公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展特征及灰色趨勢預(yù)測研究

鄭玉國，夏鴻翔，賀 浩

（湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展特征及灰色趨勢預(yù)測研究

鄭玉國，夏鴻翔，賀 浩

（湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

針對公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展預(yù)測基本空白的現(xiàn)狀，在對我國公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的歷史發(fā)展進行梳理的基礎(chǔ)上，分析了我國公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的歷史發(fā)展特征并初步探索其原因。采用灰色預(yù)測方法，建立灰色預(yù)測模型并編制灰色預(yù)測程序，在通過關(guān)聯(lián)度檢驗、后驗差檢驗、殘差檢驗的基礎(chǔ)上，對我國公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)未來的發(fā)展趨勢進行預(yù)測。研究和預(yù)測的結(jié)果表明，所建立的灰色預(yù)測模型精度較高，所編制的灰色預(yù)測程序效果良好，我國的公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展?jié)摿薮?，結(jié)構(gòu)調(diào)整仍有較大空間，預(yù)測結(jié)果可作為公路交通管理部門制定發(fā)展規(guī)劃和做出決策的重要依據(jù)和參考。

公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)；發(fā)展特征；發(fā)展趨勢預(yù)測；灰色預(yù)測模型；模型檢驗

公路基礎(chǔ)設(shè)施是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的“大動脈”，公路基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)與整個經(jīng)濟社會的發(fā)展既相輔相成又相互影響和制約，其重要性不言而喻。

公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展預(yù)測與宏觀經(jīng)濟和微觀經(jīng)濟的預(yù)測類似，例如GDP的預(yù)測和人口發(fā)展的預(yù)測等，是管理部門了解其歷史發(fā)展和當前運行狀況的重要手段，是制定未來發(fā)展戰(zhàn)略、規(guī)劃、政策和計劃等的重要依據(jù)[1]。

公路交通行業(yè)的統(tǒng)計及預(yù)測由來已久，然而較多的文獻[2-4]要么偏重于區(qū)域交通運輸或者區(qū)域運輸需求的發(fā)展預(yù)測，要么偏重于區(qū)域交通宏觀發(fā)展戰(zhàn)略的研究[5-7]，而具體有針對性地基于公路基礎(chǔ)設(shè)施角度的發(fā)展預(yù)測仍然非常少。

相對于其它預(yù)測方法而言，灰色預(yù)測方法在小樣本、貧信息系統(tǒng)和缺乏數(shù)據(jù)的情況下效果良好[8]。因此，基于公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的視角，從公路基礎(chǔ)設(shè)施歷史發(fā)展特征梳理和未來發(fā)展趨勢預(yù)測2個角度出發(fā)，采用灰色預(yù)測方法，對我國公路基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)開展研究，可以彌補當前研究的不足，從而完善公路交通行業(yè)發(fā)展預(yù)測的理論體系。

1 公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展特征

我國的公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)起步較晚，公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的歷史數(shù)據(jù)非常缺乏。根據(jù)交通運輸部的統(tǒng)計公報[9]，可采用的公路基礎(chǔ)設(shè)施統(tǒng)計數(shù)據(jù)僅從2001年開始。因此，基于統(tǒng)計公報的現(xiàn)有數(shù)據(jù)，按照其分類方法，分別從行政等級公路、技術(shù)等級公路和重大控制性橋隧工程的角度，對我國公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)歷史發(fā)展的情況進行闡述和分析。

1.1 行政等級公路角度

按照我國行政等級公路的劃分，其包括國道、省道、縣道、鄉(xiāng)道、專用公路和村道等6種，我國公路總里程及6種行政等級公路里程的歷史變化情況如圖1a所示，各等級公路占公路總里程的比例如圖1b所示。需要強調(diào)的是，由于2005年及以前的村道建設(shè)及里程并未納入統(tǒng)計公報中，因此對村道發(fā)展變化情況的分析從2006年開始。

