大數(shù)據(jù)驅(qū)動下的交通基礎(chǔ)設(shè)施管理與養(yǎng)護維護方法研究

李彥婷 王興舉 張伊寧 閆澤楠

摘要 隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施的迅速建設(shè)和城市人口的進一步增多，交通基礎(chǔ)設(shè)施的使用頻率也隨之增高，傳統(tǒng)的交通基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護維護速度遠(yuǎn)低于交通基礎(chǔ)設(shè)施的損壞速度。文章通過采集多渠道交通基礎(chǔ)設(shè)施大數(shù)據(jù)，建立了基于GIS的三維城市交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)庫，運用大數(shù)據(jù)與云計算技術(shù)將多源數(shù)據(jù)融合，使海量的交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)信息更加高效、準(zhǔn)確地被表現(xiàn)，最終使用AHP方法建立維護順序模型，確定優(yōu)先進行養(yǎng)護、維護的交通基礎(chǔ)設(shè)施。

關(guān)鍵詞 交通基礎(chǔ)設(shè)施；GIS；大數(shù)據(jù)；云計算；層次分析法

中圖分類號 U495文獻標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）11-0008-03

0 引言

“十四五”現(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃對基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護方面明確指出要建立自動化、信息化的科學(xué)養(yǎng)護維護技術(shù)體系[1]。隨著城市化進程的加快，城市交通基礎(chǔ)設(shè)施日益增加，同時城市交通基礎(chǔ)設(shè)施與城市居民日常生活的聯(lián)系也日益密切。城市道路路面破損、路燈故障、交通信號燈故障、隔離防護欄破損、交通標(biāo)志標(biāo)線缺失等問題都會影響城市居民的日常出行，所以城市交通基礎(chǔ)設(shè)施的維護顯得尤為重要，交通基礎(chǔ)設(shè)施如何管理的問題亟待解決。目前，如何有效管理和充分利用大量的交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)，是實現(xiàn)交通基礎(chǔ)設(shè)施科學(xué)管理與維護的關(guān)鍵。通過對大數(shù)據(jù)、云計算技術(shù)的充分運用建立交通基礎(chǔ)設(shè)施大數(shù)據(jù)體系，為交通基礎(chǔ)設(shè)施的管理與養(yǎng)護維護提供數(shù)據(jù)和技術(shù)的支持，也為實現(xiàn)交通基礎(chǔ)設(shè)施科學(xué)管理與決策提供可行性的方法。

1 交通基礎(chǔ)設(shè)施管理與養(yǎng)護維護方法概況

我國已建成規(guī)模龐大且復(fù)雜的城市交通基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，無論在一線城市還是地方城鎮(zhèn)，都面臨城市交通基礎(chǔ)設(shè)施的養(yǎng)護維護資金短缺以及交通基礎(chǔ)設(shè)施損壞日益嚴(yán)重的問題?？紤]到城市交通基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護維護資源的限制，以及封閉施工時對城市交通造成的影響，所以，當(dāng)城市交通基礎(chǔ)設(shè)施損壞時需要考慮在有限的資源下養(yǎng)護維護哪一個交通基礎(chǔ)設(shè)施可以獲得更大收益[2]?，F(xiàn)有的傳統(tǒng)城市交通基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護維護方法多偏重于損壞嚴(yán)重至無法使用時才進行養(yǎng)護維護，難以適應(yīng)當(dāng)前城市交通基礎(chǔ)設(shè)施維護的需要；如要維修需要的時間比較長，易造成交通擁堵問題；交通基礎(chǔ)設(shè)施的維護常常滯后于設(shè)施破損的速度。同時，我國進行交通基礎(chǔ)設(shè)施管理的手段還比較匱乏，并沒有建立統(tǒng)一的交通基礎(chǔ)設(shè)施管理信息系統(tǒng)，也沒有建立綜合的交通基礎(chǔ)設(shè)施維護體系。大數(shù)據(jù)技術(shù)不僅表現(xiàn)為數(shù)據(jù)量大和數(shù)據(jù)規(guī)模廣，還表現(xiàn)為用于收集數(shù)據(jù)的工具、平臺和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的復(fù)雜多樣，其技術(shù)系統(tǒng)或架構(gòu)能夠快速獲取、發(fā)現(xiàn)和分析大量數(shù)據(jù)，并通過有效的方法提取數(shù)據(jù)價值[3]?，F(xiàn)階段的交通基礎(chǔ)設(shè)施狀況調(diào)查并不是實時的，輕微損壞時并未注意，直到完全破壞時已造成極大的經(jīng)濟損失。傳統(tǒng)的交通基礎(chǔ)設(shè)施的維護沒有一個穩(wěn)定的系統(tǒng)和廣泛的渠道進行城市交通基礎(chǔ)設(shè)施的信息數(shù)據(jù)的收集、存儲、分析、處理和維護順序的排序。綜上所述，該文提出了大數(shù)據(jù)驅(qū)動下的交通基礎(chǔ)設(shè)施管理與養(yǎng)護維護方法，有助于交通基礎(chǔ)設(shè)施管理部門進行綜合管理。

