采用多元化綜合方法的農(nóng)村公路網(wǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)研究

樊 慧

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

1 研究背景

農(nóng)村公路是農(nóng)村地區(qū)主要的對(duì)外聯(lián)系通道，是鄉(xiāng)村振興的基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性條件。農(nóng)村公路的建設(shè)需要規(guī)劃引領(lǐng)，高質(zhì)量的農(nóng)村公路規(guī)劃對(duì)于提高農(nóng)村公路發(fā)展水平具有重要意義。農(nóng)村公路規(guī)劃編制中的核心問題就是路網(wǎng)總體規(guī)模的預(yù)測(cè)，既是農(nóng)村公路發(fā)展的控制性指標(biāo)，也能為下一步科學(xué)優(yōu)化路網(wǎng)布局、建設(shè)項(xiàng)目庫、實(shí)施計(jì)劃和資金安排提供基礎(chǔ)和指導(dǎo)。

2 農(nóng)村公路規(guī)模預(yù)測(cè)思路

2.1 農(nóng)村公路規(guī)模影響因素識(shí)別

農(nóng)村公路網(wǎng)合理規(guī)模的實(shí)質(zhì)是在一定的國土面積上按照客貨運(yùn)需求分布而合理布設(shè)道路的總量，農(nóng)村公路網(wǎng)有其內(nèi)在發(fā)展規(guī)律，按照影響方式，農(nóng)村公路網(wǎng)規(guī)模的影響因素如下：

a）從時(shí)間序列上看，按照發(fā)展規(guī)律，農(nóng)村公路逐步經(jīng)歷發(fā)展初期、發(fā)展中期和發(fā)展后期階段，增長速度先上升后下降至總規(guī)模趨于穩(wěn)定。因此，農(nóng)村公路規(guī)模與時(shí)間呈現(xiàn)一定的規(guī)律。

b）從相關(guān)因素上看，農(nóng)村公路與區(qū)域的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、交通需求相適應(yīng)。農(nóng)村公路規(guī)模的影響因素可以分為三個(gè)方面，首先，與引發(fā)交通需求的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)有關(guān)，包括經(jīng)濟(jì)總量、居民消費(fèi)水平、城鎮(zhèn)化水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等；其次，與影響交通需求總量的影響因素有關(guān)，包括人口規(guī)模、國土面積、機(jī)動(dòng)車保有量；最后，交通需求的具體體現(xiàn)，包括客運(yùn)量、貨運(yùn)量等。

c）從路網(wǎng)自身布局來看，根據(jù)客貨需求點(diǎn)的分布，農(nóng)村公路網(wǎng)呈現(xiàn)一定的網(wǎng)絡(luò)幾何學(xué)特征，具體反映為連通度、通達(dá)深度等指標(biāo)，因此，路網(wǎng)幾何學(xué)特性和客貨需求點(diǎn)的分布是路網(wǎng)規(guī)模的影響因素。

d）從制約因素看，環(huán)境保護(hù)、國土空間等約束日益趨緊，土地資源、環(huán)境容量等因素影響路網(wǎng)的最終規(guī)模。

2.2 預(yù)測(cè)方法分類及適用性分析

除了一些定性預(yù)測(cè)方法，如類比法、專家咨詢法等，農(nóng)村公路規(guī)模預(yù)測(cè)經(jīng)常采用定量方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，按照影響因素的分類，預(yù)測(cè)方法分為自主性時(shí)間序列預(yù)測(cè)方法、相關(guān)性回歸預(yù)測(cè)方法和控制型路網(wǎng)指標(biāo)預(yù)測(cè)方法。