從總里程來看，6種行政等級公路的里程和公路總里程總體上呈增長態(tài)勢發(fā)展，在前期緩慢增長的基礎(chǔ)上專用公路總里程在2006，2007年有較大減小，隨后又緩慢增長。而公路總里程從2005—2006年的大幅增加是由于統(tǒng)計數(shù)據(jù)中增加了較大數(shù)量的村道里程而引起的。在6種行政等級公路中，村道和鄉(xiāng)道的增長率最大。

從占比的情況來看，2005年以前鄉(xiāng)道在整個公路基礎(chǔ)設(shè)施中的占比最大并逐年增大，隨后是縣道、省道、國道和專用公路且占比逐年減小。2006年以后由于統(tǒng)計指標的變化，村道在整個公路基礎(chǔ)設(shè)施中的占比最大并逐年增大，隨后是鄉(xiāng)道、縣道、省道、國道和專用公路，且占比總體上小幅波動緩慢減小。

從上述分析可以看出，村道和鄉(xiāng)道建設(shè)在整個公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的重要性越來越大，這與我國新世紀以來更加重視農(nóng)村工作和農(nóng)村建設(shè)是分不開的。

圖1 行政等級公路歷史發(fā)展變化情況Fig. 1 Historical development and change of highways of administrative level

1.2 技術(shù)等級公路角度

我國的技術(shù)等級公路包括高速、一級、二級、三級、四級和等外公路等6種，各種技術(shù)等級公路里程的變化情況如圖2a所示，相應(yīng)的各種技術(shù)等級公路里程占公路總里程百分比的變化如圖2b所示。

圖2 技術(shù)等級公路歷史發(fā)展變化情況Fig. 2 Historical development and change of highways of technical level

從圖2a可以看出，高速、一級、二級、三級公路總里程平穩(wěn)增長，四級公路的總里程以較快增幅持續(xù)增長，等外公路里程總體上大幅減小，四級和等外公路在2005與2006年間的大幅波動應(yīng)是將較大數(shù)量低等級的村道納入統(tǒng)計數(shù)據(jù)中引起的。

從圖2b可以看出，高速和一級公路總里程的占比總體上穩(wěn)步增長，二級公路占比波動減小，三級和等外公路總里程占比總體上持續(xù)減小，而四級公路占比基本上持續(xù)大幅增加。其中，等外公路占比的減小率最大，而四級公路占比的增長率最大。與行政等級公路同樣的原因，各技術(shù)等級公路的占比在2005與2006年之間出現(xiàn)了大幅波動。

上述分析表明，隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展和國力的大幅增強，我國高等級公路的建設(shè)成就是非常顯著的。然而也應(yīng)當看到，由于各種歷史原因和城鄉(xiāng)差距的長久存在，低技術(shù)等級公路建設(shè)會長久持續(xù)存在，改善和優(yōu)化我國公路基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，仍然任重而道遠。

1.3 橋梁與隧道工程角度

在整個公路基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中，橋梁與隧道工程通常處于“咽喉性”的控制地位，尤其是大型的橋梁與隧道工程更是如此。

基于公路橋梁與隧道的歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在公路橋梁方面分別從橋梁總量、特大橋梁和大橋等3方面來進行統(tǒng)計，在公路隧道方面分別從隧道總量、特長隧道、長隧道等3個方面來進行統(tǒng)計。其發(fā)展變化情況分別如圖3和圖4所示。

圖3 公路橋梁發(fā)展變化情況Fig. 3 Development and change of highway bridges

圖4 公路隧道發(fā)展變化情況Fig. 4 Development and change of highway tunnels

從圖3可以看出，隨著我國公路基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，不僅橋梁的總量和長度總體上持續(xù)大幅增長，特大橋梁和大橋的數(shù)量和長度也保持較快幅度增長。公路隧道的發(fā)展變化具有類似的規(guī)律和特征。

公路橋梁、隧道的這些發(fā)展特性，可能與我國公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)逐漸向更復(fù)雜、更困難的地理、地質(zhì)區(qū)域偏移有關(guān)，也說明我國包括大型橋隧在內(nèi)的各類橋隧的建設(shè)水平正在逐漸提高。

