基于解释结构模型下内蒙古公路养护影响因素研究.pdf

Highways&Transportation in Inner Mongolia总第1 9 6 期内蒙古公路与运输文章编号：1 0 0 5-0 57 4-（2 0 2 3)0 4-0 0 0 7-0 5DOI:10.19332/ki.1005-0574.2023.04.002基于解释结构模型下内蒙古公路养护影响因素研究岳力强，王善巍？，吕晨炜（1.中交建筑集团有限责任公司，北京100022;2.内蒙古自治区交通运输事业发展中心，内蒙古呼和浩特010020;3.东南大学交通学院，江苏南京211189)摘要：为全面提升内蒙古公路养护管理水平，剖析影响内蒙古公路养护因素和影响因素之间的相互关系，通过文献研究和基层管养单位调研的方式，筛选出影响内蒙古公路养护的1 8 个因素，对影响因素开展解释结构模型建模。通过模型分析影响内蒙古公路养护的五个层级，提出科学、合理的公路养护建议。结果表明：“政策制定”是统领全局的源头因素，内蒙古公路养护部门需密切关注高温、低温、降雨、降雪、风沙、极端恶劣天气等自然因素对公路养护的影响，及时制定公路保通保畅的防范措施，提高公路养护管理水平和公路养护科学决策的使用率。关键词：养护管理；影响因素；解释模型；政策制定；科学决策中图分类号：TU473文献标识码：AAbstract:In order to comprehensively improve the management level of highway maintenance in Inner Mongolia,the factors af-fecting highway maintenance and interrelationships between factors in Inner Mongolia were analyzed.Through literature researchand grass-roots management&maintenance unit research,18 factors affecting highway maintenance in Inner Mongolia werescreened out,and the explanatory structural model modeling of the factors was carried out.Through the model analyses the five layersaffecting highway maintenance in Inner Mongolia,scientific and rational recommendations for highway maintenance were put for-ward.The results show that policy formulation is the source factor governing the overall situation.Inner Mongolia highway depart-ment needs to pay close attention to the impact of high temperature,low temperature,rainfall,snowfall,wind and sand,extremeweather conditions and other natural factors on highway maintenance,and to formulate timely preventive measures to keep roadsopen and smooth,and to improve the level of highway management&maintenance and the utilization rate of scientific decision mak-ing on highway maintenance.Key words:maintenance management,influencing factor,explanatory model,policy formulation,scientific decision making0引言改革开放以来，内蒙古公路建设实现大跨越式发展，公路通车里程不断增长，水泥、沥青混凝土铺装路面基本实现全覆盖，截至2 0 2 2 年底，内蒙古全域已有公路里程2 1 万余公里。