摘要：隨著公路和航道里程總量的不斷增加，養(yǎng)護(hù)需求呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。針對(duì)路面養(yǎng)護(hù)基礎(chǔ)薄弱，養(yǎng)護(hù)任務(wù)艱巨等問題，文章通過運(yùn)用大數(shù)據(jù)思維，對(duì)路網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行充分的、深度的挖掘，將各類信息資源進(jìn)行整合，建立路面養(yǎng)護(hù)決策分析系統(tǒng)，為路面設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)實(shí)現(xiàn)全生命周期的管理奠定基礎(chǔ)。該研究實(shí)現(xiàn)了道路養(yǎng)護(hù)從被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)路面養(yǎng)護(hù)工作的信息化具有重要意義。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)挖掘；路面養(yǎng)護(hù)；養(yǎng)護(hù)決策

中圖分類號(hào)：U415.1 A 55 192 3

0 引言

隨著“十四五”發(fā)展戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)以及平陸運(yùn)河的開工建設(shè)，廣西交通基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的建設(shè)發(fā)展［1］。然而根據(jù)新時(shí)代發(fā)展以及廣西交通自身規(guī)劃的需要，廣西交通建設(shè)正逐步向大規(guī)模養(yǎng)護(hù)階段過渡［2］。由于路橋養(yǎng)護(hù)需求的增加，而相關(guān)公路、水運(yùn)的設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)資料分散于不同的設(shè)計(jì)單位、施工單位以及各地市的交通運(yùn)輸管理部門，這就導(dǎo)致了交通基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)無法得到有效的利用，在進(jìn)行相關(guān)養(yǎng)護(hù)決策時(shí)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)［3］。

因此，及時(shí)建立路面養(yǎng)護(hù)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，將各類養(yǎng)護(hù)信息資源進(jìn)行整合，成為路面養(yǎng)護(hù)科學(xué)決策管理領(lǐng)域的又一關(guān)鍵性問題。

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)+、云計(jì)算以及大數(shù)據(jù)的發(fā)展進(jìn)步，信息化、智慧化管理交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)的應(yīng)用受到各個(gè)組織的廣泛關(guān)注［4］。通過與大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+”與養(yǎng)護(hù)管理的融合發(fā)展，為設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)、養(yǎng)護(hù)全壽命周期的管理奠定基礎(chǔ)［5］。因此，研究基于數(shù)據(jù)額挖掘技術(shù)的路面養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的相關(guān)應(yīng)用，具有重要的工程意義。

1 路面養(yǎng)護(hù)決策分析系統(tǒng)

路面養(yǎng)護(hù)決策分析系統(tǒng)以路面數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)為分析基礎(chǔ)，建立了包括GIS管理模塊、路網(wǎng)管理模塊、養(yǎng)護(hù)決策模塊與公路巡檢模塊在內(nèi)的完整功能系統(tǒng)，其中GIS管理與路網(wǎng)管理模塊基于GIS地圖與路段信息對(duì)項(xiàng)目資料歸檔管理，巡檢模塊則實(shí)時(shí)收集路面檢測(cè)數(shù)據(jù)與養(yǎng)護(hù)信息，養(yǎng)護(hù)決策模塊基于回歸分析、灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)等數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行路面使用性能預(yù)測(cè)、養(yǎng)護(hù)需求分析、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用效益分析，從而為路網(wǎng)評(píng)價(jià)、養(yǎng)護(hù)資金優(yōu)化分配提供支撐。見圖1。

1.1 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

公路路面的使用性能隨著年限和荷載積累而降低，當(dāng)某條路面的使用性能下降到一定程度，需要通過養(yǎng)護(hù)維修保障其使用性能，準(zhǔn)確合理地預(yù)測(cè)路面性能變化，可以使養(yǎng)護(hù)部門優(yōu)化養(yǎng)護(hù)計(jì)劃，節(jié)約養(yǎng)護(hù)資金。

