基于多元數(shù)據(jù)融合分析的網(wǎng)級(jí)路面養(yǎng)護(hù)決策方案研究

劉同賓，姚仕偉，徐志祥，張麗麗

(1. 江西省交通投資集團(tuán)路網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理公司，南昌 330038； 2. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210019)

公路作為重要基礎(chǔ)設(shè)施，有力促進(jìn)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，合理發(fā)達(dá)的高效路網(wǎng)是國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，截至2020年年末，全國(guó)的公路里程已突破500萬(wàn)km。隨著道路使用時(shí)間的不斷增加、大眾出行對(duì)道路通行舒適性要求的日益提升，為保證公路質(zhì)量和服務(wù)水平，需對(duì)公路進(jìn)行定期維修養(yǎng)護(hù)[1]。合理分配養(yǎng)護(hù)資金，科學(xué)制定養(yǎng)護(hù)方案決定著養(yǎng)護(hù)后路網(wǎng)服務(wù)水平。路面的技術(shù)狀況、交通量、路齡和行政等級(jí)等因素都會(huì)在一定程度上影響公路運(yùn)營(yíng)質(zhì)量和服務(wù)水平，同時(shí)養(yǎng)護(hù)資金往往也難以滿足所有路段的養(yǎng)護(hù)需求，因此在制定養(yǎng)護(hù)方案時(shí)，需要從網(wǎng)級(jí)層面綜合考慮多方因素[2-4]。通過(guò)深入研究各類影響因素，結(jié)合公路養(yǎng)護(hù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文提出了基于多元數(shù)據(jù)融合分析的網(wǎng)級(jí)路面養(yǎng)護(hù)決策方案，以期為養(yǎng)護(hù)決策方案的制定提供科學(xué)參考。

1 網(wǎng)級(jí)路面養(yǎng)護(hù)決策方案

1.1 養(yǎng)護(hù)決策方案制定流程

基于多元數(shù)據(jù)融合分析的公路養(yǎng)護(hù)決策方案，深入分析路面技術(shù)狀況、交通量、路齡和行政等級(jí)等養(yǎng)護(hù)影響因素，結(jié)合養(yǎng)護(hù)資金約束、原路面結(jié)構(gòu)和養(yǎng)護(hù)歷史進(jìn)行聯(lián)動(dòng)分析，實(shí)現(xiàn)科學(xué)養(yǎng)護(hù)決策。養(yǎng)護(hù)決策方案流程如圖1所示。

圖1 養(yǎng)護(hù)決策方案流程

前期對(duì)路面各類數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，同步建立養(yǎng)護(hù)決策模型。在此基礎(chǔ)上，綜合考慮路面多元數(shù)據(jù)進(jìn)行決策計(jì)算，并對(duì)決策結(jié)果進(jìn)行微觀和宏觀展示。

1.2 路面數(shù)據(jù)預(yù)處理

路面數(shù)據(jù)是進(jìn)行科學(xué)決策的基礎(chǔ)，主要包括路面基礎(chǔ)信息、路面技術(shù)狀況、交通量、行政等級(jí)、路齡和養(yǎng)護(hù)歷史等內(nèi)容。為確保決策計(jì)算的科學(xué)性和有效性，需對(duì)路面數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要包括數(shù)據(jù)清洗和劃分決策單元。

1.2.1 數(shù)據(jù)清洗

數(shù)據(jù)清洗為刪除原始數(shù)據(jù)集中的無(wú)關(guān)數(shù)據(jù)和重復(fù)數(shù)據(jù)，平滑噪聲數(shù)據(jù)，處理缺失值和異常值，進(jìn)而確保路面各類數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性[5]。路面各類數(shù)據(jù)一般是以樁號(hào)為基礎(chǔ)的連續(xù)數(shù)據(jù)，對(duì)于少量不連續(xù)的缺失值可以采用固定值、最近鄰插補(bǔ)和插值法等方式補(bǔ)齊；對(duì)于連續(xù)較多的缺失值，則不處理，避免補(bǔ)充數(shù)據(jù)影響最終決策結(jié)果。異常值可以采用直接刪除、視為缺失值和平均值修正等方法進(jìn)行處理[6-7]。

1.2.2 劃分決策單元

網(wǎng)級(jí)養(yǎng)護(hù)決策是基于路面技術(shù)狀況進(jìn)行分析，按照《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG 5210—2018)[8]中評(píng)定單元?jiǎng)澐忠?guī)則將路段劃分為微觀決策單元。決策單元的劃分以樁號(hào)為基礎(chǔ)，每個(gè)單元由唯一的樁號(hào)范圍進(jìn)行標(biāo)識(shí)[9-11]。完成決策單元的劃分后，路面各類數(shù)據(jù)將作為每個(gè)單元的一個(gè)屬性，被關(guān)聯(lián)起來(lái)。后面的決策計(jì)算將基于每個(gè)決策單元進(jìn)行分析。