2 交通基礎(chǔ)設(shè)施大數(shù)據(jù)體系的建立

2.1 交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)的采集

交通基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)的采集手段主要分為3大類：檢測設(shè)備采集、人工采集、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的獲取[4]。

檢測設(shè)備采集主要包括道路上的各種檢測器，比如設(shè)置在道路上的雷達(dá)檢測器、線圈檢測器、高清攝像系統(tǒng)等等，另外還有以車為載體的數(shù)據(jù)收集器，比如安裝在車輛上的車載GPS、車載智能終端、車載線圈等等設(shè)備。

人工采集主要是針對某些檢測設(shè)備不能獲取數(shù)據(jù)的情況，比如檢測設(shè)備無法涉及或達(dá)到的區(qū)域中的交通基礎(chǔ)設(shè)施。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的獲取是面向范圍最廣的數(shù)據(jù)采集手段，主要包括城市居民的手機終端上傳的數(shù)據(jù)以及網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)的信息資源數(shù)據(jù)等，使大眾均成為交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)收集的載體。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的獲取可成為交通基礎(chǔ)設(shè)施狀況數(shù)據(jù)實時更新的有力保障。

2.2 交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)庫的建設(shè)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡稱GIS）也進一步引入到交通基礎(chǔ)設(shè)施時空管理中。運用GIS技術(shù)將采集到的交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)數(shù)字化和可視化，對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行空間處理和空間分析，分析采集到的數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，進一步建立基于GIS的三維城市交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)庫。交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)庫分類如圖1所示，數(shù)據(jù)類型則包括地理信息數(shù)據(jù)和設(shè)施屬性數(shù)據(jù)，其中地理信息數(shù)據(jù)提供交通基礎(chǔ)設(shè)施的經(jīng)度、緯度等具體地理位置；設(shè)施屬性數(shù)據(jù)提供交通基礎(chǔ)設(shè)施的長度、寬度、高度及完好程度等。

2.3 基于大數(shù)據(jù)的交通基礎(chǔ)設(shè)施云計算平臺的建設(shè)

云計算平臺承擔(dān)了數(shù)據(jù)挖掘、分析和處理的功能。以交通基礎(chǔ)設(shè)施管理系統(tǒng)自身各項數(shù)據(jù)為主，建立數(shù)據(jù)集成和分析處理平臺，從數(shù)據(jù)存儲的數(shù)據(jù)架構(gòu)、數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)和應(yīng)用架構(gòu)方面考慮大數(shù)據(jù)的抽取與集成、分析、展現(xiàn)等，使大數(shù)據(jù)集成和分析的云計算平臺高效地運行。將收集來的數(shù)據(jù)進行實時存儲并處理，后端通過智能化分析平臺分析交通基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)，比如具體為哪一個交通基礎(chǔ)設(shè)施，交通基礎(chǔ)設(shè)施的損壞情況等信息，為交通基礎(chǔ)設(shè)施管理提供大量的數(shù)據(jù)支持和快速分析，為之后確定交通基礎(chǔ)設(shè)施的維護順序提供了數(shù)據(jù)來源。

