År 2017, American Society of Civil Engineers Infrastructure Report Card gav Amerikas infrastruktur ett övergripande betyg på D+. Med tanke på att rapporten visade att USA bara hade betalat hälften av sina infrastrukturbehov, det låga betyget var tyvärr inte förvånande.

För att lösa krisen, forskare Fengdi Guo, Jeremy Gregory, och Randolph Kirchain vid MIT Concrete Sustainability Hub har föreslagit en ny strategi för långsiktig bevarande av infrastruktur. Tillvägagångssättet, beskrivs i Journal of the Transportation Research Board, kallas simuleringsoptimering livscykelkostnadsanalys (LCCA).

Liksom andra långsiktiga strategier för bevarande av trottoarer, denna nya MIT-metod tar ett livscykelkostnadsanalysperspektiv, med att ta med kostnaderna för framtida underhåll till den totala kostnaden för ett projekt utöver de ursprungliga byggkostnaderna.

Men det som skiljer MIT:s simuleringsoptimering LCCA från de andra tillvägagångssätten är dess omfamning av olika osäkerheter, särskilt relaterat till tidpunkten och behandlingsmetoderna som används för att reparera och rehabilitera trottoarer - känd som behandlingsschemat.

För närvarande, traditionella långsiktiga strategier använder ett starkt schema för framtida vägbehandlingar, förklarar Guo. "En nackdel med ett styvt schema, " han säger, "är att det kan överskatta den totala livscykelkostnaden."

Sådana strategier förutsätter också att förutbestämda investeringar eller beslut kommer att resultera i ett förutsägbart resultat - t.ex. att en planerad investering på en motorväg kommer att ge en motsvarande framtida förbättring av dess prestanda och kvalitet.

MIT -metoden, dock, medger att så ofta inte är fallet.

Villkor som byggkostnader, underhållskostnader, och försämringsprocesser kan förändras oförutsägbart under ett projekts livstid. Det betyder att en uppsatt investering kanske inte ger ett uppsatt resultat, och - om trottoarerna försämras snabbare än förväntat - kan leda till reparationer som inte är budgeterade eller till och med osäkra förhållanden.

För att hantera dessa osäkerheter, MIT -forskare samlar prissättning, försämring, och potentiell information om behandlingsschema för att informera om deras förutsägelser. De förutspår sedan de många möjliga framtida priserna på asfalt och betong - två viktiga beläggningsmaterial.

Nästa del av processen är vad som ger simuleringsoptimering dess namn - en algoritm simulerar många potentiella scenarier i prissättning och försämring från år till år.

"Vi har simulerat runt 1, 000 scenarier och, för varje scenario, den framtida kostnaden och försämringstakten är fasta, "Säger Guo.

Efter att ha slutfört simuleringarna optimering spelar då in. "För varje simulerat scenario kan vi hitta ett optimalt behandlingsschema, "säger Guo, "och utifrån detta schema kan vi sedan beräkna dess livscykelkostnader."

Alla dessa simulerade och sedan optimerade resultat sammanställs sedan för att visa livscykelkostnadsfördelningen för olika beläggningsdesignalternativ. Baserat på dessa fördelningar, den bästa designen väljs.

Väsentligen, denna nya metod tar hänsyn till osäkerheten i både behandlingstidpunkt och behandlingsåtgärder för att minska ett projekts livscykelkostnad. Detta resulterar i olika, mer fördelaktiga trottoardesigner.

Och jämfört med kostnaderna för konventionella metoder, fördelarna med simuleringsoptimering blir uppenbara.

I en fallstudie av en milslång väglängd under en 35-årsperiod, simuleringsoptimeringsmodellen kostade $ 150, 000 mindre per mil än konventionella metoder när man tar hänsyn till livscykelkostnader.

Detsamma gäller en väg som är lika lång men med ännu mer trafikflöde. När vägen såg nästan sex gånger lastbilstrafiken, simuleringsoptimeringsmodellen kostar $ 100, 000 mindre per mil under sin livscykel.

I en tid då finansiering för infrastruktur är knapp, dessa fallstudier visar att en simuleringsoptimeringsmodell gör det möjligt för myndigheter att fatta bättre informerade beslut om beläggning som kommer att visa sig mer kostnadseffektiva under en trottoars livscykel.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.