公路路面養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)一般以路段為單位，定期更新，一般均以百分制進(jìn)行連續(xù)記錄，因此可以通過涉及數(shù)據(jù)值的數(shù)據(jù)挖掘方法如線性回歸進(jìn)行處理，分析路面使用性能變化。

（1）使用貝葉斯轉(zhuǎn)換和聚類分析對(duì)破損狀況指數(shù)（PCI）、車轍深度指數(shù)（RDI）及行駛質(zhì)量指數(shù)（RQI）等性能指標(biāo)進(jìn)行分析，確定數(shù)據(jù)類型為double，范圍為0～100，通過比對(duì)不同指標(biāo)計(jì)算iTree孤立樹的路徑長(zhǎng)度，發(fā)現(xiàn)其中的特征指標(biāo)。（2）根據(jù)提取的有用特征，對(duì)數(shù)據(jù)異常進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比，為構(gòu)建養(yǎng)護(hù)決策系統(tǒng)提供必要的參數(shù)。（3）結(jié)合隨機(jī)森林、LOF進(jìn)行計(jì)算，比較不同模型間計(jì)算效率與精度，以確保最終得出的特征指標(biāo)能夠更有效地反映實(shí)際狀況。（4）在養(yǎng)護(hù)決策系統(tǒng)建設(shè)過程中，使用線性回歸、決策樹構(gòu)建出有效的模型。

1.2 系統(tǒng)功能模塊技術(shù)設(shè)計(jì)

1.2.1 GIS管理模塊

GIS管理模塊作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)底座，主要實(shí)現(xiàn)地圖相關(guān)功能操作；路況信息展示，病害查詢定位、路況指標(biāo)統(tǒng)計(jì)；工程數(shù)據(jù)展示，路面影像展示；全景數(shù)據(jù)查看；巡維軌跡及巡維結(jié)果查看等功能。該模塊為路網(wǎng)級(jí)、政區(qū)級(jí)、單位級(jí)、項(xiàng)目級(jí)的路況分析提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.2.2 路線管理模塊

路線管理模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)所轄公路的空間位置信息維護(hù)、修改、管理等操作?？梢詫?duì)路網(wǎng)中不同公路、公路中不同路段進(jìn)行劃分，形成不同公路子集，按公路的級(jí)別、行政區(qū)劃或養(yǎng)護(hù)管理單位的分類進(jìn)行管理。

1.2.3 公路巡維模塊

公路巡維模塊在系統(tǒng)中扮演非常重要的角色，提供了諸如資產(chǎn)采集、病害上報(bào)、病害施工登記、病害復(fù)核、路政執(zhí)法等業(yè)務(wù)功能，系統(tǒng)將此模塊設(shè)計(jì)為Web端與移動(dòng)端。

通過Web端獲取到的多源數(shù)據(jù)包括：工程進(jìn)度計(jì)劃、節(jié)點(diǎn)進(jìn)度計(jì)劃、施工計(jì)劃、驗(yàn)收計(jì)劃、案件取證、病害復(fù)核、病害數(shù)據(jù)、通用數(shù)據(jù)、資產(chǎn)數(shù)據(jù)、樁號(hào)數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)、養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)、路政數(shù)據(jù)、人員基本信息、軌跡數(shù)據(jù)等［8］。通過移動(dòng)端獲取到的多源數(shù)據(jù)包括：施工登記任務(wù)、驗(yàn)收任務(wù)、工程進(jìn)度任務(wù)、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)任務(wù)、案件取證任務(wù)、病害復(fù)核任務(wù)、系統(tǒng)消息、任務(wù)消息、資產(chǎn)采集、樁號(hào)采集、災(zāi)毀數(shù)據(jù)、隱患點(diǎn)數(shù)據(jù)、工程進(jìn)度數(shù)據(jù)、關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)、路政數(shù)據(jù)、病害數(shù)據(jù)、人員基本信息、系統(tǒng)配置信息。手機(jī)巡維的流程為：將巡線任務(wù)數(shù)據(jù)和任務(wù)明細(xì)數(shù)據(jù)下載至手機(jī)端，根據(jù)上報(bào)數(shù)據(jù)匯總情況生成業(yè)務(wù)員數(shù)據(jù)，審核業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)后即開展養(yǎng)護(hù)管理［6］。