1.3 建立養(yǎng)護(hù)決策模型

決策計(jì)算前需建立養(yǎng)護(hù)決策模型，包括典型養(yǎng)護(hù)方案庫(kù)、養(yǎng)護(hù)決策樹(shù)模型、優(yōu)先排序模型和相關(guān)決策參數(shù)設(shè)置。

1.3.1 典型養(yǎng)護(hù)方案庫(kù)

典型養(yǎng)護(hù)方案庫(kù)是決策模型的基礎(chǔ)，用于為決策提供可選的路面維修方案，且涵蓋各類養(yǎng)護(hù)方案相關(guān)費(fèi)用模型，為養(yǎng)護(hù)金額的決策計(jì)算提供支撐。建立養(yǎng)護(hù)方案庫(kù)時(shí)，需結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，梳理修復(fù)性養(yǎng)護(hù)和預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的具體方案，不同的方案使用的材料和施工工藝不同，其養(yǎng)護(hù)費(fèi)用單價(jià)也有所區(qū)別，且因材料價(jià)格的波動(dòng)、施工工藝的發(fā)展，養(yǎng)護(hù)方案的單價(jià)也會(huì)變動(dòng)。典型養(yǎng)護(hù)方案示例如表1所示，表中內(nèi)容可依據(jù)市場(chǎng)行情靈活調(diào)整。

表1 典型養(yǎng)護(hù)方案示例

1.3.2 養(yǎng)護(hù)決策樹(shù)模型

養(yǎng)護(hù)決策樹(shù)模型用于為每個(gè)決策單元選取適宜的養(yǎng)護(hù)方案。路面技術(shù)狀況是直觀反映當(dāng)前道路質(zhì)量和使用性能的關(guān)鍵指標(biāo)，是決策樹(shù)模型的基礎(chǔ)，包括路面損壞狀況指數(shù)(PCI)、路面行駛質(zhì)量指數(shù)(RQI)、路面車轍深度指數(shù)(RDI)、路面跳車指數(shù)(PBI)、路面使用性能指數(shù)(PQI)、路面磨耗指數(shù)(PWI)、路面抗滑性能指數(shù)(SRI)和路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)(PSSI)。多元數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析方法，是以路面的技術(shù)狀況數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合考慮交通量、路齡等影響因素，進(jìn)而科學(xué)地設(shè)計(jì)決策樹(shù)模型。輕交通量條件下的決策樹(shù)模型如圖2所示。決策優(yōu)先級(jí)為PSSI>PCI>RQI>SRI>RDI>PBI，每一層級(jí)將指標(biāo)值劃分為多個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間對(duì)應(yīng)一種養(yǎng)護(hù)方案。決策樹(shù)可根據(jù)不同地區(qū)公路的特點(diǎn)和養(yǎng)護(hù)側(cè)重點(diǎn)適當(dāng)調(diào)整指標(biāo)優(yōu)先級(jí)以及各個(gè)區(qū)間的閾值。

圖2 輕交通量條件下的決策樹(shù)模型

決策樹(shù)的建立可根據(jù)實(shí)際養(yǎng)護(hù)需求按照上述規(guī)則進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，根據(jù)每個(gè)決策單元的路面技術(shù)狀況制定具體的養(yǎng)護(hù)方案，同時(shí)也確定該單元所需的養(yǎng)護(hù)金額。

1.3.3 優(yōu)先排序模型

公路養(yǎng)護(hù)資金優(yōu)化是養(yǎng)護(hù)決策的重要環(huán)節(jié)，其決定著養(yǎng)護(hù)資金的具體分配情況，進(jìn)而影響?zhàn)B護(hù)后公路的質(zhì)量和服務(wù)水平。養(yǎng)護(hù)決策樹(shù)模型建立后，下一步就是建立優(yōu)先排序模型。公路網(wǎng)養(yǎng)護(hù)資金的分配是多目標(biāo)決策過(guò)程，路面技術(shù)狀況、交通量、路齡和行政等級(jí)都是影響決策的重要因素，不能僅根據(jù)某一指標(biāo)決定優(yōu)先維修的路段，需采用多元數(shù)據(jù)融合分析方法，擬定不同因素的權(quán)重，進(jìn)行綜合排序。將路段的技術(shù)狀況、交通量、路齡和行政等級(jí)等影響因素根據(jù)內(nèi)插法確定其不同取值時(shí)對(duì)應(yīng)的優(yōu)先度值。

