
t，s
，假设路段s的交通量为aadt
s
，0～24小时内的交通量平稳期时段点、第一高峰时段点、第一高峰时段消散点、第二高峰时段点、第二交通量消散点分别为t1、t2、t3、t4、t5，则各时段的交通量q
t，s
计算方法如下：其中，c1～c
10
为常量；步骤2.2，根据不同可持续目标的分类，计算各路段的用户延误成本之前，在获得路段单元的各时段交通量q
t，s
基础上，结合通行能力计算方法，可得出路段s在实施养护技术期间的封闭段内通行能力为c
s，zone
、正常路段通行能力c
s，d
，定义运行速度为v
l
，和正常路段的运行速度为v
c
，待养护路段的长度为l
s
，加速和减速的总长度为l
a
，封闭区间的过渡段长度为l
p
，每个路段实施对应养护技术的起始时间分别为t
ss
、t
se
，路段s中第v车型的比例为r
s，v
，单位延误成本为cost
s，v
，则各路段单元中因实施养护技术造成的用户延误成本ruc
s
计算方法为：
步骤2.3，根据不同可持续目标的分类，通过步骤1.1中确定的二进制方案数组b
n
×
m
和步骤1.2中为路面网确定的养护方案数组f
s
，根据生命周期评估理论确定出不同养护技术的单位面积的养护成本uac
m
，假设待养护路段s的长度为l
s
，宽度为w
s
，可得出路段s在实施相应养护技术后产生的养护成本lcac
s
计算方法为：步骤2.4，根据不同可持续目标的分类，通过步骤1.1中确定的二进制方案数组b
n
×
m
和步骤1.2中为路面网确定的养护方案数组f
s
，根据生命周期评估理论确定出不同养护技术的单位面积的环境影响指数uei
m
，可得出路段s在实施相应养护技术产生的环境影响指数lcei
s
计算方法为：步骤2.5，根据不同可持续目标的分类，通过步骤1.1中确定的二进制方案数组b
n
×
m
，设目标性能指标的数量为p，定义实施养护方案后形成的目标性能数组op
n
×
p
，则可得出每个路段实施养护方案后形成的目标性能数组tp
s
×
p
，每个路段的原始性能数组为op
s
×
p
，按照目标性能与当前性能值的相对值，定义不同性能指标类型的权重值α
p
，可得出路段s在实施相应养护技术后的综合性能改善分值rp
s
计算方法为：5.如权利要求4所述的面向大规模路面网可持续养护的多目标决策方法，其特征在于，所述步骤3包括：步骤3.1，利用上述步骤2.2～2.5为每个路段计算的每个可持续目标值，在多目标优化中，假设所选择的目标维数为o，则由目标函数值构成的数组为o
s
×
o
，从路面网特征属性中选择r个属性用于将s个路段单元划分成m个养护单元，故假设属性数组为i
s
×
r
，将其与o
s
×
o
组合成为增广数组(i，o)，映射后的增广数组(i
′
，o)构造方法为：步骤3.2，利用映射后的增广数组(i
′
，o)，根据左侧列数组中相同元素合并的原则，重新计算网络级的四个可持续目标值，将(i
′
，o)转换成(i
″
，o
′
)，转换后(i
″
，o
′
)的行维数为k，其中左侧的列数组由k个编号组成(k＜＜s)，则构造方法如下：
6.如权利要求5所述的面向大规模路面网可持续养护的多目标决策方法，其特征在于，所述步骤4包括：步骤4.1，利用上述步骤3.2构造的增广数组，将右侧的k
×
o数组用于构造多目标优化的数学模型，假设每个养护单元实施养护技术的二进制决策变量为x
k
×1＝[x1，x2，...，x
k
]
t
，假设约束函数为h
i
(x)≤0，则数学模型构造方法为：min.y＝(o
″
k
×
o
)
t
x
k
×1s.t.h
i
(x)≤0，(i＝1，2，......)步骤4.2，基于非劣解等级排序原理，采用多目标进化算法，为步骤4.1构造的数学模型进行求解，求解得出的pareto-front前沿解集合，设解集中的可行解个数为l，则可行解中形成的决策变量空间的可行解数组pf
x
和决策目标空间数组pf
o
分别描述为：分别描述为：7.如权利要求6所述的面向大规模路面网可持续养护的多目标决策方法，其特征在于，所述步骤5包括：步骤5.1，利用步骤4.2得到的决策变量空间的可行解数组pf
x
和决策目标空间数组pf
o
，可基于交互式的方法从策略集合中选择最终解，交互式的方法包括如下三类：第一类为直接选定可行解的编号，即假设确定出可行解编号为i，则可行解对应的决策变量为x
i
＝[x
i，1
，x
i，2
，...，x
i，k
]
t
，目标空间为o
i
＝[o
i，1
，o
i，2
，...，o
i，r
]
t
；第二类为采用最佳理想点法确定最终可行解编号，假设第i个pf解中，各个目标值的最大值为max
·
o
i，r
，则第i个可行解到最佳理想点的最短距离d
min，i
构造方法如下：并根据确定出最小的可行解编号i；第三类为采用权重法确定最终可行解编号，假设第i个pf解中，各个目标值的最大值和最小值分别为max.o
i，r
、min.o
i，r
，第r个目标的权重为α
r
，则第i个可行解的综合值f
i
的构造方法如下：并根据确定出最小的可行解编号i；步骤5.2，利用步骤5.1中任一类交互式方法得到的可行解编号i，联合步骤3.2构造的
映射关系，可将网络级的决策结果映射至路段单元级，按照步骤4.2定义的决策变量空间和决策目标空间，得出网络级的决策结果链接至路段单元级的决策结果转换方法如下：根据转换后的结果，可得出每个路段单元因实施对应养护方案，形成的多种可持续目标的分布情况。

技术总结
本发明公开了一种面向大规模路面网可持续养护的多目标决策方法，利用二进制转换及决策树开展区域性路面网路段单元级养护决策；根据路段单元级养护决策结果和交通流时空分布特征，确定路段单元级的可持续目标值；基于决策空间降维原理将大规模的路段单元合并成小规模的养护单元并计算网络级的可持续目标值用于开展网络级养护决策；利用多目标进化算法求解网络级的可持续目标组合的优化模型，并在网络级层面形成具有多个潜在可行解的策略集合；通过交互式的方法确定最终可行解，根据决策空间转换原理将网络级决策结果链接至路段单元级。本发明实现在解决大规模路面网可持续多目标决策的同时，并协调网络级与路段单元级的决策结果。的决策结果。的决策结果。


技术研发人员：郑木莲 陈旺 丁晓岩 张文武 卢川 朱琳琳
受保护的技术使用者：长安大学
技术研发日：2022.06.22
技术公布日：2022/11/1