3 基于AHP方法的交通基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護維護順序模型

3.1 層次分析法原理

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP）是通過對定性指標(biāo)模糊量化計算各個層次指標(biāo)的權(quán)重排序的一種決策方法，它將單個目標(biāo)逐步分解為多個目標(biāo)以解決復(fù)雜的多目標(biāo)決策問題[5]。其基本原理為首先將決策總目標(biāo)分為若干層子目標(biāo)，之后將每一層的子目標(biāo)根據(jù)其上一層的目標(biāo)準(zhǔn)則進行兩列判斷，進而計算出各層次目標(biāo)的權(quán)重，之后根據(jù)權(quán)重的大小確定相應(yīng)的最優(yōu)方案。城市交通基礎(chǔ)設(shè)施維護引入層次分析法，從基于大數(shù)據(jù)的交通基礎(chǔ)設(shè)施云計算平臺得到的交通基礎(chǔ)設(shè)施損壞程度的數(shù)據(jù)進行層次分析運算，比較損壞的交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要性，并且根據(jù)比較出來的權(quán)重安排交通基礎(chǔ)設(shè)施維護順序，某一損壞的交通基礎(chǔ)設(shè)施的權(quán)重越高越先進行維護。

3.2 基于AHP方法的交通基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護維護順序模型構(gòu)建

基于AHP方法的養(yǎng)護維護順序模型的層次劃分及各影響因素的選擇需根據(jù)具體情況而決定，一般情況下包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、子準(zhǔn)則層和方案層。針對城市交通基礎(chǔ)設(shè)施維護，將交通基礎(chǔ)設(shè)施最先維護定為目標(biāo)層，將工程指標(biāo)、經(jīng)濟指標(biāo)、道路指標(biāo)、對環(huán)境的影響這4個指標(biāo)作為準(zhǔn)則層，將線路長度、維護所需材料、維護時的土地占用量、維護造價、盈利能力、所處路段重要性、路網(wǎng)的連通程度這7個指標(biāo)作為子準(zhǔn)則層，將最先維護ui（其中i=1，2，3，……，m，m為基于大數(shù)據(jù)的交通基礎(chǔ)設(shè)施云計算平臺中計算得出的需要維護的交通基礎(chǔ)設(shè)施個數(shù)）作為方案層。

基于AHP方法的養(yǎng)護維護順序模型的判斷矩陣構(gòu)建是根據(jù)美國運籌學(xué)家薩蒂的方法，采用1～9比例標(biāo)度來表示其重要性，如表1所示。其中，若元素i與元素j比較得到ai， j，則元素j與元素i比較判斷則為。

基于AHP方法的養(yǎng)護維護順序模型，根據(jù)構(gòu)造出的判斷矩陣，采用方根法求解基于AHP方法的養(yǎng)護維護順序模型的判斷矩陣的最大特征值和特征向量，方法如下：

式中，A——基于AHP方法的養(yǎng)護維護順序模型的判斷矩陣；W——基于AHP方法的養(yǎng)護維護順序模型判斷矩陣A的最大特征值的特征向量，W=（W1，W2，……，Wn）T，之后對W進行歸一化處理即可得到權(quán)向量；λmax——基于AHP方法的養(yǎng)護維護順序模型判斷矩陣A的最大特征值。

根據(jù)基于AHP方法的養(yǎng)護維護順序模型的判斷矩陣A計算出的權(quán)重向量，進行一致性檢驗。一致性檢驗室要求基于AHP方法的養(yǎng)護維護順序模型的判斷矩陣A具有一致性或偏離一致性的程度不能太大，否則計算出的權(quán)重并不能反映各因素之間的重要性程度?；贏HP方法的養(yǎng)護維護順序模型的判斷矩陣A一致性檢驗方法如下：

（1）基于AHP方法的養(yǎng)護維護順序模型的一致性指標(biāo)：

式中，n——基于AHP方法的養(yǎng)護維護順序模型的判斷矩陣A的階數(shù)。

（2）基于AHP方法的養(yǎng)護維護順序模型的隨機一致性指標(biāo)：

式中，CI——基于AHP方法的養(yǎng)護維護順序模型的一致性指標(biāo)；RI——基于AHP方法的養(yǎng)護維護順序模型的平均隨機一致性指標(biāo)。

基于AHP方法的養(yǎng)護維護順序模型的判斷矩陣A的一致性檢驗標(biāo)準(zhǔn)為當(dāng)隨機一致性指標(biāo)CR<0.1時，一般認(rèn)為基于AHP方法的養(yǎng)護維護順序模型的判斷矩陣A的一致性可以接受，這時可使用利用基于AHP方法的養(yǎng)護維護順序模型求權(quán)重；若不滿足條件，則應(yīng)該重新調(diào)整判斷矩陣A，使之滿足條件。