1.2.4 養(yǎng)護(hù)決策模塊

養(yǎng)護(hù)決策模塊通過對(duì)路況指標(biāo)數(shù)據(jù)、病害數(shù)據(jù)、資產(chǎn)、氣象、交通流量等因素?cái)?shù)據(jù)和決策分析模型及分析方法來展開決策分析。進(jìn)而開展養(yǎng)護(hù)需求優(yōu)化、養(yǎng)護(hù)需求資金分配等作業(yè)，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)決策、科學(xué)養(yǎng)護(hù)。

養(yǎng)護(hù)決策管理的整體思路分為：（1）各公路工程項(xiàng)目的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匯總收集至大數(shù)據(jù)平臺(tái)，其中包含路況指標(biāo)、病害情況、資金狀況、氣候條件以及交通流量等；（2）通過關(guān)聯(lián)模型進(jìn)行公路工程信息分解得出邏輯數(shù)據(jù)，即養(yǎng)護(hù)決策數(shù)據(jù)、養(yǎng)護(hù)需求資金分配結(jié)果、養(yǎng)護(hù)需求優(yōu)化結(jié)果以及養(yǎng)護(hù)需求數(shù)據(jù)等預(yù)測(cè)結(jié)果；（3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)相應(yīng)養(yǎng)護(hù)目標(biāo)［7］。如圖2所示。日常養(yǎng)護(hù)作業(yè)會(huì)結(jié)合實(shí)際日常養(yǎng)護(hù)過程，分為檢測(cè)管理、項(xiàng)目管理、養(yǎng)護(hù)計(jì)劃管理、工程管理、業(yè)務(wù)評(píng)定管理、費(fèi)用管理及統(tǒng)計(jì)分析管理等模塊。實(shí)現(xiàn)從最初的檢測(cè)計(jì)劃的制定，到病害的采集、養(yǎng)護(hù)計(jì)劃制定與審批、病害施工養(yǎng)護(hù)、業(yè)務(wù)考評(píng)統(tǒng)計(jì)，再到最后的工程驗(yàn)收、費(fèi)用核算的全流程的管理模式。在統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，需明確檢測(cè)數(shù)據(jù)以及相關(guān)計(jì)劃數(shù)據(jù)，例如病害養(yǎng)護(hù)、周期養(yǎng)護(hù)、專項(xiàng)養(yǎng)護(hù)等明細(xì)數(shù)據(jù)，此外還需獲取到關(guān)聯(lián)歷史庫中的流程數(shù)據(jù)，例如方案庫關(guān)聯(lián)管理、方案病害關(guān)聯(lián)管理、歷史進(jìn)度資金情況等［8］。

1.3 養(yǎng)護(hù)決策管理流程

根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和養(yǎng)護(hù)對(duì)策以及路面的使用性能指標(biāo)，初步篩選出需要養(yǎng)護(hù)路段，包括路段編碼、開始里程和結(jié)束里程，然后自動(dòng)匹配出養(yǎng)護(hù)對(duì)策，同時(shí)計(jì)算所需的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，并統(tǒng)計(jì)總的養(yǎng)護(hù)里程與養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。養(yǎng)護(hù)需求分析結(jié)果可導(dǎo)出報(bào)表［10］。具體流程圖如圖3所示。

制定養(yǎng)護(hù)方案后，對(duì)路況性能指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，分析不同的養(yǎng)護(hù)方案對(duì)路面使用性能的改變情況，并與不采取養(yǎng)護(hù)措施時(shí)路面的性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，可以將采取養(yǎng)護(hù)方案的路線的性能指標(biāo)預(yù)測(cè)結(jié)果與未采取養(yǎng)護(hù)方案的性能指標(biāo)預(yù)測(cè)結(jié)果的對(duì)比情況導(dǎo)出。確定出各路段的養(yǎng)護(hù)方案后，選擇預(yù)測(cè)模型，并根據(jù)各方案的養(yǎng)護(hù)效果預(yù)測(cè)值和自動(dòng)匹配出的路面使用性能模型，分析路網(wǎng)各項(xiàng)路面性能指標(biāo)（優(yōu)、良、中、次、差）的發(fā)展變化狀況，同時(shí)統(tǒng)計(jì)各路線各年度不同指標(biāo)不同等級(jí)的分布情況。