自主性時(shí)間序列預(yù)測(cè)方法以年份為自變量，在研究歷年農(nóng)村公路規(guī)模及增長率變化情況基礎(chǔ)上，對(duì)農(nóng)村公路發(fā)展階段和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行判斷，進(jìn)一步進(jìn)行對(duì)數(shù)模型、指數(shù)平滑、Logistic 模型的擬合，根據(jù)擬合結(jié)果確定預(yù)測(cè)模型。該方法較為簡(jiǎn)單，工作量小。但是，運(yùn)用時(shí)間序列分析實(shí)際上將所有的影響因素歸結(jié)到時(shí)間這一因素上，只承認(rèn)所有影響因素的綜合作用，并在未來對(duì)預(yù)測(cè)對(duì)象仍然起作用，并未去分析探討預(yù)測(cè)對(duì)象和影響因素之間的因果關(guān)系。

相關(guān)性回歸預(yù)測(cè)方法以經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、交通需求、出行量等因素為自變量，通過歷年經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、交通需求、出行量等因素和農(nóng)村公路規(guī)模標(biāo)定多元回歸模型，再將規(guī)劃年的自變量預(yù)測(cè)值輸入模型，計(jì)算規(guī)劃期農(nóng)村公路規(guī)模。該方法能夠較好地反應(yīng)公路網(wǎng)規(guī)模與影響因素之間的因果關(guān)系，但是，農(nóng)村公路區(qū)域范圍、環(huán)境復(fù)雜，模型標(biāo)定較為困難。目前，以BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法為代表的計(jì)算機(jī)方法能夠較好地解決此類問題。

控制型路網(wǎng)指標(biāo)預(yù)測(cè)方法以預(yù)期達(dá)到的路網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)幾何學(xué)特征，從路網(wǎng)內(nèi)在規(guī)律的層次對(duì)農(nóng)村公路規(guī)模進(jìn)行宏觀推算。該方法原理清楚，能夠以網(wǎng)絡(luò)幾何特征較好地解釋路網(wǎng)規(guī)模。但對(duì)國土面積大、客貨運(yùn)需求點(diǎn)分布規(guī)律性不強(qiáng)的情況預(yù)測(cè)精度較差。

3 多元化綜合方法的規(guī)模預(yù)測(cè)

3.1 方法選取

根據(jù)自主性時(shí)間序列預(yù)測(cè)方法、相關(guān)性回歸預(yù)測(cè)方法、控制型路網(wǎng)指標(biāo)預(yù)測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇相關(guān)性回歸預(yù)測(cè)方法中的國土系數(shù)法、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和連通度法作為多元化綜合方法的3 種典型算法[1]，各方法情況如下。

3.1.1 國土系數(shù)法

根據(jù)國土系數(shù)理論，一個(gè)區(qū)域內(nèi)的公路網(wǎng)發(fā)展水平與人口、面積指標(biāo)具有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，即國土空間系數(shù)可以通過歷史數(shù)據(jù)回歸分析得到。國土系數(shù)法計(jì)算公式如式（1）：

式中：L 為農(nóng)村公路規(guī)模，km；K 為國土系數(shù)；A 為區(qū)域面積，km2；P 為總?cè)丝?，萬人。

3.1.2 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是一種模仿生物腦結(jié)構(gòu)及其功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，目前應(yīng)用最廣泛最成功的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。一般由輸入層、隱含層、輸出層三個(gè)神經(jīng)元素層次組成，應(yīng)用一組輸入神經(jīng)元對(duì)構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練。當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可用于仿真預(yù)測(cè)。

本次研究中，確定輸出層n 為1 個(gè)神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)，即農(nóng)村公路網(wǎng)規(guī)模，輸入層m 為5 個(gè)神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)，即影響公路網(wǎng)規(guī)模的因素，包括國內(nèi)生產(chǎn)總值、總?cè)丝?、居民消費(fèi)水平、民用汽車保有量、城鎮(zhèn)化率，隱含層h 節(jié)點(diǎn)數(shù)一般通過經(jīng)驗(yàn)公式確定，本研究取10。

