交通量大數(shù)據(jù)助養(yǎng)護(hù)決策智能化

文/中國(guó)交建公路路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)研發(fā)中心 董元帥

公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心 張艷紅

截至2017年，我國(guó)公路養(yǎng)護(hù)里程達(dá)467.46萬(wàn)公里。公路養(yǎng)護(hù)決策的質(zhì)量和效率關(guān)乎到交通行業(yè)資源的優(yōu)化配置，對(duì)于實(shí)現(xiàn)交通強(qiáng)國(guó)的目標(biāo)具有重要的戰(zhàn)略意義?；跉v史路況及交通量數(shù)據(jù)，采用科學(xué)方法制定中長(zhǎng)期養(yǎng)護(hù)規(guī)劃，是解決公路養(yǎng)護(hù)資金不足的有效方法之一，也符合交通運(yùn)輸部“十三五”養(yǎng)護(hù)綱要中大力推行實(shí)施科學(xué)養(yǎng)護(hù)決策的理念及要求。

交通量及軸載數(shù)據(jù)是路面養(yǎng)護(hù)規(guī)劃及設(shè)計(jì)中最重要的基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)參數(shù)之一。傳統(tǒng)的路面養(yǎng)護(hù)規(guī)劃大多依靠路況指標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)交通量數(shù)據(jù)的挖掘及應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)規(guī)劃的實(shí)際指導(dǎo)意義不大，與養(yǎng)護(hù)實(shí)際需求相脫節(jié)。實(shí)際上，交通量數(shù)據(jù)在整個(gè)路面養(yǎng)護(hù)決策與規(guī)劃中占有重要地位，尤其是在我國(guó)高等級(jí)公路重載超載現(xiàn)象嚴(yán)重的情況下，更應(yīng)該在養(yǎng)護(hù)規(guī)劃中挖掘交通量數(shù)據(jù)的價(jià)值。

交通量大數(shù)據(jù)的來(lái)源

近年來(lái)，大數(shù)據(jù)技術(shù)的討論或應(yīng)用無(wú)處不在。到底什么是大數(shù)據(jù)（Big data）？研究機(jī)構(gòu)Gartner（高德納，全球最具權(quán)威性的IT研究與顧問(wèn)咨詢公司之一）給出了這樣的定義：“大數(shù)據(jù)”是需要新處理模式才能具有更強(qiáng)的決策能力、洞察發(fā)現(xiàn)能力和流程優(yōu)化能力來(lái)適應(yīng)海量的、高增長(zhǎng)率的和多樣化的信息資產(chǎn)。數(shù)據(jù)挖掘（Data mining）是數(shù)據(jù)庫(kù)知識(shí)發(fā)現(xiàn)（Knowledge-Discovery in Databases，簡(jiǎn)稱：KDD)中的一個(gè)步驟。數(shù)據(jù)挖掘一般是指從大量的數(shù)據(jù)中通過(guò)算法搜索隱藏于其中的信息的過(guò)程，數(shù)據(jù)挖掘通常與計(jì)算機(jī)科學(xué)有關(guān)，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)、在線分析處理、情報(bào)檢索、機(jī)器學(xué)習(xí)、專家系統(tǒng)（依靠過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)法則）和模式識(shí)別等諸多方法來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。

交通量大數(shù)據(jù)理念是指將各類交通量數(shù)據(jù)與路面養(yǎng)護(hù)決策、養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)相融合，同時(shí)與各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)互為校核、深度交融，構(gòu)建基于多指標(biāo)體系及大數(shù)據(jù)支撐的路面養(yǎng)護(hù)決策體系，使路面養(yǎng)護(hù)決策真正實(shí)現(xiàn)科學(xué)化、智能化。

交通量大數(shù)據(jù)與養(yǎng)護(hù)決策理念示意圖

結(jié)合交通量數(shù)據(jù)在路面養(yǎng)護(hù)規(guī)劃決策中的應(yīng)用，將交通量數(shù)據(jù)分為原始采集類、一次加工類和二次加工類。其中，原始采集類主要指直接從收費(fèi)站、治超站或道路站點(diǎn)采集的交通量數(shù)據(jù)，具體包括觀測(cè)站各車型的組成分布和各車型的軸載數(shù)據(jù)等；一次加工類是在原始采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范方法對(duì)原始采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行換算后得到的交通量數(shù)據(jù)，具體包括交通量增長(zhǎng)率、年平均日交通量、年累計(jì)當(dāng)量軸載等；二次加工類則是在經(jīng)過(guò)一次加工的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，根據(jù)需要，采用國(guó)內(nèi)外成熟的方法對(duì)其換算后得到的數(shù)據(jù)，具體包括剩余壽命等。

基于交通量大數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)路段劃分

交通量路段

對(duì)于高等級(jí)公路或國(guó)省干線而言，往往以收費(fèi)站或觀測(cè)站作為標(biāo)志，區(qū)分公路全線不同交通量特征的路段。但在公路實(shí)際運(yùn)行中，由于各路段車型的分布、組成及數(shù)量的不同，一條道路的交通量往往具有區(qū)間性、方向性和動(dòng)態(tài)性3個(gè)特征。