随着超载车辆和交通量持续增长，内蒙古部分国省干线公路已明显超过设计使用年限，路面坑槽、龟网裂、车辙等病害凸显，公路路况水平和服务性能逐年下降 2 。囿于内蒙古自然环境差异大、公路养护资金投入不足、养护技术与理念落后、重建轻养及管养体制不顺等原因 3-6 ,同时受干旱、雨雪、冰冻等气候影响，以及路面自然老化、车轮动荷载和其他人为因素等影响，部分路段路面损坏程度严重、使用功能急剧衰减。多数应当养护的公路未能及时养护，贻误养护最佳时机，导致路面使用功能和安全性能急剧下降，呕需采取科学有效的手段对破损公路维修养护如何科学合理地制定公路养护对策，不断改善和修复公路使用性能、延长公路使用寿命、降低公路养护周期成本，是当前内蒙古公路养护研究者面临的主要难题。内蒙古公路养护影响因素众多,科学提高公路养护质量和服务水平需统筹考虑各方因素。郭峰超 7通过对宁夏国省干线公路建设和养护管理现状的调查，认为与公路养护决策密切相关的五个因素是气候、交通、建设、管理和数据管理体系。崔玉姣8 通过分析甘肃省高速公路所处环境、路龄、管养水平和路面性能作者简介：岳力强（1 9 8 9），男，内蒙古呼和浩特人，大学本科，工程师，研究方向：公路路基路面和养护管理等。Highways&Transportation in Inner Mongolia2023年第4期8内蒙古公路与运输等数据，提出以气候自然区域、路龄、车流量和管养单位作为养护决策的划分指标。本文通过解释结构模型分析内蒙古地区公路养护影响因素的关系模式和层级结构，识别内蒙古公路养护工作中的主要因素，在最大程度保证养护资金充分使用的基础上，制定行之有效的养护对策，以期解决内蒙古地区公路养护管理的关键难题，进一步提升公路养护管理水平1内蒙古公路养护影响因素分析基于文献研究和内蒙古养护现状调查，筛选出影响内蒙古公路养护关键因素为：公路养护工程、原有公路设计与施工质量、公路养护管理、交通量、车辆类型组成、降雨、降雪、高温、低温、风沙、极端恶劣天气、工程地质条件、路面材料性能、路龄和路基性能、昼夜温差、政策制定、经济环境、社会环境等1 8 个包含影响公路养护的内因和外因的关键因素，并依次编号，见表1。表1内蒙古公路养护影响关键因素影响因素序号影响因素序号公路养护工程SI风沙So原有公路设计与施工质量S2极端恶劣天气Su公路养护管理S;工程地质条件S12交通量S4路面材料性能S13车辆类型组成Ss路龄和路基性能S14降雨S.昼夜温差Sis降雪ST政策制定S16高温S:经济环境S17低温S。社会环境S182构建内蒙古公路养护影响因素解释结构(ISM)模型2.1ISM模型建模流程解释结构(ISM)模型能有效利用系统因素间已知的复杂关系，揭露系统因素内部结构，将错综复杂的系统要素关系转化为直观的结构模型，从中准确辩识问题的关键因素9。构建内蒙古公路养护应用解释结构(ISM）模型，建模流程如图1 所示2.2ISM模型实施步骤2.2.1建立知识模型，确定影响因素的二元关系构建内蒙古公路养护关键影响因素的知识模型，将1 8 个关键因素分别与其他(n1)个因素相互关联，根据式(1)判断相互关联的两因素之间是否存在直接的二元关系1 0.。当S;到S是可达的，即S;对S,有影响，此时aij=1,否则aij=0。1,S;对S,有影响ai(1)0，S;对S,无影响借鉴以往公路养护工作实际经验，采用专家咨询和头脑风暴法对完成编号的公路养护影响因素间的二元关系展开描述，并构建知识模型。内蒙古公路养护影响因素间的二元关系见表2。确定公路养护影响因素集确定系统元素集共1 8 项影响因素分析公路养护各影响因素系统元素集二元关系之间的二元关系依次排列公路养护各影响建立邻接矩阵因素的二次关系，得到18x18的邻接矩阵计算公路养护各影响因素计算可达矩阵的邻接矩阵，得到1 8 x18的可达矩阵运用层次划分原则，确定递阶层次划分不同层次的影响因素对各层次结构关系生成结构层次进行描述图1公路养护解释结构（ISM)模型建模流程图2.2.2建立邻接矩阵邻接矩阵主要描述系统要素之间的直接联系情况。知识模型建立后，将1 8 个公路养护影响因素与其直接的二元关系建立联系，“0 表示两因素之间不存在直接的关系，“1 表示两因素之间存在直接的影响关系，得到1 8 1 8 的邻接矩阵A。