专利摘要

本发明为一种长寿命沥青路面结构参数组合寻优方法，属于土木工程技术领域。该方法主要包括以下步骤：步骤一：确定长寿命沥青路面结构材料参数范围，设计指标及其主要影响因素，设计指标限值；步骤二：选择最优混合设计表，进行因子编码，并计算各水平组合下的指标值；步骤三：建立回归模型；步骤四：对回归模型进行显著性检验，若达到显著水平，执行步骤五，反之，减少因子数目，重新执行步骤二；步骤五：对回归模型进行效应分析；步骤六：计算机模拟确定最优方案。本发明提出的寻优方法与常用的正交试验法相比，在因子水平数相同时，试验次数少，而且具有信息量充分，精确度高的特点。

权利要求

1.一种长寿命沥青路面结构参数组合寻优方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、依据《公路沥青路面设计规范》确定长寿命沥青路面结构材料参数及相关设计指标包括：

确定各层材料厚度和模量的取值范围[Umin,Umax]，U表示材料参数的实际值；

确定长寿命沥青路面结构的设计指标Yi，该设计指标包括功能性设计指标和结构性设计指标，对于功能性设计指标找到其容许值，对于结构性设计指标找到其极限值，并选择出各设计指标对应的影响因子，对当前设计指标所对应的影响因子设定取值范围，非对应设计指标的其余影响因子参数取范围中值，Uij表示第i个设计指标对应的第j个影响因子的真实值；

步骤二、根据上述选择的影响因子个数选择最优混合设计表，将影响因子实际值编码为Xij，X表示编码值，并计算各影响因子水平组合下的设计指标值；

步骤三、以各设计指标为目标函数，编码值为决策变量，建立二次回归模型：

式中：β0，βj，βhj，βjj——常数项、一次项、交互项、二次项的系数；

p——影响因子个数，h为小于j且不大于p的整数；

步骤四、对回归模型进行显著性检验，若回归模型达到显著性水平，执行步骤五，确定当前所选影响因子为主要影响因子；反之，则减少当前影响因子数目或者更换其他种类的影响因子，重新执行步骤二；

步骤五、对回归模型进行效应分析，包括主成份 分析，确定各影响因子对相应各设计指标影响程度的主次顺序，找出对当前影响程度最大的影响因子作为关键影响因子；

步骤六、通过计算机模拟寻优，采用Python软件，在各设计指标的影响因子编码值范围[Xmin,Xmax]内，分别取步长a，以长寿命沥青路面结构性设计指标极限值及功能性设计指标容许值为边界条件，共模拟出的组合数为[(Xmax-Xmin+1)/a]p个，确定出最优组合；根据步骤五所确定的关键影响因子，在进行计算机模拟寻优时，调整关键影响因子对应的数值，使关键影响因子对应的材料参数取整后确定长寿命沥青路面的最优组合方案；

步骤一或步骤二中各设计指标对应的影响因子的个数取值范围为[2,4]；若影响因子为3个，则选择311-A或311-B最优混合设计表，若影响因子为4个，则选择416-A、416-B或416-C最优混合设计表。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，效应分析中还包括相互效应分析，确定任意两个影响因子之间的关系。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中，结构性设计指标为沥青混合料层层底拉应变Y1、无机结合料稳定层层底拉应力Y2，路基顶面竖向压应变Y3，功能性设计指标为沥青混合料层永久变形量Y4。

说明书

技术领域

本发明涉及一种长寿命沥青路面设计方法，尤其涉及一种基于最优混合设计原理、以长 寿命沥青路面设计指标极限值为边界条件的长寿命沥青路面结构参数组合寻优方法。

背景技术

半刚性基层沥青路面是我国高速公路最主要的路面结构，但随着交通量的剧增，这种传 统的结构容易在早期发生破坏，使路面的平均寿命大幅度降低，为此，许多学者借鉴国外长 寿命沥青路面的设计理念，提出适用于国内长寿命沥青路面的多种结构形式，并且通过材料 参数的优化，使其达到长寿命路面的使用要求。

