鄧書(shū)永，潘少萍

(重慶交通大學(xué)管理學(xué)院，重慶 400074)

1 概述

我國(guó)高速公路約7萬(wàn)km，前一階段是以建為主，隨著高速公路建成通車(chē)投入運(yùn)營(yíng)，必須進(jìn)行經(jīng)常性、及時(shí)性和預(yù)防性的日常養(yǎng)護(hù)，其目的是確保高速公路上的各種工程及設(shè)施如路基、路面、橋涵、隧道、安全設(shè)施等經(jīng)常處于良好的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)高速公路快捷、暢通、安全、舒適、經(jīng)濟(jì)的使用功能。隨著時(shí)間的推移，交通量的增大，車(chē)輛載重的增加，線路的延伸，養(yǎng)護(hù)維修工作量也越來(lái)越大，日常養(yǎng)護(hù)維修支出的費(fèi)用也越來(lái)越高［1］。截止目前，高速公路已經(jīng)達(dá)了一個(gè)建養(yǎng)并重的時(shí)期，這近7萬(wàn)km的高速公路，已經(jīng)有三分之一進(jìn)入到養(yǎng)護(hù)、大修期，如何科學(xué)的確定最佳養(yǎng)護(hù)時(shí)間就成了當(dāng)務(wù)之急。另外，由于各地用于高速公路的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用資金比較緊張，為了較好的預(yù)先安排資金分配，現(xiàn)構(gòu)建一個(gè)3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)高速公路的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用進(jìn)行預(yù)測(cè)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是由輸入層、輸出層和若干隱含層組成的前向連接模型，同層各神經(jīng)元之間互不連接，相鄰層的神經(jīng)元通過(guò)權(quán)重連接且為全互連結(jié)構(gòu)［2］。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)養(yǎng)護(hù)費(fèi)用進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以很好的達(dá)到預(yù)測(cè)目的。

重慶市從第一條高速公路建成通車(chē)以來(lái)，每年都要花費(fèi)不少的經(jīng)費(fèi)進(jìn)行高速公路的養(yǎng)護(hù)，在調(diào)查重慶3條高速公路的基礎(chǔ)上，記錄了各公路通車(chē)年份中所使用的日常養(yǎng)護(hù)費(fèi)用數(shù)據(jù)，并把各高速公路的數(shù)據(jù)匯總成表1。

2 高速公路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的必要性

高速公路養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目常進(jìn)行的大多是小修保養(yǎng)，當(dāng)?shù)缆愤_(dá)到所能接受的最小狀況水平時(shí)，就開(kāi)展大中修及改善工程，使公路的狀況達(dá)到一個(gè)新的水平;當(dāng)路況再次接近最小狀況水平時(shí)，又開(kāi)始新一輪的大中修及改善工程，這樣周而復(fù)始，直到公路拆除為止。預(yù)防性養(yǎng)護(hù)就是一種周期性的強(qiáng)制保養(yǎng)措施，它并不考慮路面是否已經(jīng)有了某種損壞，而是通過(guò)采用先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)努力拓寬人們對(duì)于道路早期病害的認(rèn)識(shí)空間，提前發(fā)現(xiàn)道路隱藏的隱形病害的存在，并施以正確的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施，其核心是要求采用最佳成本效益的養(yǎng)護(hù)措施，強(qiáng)調(diào)養(yǎng)護(hù)管理的計(jì)劃性。良好的養(yǎng)護(hù)可以有效延長(zhǎng)公路使用壽命，降低路橋設(shè)施的全壽命周期成本。要牢固樹(shù)立“建設(shè)是發(fā)展，養(yǎng)護(hù)管理也是發(fā)展，而且是可持續(xù)發(fā)展”的科學(xué)發(fā)展觀，把加強(qiáng)公路養(yǎng)護(hù)管理的各項(xiàng)工作措施落到實(shí)處。科學(xué)制定預(yù)防性養(yǎng)護(hù)計(jì)劃，保證養(yǎng)護(hù)的時(shí)效性，避免錯(cuò)過(guò)“最佳時(shí)機(jī)”。通過(guò)強(qiáng)化預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，降低全壽命養(yǎng)護(hù)成本，延長(zhǎng)公路使用壽命。

