基于遗传算法的沥青路面结构优化方法研究
|
摘要
高等级公路沥青路面具有造价昂贵的特点，这引起了路面结构优化方法的产生和发展。针对常用优化方法解法复杂、计算效率和精度偏低等缺点，本文提出了以遗传算法为基础的优化方法；同时，针对沥青路面的使用性能下降较快、路面质量达不到预期要求的特点，本文在优化方法中对影响路面使用性能的主要因素进行了主动的考虑，提出了新的路面结构优化模型。
首先，针对目前应用广泛的半刚性基层沥青路面的两种主要破坏模式——路面车辙和开裂，本文总结了两者的产生原因及主要控制方法，并从中得出了它们的定量评价模式。
其次，结合对路面使用性能的分析，本文建立了沥青路面结构的厚度优化模型，以期得到在保证使用性能基础上的造价最低的路面结构。该模型主要通过将对使用性能的控制转化为模型约束条件来实现对使用性能的保证。对于控制路面强度及稳定性的约束条件——路表弯沉，采用了简化公式进行计算。
模型的求解是实现该优化方法的关键。在阐述了遗传算法的基本原理并分析其特点后，本文进一步分析了遗传算法对路面结构优化的适用性，确定了遗传算法处理路面优化约束条件的原则，给出了遗传算法用于路面优化模型求解的算法步骤，并在此基础上，编制了遗传算法的路面优化求解程序。
最后，通过三个算例的计算，得出了优化求解的一些参数取值经验，并将优化结果与其它优化解法所得结果进行了比较。计算结果表明，基于遗传算法的该优化解法是实际可行的，而且具有高效、精确的特点，能够实现预期的优化目的。
本文的分析研究为沥青路面结构优化设计提供了新的方法和思路。
Optimization method of asphalt pavement is continuously developing because of the high construction cost of the pavement. According to the defects of optimization techniques used previously, such as complex calculating processes and low efficiency, this thesis presents a new optimization method based on Genetic Algorithms (GAs), and in view of the importance of asphalt pavement performance, the method gives a consideration to it.
First, rutting and cracking, which are the two main kinds of destruction of semi-rigid base asphalt pavement, is analyzed in the thesis. Some predicting models of pavement performance are also studied and compared. Based on these studies, estimating ways and control methods of rutting and cracking are obtained.
Second, with the analysis of pavement performance, optimization model of asphalt pavement thickness is presented. Using this model, pavement with good performance and lowest cost could be attained. Converting control methods to control parameters of the models ensures pavement performance.
Solution of the optimization model is the key of this kind of method. After advantages and disadvantages of general optimization techniques are studied, a modern optimization algorithm, GAs is adopted to solve the model in the thesis. It is practical for GAs to solve the model according to its fundamental and traits.
At last, using this method, three cases are studied. With the results of them, the method is compared with other methods. It shows that the method is practical and useful, and it has high efficiency and precision.
Analysis and study of this thesis provide a new method and thought for asphalt pavement optimization as reference.
首先，针对目前应用广泛的半刚性基层沥青路面的两种主要破坏模式——路面车辙和开裂，本文总结了两者的产生原因及主要控制方法，并从中得出了它们的定量评价模式。
其次，结合对路面使用性能的分析，本文建立了沥青路面结构的厚度优化模型，以期得到在保证使用性能基础上的造价最低的路面结构。该模型主要通过将对使用性能的控制转化为模型约束条件来实现对使用性能的保证。对于控制路面强度及稳定性的约束条件——路表弯沉，采用了简化公式进行计算。
模型的求解是实现该优化方法的关键。在阐述了遗传算法的基本原理并分析其特点后，本文进一步分析了遗传算法对路面结构优化的适用性，确定了遗传算法处理路面优化约束条件的原则，给出了遗传算法用于路面优化模型求解的算法步骤，并在此基础上，编制了遗传算法的路面优化求解程序。
最后，通过三个算例的计算，得出了优化求解的一些参数取值经验，并将优化结果与其它优化解法所得结果进行了比较。计算结果表明，基于遗传算法的该优化解法是实际可行的，而且具有高效、精确的特点，能够实现预期的优化目的。
本文的分析研究为沥青路面结构优化设计提供了新的方法和思路。
Optimization method of asphalt pavement is continuously developing because of the high construction cost of the pavement. According to the defects of optimization techniques used previously, such as complex calculating processes and low efficiency, this thesis presents a new optimization method based on Genetic Algorithms (GAs), and in view of the importance of asphalt pavement performance, the method gives a consideration to it.