設(shè)技術(shù)狀況、交通量、路齡、行政等級(jí)取值為X={xPCI,xRQI,xRDI,xPBI,xPWI,xSRI,xPSSI,xt,xa,xl}，其中，t為交通量，a為路齡取值，l為行政取值。指標(biāo)優(yōu)先度為Y=f(X),其中，Y={yPCI,yRQI,yRDI,yPBI,yPWI,ySRI,yPSSI,yt,ya,yl}，f(X)為內(nèi)插函數(shù)。設(shè)技術(shù)狀況、交通量、路齡、行政等級(jí)的權(quán)重為W={wPCI,wRQI,wRDI,wPBI,wPWI,wSRI,wPSSI,wt,wa,wl}，則該路段的優(yōu)先級(jí)為

(1)

式中，n為影響決策因素的個(gè)數(shù)，個(gè)。

優(yōu)先排序模型如表2所示，PCI、RQI、RDI、SRI等指標(biāo)采用內(nèi)插法計(jì)算得到具體的優(yōu)先度數(shù)值，表中數(shù)值可根據(jù)不同地區(qū)公路的特點(diǎn)和養(yǎng)護(hù)側(cè)重點(diǎn)適當(dāng)調(diào)整。根據(jù)表2和式(1)，即可計(jì)算得到每個(gè)決策單元的優(yōu)先級(jí)，之后將所有決策單元按優(yōu)先級(jí)從大到小排序，優(yōu)先級(jí)高的路段則優(yōu)先進(jìn)行維修。

表2 優(yōu)先排序模型

1.3.4 相關(guān)決策參數(shù)設(shè)置

路面養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，路面技術(shù)狀況較差、影響車輛行駛安全的決策單元一般必須進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修。在進(jìn)行養(yǎng)護(hù)決策的過(guò)程中需要考慮必修路段的預(yù)算，特別是在資金約束時(shí)，需要去掉必修的決策單元的預(yù)算，剩余金額再去選修優(yōu)先級(jí)較高的路段。必修路段指標(biāo)閾值如表3所示。若決策單元中任意的指標(biāo)值小于表中閾值，則表示該單元為必修路段?？筛鶕?jù)不同地區(qū)公路的特點(diǎn)和養(yǎng)護(hù)側(cè)重點(diǎn)適當(dāng)調(diào)整指標(biāo)及其閾值。

表3 必修路段指標(biāo)閾值

1.4 決策計(jì)算

建立養(yǎng)護(hù)決策樹(shù)模型和優(yōu)先排序模型后，即可對(duì)路面各類數(shù)據(jù)進(jìn)行決策計(jì)算。決策計(jì)算時(shí)，充分考慮資金約束、原路面結(jié)構(gòu)和養(yǎng)護(hù)歷史等因素，讓養(yǎng)護(hù)計(jì)劃更貼合實(shí)際應(yīng)用情況。

決策計(jì)算步驟如下：

(1) 對(duì)處理后的路面各類數(shù)據(jù)應(yīng)用決策樹(shù)模型，得到每個(gè)決策單元的養(yǎng)護(hù)方案，根據(jù)單價(jià)和決策單元的長(zhǎng)度和寬度，計(jì)算每個(gè)單元的養(yǎng)護(hù)金額。

(2) 根據(jù)決策單元的原路面結(jié)構(gòu)和養(yǎng)護(hù)歷史信息，視實(shí)際情況在養(yǎng)護(hù)金額基礎(chǔ)上增加相應(yīng)的精銑刨金額，得到路況優(yōu)先情況下的養(yǎng)護(hù)明細(xì)。

(3) 在資金約束時(shí)，記養(yǎng)護(hù)資金為M，將新的決策單元技術(shù)狀況數(shù)據(jù)與必修路段閾值進(jìn)行比較，篩選必修的決策單元，并匯總必修單元的養(yǎng)護(hù)金額，記為C。

(4) 剔除所有必修的決策單元，對(duì)剩下的單元應(yīng)用優(yōu)先排序模型求得優(yōu)先級(jí)，從大到小排序。

(5) 對(duì)排序后的決策單元，按從大到小排序，依次對(duì)每個(gè)決策單元的養(yǎng)護(hù)金額進(jìn)行累加，直至和大于T，T=M-C，則將參與求和的單元標(biāo)記為需維修路段，其他單元標(biāo)記為日常養(yǎng)護(hù)路段。至此得到資金約束時(shí)的養(yǎng)護(hù)明細(xì)。