根據(jù)美國(guó)公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃(SHRP)研究結(jié)果:一條質(zhì)量合格的道路，在使用壽命75% 的時(shí)間內(nèi)性能下降40%，這一階段稱(chēng)之為預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段;如不能及時(shí)養(yǎng)護(hù)，在隨后12% 的使用壽命時(shí)間內(nèi)，性能再次下降40%，而養(yǎng)護(hù)成本卻要增加3～10倍［3］。較早的一些文獻(xiàn)調(diào)查也顯示:在江西省目前的養(yǎng)護(hù)水平中，路況較好時(shí)大中修混合料使用量較少即養(yǎng)護(hù)經(jīng)費(fèi)投入不多，而當(dāng)路況下降到中以下時(shí)，大中修混合料使用量將快速增加，即所需投入的養(yǎng)護(hù)經(jīng)費(fèi)也將成倍增加，此時(shí)單位損壞量將需花費(fèi)大量的費(fèi)用才能修復(fù)［4］。這說(shuō)明了道路前期損壞養(yǎng)護(hù)和預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的重要性，即應(yīng)通過(guò)定期路況調(diào)查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)路面輕微破損與病害跡象，分析研究其產(chǎn)生原因，對(duì)癥采取保護(hù)性養(yǎng)護(hù)措施，防止微小病害進(jìn)一步擴(kuò)大，以減緩路面使用性能惡化速度，使路面始終處于良好的服務(wù)狀態(tài)。在前期修復(fù)單位損壞量所花費(fèi)的費(fèi)用較少，同時(shí)也能很好地減緩路面使用性能的衰變速度。

表1 各高速公路在統(tǒng)計(jì)年份的日常養(yǎng)護(hù)費(fèi)用數(shù)據(jù)匯總

因此對(duì)高速公路采用適時(shí)的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)相比全部重建的經(jīng)濟(jì)性更高。預(yù)防性養(yǎng)護(hù)在路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度充足，僅表面功能衰減的情況下進(jìn)行。它的實(shí)質(zhì)是在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間將適用的技術(shù)措施應(yīng)用在適宜的路面上;其核心思想是要求采用最佳成本效益。

3 高速公路養(yǎng)護(hù)費(fèi)用回歸分析

由于各個(gè)高速公路所處的地段不同，所經(jīng)過(guò)的車(chē)流量和車(chē)重不同，路周?chē)N植的養(yǎng)護(hù)植物也不同，所以各高速公路的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用數(shù)據(jù)差別很大，不能將各個(gè)高速公路放在一起同時(shí)比較，在此就應(yīng)用回歸分析，應(yīng)用計(jì)數(shù)年而不是自然年為橫軸，以養(yǎng)護(hù)費(fèi)用為縱軸，對(duì)表1的各條高速公路養(yǎng)護(hù)費(fèi)用的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行回歸分析得出圖1-圖3:

圖1 渝合高速運(yùn)營(yíng)前7 a的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用數(shù)據(jù)

圖2 渝黔高速運(yùn)營(yíng)前7 a的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用數(shù)據(jù)

圖3 綦萬(wàn)高速運(yùn)營(yíng)前7 a的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用數(shù)據(jù)

由圖1可知，渝合高速?gòu)倪\(yùn)營(yíng)的第1年到第3年，隨著運(yùn)營(yíng)年限的增加養(yǎng)護(hù)費(fèi)用也增加，由于前3 a的養(yǎng)護(hù)比較到位，第4年的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用會(huì)呈現(xiàn)一定程度的下降，從第5年到第7年養(yǎng)護(hù)費(fèi)用又隨著使用年限的增加而增加，而且增長(zhǎng)勢(shì)頭較前幾年一直遞增。可見(jiàn)渝合高速預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的最佳時(shí)間是運(yùn)營(yíng)后的第5年。圖中的公式是日常養(yǎng)護(hù)費(fèi)用(y)與高速公路使用數(shù)字年(x)的回歸方程，根據(jù)此回歸方程可以大致預(yù)測(cè)下一年的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用(下同)。

由圖2可以看出，渝黔高速在運(yùn)營(yíng)前7 a的變化跟渝合高速的變化趨勢(shì)基本相同，同樣是由于前3 a的養(yǎng)護(hù)比較到位，第4年的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用會(huì)呈現(xiàn)一定程度的下降，之后隨年限的增加養(yǎng)護(hù)費(fèi)用遞增，可見(jiàn)渝黔高速預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的最佳時(shí)間是運(yùn)營(yíng)后的第5年。