First, rutting and cracking, which are the two main kinds of destruction of semi-rigid base asphalt pavement, is analyzed in the thesis. Some predicting models of pavement performance are also studied and compared. Based on these studies, estimating ways and control methods of rutting and cracking are obtained.
Second, with the analysis of pavement performance, optimization model of asphalt pavement thickness is presented. Using this model, pavement with good performance and lowest cost could be attained. Converting control methods to control parameters of the models ensures pavement performance.
Solution of the optimization model is the key of this kind of method. After advantages and disadvantages of general optimization techniques are studied, a modern optimization algorithm, GAs is adopted to solve the model in the thesis. It is practical for GAs to solve the model according to its fundamental and traits.
At last, using this method, three cases are studied. With the results of them, the method is compared with other methods. It shows that the method is practical and useful, and it has high efficiency and precision.
Analysis and study of this thesis provide a new method and thought for asphalt pavement optimization as reference.
引文
[1]黄卫，顾维平，方福森．沥青路面设计方法的发展[J]．公路：1996，3：21～27．
[2]黄仰贤．路面分析与设计[M]．北京：人民交通出版社，1998．
[3]AASHTO Report, AASHTO Guide for Design of Pavement Structures, 1986,AASHTI,AASHTO Washington, D.V., 1986.
[4]邓学钧，黄晓明．路面设计原理与方法[M]．北京：人民交通出版社，2001．
[5]邓学钧．路面路基工程[M]．北京：人民交通出版社，2000．
[6]中华人民共和国交通部．公路沥青路面设计规范(JTJ014～97)[S]．北京：人民交通出版社，1997．
[7]沙庆林．高等级公路半刚性路面[M]．北京：中国建筑工业出版社，1993．
[8]杨孟余．《公路沥青路面设计规范》(JTJ014-97)修订介绍[J]．公路，1997(7)：33～40．
[9]张晓冰．半刚性基层沥青路面面层合理厚度研究[D]：[博士学位论文]．南京：东南大学，1999．
[10]沙庆林．中国路面技术的发展和现状[J]．国外公路，1998，18(2)：1～8．
[11]赵延庆．沥青路面系统可靠性优化设计方法研究[J]．中国公路学学报997，10(3)：25～31．
[12]张起森，查旭东．沥青路面结构的可靠性优化设计[J]．中国公路学报，1996，9(4)：8～16．
[13]Michael Divinsky. Probabilistic Approach to Pavement Design Based on Generalized California Bearing Ratio Equation [J]. Journal of Transportation Engineering, 1998 (11/12): 161～166.
[14]何兆益，战高峰，邓学钧．一种分析沥青路面可靠度的实用优化方法[J]．重庆交通学院学报，1993，12(2)：36～41．
[15]叶国铮．柔性路面疲劳与优化设计[M]．北京：人民交通出版社，1989．140～164．
[16]沙庆林．进一步提高高等级公路沥青路面的使用性能和耐久性[J]．中国公路学报，1995，8(1)：24～29．
[17]Michael S, Mamlouk. Analysis and Design Optimization of Flexible Pavement [J]. Journal of Transportation engineering. 2000(3/4): 161～166.