2.2.3计算可达矩阵记邻接矩阵为A，单位矩阵为I,将单位矩阵I与邻接矩阵A相加，得到A+I矩阵。对A+I进行布尔运算，直到满足（A+I)(A+I)2.(A+I)m=(A+I)m+I=M后停止运算，此时M是邻接矩阵A的可达矩阵。若可达矩阵mi=1,表示因子S:与因子S,间有一条可以达到的途径 2 1,即因素S,可直接或间接影响因素S,的大小。公路养护影响因素间的A+I矩阵采用Matlab软件计算，当（A+I)（A+I)2（A+I)=（A+I)4时，自乘结果已无变化，此时公路养护各影响因素可达矩阵为M=(A+I)4。2.2.4影响因素的层级划分在可达矩阵M上确定内蒙古公路养护各影响因素等级，得到各因素可达集合P(S.）、先行集Q（S.）和共同集P(S.)NQ(S）。共同集P(S.)NQ(S.)是可达集P(S)和先行集Q(S.)的交集，是层级划分基础（见表3）,P(S.)=P(S,)NQ(S.)为最高级要素集合。通过分析变量间的关系，确定出每一层级所对应具体影响因素，建立对应层次结构模型。公路养护影响因素结构模型图最上层的影响因素是公路养护最终目标，以下每一层的影响因素都可用前一层的因素原因来表示。总第1 9 6 期9岳力强等：基于解释结构模型养护影响因素研究表2内蒙古公路养护影响因素间的二元关系影响因素序号直接影响因素说明公路养护工程SI受每一个因素的影响原有公路设计与S2Si3、S 1 4运营期公路病害的产生与原有公路的设计和施工质量有一定关联施工质量公路养护管理水平高低很大程度上决定公路路况水平，路面性能好坏体现养护管理水平的公路养护管理S3S13,S14高低，路龄和路基性能也影响公路养护效果交通量的大小对公路使用年限和质量有一定影响，车辆动荷载作用次数越多，路面病害等问交通量S4S13、S 1 4题不断出现，路面使用性能逐渐下降车辆类型、比例不同的交通组成直接影响公路使用年限和服务质量，当重载车辆比例较高车辆类型组成SsS13Si4时，公路正常使用年限、路基路面材料、路基承载能力等均会受影响水进人公路会对路基和路面造成水损伤，当降雨量短时间内增大时，极易形成山洪等自然灾降雨S.S、S i 2,S 1 3,S 1 4害，冲毁公路、阻断交通降雪和积雪导致路面抗滑能力变弱，车辆在行驶中易发生打滑造成交通事故。降雪后撒融Si.Su、S 2降雪ST雪剂虽能加速路面积雪的融化，但富含氯离子的雪水会沿着裂缝渗人路面和路基中，在季冻Si3S14区公路内产生冻融、氯离子侵蚀高温S:S13高温作用下，沥青容易发生软化，车辆行驶中路面易产生车辙低温S。S13、S 1 4低温作用下，沥青路面极易产生低温开裂，形成多条路面纵横裂缝，造成水损害和冻融破坏风沙SoSI风沙会造成公路阻塞和掩埋，影响公路通行极端恶劣天气SS13、S 1 4极端恶劣天气容易造成较大范围的公路、桥梁破坏，交通大面积堵塞工程地质条件S12S13S14工程地质条件决定路基的稳定性，影响公路路面平整度等路面材料随自然条件、交通荷载和使用年限老化衰变，直接影响公路路面性能，应尽快开展路面材料性能S13SI公路路况检测并及时安排养护维修作业路龄和路基性能S14SI路基的稳定性、路龄的长短直接影响路面使用性能，路基失稳会导致路面拉裂甚至路面沉陷昼夜温差Si5S13/S14昼夜大温差导致路面发生热胀冷缩，多次反复热胀冷缩易造成路基路面内部结构微损伤S2、S 3 S 4、S政策制定对一定时期内的经济、社会环境产生影响，在某种程度上会影响公路养护投资建政策制定Si6Si7,S18设、交通量等经济环境S17S2、S.S 4S s经济环境主要对交通量和车辆类型组成产生影响社会环境S18S2S;、S 4.S s社会环境主要对交通量产生影响表3内蒙古公路养护影响因素可达集与先行集汇总表P(S.)nSP(S.)Q(S.)Q(S.)SI、S,、S s、S 4、S,S o、S、S s、S.、S 1 0、SSSISu、S 1 2 S 1 3、S 1 4、S i s、S 1 6 S i 7、S I 8S.SI、S 2、S 1 3、S 1 4S2.S16、S i 7、S i sS2S3Si、S 3 S i 3、S 1 4S;、S 1 6,S i 7,S 1 8S;S4SI.S4、S i 3 S 1 4S4,S16Si7、S I sS4SsSi,Ss、S i 3、S 1 4S,S16、S i,S I sSsSiS.SS2vSS.S.Si3,S14SiST.S1IS12S7S7S7S13、S 1 4S:S,、S.S 1 3S:S:S。