由圖3可知，綦萬(wàn)高速?gòu)倪\(yùn)營(yíng)開(kāi)始的第1年到計(jì)數(shù)年的第7年間養(yǎng)護(hù)費(fèi)用除了第4年的略微下降以外，整體均呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)，在運(yùn)營(yíng)期間的前5 a曲線比較平緩，之后則呈現(xiàn)陡峭增長(zhǎng)的趨勢(shì)。可見(jiàn)在運(yùn)營(yíng)5 a前進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)是最好選擇。

4 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)高速公路養(yǎng)護(hù)費(fèi)用的預(yù)測(cè)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有比通用的定量和定性推理更具智能化的求解模型，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和識(shí)別能力，能通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)價(jià)結(jié)果的不斷學(xué)習(xí)達(dá)到很好的效果，而且BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有高度非線性函數(shù)映像、函數(shù)逼近的功能，因而不需要過(guò)多的資料統(tǒng)計(jì)知識(shí)［5］。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)所提供的數(shù)據(jù)，通過(guò)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，找出輸入與輸出的內(nèi)在聯(lián)系，從而求取問(wèn)題的解，而不是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，因而具有自適應(yīng)功能，能弱化指標(biāo)權(quán)重確定中人為因素的影響;另外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)、聯(lián)想和容錯(cuò)功能，其分析結(jié)果及過(guò)程接近于人腦的思維過(guò)程和分析方法。

為了達(dá)到預(yù)測(cè)高速公路養(yǎng)護(hù)費(fèi)用的目的，現(xiàn)構(gòu)建1個(gè)3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò):輸入層有3個(gè)結(jié)點(diǎn)，每一個(gè)輸入向量的取值范圍為［0，1］，隱含層結(jié)點(diǎn)數(shù)為5，隱含層的激活函數(shù)為tansig;輸出層結(jié)點(diǎn)數(shù)為1個(gè)，輸出層的激活函數(shù)為logsig，訓(xùn)練次數(shù)為10萬(wàn)次。

預(yù)測(cè)方法采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)方式:以每3個(gè)月的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用經(jīng)歸一化處理后作為輸入(采用Matlab7.0的版本)，用前3個(gè)月的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用來(lái)預(yù)測(cè)第4個(gè)月的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，如用1、2、3月的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用為輸入預(yù)測(cè)第4個(gè)月的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，用2、3、4月的銷(xiāo)售量為輸入預(yù)測(cè)第5個(gè)月的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，如此反復(fù)直至滿(mǎn)足預(yù)測(cè)精度要求為止。數(shù)據(jù)代碼如下:

在Matlab7.0上編程運(yùn)行后，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用的預(yù)測(cè)結(jié)果如圖4:

圖4 養(yǎng)護(hù)費(fèi)用的預(yù)測(cè)結(jié)果

圖4的預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用的預(yù)測(cè)值和實(shí)際值比較接近，說(shuō)明基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)費(fèi)用的預(yù)測(cè)比較準(zhǔn)確，可以用來(lái)預(yù)測(cè)下一年的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，這對(duì)于道路養(yǎng)護(hù)資金的分配和安排有參考價(jià)值，符合實(shí)際需要。于是，把后面畫(huà)圖的編程改為:

通過(guò)對(duì)2010年數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)，得到out=0.996 3，進(jìn)行反歸一化，即得2010年的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用大致為38 235 449.04元。2011年及以后幾年的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用可以按照上述方法進(jìn)行預(yù)測(cè)。

5 結(jié)論

高速公路的日常養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，隨著通車(chē)時(shí)間的增長(zhǎng)而增加，通車(chē)后5年內(nèi)路況相對(duì)較好，故養(yǎng)護(hù)量少且增長(zhǎng)緩慢，而5 a后路段破損逐漸嚴(yán)重，各路段將陸續(xù)進(jìn)入維修期，不得不采取大中修措施來(lái)提高路面使用性能［6］。根據(jù)對(duì)重慶3條高速公路日常養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)的回歸分析和相關(guān)養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)，道路通車(chē)后的第4～5年是開(kāi)展預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的最佳時(shí)間，此時(shí)實(shí)施預(yù)防性養(yǎng)護(hù)能大大延緩大中修養(yǎng)護(hù)的出現(xiàn)。

另外，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)高速公路的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用進(jìn)行的預(yù)測(cè)對(duì)養(yǎng)護(hù)資金的分配和安排不僅參考價(jià)值，也提供了可靠的依據(jù)，具有實(shí)際意義。

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