決策計(jì)算流程如圖3所示。

圖3 決策計(jì)算流程

1.5 決策結(jié)果展示

通過(guò)決策計(jì)算可得到養(yǎng)護(hù)明細(xì)等詳細(xì)數(shù)據(jù)，基于以上數(shù)據(jù)，采用養(yǎng)護(hù)明細(xì)、匯總分析、分布分析和地圖展示等方式進(jìn)一步展示養(yǎng)護(hù)計(jì)劃。養(yǎng)護(hù)明細(xì)從微觀角度展示了每個(gè)小路段的養(yǎng)護(hù)計(jì)劃。匯總分析從宏觀角度展示了管理路段預(yù)防性養(yǎng)護(hù)、修復(fù)性養(yǎng)護(hù)和日常養(yǎng)護(hù)的里程和養(yǎng)護(hù)金額。分布分析展示了養(yǎng)護(hù)金額和各類養(yǎng)護(hù)方案里程在不同區(qū)域的分布情況。地圖展示則是以地圖為載體，更直觀地展現(xiàn)了所轄路段的養(yǎng)護(hù)方案分布情況。決策結(jié)果展示提供了更便捷、多維度的綜合分析決策方法。

2 養(yǎng)護(hù)決策方案實(shí)例

為驗(yàn)證本文所提決策方案的科學(xué)性和實(shí)用性，選取某公路網(wǎng)進(jìn)行試驗(yàn)。該路網(wǎng)路面類型為瀝青路面，公路等級(jí)為高速公路，行政等級(jí)主要為國(guó)道和省道，雙向共有7 987.68車道公里。在驗(yàn)證本文方案時(shí)，采集了該子路網(wǎng)第二車道的路面基礎(chǔ)信息、路面技術(shù)狀況、交通量、路齡和行政等級(jí)等各類數(shù)據(jù)，并應(yīng)用決策方案為該路段分別制定路況優(yōu)先和資金約束兩種情況下的養(yǎng)護(hù)計(jì)劃。

2.1 路況優(yōu)先

該子路網(wǎng)路面整體技術(shù)狀況的等級(jí)為優(yōu)，部分路段路面損壞狀況的等級(jí)為良。主要技術(shù)狀況指標(biāo)為：PQI為94.42、PCI為94.37、RQI為94.51、RDI為96.27，決策前按照《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG 5210—2018)[8]中的評(píng)定單元?jiǎng)澐忠?guī)則將該路網(wǎng)劃分8 016個(gè)決策單元，并編號(hào)為F0001～F8016，其中絕大部分單元的里程為1 km。部分決策單元數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 部分決策單元數(shù)據(jù)

在優(yōu)先考慮路面技術(shù)狀況情形時(shí)，對(duì)8 016個(gè)決策單元按照?qǐng)D2和圖3進(jìn)行決策，得到路況優(yōu)先情況下的養(yǎng)護(hù)計(jì)劃，如表5所示。

表5 路況優(yōu)先情況下的養(yǎng)護(hù)計(jì)劃

2.2 資金約束

假定下一年該路網(wǎng)的養(yǎng)護(hù)資金限制為9億元，按照?qǐng)D2和圖3進(jìn)行決策計(jì)算，通過(guò)資金優(yōu)化分配可得到資金約束情況下的養(yǎng)護(hù)計(jì)劃，如表6所示。

表6 資金約束情況下的養(yǎng)護(hù)計(jì)劃

在資金約束情況下，采用本方案可以根據(jù)具體路況，綜合考慮交通量、路齡、行政等級(jí)、養(yǎng)護(hù)歷史和原路面結(jié)構(gòu)等因素，科學(xué)完成資金優(yōu)化分配，合理制定養(yǎng)護(hù)決策。

3 總結(jié)

本文深入分析公路養(yǎng)護(hù)決策相關(guān)理論和方法，結(jié)合養(yǎng)護(hù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建立了網(wǎng)級(jí)路面養(yǎng)護(hù)決策模型，在此基礎(chǔ)上提出了基于多元數(shù)據(jù)融合分析的公路養(yǎng)護(hù)決策方案，應(yīng)用本方案可制定路況優(yōu)先和資金約束兩種情況下的養(yǎng)護(hù)計(jì)劃。實(shí)例分析結(jié)果表明，該決策方法可為養(yǎng)護(hù)決策、養(yǎng)護(hù)計(jì)劃的制定提供有效、科學(xué)參考。