區(qū)間性通常以一定樁號(hào)范圍或一定路段內(nèi)的交通量特征參數(shù)（如年平均斷面日交通量、年累計(jì)當(dāng)量軸載等），作為區(qū)分不同交通量路段或斷面的依據(jù)。方向性是因?yàn)榻煌骶哂蟹较蛐?，所以，交通量?shù)據(jù)也同樣具有方向性特征。此外，交通量是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)參數(shù)，從短期來(lái)看，公路上對(duì)應(yīng)不同時(shí)刻的交通量持續(xù)變化；從長(zhǎng)期來(lái)看，不同年份或不同時(shí)間段交通量的變化趨勢(shì)也在改變。因此，交通量具有動(dòng)態(tài)性特征。

路段一次劃分

為了開(kāi)展路面養(yǎng)護(hù)決策，需要將具有相同屬性特征，如車道數(shù)、路面結(jié)構(gòu)、路面寬度、交通量等參數(shù)的區(qū)間劃分為路段，便于在決策時(shí)調(diào)用統(tǒng)一的參數(shù)。在這些屬性中，交通量參數(shù)屬于隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)參數(shù)，但不同交通量路段的分界樁號(hào)基本確定不變，即觀測(cè)站樁號(hào)不變。因此，在開(kāi)展養(yǎng)護(hù)決策時(shí)，交通量數(shù)據(jù)的應(yīng)用首先是將道路全線不同交通量特征的路段劃分出來(lái)，同時(shí)，結(jié)合車道數(shù)、路面結(jié)構(gòu)、路面寬度等靜態(tài)屬性，作為路段一次劃分的指標(biāo)。

路段一次劃分示意圖

路段二次劃分

在路面養(yǎng)護(hù)決策中，為了確定養(yǎng)護(hù)方案，需要在路段一次劃分的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步根據(jù)路況指標(biāo)及其他相關(guān)參數(shù)值，完成路段的二次劃分。例如，現(xiàn)行《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，“若高速公路及一級(jí)公路的RQI（行駛質(zhì)量指數(shù)）評(píng)價(jià)為優(yōu)、良，或者二級(jí)及二級(jí)以下公路的行駛質(zhì)量指數(shù)評(píng)價(jià)為優(yōu)、良、中時(shí)，以日常養(yǎng)護(hù)為主?！贝颂幍腞QI指標(biāo)即為路段劃分指標(biāo)之一。

一般來(lái)說(shuō)，養(yǎng)護(hù)的類型包括日常養(yǎng)護(hù)、預(yù)防性養(yǎng)護(hù)、中修養(yǎng)護(hù)及大修養(yǎng)護(hù)。判斷路面是否需要進(jìn)行大中修的傳統(tǒng)指標(biāo)為路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)（PSSI）。而PSSI作為規(guī)范規(guī)定的抽檢路況指標(biāo)，檢測(cè)時(shí)存在數(shù)據(jù)不連續(xù)性、斷節(jié)性、甚至缺失性等特點(diǎn)，這給路段路面養(yǎng)護(hù)決策的劃分帶來(lái)了困難。面對(duì)出現(xiàn)的困難，由美國(guó)國(guó)有公路運(yùn)輸管理員協(xié)會(huì)（AASHTO）建立的路面結(jié)構(gòu)承載力指標(biāo)，即剩余壽命指標(biāo)，給養(yǎng)護(hù)決策的路段劃分帶來(lái)了一些思考。

剩余壽命指標(biāo)的計(jì)算方法有兩種：舊路調(diào)查法及FWD反算法?；趦煞N方法的可推廣性及普及性，提出了改進(jìn)后的剩余壽命指標(biāo)計(jì)算方法，即年累計(jì)當(dāng)量軸載反算法。借助剩余壽命的定義，即路段未來(lái)尚能承受的軸載作用次數(shù)換算年限，得出具體計(jì)算公式，如式1所示：

式1中，RL為剩余壽命（年）；N為通車至設(shè)計(jì)年限內(nèi)各年份發(fā)生的年累計(jì)當(dāng)量軸載（百萬(wàn)次）；N e為設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)方向上，一個(gè)車道的累計(jì)當(dāng)量軸次（百萬(wàn)次）；L為設(shè)計(jì)年限。

將剩余壽命指標(biāo)與其余路況指標(biāo)相結(jié)合，建立適合不同地區(qū)的路段劃分觸發(fā)界限。由交通量數(shù)據(jù)換算得到改進(jìn)的剩余壽命法，一方面繼續(xù)延用了將路面結(jié)構(gòu)承載力作為判斷大中修養(yǎng)護(hù)依據(jù)的傳統(tǒng)，另一方面突破性地規(guī)避了PSSI指標(biāo)數(shù)據(jù)不全和不足的問(wèn)題。

