高速公路預(yù)防性養(yǎng)護最佳時機預(yù)測及分析

鄧書永，潘少萍

(重慶交通大學(xué)管理學(xué)院，重慶 400074)

1 概述

我國高速公路約7萬km，前一階段是以建為主，隨著高速公路建成通車投入運營，必須進(jìn)行經(jīng)常性、及時性和預(yù)防性的日常養(yǎng)護，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)，從而實現(xiàn)高速公路快捷、暢通、安全、舒適、經(jīng)濟的使用功能。隨著時間的推移，交通量的增大，車輛載重的增加，線路的延伸，養(yǎng)護維修工作量也越來越大，日常養(yǎng)護維修支出的費用也越來越高［1］。截止目前，高速公路已經(jīng)達(dá)了一個建養(yǎng)并重的時期，這近7萬km的高速公路，已經(jīng)有三分之一進(jìn)入到養(yǎng)護、大修期，如何科學(xué)的確定最佳養(yǎng)護時間就成了當(dāng)務(wù)之急。另外，由于各地用于高速公路的養(yǎng)護費用資金比較緊張，為了較好的預(yù)先安排資金分配，現(xiàn)構(gòu)建一個3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對高速公路的養(yǎng)護費用進(jìn)行預(yù)測。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)對養(yǎng)護費用進(jìn)行預(yù)測，可以很好的達(dá)到預(yù)測目的。

重慶市從第一條高速公路建成通車以來，每年都要花費不少的經(jīng)費進(jìn)行高速公路的養(yǎng)護，在調(diào)查重慶3條高速公路的基礎(chǔ)上，記錄了各公路通車年份中所使用的日常養(yǎng)護費用數(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)護的必要性

高速公路養(yǎng)護項目常進(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，就開展大中修及改善工程，使公路的狀況達(dá)到一個新的水平;當(dāng)路況再次接近最小狀況水平時，又開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)護就是一種周期性的強制保養(yǎng)措施，它并不考慮路面是否已經(jīng)有了某種損壞，而是通過采用先進(jìn)的檢測技術(shù)努力拓寬人們對于道路早期病害的認(rèn)識空間，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)護措施，其核心是要求采用最佳成本效益的養(yǎng)護措施，強調(diào)養(yǎng)護管理的計劃性。良好的養(yǎng)護可以有效延長公路使用壽命，降低路橋設(shè)施的全壽命周期成本。要牢固樹立“建設(shè)是發(fā)展，養(yǎng)護管理也是發(fā)展，而且是可持續(xù)發(fā)展”的科學(xué)發(fā)展觀，把加強公路養(yǎng)護管理的各項工作措施落到實處?？茖W(xué)制定預(yù)防性養(yǎng)護計劃，保證養(yǎng)護的時效性，避免錯過“最佳時機”。通過強化預(yù)防性養(yǎng)護，降低全壽命養(yǎng)護成本，延長公路使用壽命。

根據(jù)美國公路戰(zhàn)略研究計劃(SHRP)研究結(jié)果:一條質(zhì)量合格的道路，在使用壽命75% 的時間內(nèi)性能下降40%，這一階段稱之為預(yù)防性養(yǎng)護階段;如不能及時養(yǎng)護，在隨后12% 的使用壽命時間內(nèi)，性能再次下降40%，而養(yǎng)護成本卻要增加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)護水平中，路況較好時大中修混合料使用量較少即養(yǎng)護經(jīng)費投入不多，而當(dāng)路況下降到中以下時，大中修混合料使用量將快速增加，即所需投入的養(yǎng)護經(jīng)費也將成倍增加，此時單位損壞量將需花費大量的費用才能修復(fù)［4］。這說明了道路前期損壞養(yǎng)護和預(yù)防性養(yǎng)護的重要性，即應(yīng)通過定期路況調(diào)查，及時發(fā)現(xiàn)路面輕微破損與病害跡象，分析研究其產(chǎn)生原因，對癥采取保護性養(yǎng)護措施，防止微小病害進(jìn)一步擴大，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)單位損壞量所花費的費用較少，同時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)計年份的日常養(yǎng)護費用數(shù)據(jù)匯總

因此對高速公路采用適時的預(yù)防性養(yǎng)護相比全部重建的經(jīng)濟性更高。預(yù)防性養(yǎng)護在路面結(jié)構(gòu)強度充足，僅表面功能衰減的情況下進(jìn)行。它的實質(zhì)是在適當(dāng)?shù)臅r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)護費用回歸分析

由于各個高速公路所處的地段不同，所經(jīng)過的車流量和車重不同，路周圍所種植的養(yǎng)護植物也不同，所以各高速公路的養(yǎng)護費用數(shù)據(jù)差別很大，不能將各個高速公路放在一起同時比較，在此就應(yīng)用回歸分析，應(yīng)用計數(shù)年而不是自然年為橫軸，以養(yǎng)護費用為縱軸，對表1的各條高速公路養(yǎng)護費用的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行回歸分析得出圖1-圖3:

圖1 渝合高速運營前7 a的養(yǎng)護費用數(shù)據(jù)

圖2 渝黔高速運營前7 a的養(yǎng)護費用數(shù)據(jù)

