基于聚類分析方法的地方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃序列研究

張志剛

（河北省高速公路京秦管理處，河北 秦皇島 066001）

0 引言

“十五”計(jì)劃以來(lái)，公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系日益完善。現(xiàn)行公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系包括綜合、基礎(chǔ)、勘測(cè)、設(shè)計(jì)、檢測(cè)、施工、監(jiān)理、養(yǎng)護(hù)及管理和技術(shù)指南等方面，共有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)83冊(cè)和技術(shù)指南13本[1-2]，較好地指導(dǎo)了我國(guó)公路工程建設(shè)。由于我國(guó)地域遼闊，地區(qū)的地址情況復(fù)雜，僅依靠行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，很難較好地指導(dǎo)和規(guī)范各個(gè)省市、地方公路工程的設(shè)計(jì)、施工和管理。所以對(duì)公路工程行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行有針對(duì)性的梳理和適應(yīng)性評(píng)價(jià)，補(bǔ)充和完善地方標(biāo)準(zhǔn)體系，對(duì)我國(guó)各省、各地區(qū)的公路工程建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文在分析地方標(biāo)準(zhǔn)適用性的基礎(chǔ)上，借助K-means聚類算法提出地方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃方法。

1 算法介紹

K-means聚類算法是數(shù)據(jù)挖掘方法之一，對(duì)未知的個(gè)案集U={u1，u2，…，un}根據(jù)相似數(shù)據(jù)的平均值即其質(zhì)心分成k(k＜n)組，使相似性最近的個(gè)案ui聚集成一類[4-6]。該算法的具體過(guò)程如下：

（1）從數(shù)據(jù)集U中隨機(jī)選取k個(gè)個(gè)案作為分類的初始中心C={c1，c2，…，ck}；

（3）再次計(jì)算各類的中心值；

（4）循環(huán)步驟（2）和（3），直到各類的聚類中心不再改變?yōu)橹埂?/p>

K-means聚類算法具有簡(jiǎn)潔、高效的特點(diǎn)，并且可以事先確定聚類的個(gè)數(shù)，使得其在所有聚類方法中應(yīng)用最廣。

2 數(shù)據(jù)采集

通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)院、施工單位、管理單位、質(zhì)檢單位、大專院校等單位進(jìn)行關(guān)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范中不適應(yīng)新疆地區(qū)公路建設(shè)特點(diǎn)的規(guī)定和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范中沒(méi)有涵蓋或明確規(guī)定的，且新疆公路建設(shè)中又亟需進(jìn)行規(guī)范的相關(guān)技術(shù)要求的大量調(diào)研，得到樣本集U，共有44個(gè)個(gè)案，每個(gè)個(gè)案對(duì)應(yīng)4個(gè)重要度指標(biāo)，如表1所示。

表1 樣本集

表1 （續(xù)）

3 地方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃分析

3.1 標(biāo)準(zhǔn)編制的時(shí)間管理計(jì)劃

在公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范編制時(shí)序中，根據(jù)輕重緩急原則，提出了標(biāo)準(zhǔn)編制的時(shí)間管理計(jì)劃，見(jiàn)表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)編制時(shí)序計(jì)劃

3.2 聚類分析

利用K-means聚類算法，以重要度指標(biāo)作為分類指標(biāo)對(duì)數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行聚類分析。首先，確定聚類的初始聚類中心，如表3所示：聚類的初始中心C={交通工程類-9，環(huán)境保護(hù)類-2，路線設(shè)計(jì)類-4，基礎(chǔ)勘測(cè)類-4}。然后計(jì)算每個(gè)案例與聚類中心的歐式距離，如果D(ui，ck)=min{D(ui,ck)}，則把該案例ui歸為類別ck。

表3 初始聚類中心

依次經(jīng)過(guò)多次迭代，直至聚類中心不再改變，則聚類算法結(jié)束，如表4所示：由于聚類中心內(nèi)沒(méi)有改動(dòng)或改動(dòng)較小而達(dá)到收斂。中心的最大絕對(duì)坐標(biāo)更改為0.000。同時(shí)得到最終聚類中心和樣本數(shù)情況，如表5、表6所示。

表4 迭代歷史記錄

表5 最終聚類中心

表6 樣本數(shù)情況

根據(jù)表5，可以得到每一類別對(duì)應(yīng)的指標(biāo)最終聚類中心圖，如圖1所示。從圖1中可以看到，每個(gè)分類的對(duì)應(yīng)個(gè)案的聚類中心，如第一類的急需值為0.47，一般值為0.33，暫緩值為0.05，不需要值為0.09。

圖1 最終聚類中心圖

由表6可得到聚類結(jié)果，如圖2所示。從圖2中可以得到：第一類有17個(gè)個(gè)案，第二類有9個(gè)個(gè)案，第三類有16個(gè)個(gè)案，第四類有2個(gè)個(gè)案。

圖2 類別與個(gè)案

所以，經(jīng)過(guò)分析可以得到新疆公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)編制時(shí)序，如表7所示。

表7 新疆公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)編制時(shí)序

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)大量的實(shí)地調(diào)研，運(yùn)用K-means聚類分析法對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到新疆地方標(biāo)準(zhǔn)修編序列。

需要在1～2年內(nèi)編制完成的近期計(jì)劃有：基礎(chǔ)勘測(cè)類-1，基礎(chǔ)勘測(cè)類-2，基礎(chǔ)勘測(cè)類-6；路線設(shè)計(jì)類-6，路線設(shè)計(jì)類-8，路線設(shè)計(jì)類-9，路線設(shè)計(jì)類-10；交通工程類-1，交通工程類-3，交通工程類-5，交通工程類-7，交通工程類-8，交通工程類-9；交通安全類-4，交通安全類-5，交通安全類-6，交通安全類-8。

需要2～5年內(nèi)編制的中期計(jì)劃有：基礎(chǔ)勘測(cè)類-8；交通工程類-2，交通工程類-4；環(huán)境保護(hù)類-1，環(huán)境保護(hù)類-2，環(huán)境保護(hù)類-4，環(huán)境保護(hù)類-5，環(huán)境保護(hù)類-6，環(huán)境保護(hù)類-8。

需要在5～15年內(nèi)編制的遠(yuǎn)期計(jì)劃有：基礎(chǔ)勘測(cè)類-5，基礎(chǔ)勘測(cè)類-7；路線設(shè)計(jì)類-1，路線設(shè)計(jì)類-3，路線設(shè)計(jì)類-5，路線設(shè)計(jì)類-7，路線設(shè)計(jì)類-11；交通工程類-6；交通安全類-1，交通安全類-2，交通安全類-3，交通安全類-7；環(huán)境保護(hù)類-3，環(huán)境保護(hù)類-7。

該序列的研究可以為地方標(biāo)準(zhǔn)的編制和管理起到頂層設(shè)計(jì)的作用，積極推動(dòng)地方公路的建設(shè)。

[1]楊智生.《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》調(diào)整芻議[J].公路，2006（6）：36-38.

[2]公路工程現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)程、指南一覽表[J].公路，2011（2）：235-236.

[3]曹春梅，陳志國(guó)，曹喜軍.吉林省公路工程標(biāo)準(zhǔn)體系研究[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2012（18）：8-11.

[4]楊小兵.聚類分析中若干關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2006.

[5]逄玉俊，柳明，李元.K均值聚類分析在過(guò)程改進(jìn)中的應(yīng)用[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009（S1）：245-247.

[6]Yiu-Ming Cheung.K-Means:A New Generalized KMeans Clustering Algorithm[J].Patten Recognition Let?ters,2003(24):2883-2893.