一种兼顾性能改善与预算效用的路面维护与翻新时序安排方法与流程

本发明涉及交通领域，尤其涉及一种路面维护与翻新时序安排方法。

背景技术：

在交通运输基础设施管理中，道路路面维护与翻新是最为昂贵的活动之一。交通运输基础设施的建设对我国经济的发展起到了强有力的推进作用，是经济活动顺利进行的有力保障。然而，随着道路建设量的增多，大量已经修建好的路面不可避免地出现损耗，面临着路面维护与翻新的问题。维护的路段、时机，如何统筹维护计划以及所选用的维护措施等都是需要管理者思考的问题。

交通学者往往基于掌握的信息与目标的不同，构建和求解两类模型，将道路依据路面状况分为不同等级，制定每一级路面在每年的维护计划。第一类为预算规划问题。在预算信息未知时，在保证从路网层面或某一独立的道路区域层面上路面状况符合要求，最小化在规划期内的维护与翻新成本。计算结果可供决策者确定实际预算水平。第二类，预算分配问题，在预算信息已知后，在不超过预算的前提下，最小化使用成本或最大化维护与翻新的效用。

现有双目标路面维护与翻新模方法乏能够同时保证求解效率与全面性的解决方案。目前，这一问题有两类有代表性的解法。整数规划模型能够在问题规模不太大时高效求解出准确解，然而随着问题规模的扩大，求解时间呈指数型增长；广泛被应用的基因算法，由于遗传算法的本质，无法保证在有限时间内求得最优解，而加权法作为另一种特殊的遗传算法，也无法保证求出完整的帕累托最优解。双目标路面维护与翻新时序安排问题规模往往较大，解的完整性对决策也有较大影响，因此，应设计兼顾效率与解的准确性的模型与算法。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述问题，提出一种兼顾性能改善与预算效用的路面维护与翻新时序安排方法，在制定道路维护和翻新计划时，兼顾费用最低与性能最大化双目标，可以为管理者提供更丰富的信息做出更合理的决策。

本发明所提出的一种兼顾性能改善与预算效用的路面维护与翻新时序安排方法，所述方法的设备包括寄存地图数据信息的存储模块以及进数据处理模块，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

第一步，路网建立，通过数据处理模块标注区域内所有道路的功能与路面状况，并按功能分为s类，之后得到区域内道路集合s＝{1,2…,s}以及路面状况集合i＝{1,2…,i}；

第二步，时序安排，数据处理模块统计每一类道路的总长度ls，其与规划期t、最有效但昂贵的维护与翻新措施m∈m＝{1,2…,m}、第t年时对单位长度s类的路采用措施m所发生的费用csmt、措施m应用于第s类路时路面状况从i转化为j的转化率psijm、第t年时接受措施m的路面状况为i的s类路的比例xsimt、规划期内处于最佳状况的路的比例z1以及年均维护与翻新成本z2的关系满足

其路面状况的初始约束条件满足

其路面状况转化关系的约束条件满足

其预算的约束条件满足

其中，bt为在第t年可用的预算上限；

其最佳路面比例要求的约束条件满足

其中，x^*为路网中1等状况路面最低占比的要求；

其决策变量的可行区间的约束条件满足

数据处理模块分别以z1、z2为目标函数，得到时序安排结果。

进一步的，在时序安排步骤中，使用参数法按如下步骤得到安排结果：

第一步，初始化，数据处理模块将目标函数转化为

其中，w1、w2分别为性能与成本在这个效用函数中的权重；kmax为迭代次数上限；w1＝1-ε、w2＝ε或w1＝ε，w2＝1-ε为初始权重系数赋值，ε是一个足够小的数，满足0≤ε≤1；在k＝1的情况下，数据处理模块引入参数w＝(w1,w2)，得到结果(x¹，x²)；

第二步，参数生成，新权重参数w＝(w1,w2)满足

其中之后数据处理模块将结果(x¹，x²)从先进先出表单中删除；

第三步，结果检验，数据处理模块将新的权重w代入初始化步骤中计算，获得新的最优解x；

第四步，若x＝x¹或x＝x²，则终止步骤；否则，将邻近解(x¹，x)(x，x²)存入表单，表单中存储邻近帕累托最优解将用于后续的区间分割工作，更新k＝k+1，直至k>kmax或表单为空后终止。

更进一步的，由于函数已经转化为经典的线性规划问题，采用单纯形法按如下步骤得到通过如下步骤得到结果(x¹，x²)：

第一步，数据处理模块取得一个初始可行基b＝(p1,p2,…pm)，计算初始基可行解当前目标函数值以及所有检验数

第二步，数据处理模块校验所有检验数σj,j＝1,2,…,n，若所有检验数σj≥0，则当前基为最优解，停止迭代；

若则令σk＝max{σj|σj>0}，当b^-1pk≤0时无最优解，停止迭代；当b^-1pk>0时令用xk代替xr得到新基，得到新初始基可行解及判别数，重新执行本步骤；

数据处理模块重新令w1＝ε，w2＝1-ε，得到执行步骤i、ii；

数据处理模块将得到的结果(x¹，x²)存入位于存储模块内的先进先出表单，并重复进行本步骤。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明的不同措施下道路状况转化矩阵。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示，进一步阐述上述技术方案。

如图所示的一种兼顾性能改善与预算效用的路面维护与翻新时序安排方法，道路类别s仅包含一类。对道路状况i分为1，2两级，其中1级优于2级，所占比例分别为70％，30％。规划年度为1年，预算b1＝90，路网中处于1等状况的路面所占比例的最低要求x^*＝90％。维护措施分为1翻新，2维持原状。不同措施下道路状况转化矩阵见表1。

x11+x12＝0.7(10)

x21+x22＝0.3(11)

100x11+100x12≤90(12)

1x11+0.8x12+0.9x21≥0.9(13)

0≤x11≤1(14)

0≤x12≤1(15)

0≤x21≤1(16)

0≤x22≤1(17)

第一次迭代：

步骤1：初始解。设置迭代次数上限kmax＝5。当w1＝1，w2＝0，有z¹＝(0.95,90)。当w1＝0，w2＝1，有z²＝(0.90,65)。将(z¹,z²)存入邻近解表单。

步骤2：新参数生成。a1＝65-90＝-25，a2＝0.95-0.90＝0.05。新的w1＝1.002，w2＝-0.002。

步骤3：解的生成与检验。将新的w1＝1.002，w2＝-0.002代入模型得到z³＝z¹＝(0.95,90)，在区间内再没有其他帕累托最优解，并将(z¹,z²)移出邻近解表单。

步骤4：终止计算的标准：邻近解表单为空，所有帕累托最优解已找到，计算终止。

经过1次迭代后，得到z¹＝(0.95,90)，z²＝(0.90,65)即在该情况下，区间内存在的帕累托最优解为两种极端情况的值。

可以看出采用本方法可以迅速确定区间内的帕累托最优解，获得全面的解集并能保证求解速度，为管理者提供全面快速的参考信息，以便决策。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。