3.3 基于AHP方法的交通基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護維護方案的確定

在確定交通基礎(chǔ)設(shè)施最先維護方案時，需要計算目標(biāo)層（交通基礎(chǔ)設(shè)施最先維護）與準(zhǔn)則層（工程指標(biāo)、經(jīng)濟指標(biāo)、道路指標(biāo)、對環(huán)境的影響）以及子準(zhǔn)則層（線路長度、維護所需材料、維護時的土地占用量、維護造價、盈利能力、所處路段重要性、路網(wǎng)的連通程度）之間的相對重要權(quán)重，進而確定所有需要養(yǎng)護維護的交通基礎(chǔ)設(shè)施在基于AHP方法的交通基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護維護方案中的總排序，其確定總排序具體步驟如下：

（1）確定基于AHP方法的交通基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護維護方案的權(quán)重指標(biāo)的層次組合。為得到各層次結(jié)構(gòu)中的指標(biāo)相對于總目標(biāo)層的組合權(quán)重，首先由判斷矩陣A導(dǎo)出各個層次指標(biāo)之間的相對重要性權(quán)重，以及在各個指標(biāo)下各個交通基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護維護方案的排序權(quán)重，之后將這些指標(biāo)權(quán)重進行適當(dāng)組合。設(shè)分層目標(biāo)指標(biāo)共k個，其中第i個指標(biāo)（i=1，2，3，……，m）的權(quán)重為Wi， j（其中j為該層指標(biāo)所處層數(shù)），則上層支配i指標(biāo)的分類指標(biāo)權(quán)重為Wi， j?1，則指標(biāo)i的組合權(quán)重如公式（4）所示：

（2）交通基礎(chǔ)設(shè)施維護方案總排序。設(shè)有m個備選方案（即為基于大數(shù)據(jù)的交通基礎(chǔ)設(shè)施云計算平臺中計算得出的需要維護的交通基礎(chǔ)設(shè)施個數(shù)），在基于AHP方法的交通基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護維護評價指標(biāo)體系下的排序權(quán)重計算如公式（5）所示：

式中，Wi——細(xì)目指標(biāo)i的組合權(quán)重；——在細(xì)目指標(biāo)i下，第l個方案的排序權(quán)重，l=1，2，……，m；——方案l在所擬定的評比指標(biāo)體系下的總排序權(quán)重。

根據(jù)各交通基礎(chǔ)設(shè)施維護方案總排序權(quán)重的大小，進行從大到小的養(yǎng)護維護方案排序，則可得到這m個損壞的交通基礎(chǔ)設(shè)施的維護順序，首先養(yǎng)護維護排在前面的交通基礎(chǔ)設(shè)施。

4 結(jié)論

運用大數(shù)據(jù)驅(qū)動下的交通基礎(chǔ)設(shè)施管理與養(yǎng)護維護方法，可以在一定程度上改善傳統(tǒng)交通基礎(chǔ)設(shè)施管理與維護方面的不足。通過檢測設(shè)備、人工以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)采集，建立了基于GIS的三維城市交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)庫，使城市內(nèi)的交通基礎(chǔ)設(shè)施便于查閱和管理；運用大數(shù)據(jù)與云計算技術(shù)將多源數(shù)據(jù)進行挖掘、分析和處理，使海量的交通基礎(chǔ)設(shè)施信息更加高效準(zhǔn)確地被表現(xiàn)，同時處理過的數(shù)據(jù)為后續(xù)對損壞的交通基礎(chǔ)設(shè)施的維護優(yōu)先級計算提供有力的數(shù)據(jù)支持；建立基于AHP方法的交通基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護維護順序模型的評價指標(biāo)和判斷矩陣，并進行一致性檢驗，最終得到權(quán)重確定對城市交通基礎(chǔ)設(shè)施的維護順序，可以改善單憑維修人員主觀判斷進行設(shè)施維護這一缺點，為今后的城市交通基礎(chǔ)設(shè)施維護決策者提供了一定的參考，具有一定的應(yīng)用價值。

參考文獻

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