3.1.3 連通度法

按照連通度計(jì)算模型，路網(wǎng)變形系數(shù)ξ 為各節(jié)點(diǎn)間線路總長度與直線里程之比。連通度C 反映各節(jié)點(diǎn)間的連通情況，當(dāng)C 值接近 1.0 時(shí)，路網(wǎng)布局為樹狀，各結(jié)點(diǎn)多為二路連通；C 值為2.0 時(shí)，路網(wǎng)布局為方格網(wǎng)狀，結(jié)點(diǎn)多為四路連通；C 值略大于3.0 時(shí)，路網(wǎng)布局呈三角形網(wǎng)狀，結(jié)點(diǎn)多為六路連通。連通度計(jì)算公式如式（2）：

式中：L 為農(nóng)村公路里程，km；N 為區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)；A為區(qū)域面積，km2；ξ 為路網(wǎng)變形系數(shù)；C 為路網(wǎng)連通度。

3.2 多元方法的構(gòu)建

在按照以上3 種方法分別進(jìn)行預(yù)測(cè)后，將各方法的預(yù)測(cè)結(jié)果與方法對(duì)應(yīng)的權(quán)重值相乘求和后作為最終預(yù)測(cè)結(jié)果。各方法的權(quán)重根據(jù)預(yù)測(cè)期限長短和各方法的特點(diǎn)綜合確定。根據(jù)國土系數(shù)法參數(shù)少、模型容易標(biāo)定，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法參數(shù)多、能夠綜合反映各影響因素，以及連通度法體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)幾何特性影響的特點(diǎn)，綜合確定各方法在不同期限預(yù)測(cè)中的作用，增強(qiáng)預(yù)測(cè)結(jié)論的可信度，從而預(yù)測(cè)農(nóng)村公路網(wǎng)的合理規(guī)模。

表1 各方法權(quán)重定性劃分

4 山西省“十四五”農(nóng)村公路規(guī)模預(yù)測(cè)

4.1 現(xiàn)狀情況

“十五”以來，山西省大力推進(jìn)農(nóng)村公路建設(shè)，基本實(shí)現(xiàn)了具備條件的建制村通水泥（油）路和具備條件的建制村街巷硬化“全覆蓋”[2]。截止2018 年底，全省農(nóng)村公路通車?yán)锍踢_(dá)到12.47 萬km，農(nóng)村公路基本滿足大部分交通需求，葉脈型網(wǎng)絡(luò)形成，農(nóng)村公路規(guī)模增長放緩。山西省農(nóng)村公路和相關(guān)因素的理念發(fā)展情況見表2。

表2 山西省農(nóng)村公路和相關(guān)因素歷年發(fā)展情況

4.2 預(yù)測(cè)過程

4.2.1 相關(guān)因素的預(yù)測(cè)

相關(guān)因素的預(yù)測(cè)主要是引用權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。GDP 方面，清華大學(xué)中國與世界經(jīng)濟(jì)研究中心預(yù)計(jì)GDP 將保持年均6%的增速，預(yù)計(jì)2025 年山西省GDP 為252 882 041 萬元。人口規(guī)模方面，《國家人口發(fā)展規(guī)劃2016—2030》預(yù)計(jì)，人口年均增長0.09%，預(yù)計(jì)2025 年山西省人口為3 742 萬人。居民消費(fèi)水平方面，世界銀行《China 2030》和《中國消費(fèi)者2030 年面貌前瞻》中預(yù)測(cè)居民消費(fèi)水平年均值增長率為5.5%，預(yù)計(jì)2025 年山西省農(nóng)民人均可支配收入為17 092 元。民用汽車擁有量方面，中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)增長為7%，預(yù)計(jì)2025 年山西省民用汽車擁有量為1 052 萬臺(tái)。城鎮(zhèn)化率方面，住建部、國務(wù)院發(fā)展研究中心等研究機(jī)構(gòu)對(duì)城鎮(zhèn)化水平進(jìn)行的預(yù)測(cè)，到2025 年中國城鎮(zhèn)化率將達(dá)到60%～65%，山西省取中間值為62.5%。