決策優(yōu)化就是在初步確定養(yǎng)護(hù)需求和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用后，再考慮資金、路況指標(biāo)等約束條件，根據(jù)路況、經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)計(jì)算出排序指標(biāo)作為養(yǎng)護(hù)方案比較的依據(jù)。然后，根據(jù)排序指標(biāo)對(duì)所有需求進(jìn)行排序，確定路網(wǎng)整體的養(yǎng)護(hù)對(duì)策。養(yǎng)護(hù)決策優(yōu)化先通過決策優(yōu)化模型優(yōu)化排序，再通過養(yǎng)護(hù)資金約束方案篩選出要養(yǎng)護(hù)的路段和暫無資金養(yǎng)護(hù)的路段。養(yǎng)護(hù)決策優(yōu)化后的結(jié)果可導(dǎo)出報(bào)表。具體流程如圖4所示。

2 工程應(yīng)用

當(dāng)前，路面養(yǎng)護(hù)決策分析系統(tǒng)已錄入了廣西交通工程檢測(cè)有限公司2017—2022年、總里程超1 600 km、涵蓋51條路線、208條車道公路路面檢測(cè)歷史數(shù)據(jù)的清洗和入庫工作，日后將持續(xù)整理入庫2018年以后的公路路面檢測(cè)數(shù)據(jù)，并不斷產(chǎn)生新增數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)公路檢測(cè)路線路段、病害、資產(chǎn)等歷史數(shù)據(jù)的空間可視化與信息化管理。

以南寧至百色高速公路為例，南百高速公路是國(guó)道主干線G80廣州至昆明公路的重要組成部分，檢測(cè)路面里程116.6 km。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于GIS的資產(chǎn)數(shù)據(jù)圖數(shù)管理；實(shí)現(xiàn)了資產(chǎn)與全景等多元一體化互動(dòng)，提供了全景視角、平面二維視角等不同的資產(chǎn)查看視角；實(shí)現(xiàn)了病害、指標(biāo)、養(yǎng)護(hù)工程以及巡維人員和設(shè)備的軌跡等數(shù)據(jù)的可視化展示。

系統(tǒng)養(yǎng)護(hù)模型可靈活配置，根據(jù)實(shí)際情況建立符合實(shí)際需求的決策模型，對(duì)路面使用性能指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)，如圖5所示。對(duì)路面使用性能預(yù)測(cè)分析的結(jié)果進(jìn)行模板化輸出，并能生成養(yǎng)護(hù)需求分析報(bào)告。

系統(tǒng)在G80試驗(yàn)段應(yīng)用過程中，根據(jù)路面破損狀況指數(shù)等預(yù)測(cè)結(jié)果，共指導(dǎo)大修4次、中修及小修共15次，并第一時(shí)間反饋養(yǎng)護(hù)效果給管理單位，有效地提高了養(yǎng)護(hù)的時(shí)效，減少不必要的浪費(fèi)。

3 結(jié)語

針對(duì)現(xiàn)有養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)存在的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、養(yǎng)護(hù)決策科學(xué)性及效率低等問題，運(yùn)用大數(shù)據(jù)思維，對(duì)路網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行充分挖掘，從海量的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，建立路面養(yǎng)護(hù)大數(shù)據(jù)中心、養(yǎng)護(hù)施工效果的預(yù)測(cè)模型、養(yǎng)護(hù)決策的分析模型，使整個(gè)路面養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)更具科學(xué)性，真正推動(dòng)轉(zhuǎn)變當(dāng)前的養(yǎng)護(hù)管理工作機(jī)制，起到輔助決策作用。

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收稿日期：2023-01-26