2 灰色預(yù)測建模及檢驗

2.1 灰色預(yù)測建模

所謂灰色系統(tǒng)是指既包含已知信息又含有不確定信息的系統(tǒng)，灰色預(yù)測通過鑒別系統(tǒng)因素之間發(fā)展趨勢的相異程度，通過對原始數(shù)據(jù)進行生成處理來尋找系統(tǒng)變動的規(guī)律。其生成有較強規(guī)律性的新數(shù)據(jù)序列，然后建立相應(yīng)的微分方程模型，從而表征和預(yù)測系統(tǒng)未來發(fā)展變化趨勢的狀況[10]。

在最常用的灰色預(yù)測模型GM(1, 1)中，已知變量X的原始數(shù)據(jù)序列，

為預(yù)測其未來發(fā)展趨勢，先進行數(shù)據(jù)累加處理，增強其數(shù)據(jù)的規(guī)律性。常采用一次累加生成處理得到X的一次累加序列，即

根據(jù)灰色系統(tǒng)的基本原理[10]，建立微分方程，即

式中a, u為常數(shù)。

該方程的解即為灰色預(yù)測模型

式中x(0)(1)為初始值。

通常，若預(yù)測模型的參數(shù)-a小于0.3，則可用于長期預(yù)測[11]。

2.2 模型檢驗分析

式（4）所建立的灰色預(yù)測模型是否可行，必須經(jīng)過精度檢驗之后才能確定，檢驗的方式通常包括關(guān)聯(lián)度檢驗、后驗差檢驗和殘差檢驗等。

在關(guān)聯(lián)度檢驗中，采用式（8）來計算關(guān)聯(lián)系數(shù)，關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值即為關(guān)聯(lián)度，如式（9）所示，其中為分辨系數(shù)，通常取0.5。

Δmin表示Δ(0)(t)序列的最小值；

Δmax表示Δ(0)(t)序列的最大值。

關(guān)聯(lián)度為

為了進行后驗差檢驗，分別計算原始數(shù)據(jù)序列和殘差序列的均方差，如式（10）～（11）所示。

則定義方差比為

小誤差概率為

若C<0.50，P>0.80則認為后驗差檢驗滿足要求，若C<0.35，P>0.95則認為灰色預(yù)測模型的精度良好。

殘差及相對誤差q(0)(t)的計算分別如式（14）和式（15）所示。很顯然，相對誤差的絕對值越小，模型的精度越高。

若相對誤差在±5%左右，則認為灰色預(yù)測模型的精度良好。

另一方面，若灰色預(yù)測模型的精度較低，則需要用殘差辨識和修正來對灰色預(yù)測模型進行調(diào)整[12]，直至精度滿足要求為止。

3 公路基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展趨勢預(yù)測

3.1 灰色預(yù)測編程

為了對公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展趨勢進行預(yù)測，采用灰色預(yù)測方法進行建模，編制灰色預(yù)測程序，其程序框圖如圖5所示。

圖5 灰色預(yù)測程序框圖Fig. 5 Flow chart of grey prediction program

3.2 預(yù)測結(jié)果及分析

根據(jù)上述灰色預(yù)測的基本原理，在考慮殘差辨識和修正的基礎(chǔ)上，建立我國公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的灰色預(yù)測模型，以公路里程、國道里程、高速公路里程、 公路橋梁數(shù)量、公路隧道數(shù)量為例，其灰色預(yù)測模型如表1所示。可以看出各預(yù)測模型的參數(shù)-a均小于0.3，因此可用于長期預(yù)測。

表1 灰色預(yù)測模型Table 1 Grey prediction models

對相應(yīng)灰色預(yù)測模型的檢驗如表2所示?？梢钥闯觯⒌墓坊A(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展趨勢灰色預(yù)測模型的精度良好。

表2 灰色預(yù)測模型檢驗Table 2 Test of grey prediction models

根據(jù)所建立的灰色預(yù)測模型和編制的灰色預(yù)測程序，對我國公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)預(yù)測的結(jié)果分別如圖6～9所示。

圖6 行政等級公路預(yù)測結(jié)果Fig. 6 Prediction results of highways of administrative level