为了得到符合长寿命路面要求的材料参数组合方式，通常采用正交试验，东南大学宋若 原、钱振东在《组合式基层长寿命路面结构优化》中(宋若原,钱振东.组合式基层长寿命 路面结构优化[J].交通运输工程与信息学报,2011(01):106-110+123.)通过正交研究了材料参 数对组合式基层沥青路面的影响，并在此基础上对其优化，设计出组合式基层长寿命路面。 在统计学中，正交试验设计因试验次数至少是试验水平数的平方，所以它比较适合水平数不 高的试验安排；而且在通过正交试验所得的优方案只能限定在已给定的水平上，而不是一定 范围内的最优方案。因此，使用正交试验寻优具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供了一种长寿命沥青路面材料参数组合的寻优方法。该方法主要是基 于最优混合设计原理，并根据结构受力特点选取各设计指标的主要影响因子，建立以各设计 指标为目标的回归方程，采用降维法对各指标进行效应分析，最后通过计算机模拟得到此设 计结构的最佳方案。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种长寿命沥青路面结构参数组合寻优方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、依据《公路沥青路面设计规范》确定长寿命沥青路面结构材料参数及相关设计 指标包括：

确定各层材料厚度和模量的取值范围[Umin,Umax]，U表示材料参数的实际值；

确定长寿命沥青路面结构的设计指标Yi，该设计指标包括功能性设计指标和结构性设计 指标，对于功能性设计指标找到其容许值，对于结构性设计指标找到其极限值，并选择出各 设计指标对应的影响因子，对当前设计指标所对应的影响因子设定取值范围，非对应设计指 标的其余影响因子参数取范围中值，Uij表示第i个设计指标对应的第j个影响因子的真实值；

步骤二、根据上述选择的影响因子个数选择最优混合设计表，将影响因子实际值编码为 Xij，X表示编码值，并计算各影响因子水平组合下的设计指标值；

步骤三、以各设计指标为目标函数，编码值为决策变量，建立二次回归模型：

式中：β0，βj，βhj，βjj——常数项、一次项、交互项、二次项的系数；

p——影响因子个数，h为小于j且不大于p的整数；

步骤四、对回归模型进行显著性检验，若回归模型达到显著性水平，执行步骤五，确定 当前所选影响因子为主要影响因子；反之，则减少当前影响因子数目或者更换其他种类的影 响因子，重新执行步骤二；

步骤五、对回归模型进行效应分析，包括主成分分析，确定各影响因子对相应各设计指 标影响程度的主次顺序，找出对当前影响程度最大的影响因子作为关键影响因子；

步骤六、通过计算机模拟寻优，根据步骤五所确定的关键影响因子，在进行计算机模拟 寻优时，调整关键影响因子对应的数值，使关键影响因子对应的材料参数取整后确定长寿命 沥青路面的最优组合方案。

步骤一或步骤二中各设计指标对应的影响因子的个数取值范围为[2,4]；若影响因子为3 个，则选择311-A或311-B最优混合设计表，若影响因子为4个，则选择416-A、416-B或 416-C最优混合设计表。

效应分析中还包括相互效应分析，确定任意两个影响因子之间的关系。采用降维的方法， 对回归模型进行主成分分析和相互效应分析。

步骤六采用Python软件，在各设计指标的影响因子编码值范围[Xmin,Xmax]内，分别取步 长a，以长寿命沥青路面结构性设计指标极限值及功能性设计指标容许值为边界条件，共模 拟出的组合数为[(Xmax-Xmin+1)/a]p个，确定出最优组合，然后在最优组合中对关键影响因 子对应的数值取整后，确定最终组合方案。a一般取值为(0,1]，优选为能被(Xmax-Xmin+1) 整除的数。

步骤一中，结构性设计指标为沥青混合料层层底拉应变Y1、无机结合料稳定层层底拉应 力Y2，路基顶面竖向压应变Y3，功能性设计指标为沥青混合料层永久变形量Y4。

步骤六当编码值对应的设计参数为小数时，使计算机模拟寻优的结果也可能为小数， 需通过步骤五中的效应分析，将材料参数取整确定最优方案，用于实际需求。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明考虑了长寿命沥青路面设计指标及其影响因子的多重性，将最优混合设计原理引 入到路面设计中，通过对设计指标各影响因子水平进行编码，采用回归模型对试验数据进行 分析处理，最后经计算机模拟得到长寿命沥青路面结构参数的最优组合方案。

最优混合设计法不仅具有正交性，而且接近于旋转设计，相比于通常采用的正交试验， 具有更高的精确度，在筛选最佳方案上，运用Matlab,Python等软件程序实现，操作简单。 此方法为长寿命沥青路面材料参数的优化提供了可靠的理论依据，且在寻找最佳方案上具有 很强的适用性。