Si,S,S13、S i 4S。S。S10Si,SioSioS1oSuSI,S、S 1 3,S i 4So、S 7 S 1SlS12Si,Si2、S 1 3、S 1 4So.S7S12S12S2、S 3、S 4、S,、S.、S,、S S,、S、S13Si,SI3S13S12/S13、S 1 5,S 1 6、S 1 7 S 1 8S2、S,、S 4、S s S.、S T、S u、S 1 2、S 1 4VS14Si、S i 4S14Si5、S 1 6 S i 7,S 1 8SisSI,S13、S i 4、S i sSisSisSl6SI、S 2.S 3、S 4、S s、S16S16S13.S14/S16S17、S iSI,S2、S 3 S 4/S s、S17Si6、S i 7Si7S13、S 1 4、S 1 7S18SI、S 2、S 3、S 4、S s、Si6.SI8SisS13、S 4、S 1 8当i=1时，满足P(S.)=P(S.)NQ(S)的条件，可知Si是结构模型图最顶层与最终目标。将表3 中所有i=1的元素去除掉后得到新的可达集与先行集。依此类推继续寻找满足P(S.)=P(S.)NQ(S)的元素，得到影响因素递阶层次划分结果：第二层元素S1o、S i 3 和S14，第三层元素S2、S、S 4、S s、S s、S。、S n、S 1 2、S i s,第四层元素So、S T、S 1 7、S18，第五层元素（初始因素)S16，内蒙古公路养护影响因素递阶层次结构图如图2 所示。通过对内蒙古公路养护1 8 个影响因素分析研究，建立基于解释结构模型的内蒙古公路养护影响因素体系，自上而下依次是：第一层是公路养护工程，是结构模型图的终极影响因素；第二层是路面材料性能、路龄与路基性能、风沙等因素,是结构模型图的中间因素；第三层是原公路的设计和施工质量、公路养护管理、交通量、车辆类型组成、高温、低温、极端恶劣气候、工程地质条件、昼夜温差，影响因素包括中间因素与源头因素两个方面，高温、低温是源头因素，原有公路设计和施工质量、公路养护管理、交通量、车辆类型组成、极端恶劣气候、工程地质条件等，夜温差是中间因素；第四层是降雨、降雪、经济环境和社会环境，降雨、降雪是Highways&Transportation in Inner Mongolia2023年第4期10内蒙古公路与运输源头元素，经济环境和社会环境是中间因素；第五层是政策制定，是源头因素公路养护工程S第一层风沙S10路面材料性能S13路龄和路基性能S14第二层原有公路设计与施工质量S2交通量S4高温Ss极端恶劣天气S1车辆类型组成S5第三层公路养护管理S3低温S，工程地质条件S12昼夜温差S15降雨S。降雪ST经济环境S17社会环境S18第四层政策制定S16第五层图2内蒙古公路养护影响因素递阶层次结构图2.2.5绘制有向连接图公路养护影响因素递阶层次结构图中影响因素间的关系用有向线来表达，两因素之间用有向线连接表示存在的影响关系，有向线起始端指示影响因素，有向线端点指示受影响因素，如图3 所示。公路养护工程S,路龄和路基性能S4路面材料性能S13风沙S10原有公路设计与施工质量S，交通量S高温S：极端恶劣天气S1车辆类型组成S公路养护管理S；低温S工程地质条件S12昼夜温差S1s降雨降雪$经济环境Si，社会环境S18政策制定S16图3内蒙古公路养护影响因素解释结构模型3内蒙古公路养护影响因素分析由图3 可知，在内蒙古公路养护影响因素中，公路养护工程发挥着决定性作用，能快速恢复公路使用性能，改善路面安全通行状况，进一步延长公路使用寿命。第二层影响因素是路龄和路基性能、路面材料性能和风沙。公路病害直接表现是路基失稳、路面开裂和沥青路面老化。风沙是内蒙古地区特有的公路影响因素，风沙会遮蔽驾驶员视线、阻碍视野，造成公路通行安全隐患，养护巡查时，发现路面积沙应及时清除收稿日期：2 0 2 2-1 2-1 3总第1 9 6 期岳力强等：基于解释结构模型护影响因素研究人11第三层影响因素可分为自然影响因素与人为影响因素。昼夜温差、高温、低温、极端恶劣天气、工程地质条件是自然影响因素，公路养护管理、原有公路的设计和施工质量、交通量、车辆类型是人为影响因素。