圖7 技術(shù)等級公路預(yù)測結(jié)果Fig. 7 Prediction results of highways of technical level

從各行政等級公路的預(yù)測結(jié)果可以看出，今后10 a我國公路總里程仍會穩(wěn)定持續(xù)較快增長，各行政等級公路也會持續(xù)平穩(wěn)增長，其中村道和鄉(xiāng)道的增長率較大。從占比的情況來看，村道和鄉(xiāng)道的占比一直較大，除了鄉(xiāng)道和縣道的占比持續(xù)緩慢減小之外，其它各行政等級公路的占比均緩慢增長。

從各技術(shù)等級公路的預(yù)測結(jié)果來看，除了等外公路里程持續(xù)較大幅度減小之外，其它各技術(shù)等級公路的里程持續(xù)穩(wěn)定增長，其中四級公路增長最快。從占比的情況來看，四級公路的占比最大且其占比先緩慢增大，后期呈現(xiàn)緩慢減小趨勢。等外公路和三級公路的占比逐漸減小，其中等外公路的占比減小幅度較大。二級、一級和高速公路的占比持續(xù)緩慢增長。

圖8 公路橋梁預(yù)測結(jié)果Fig. 8 Prediction results of highway bridges

圖9 公路隧道預(yù)測結(jié)果Fig. 9 Prediction results of highway tunnels

從公路橋梁和隧道的預(yù)測結(jié)果可以看出，我國公路橋梁和公路隧道發(fā)展空間巨大，未來10 a在數(shù)量上和長度上均會大幅增長。

4 結(jié)論

通過對我國公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的歷史發(fā)展進行梳理，建立灰色預(yù)測模型并編制灰色預(yù)測程序?qū)ζ湮磥戆l(fā)展趨勢進行預(yù)測，可得如下結(jié)論。

1）我國公路建設(shè)的歷史成就明顯，尤其高等級公路的歷史建設(shè)成就非常顯著。

2）所建立的灰色預(yù)測模型精度較高，所編制的灰色預(yù)測程序效果良好。

3）我國的公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展?jié)摿薮?，未?0 a仍有非常大的發(fā)展空間，公路總里程、公路橋梁和公路隧道的長度均會保持較快增長，代表公路基礎(chǔ)設(shè)施建造技術(shù)水平的大橋、特大橋、長隧道、特長隧道的建設(shè)仍會持續(xù)快速增長。

4）由于各種歷史原因和城鄉(xiāng)差距的存在，低行政等級和低技術(shù)等級公路的建設(shè)會長久持續(xù)存在，而且占比仍然會持續(xù)較大，結(jié)構(gòu)調(diào)整仍有較大空間，改善和優(yōu)化我國公路基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，仍任重而道遠。

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（責(zé)任編輯：申 劍）

Study on the Development Features and Grey Relation Trend Forecast of Highway Infrastructure Construction

ZHENG Yuguo，XIA Hongxiang，HE Hao
（School of Civil Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan Hunan 411201，China）

In view of the fact that the current highway infrastructure development forecast is basically a virgin ground, based on the gathered information of the historical development of the highway infrastructure construction in China, a detailed analysis has been made of its developmental features and a tentative analysis of its causes as well. A grey prediction model has been established and a grey prediction program has been worked out, followed by a future development trend prediction of the highway infrastructure construction in China, based on the correlation test, the posterior variance test and the residual test. The research and forecast results show that the proposed grey forecasting model is of high precision, and the formulated grey prediction program has achieved a good effect, with a great potential for the future development of the highway infrastructure construction and the structural readjustment. The prediction results can be referred to by the highway traffic management department for the development planning and decision making.

construction of highway infrastructure；development feature；grey trend forecast；grey forecast model；model test

U49

A

1673-9833(2016)05-0070-07

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.05.014

2016-07-13

國家自然科學(xué)基金資助項目（51348010），湖南省自然科學(xué)基金資助項目（14JJ3109）

鄭玉國（1978-），男，湖北宜城人，湖南科技大學(xué)副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事橋梁工程及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的研究，E-mail：666zyg@#edu.cn