路面性能衰變模型

基于交通量和路況關(guān)系的路面性能衰變模型，是路面養(yǎng)護(hù)決策中極為關(guān)鍵的決策基礎(chǔ)。路面養(yǎng)護(hù)決策主要解決未來(lái)年度路面養(yǎng)護(hù)路段、養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)及養(yǎng)護(hù)措施等三大核心問(wèn)題。而路面性能衰變模型正是影響這三大核心問(wèn)題的重要因素，從模型對(duì)象類型來(lái)看，路面性能衰變模型分為原路面模型與養(yǎng)護(hù)后模型。原路面模型即對(duì)應(yīng)舊路路況的變化規(guī)律，養(yǎng)護(hù)后模型即對(duì)應(yīng)道路在采用不同養(yǎng)護(hù)后的路況變化情況。路面性能衰變模型在決策中的應(yīng)用，如表1所示。

傳統(tǒng)性能模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性不足

根據(jù)表達(dá)方式的不同，路面性能衰變模型主要分為確定型模型和概率型模型。其中，確定型模型的應(yīng)用較為廣泛，模型建立主要采用經(jīng)驗(yàn)回歸法，即基于多年的歷史數(shù)據(jù)，建立路況指標(biāo)與時(shí)間的相關(guān)關(guān)系。該方法在養(yǎng)護(hù)規(guī)劃及決策中應(yīng)用較多，可用來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)年度的路面性能變化情況，且僅需要兩個(gè)及以上時(shí)間維度下的路況數(shù)據(jù)，即可建立不同方程形式的性能曲線，方程建立簡(jiǎn)單方便。然而，由于建立的是路齡與路面性能的關(guān)系，并不能直接反映運(yùn)營(yíng)期內(nèi)交通量的發(fā)展，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性不足，對(duì)路面性能的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性還有待提高。

改進(jìn)后的性能模型需進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正

交通量是影響路面性能衰減的一個(gè)重要因素，路面性能的衰減很大程度上是由于交通量的變化所引起。傳統(tǒng)建模方法是建立路齡與路面性能的回歸關(guān)系，其與交通量關(guān)聯(lián)性和準(zhǔn)確性均較差。因此，僅簡(jiǎn)單采用路齡預(yù)測(cè)路面性能的變化，不能直接將交通量對(duì)路況的影響予以量化?；诖耍诼访骛B(yǎng)護(hù)決策中，需建立年累計(jì)當(dāng)量軸載與路面性能的關(guān)系，更真實(shí)地預(yù)測(cè)未來(lái)規(guī)劃年度的路況衰減。

表1 路面性能衰變模型在決策中的應(yīng)用

需要注意的是，為了保證模型的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確性，改進(jìn)后的性能模型應(yīng)根據(jù)不斷更新的路況數(shù)據(jù)，對(duì)一定模型分組條件下的性能模型曲線進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正。

資金優(yōu)化分配

在養(yǎng)護(hù)決策中，當(dāng)路線或路網(wǎng)的養(yǎng)護(hù)資金受到限制時(shí)，需要根據(jù)資金約束條件對(duì)規(guī)劃期內(nèi)的養(yǎng)護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化排序，在有限的資金條件下篩選出最適合養(yǎng)護(hù)的路段及方案。在確定養(yǎng)護(hù)路段時(shí)，交通量應(yīng)作為參與排序決策的重要因素。一般而言，交通量越重的路段，路況水平相對(duì)越差，相應(yīng)地，未來(lái)的路況衰減速度也越快。因此，其應(yīng)安排的養(yǎng)護(hù)優(yōu)先級(jí)也越高。當(dāng)養(yǎng)護(hù)資金受限時(shí)，可根據(jù)決策樹(shù)法或優(yōu)先級(jí)因子法，確定需要養(yǎng)護(hù)的路段。

以優(yōu)先級(jí)因子法為例，將年累計(jì)當(dāng)量軸載及PCI作為基礎(chǔ)影響參數(shù)，各地可根據(jù)當(dāng)?shù)氐那闆r增加不同的路況指標(biāo)參與優(yōu)化分配。

式2中，Ysec為優(yōu)先級(jí)因子；Nsec為養(yǎng)護(hù)路段最近年份的年累計(jì)當(dāng)量軸載；PCIsec為養(yǎng)護(hù)路段最近檢測(cè)批次的PCI；PPPsec為養(yǎng)護(hù)路段最近檢測(cè)批次的PPP值。PPP值包括PQI、RDI、RQI、SRI、PSSI。當(dāng)PPP選擇多個(gè)時(shí)，各指標(biāo)可連乘計(jì)算。

在路面養(yǎng)護(hù)決策中應(yīng)用交通量大數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)未考慮交通量大數(shù)據(jù)的路面養(yǎng)護(hù)決策相比，基于交通量大數(shù)據(jù)的養(yǎng)護(hù)決策技術(shù)，在路段劃分合理性、養(yǎng)護(hù)決策科學(xué)性、資金分配全面性等方面均具有較大優(yōu)勢(shì)，為公路路面養(yǎng)護(hù)科學(xué)決策及未來(lái)的信息化應(yīng)用提供了參考。

路齡和路面性能衰變曲線

年累計(jì)當(dāng)量軸載和路面性能衰變曲線