附图说明

图1是本发明的流程图。

具体实施方式

下面以组合式基层长寿命沥青路面(改性沥青面层+沥青稳定碎石、级配碎石基层+半刚 性底基层)为例，对本发明作进一步说明。

依据《公路沥青路面设计规范》(JTGD50—2017)确定组合式基层长寿命沥青路面结 构材料参数(磨耗层设定为4cm)，如表1所示。根据沥青路面的结构组合，确定路面设计指标为沥青混合料层(ATB-25层)层底拉应变(Y1)，无机结合料稳定层(水泥稳定碎石底 基层)层底拉应力(Y2)和沥青混合料层永久变形量(Y3)；确定Y1的三个影响因子为：连 接层(AC-20)厚度U11、上基层(ATB-25)厚度U12和级配碎石模量U13；Y2的三个影响因子 为：上基层(ATB-25)厚度U21、水泥稳定碎石底基层厚度U22和水泥稳定碎石底基层模量U23； Y3的三个影响因子为：连接层(AC-20)模量U31、上基层(ATB-25)模量U32和水泥稳定碎 石底基层厚度U33。除各当前设计指标所对应的影响因子外，其余参数均取中值；确定长寿命 路面设计指标Y1的极限值为65με，Y2的极限值为0.37Mpa，Y3的容许值为10mm。

表1结构厚度及材料模量

每个设计指标的影响因子个数为3，选择311-A最优混合设计表进行组合设计，并运用 Kenpave软件计算各组合下的指标值，如表2，表3，表4所示：

表2处理组合结果(沥青混合料层层底拉应变Y1)

表3处理组合结果(无机结合料稳定层层底拉应力Y2)

表4处理组合结果(沥青混合料层永久变形量Y3)

以Y1，Y2，Y3为目标函数，编码值为决策变量，建立三元二次回归模型为：

Y2＝0.199-0.011X21-0.023X22+0.011X23+0.003X21X22-0.001X21X23-0.002X22X23+0.001X222(2)

Y3＝9.2-0.05X31+0.118X32+0.013X33-0.003X31X33-0.002X32X33+0.002X312-0.009X322-0.001X332(3)

P值用于统计学假设检验中，当P值小于0.05说明模型显著，借助SPSS软件对回归模 型进行显著性检验，公式(1)(2)(3)回归模型的P值分别为0.039，0.021，0.011，均 小于0.05，说明达到显著水平，能反映实际情况。

采用降维法对回归模型进行主成分分析和相互效应分析，通过相互效应分析可知影响因 子之间无相互作用关系，通过主成分分析确定各设计指标的关键影响因子，得到对沥青混合 料层层底拉应变，无机结合料稳定层层底拉力和沥青混合料层永久变形量影响最显著的因子 分别是上基层厚度，水泥稳定底基层厚度和上基层模量。

以长寿命沥青路面设计指标极限值为边界条件，采用Python软件对各组合情况下的指标 值进行模拟，在311-A最优混合设计中，各指标的影响因子的编码值范围为[-2,2]，取步长为 1，则共模拟出53＝125个组合。在不考虑沥青路面初期建设费用的情况下，当路面寿命达到 最优时，确定的最优组合方式如表5所示：

表5最佳组合方式(寿命最优)

在实际情况下，最优组合中存在小数情况，则需要对计算机模拟出的最优结果中对应的 关键影响因子的编码值取为整数，对应的材料参数的实际值为整数。

综上所述，运用本发明方法可寻求长寿命沥青路面材料参数的最佳组合方案，涉及的试 验因素具有代表性，试验简单易操作。

本发明将最优混合设计应用于长寿命沥青路面参数寻优中，本实施例涉及到每一个设计 指标的影响因子为3个，安排11次试验“311-A最优混合设计”，311-A试验每个影响因子 有5个水平，若使用正交设计则需要最少25个试验，试验次数多，成本高。本实施例中给 定连接层厚度范围为(6～8)，若采用正交试验，正交试验是给定水平，即给定6,7,8三个水 平，也就是在6、7、8三个参数中确定哪个参数最佳，而本申请是对6～8这个范围内找点，相对更加精确。

本发明未述及之处适用于现有技术。

一种长寿命沥青路面结构参数组合寻优方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。