圖3 綦萬高速運營前7 a的養(yǎng)護費用數(shù)據(jù)

由圖1可知，渝合高速從運營的第1年到第3年，隨著運營年限的增加養(yǎng)護費用也增加，由于前3 a的養(yǎng)護比較到位，第4年的養(yǎng)護費用會呈現(xiàn)一定程度的下降，從第5年到第7年養(yǎng)護費用又隨著使用年限的增加而增加，而且增長勢頭較前幾年一直遞增?？梢娪搴细咚兕A(yù)防性養(yǎng)護的最佳時間是運營后的第5年。圖中的公式是日常養(yǎng)護費用(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)測下一年的養(yǎng)護費用(下同)。

由圖2可以看出，渝黔高速在運營前7 a的變化跟渝合高速的變化趨勢基本相同，同樣是由于前3 a的養(yǎng)護比較到位，第4年的養(yǎng)護費用會呈現(xiàn)一定程度的下降，之后隨年限的增加養(yǎng)護費用遞增，可見渝黔高速預(yù)防性養(yǎng)護的最佳時間是運營后的第5年。

由圖3可知，綦萬高速從運營開始的第1年到計數(shù)年的第7年間養(yǎng)護費用除了第4年的略微下降以外，整體均呈現(xiàn)不斷增長的趨勢，在運營期間的前5 a曲線比較平緩，之后則呈現(xiàn)陡峭增長的趨勢?？梢娫谶\營5 a前進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護是最好選擇。

4 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對高速公路養(yǎng)護費用的預(yù)測

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)和識別能力，能通過對評價指標(biāo)及評價結(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，因而不需要過多的資料統(tǒng)計知識［5］。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)所提供的數(shù)據(jù)，通過學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，找出輸入與輸出的內(nèi)在聯(lián)系，從而求取問題的解，而不是根據(jù)經(jīng)驗知識，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)還具有很強的學(xué)習(xí)、聯(lián)想和容錯功能，其分析結(jié)果及過程接近于人腦的思維過程和分析方法。

為了達(dá)到預(yù)測高速公路養(yǎng)護費用的目的，現(xiàn)構(gòu)建1個3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò):輸入層有3個結(jié)點，每一個輸入向量的取值范圍為［0，1］，隱含層結(jié)點數(shù)為5，隱含層的激活函數(shù)為tansig;輸出層結(jié)點數(shù)為1個，輸出層的激活函數(shù)為logsig，訓(xùn)練次數(shù)為10萬次。

預(yù)測方法采用滾動預(yù)測方式:以每3個月的養(yǎng)護費用經(jīng)歸一化處理后作為輸入(采用Matlab7.0的版本)，用前3個月的養(yǎng)護費用來預(yù)測第4個月的養(yǎng)護費用，如用1、2、3月的養(yǎng)護費用為輸入預(yù)測第4個月的養(yǎng)護費用，用2、3、4月的銷售量為輸入預(yù)測第5個月的養(yǎng)護費用，如此反復(fù)直至滿足預(yù)測精度要求為止。數(shù)據(jù)代碼如下:

在Matlab7.0上編程運行后，養(yǎng)護費用的預(yù)測結(jié)果如圖4:

圖4 養(yǎng)護費用的預(yù)測結(jié)果

圖4的預(yù)測結(jié)果顯示，養(yǎng)護費用的預(yù)測值和實際值比較接近，說明基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行養(yǎng)護費用的預(yù)測比較準(zhǔn)確，可以用來預(yù)測下一年的養(yǎng)護費用，這對于道路養(yǎng)護資金的分配和安排有參考價值，符合實際需要。于是，把后面畫圖的編程改為:

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

5 結(jié)論

高速公路的日常養(yǎng)護費用，隨著通車時間的增長而增加，通車后5年內(nèi)路況相對較好，故養(yǎng)護量少且增長緩慢，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提高路面使用性能［6］。根據(jù)對重慶3條高速公路日常養(yǎng)護數(shù)據(jù)的回歸分析和相關(guān)養(yǎng)護經(jīng)驗，道路通車后的第4～5年是開展預(yù)防性養(yǎng)護的最佳時間，此時實施預(yù)防性養(yǎng)護能大大延緩大中修養(yǎng)護的出現(xiàn)。

另外，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對高速公路的養(yǎng)護費用進(jìn)行的預(yù)測對養(yǎng)護資金的分配和安排不僅參考價值，也提供了可靠的依據(jù)，具有實際意義。

［1］陳傳德.高速公路養(yǎng)護管理［M］.北京:人民交通出版社，2005

［2］陳銳，魏津瑜，畢然.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的供應(yīng)商選擇研究［J］.天津理工大學(xué)學(xué)報，2008(4):45-47

［3］王萬秀.河北省高速公路日常養(yǎng)護費用分析［J］.交通世界，2008，26(5):210-212

［4］陳強，龍曉洪.高速公路瀝青路面養(yǎng)護費用模型的建立與分析［J］.中外公路，2009，29(2):260-262

［5］董長虹.Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用［M］.北京:國防科技大學(xué)出版社，2005

［6］馮國華.重載道路養(yǎng)護費用分析［J］.天津市政工程，2010(2):18-25