[18]赵佳军．柔性路面优化设计方法研究[J]．公路，1994(1)：34～38．
[19]姚占春．上海半刚性基层沥青路面结构的设计优化[D]：[硕士学位论文]．上海：同济大学，1999．
[20]陶全心，李著璟．结构优化设计方法[M]．北京：清华大学出版社，1985．98～112．
[21]黄立葵，王昌衡．优化方法在柔性路面厚度设计中的应用[J]．湖南大学学报，1993，20(3)：105～110．
[22]王凯，毛世怀．正交设计法在柔性路面优化中的应用[J]．公路，1991(7)：16～21．
[23]盛安连，伍石生．高等级公路沥青面层厚度优化设计[J]．公路，1997(5)：24～27，46．
[24]邢文训，谢金星．现代优化算法[J]．北京：清华大学出版社，1999．140～183．
[25]杨硕．柔性路面设计方法的讨论[J]．重庆交通学院学报，1995，14(2)：14～20．
[26]张晓冰，黄晓明．半刚性基层沥青路面典型结构厚度设计研究[J]．中国公路学报，1999，12(2)：25～30．
[27]张起森，何余良，沥青路面使用性能评价指标的探讨[J]．长沙交通学院学报，1994，10(3)：44～51．
[28]马健．沥青类路面使用性能的预估模型[J]．公路，1998(7)：33～34．
[29]何铁军，黄卫．模糊神经网络在沥青路面使用性能评价中的应用[J]．公路交通科技，17(4)：15～18．
[30]王艳丽，王秉刚．应用人工神经网络预测路面使用性能[J]．西安公路交通大学学报，2001，21(1)：42～45．
[31]许志军、孙立军．沥青路面结构组合对使用性能的影响[J]．同济大学学报，1996，24(5)：515～519．
[32]Adrian Ricardo Archilla, Samer Madanat. Development of a Pavement Rutting Model from Experimental Data [J]. Journal of Transportation Engineering. 2000(7/8):291～298.
[33]邱延峻，孙振堂．柔性路面路基土的永久变形[J]．西南交通大学学报，2000，35(2)：116～120．
[34]黄晓明，张晓冰，邓学钧．沥青路面车辙形成规律环道试验研究[J]．东南大学学报，2000，30(5)：96～101．
[35]杨杰．沥青路面车辙预估模型的研究[D]：硕士学位论文．上海：同济大学，1991．
[36]徐世法．沥青路面粘弹性力学分析与车辙预估[D]：硕士学位论文．上海：同济大学，1988．
[37]韦苒．半刚性基层沥青路面车辙研究[D]：硕士学位论文．南京：东南大学，1994．
[38]M.A. Castell, A.R. Ingraffea, L.H. Irwin. Fatigue Crack Growth in Pavements [J]. Journal of Transportation Engineering. 2000(7/8):263～290.
[39]吕伟民．沥青混合料设计原理与方法[M]．上海：同济大学出版社，2001．55～60，100～113．
[40]黄卫，邓学钧．双圆荷载下路面弯沉的近似计算[J]．东南大学学报，1994，24(6)：62～65．
[41]米凯利维茨．演化程序——编码的结合[M]．周家驹，何险峰译．北京：科学出版社，2000．
[42]玄光男，程润伟．遗传算法与工程设计[M]．汪定伟，唐加福，黄敏译．北京：科学出版社，2000．
[43]查旭东，张起森．采用遗传算法反算路面结构层模量的研究[C]．见：中国公路学会．第三届国际道路和机场路面技术大会论文集．北京：人民交通出版社，1998．262～267．
[44]谭浩强．C程序设计[M]．北京：清华大学出版社，1991．
[45]湖北省襄十高速公路建设指挥部．襄十高速公路路面方案研究会会议资料[C]．2001．
[46]李宇峙，刘朝晖．湖北省半刚性基层沥青路面典型结构[J]．公路，1996，1：39～43．
[47]武和平，潘世建，梁超．高速公路沥青混凝土路面结构优化设计的应用[J]．公路，1998(12)：26～32．
[48]孙治军，戴经梁．沥青路面结构优化设计方法研究[J]．西安公路交通大学学报，1997，17(2)：21～26．
[49]李国强，蒋志仁．沥青路面使用性能指标研究[J]．重庆交通学院学报，1995，14(1)：47～55．
[50]詹姆斯，恩·西多．最优工程设计——原理与应用[M]．应锦春译．北京：机械工业出版社，1987．86～202．
[51]黎霞，田小革．用动蠕变试验确定沥青混凝土动态粘弹性参数[J]．国外公路，2000，20(1)：46～48．
[52]姚祖康．公路设计手册：路面(第二版)[M]．北京：人民交通出版社，1999．
[53]T. F. Fwa, W.T. Chan, K.Z. Hoque. Multiobjective Optimization for Pavement Maintenance Programming [J]. Journal of Transportation Engineering. 2000(10/11):367～373.