在公路损坏过程中，自然因素占据主导地位，内蒙古地形平坦，冬季严寒且易受寒潮侵袭，暴雪、冰冻天气频发；夏季气温较高且雨量集中，短时强对流天气、暴雨大风等极端恶劣天气时有发生，极易造成公路阻断、水毁和桥梁塌。因此，内蒙古公路养护管理者应紧町第三层影响因素，根据气象情况及时制定科学合理的应急养护策略，确保公路畅通安全。第四层影响因素以源头影响因素为主，可分为自然影响因素和人为影响因素两大类。自然影响因素包括降雨和降雪，降雨、降雪是源头元素，水是导致公路水损害、水毁的主要原因。雨水进人沥青路面的裂缝中，向路面和路基内部渗透，受车辆荷载及冻融循环作用，路面内部产生强大动水压力，造成沥青与石料界面粘附性降低，沥青膜逐渐从集料表面剥落或剥离，基层强度迅速下降，承载能力减弱，公路使用年限缩短。再者，集中降雨、降雪导致路面湿滑，严重会造成公路阻断，极大影响行车安全。内蒙古公路养护管理者应密切注意雨雪天气给公路带来的危害，及时采取相应的养护措施。人为影响因素有经济环境、社会环境等。经济环境、社会环境等因素以间接方式作用于公路养护,对于第三层影响因素中的公路养护管理水平、原有公路的设计和施工质量，交通量、车辆的种类构成产生一定的影响。公路养护管理者在进行公路养护决策时，经济环境和社会环境是必不可少的因素，必须加以考量。第五层影响因素是政策制定，对地区经济和社会环境有直接影响，继而对公路养护管理、交通量等产生影响。政策制定为源头因素，在经济社会环境中起引导作用，同时，国家相关政策也是内蒙古公路养护政策制定的依据。综上所述，通过对内蒙古公路养护影响因素分析，提出及时、有效、科学的公路养护对策和建议,以期为防治公路路面、路基病害提供借鉴。内蒙古公路养护管理者通过确定的公路养护影响因素作用路径，可精准地查找出公路养护源头影响因素，厘清各个影响因素作用路径，提高公路养护设计与施工阶段公路养护科学决策的使用率。4结语通过实地调研、资料检索等方式分析内蒙古公路养护现状，确定1 8 项公路养护影响因素。采用解释结构模型对影响因素进行模型构建分析，确定公路养护工程是首要影响因素，公路养护管理水平、原公路设计与施工质量、交通量、车辆类型组成等8 项为人为影响因素，昼夜温差、高温、低温、极端恶略天气、工程地质条件等9 项为自然影响因素。政策制定是统领全局的源头因素，是各递阶层次人为因素最原始的影响因素。公路养护政策制定需要依据现行的国家和自治区政策制定。内蒙古公路养护管理者要密切关注高温、低温、降雨、降雪、风沙、极端恶劣天气等自然因素对公路养护的影响，及时制定公路保通保畅的防范措施，切实提高公路养护管理水平。通过绘制内蒙古公路养护影响因素的解释结构模型,分析各影响因素间的相互影响关系,厘清各个影响因素作用路径，可精准地查找出公路养护源头影响因素，提高公路养护设计与施工阶段公路养护科学决策的使用率。参考文献1内蒙古自治区公路局.内蒙古公路统计年报 R呼和浩特：内蒙古自治区公路局，2 0 2 1.2马众泽.内蒙古自治区国省干线公路养护管理影响因素研究 D.西安：长安大学，2 0 1 9.3余静.浅析普通国省干线公路养护管理存在的问题与对策 J.科技创新导报，2 0 1 7,1 4(6)：1 8 0-1 8 1.4梅雪冬.国省干线公路养护管理中的问题及对策 J.中国新技术新产品,2 0 1 6(1 3):1 59-1 6 0.5冯永刚.国省道干线公路在养护管理中存在的问题及对策 .交通世界（建养机械），2 0 1 5（0 5）：3 4-3 5.6黄锐.国省干线公路养护管理中的问题及对策 J.运输经理世界，2 0 2 1(32):134-136.7郭峰超.宁夏沥青路面养护对策研究 D.西安：长安大学，2 0 1 4.8崔玉姣.甘肃省高速公路网级沥青路面养护决策研究 D.兰州：兰州交通大学，2 0 2 0.9李乃文,徐梦虹,牛莉霞.基于ISM和AHP法的矿工习惯性违章行为影响因素研究 .中国安全科学学报，2 0 1 2，2 2（8）：2 2-2 8.10母雪珂，李乐，马小云，等.基于解释结构模型的地铁基坑施工风险分析 J.项目管理技术，2 0 2 2，2 0（1）：50-54.11付艳红,张士君.基于解释结构模型的高职涉农专业学生事农意愿影响因素分析 J.无锡商业职业技术学院学报，2 0 2 2，2 2（1）：1 0 7-1 1 2.12肖人彬,罗云峰,王雪，等.可变系统结构建模 J.系统工程理论与实践,1 9 9 4(1 2）：45-50.