4.2.2 參數(shù)的標(biāo)定

4.2.2.1 國土系數(shù)法標(biāo)定

將表1 中2005 年至2018 年農(nóng)村公路里程、年末常住人口、山西省國土面積156 748 km2帶入式（1），求出歷年國土系數(shù)K，再使用指數(shù)平滑（ETS）算法預(yù)測(cè)2025 年K 值為5.435。

4.2.2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練

訓(xùn)練樣本為表1 中2005 年至2018 年公路里程規(guī)模和國內(nèi)生產(chǎn)總值、總?cè)丝?、居民消費(fèi)水平、民用汽車保有量、城鎮(zhèn)化率等經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展主要指標(biāo)。

使用MatLab 工具箱對(duì)構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練性能和訓(xùn)練結(jié)果如圖1、圖2 所示。訓(xùn)練在第46 次達(dá)到設(shè)置誤差值，訓(xùn)練后的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算預(yù)測(cè)值已與實(shí)測(cè)值十分接近，相關(guān)系數(shù)為0.997 4，相關(guān)性非常高，可視為訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)已滿足計(jì)算要求。

圖1 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練性能

4.2.2.3 連通度法標(biāo)定

結(jié)合山西省地形特點(diǎn)和農(nóng)村公路發(fā)展現(xiàn)狀，節(jié)點(diǎn)按照《2019 年山西省統(tǒng)計(jì)年鑒》中的縣級(jí)節(jié)點(diǎn)117 個(gè)、鄉(xiāng)級(jí) 1 196 個(gè)、村級(jí)節(jié)點(diǎn) 28 120 個(gè)計(jì)，初步按照路網(wǎng)變形系數(shù)1.2 至1.3 之間，連通度小于2 的范圍，采用典型年份的農(nóng)村公路規(guī)模確定具體的路網(wǎng)變形系數(shù)和連通度。具體見表3。

圖2 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果

表3 典型年份農(nóng)村公路路網(wǎng)變形系數(shù)和連通度

并按照趨勢(shì)外推法預(yù)測(cè)2025 年路網(wǎng)變形系數(shù)為1.30、連通度為1.47。

4.3 預(yù)測(cè)結(jié)果

將2025 年山西省人口規(guī)模、K 值和國土面積帶入式（1），計(jì)算得到農(nóng)村公路規(guī)模預(yù)測(cè)值為131 625 km。將2025 年山西省生產(chǎn)總值、總?cè)丝?、居民消費(fèi)水平、民用汽車保有量、城鎮(zhèn)化率預(yù)測(cè)值代入訓(xùn)練好的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算得到農(nóng)村公路規(guī)模預(yù)測(cè)值為125 774 km。將2025 年路網(wǎng)變形系數(shù)、連通度、區(qū)域面積、節(jié)點(diǎn)數(shù)帶入式（2），計(jì)算得到農(nóng)村公路規(guī)模預(yù)測(cè)值為126 873 km。

按照表2 各算法權(quán)重情況，經(jīng)對(duì)比同類項(xiàng)目，按照前述權(quán)重定性確定方法，初步擬定國土系數(shù)法、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、連通度法權(quán)重分別為0.42、0.23、0.35，求得2025 年山西省農(nóng)村公路規(guī)模為128 616 km。

5 結(jié)語

在分析農(nóng)村公路發(fā)展規(guī)律和各種影響因素的基礎(chǔ)上，總結(jié)了各種預(yù)測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，構(gòu)建了多元化綜合方法來預(yù)測(cè)農(nóng)村公路規(guī)模，并將其應(yīng)用于山西省“十四五”農(nóng)村公路規(guī)模預(yù)測(cè)，能夠克服單一預(yù)測(cè)方法的缺點(diǎn)，可以為農(nóng)村公路中長期規(guī)劃、公路網(wǎng)規(guī)劃中的路網(wǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)提供一定的參考。