[2]黄仰贤．路面分析与设计[M]．北京：人民交通出版社，1998．
[3]AASHTO Report, AASHTO Guide for Design of Pavement Structures, 1986,AASHTI,AASHTO Washington, D.V., 1986.
[4]邓学钧，黄晓明．路面设计原理与方法[M]．北京：人民交通出版社，2001．
[5]邓学钧．路面路基工程[M]．北京：人民交通出版社，2000．
[6]中华人民共和国交通部．公路沥青路面设计规范(JTJ014～97)[S]．北京：人民交通出版社，1997．
[7]沙庆林．高等级公路半刚性路面[M]．北京：中国建筑工业出版社，1993．
[8]杨孟余．《公路沥青路面设计规范》(JTJ014-97)修订介绍[J]．公路，1997(7)：33～40．
[9]张晓冰．半刚性基层沥青路面面层合理厚度研究[D]：[博士学位论文]．南京：东南大学，1999．
[10]沙庆林．中国路面技术的发展和现状[J]．国外公路，1998，18(2)：1～8．
[11]赵延庆．沥青路面系统可靠性优化设计方法研究[J]．中国公路学学报997，10(3)：25～31．
[12]张起森，查旭东．沥青路面结构的可靠性优化设计[J]．中国公路学报，1996，9(4)：8～16．
[13]Michael Divinsky. Probabilistic Approach to Pavement Design Based on Generalized California Bearing Ratio Equation [J]. Journal of Transportation Engineering, 1998 (11/12): 161～166.
[14]何兆益，战高峰，邓学钧．一种分析沥青路面可靠度的实用优化方法[J]．重庆交通学院学报，1993，12(2)：36～41．
[15]叶国铮．柔性路面疲劳与优化设计[M]．北京：人民交通出版社，1989．140～164．
[16]沙庆林．进一步提高高等级公路沥青路面的使用性能和耐久性[J]．中国公路学报，1995，8(1)：24～29．
[17]Michael S, Mamlouk. Analysis and Design Optimization of Flexible Pavement [J]. Journal of Transportation engineering. 2000(3/4): 161～166.
[18]赵佳军．柔性路面优化设计方法研究[J]．公路，1994(1)：34～38．
[19]姚占春．上海半刚性基层沥青路面结构的设计优化[D]：[硕士学位论文]．上海：同济大学，1999．
[20]陶全心，李著璟．结构优化设计方法[M]．北京：清华大学出版社，1985．98～112．
[21]黄立葵，王昌衡．优化方法在柔性路面厚度设计中的应用[J]．湖南大学学报，1993，20(3)：105～110．
[22]王凯，毛世怀．正交设计法在柔性路面优化中的应用[J]．公路，1991(7)：16～21．
[23]盛安连，伍石生．高等级公路沥青面层厚度优化设计[J]．公路，1997(5)：24～27，46．
[24]邢文训，谢金星．现代优化算法[J]．北京：清华大学出版社，1999．140～183．
[25]杨硕．柔性路面设计方法的讨论[J]．重庆交通学院学报，1995，14(2)：14～20．
[26]张晓冰，黄晓明．半刚性基层沥青路面典型结构厚度设计研究[J]．中国公路学报，1999，12(2)：25～30．
[27]张起森，何余良，沥青路面使用性能评价指标的探讨[J]．长沙交通学院学报，1994，10(3)：44～51．
[28]马健．沥青类路面使用性能的预估模型[J]．公路，1998(7)：33～34．
[29]何铁军，黄卫．模糊神经网络在沥青路面使用性能评价中的应用[J]．公路交通科技，17(4)：15～18．
[30]王艳丽，王秉刚．应用人工神经网络预测路面使用性能[J]．西安公路交通大学学报，2001，21(1)：42～45．
[31]许志军、孙立军．沥青路面结构组合对使用性能的影响[J]．同济大学学报，1996，24(5)：515～519．
[32]Adrian Ricardo Archilla, Samer Madanat. Development of a Pavement Rutting Model from Experimental Data [J]. Journal of Transportation Engineering. 2000(7/8):291～298.
[33]邱延峻，孙振堂．柔性路面路基土的永久变形[J]．西南交通大学学报，2000，35(2)：116～120．
[34]黄晓明，张晓冰，邓学钧．沥青路面车辙形成规律环道试验研究[J]．东南大学学报，2000，30(5)：96～101．
[35]杨杰．沥青路面车辙预估模型的研究[D]：硕士学位论文．上海：同济大学，1991．
[36]徐世法．沥青路面粘弹性力学分析与车辙预估[D]：硕士学位论文．上海：同济大学，1988．
[37]韦苒．半刚性基层沥青路面车辙研究[D]：硕士学位论文．南京：东南大学，1994．
[38]M.A. Castell, A.R. Ingraffea, L.H. Irwin. Fatigue Crack Growth in Pavements [J]. Journal of Transportation Engineering. 2000(7/8):263～290.
[39]吕伟民．沥青混合料设计原理与方法[M]．上海：同济大学出版社，2001．55～60，100～113．
[40]黄卫，邓学钧．双圆荷载下路面弯沉的近似计算[J]．东南大学学报，1994，24(6)：62～65．
[41]米凯利维茨．演化程序——编码的结合[M]．周家驹，何险峰译．北京：科学出版社，2000．
[42]玄光男，程润伟．遗传算法与工程设计[M]．汪定伟，唐加福，黄敏译．北京：科学出版社，2000．
[43]查旭东，张起森．采用遗传算法反算路面结构层模量的研究[C]．见：中国公路学会．第三届国际道路和机场路面技术大会论文集．北京：人民交通出版社，1998．262～267．
[44]谭浩强．C程序设计[M]．北京：清华大学出版社，1991．
[45]湖北省襄十高速公路建设指挥部．襄十高速公路路面方案研究会会议资料[C]．2001．
[46]李宇峙，刘朝晖．湖北省半刚性基层沥青路面典型结构[J]．公路，1996，1：39～43．
[47]武和平，潘世建，梁超．高速公路沥青混凝土路面结构优化设计的应用[J]．公路，1998(12)：26～32．
[48]孙治军，戴经梁．沥青路面结构优化设计方法研究[J]．西安公路交通大学学报，1997，17(2)：21～26．
[49]李国强，蒋志仁．沥青路面使用性能指标研究[J]．重庆交通学院学报，1995，14(1)：47～55．
[50]詹姆斯，恩·西多．最优工程设计——原理与应用[M]．应锦春译．北京：机械工业出版社，1987．86～202．
[51]黎霞，田小革．用动蠕变试验确定沥青混凝土动态粘弹性参数[J]．国外公路，2000，20(1)：46～48．
[52]姚祖康．公路设计手册：路面(第二版)[M]．北京：人民交通出版社，1999．
[53]T. F. Fwa, W.T. Chan, K.Z. Hoque. Multiobjective Optimization for Pavement Maintenance Programming [J]. Journal of Transportation Engineering. 2000(10/11):367～373.