基于K-means算法的隧道機(jī)電分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施評(píng)定標(biāo)度的研究

陳 建

(中路高科交通檢測(cè)檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司，北京 100088)

0 引言

隧道機(jī)電設(shè)施定檢及其技術(shù)狀況評(píng)定已成為隧道機(jī)電設(shè)施養(yǎng)護(hù)的基礎(chǔ)依據(jù)?，F(xiàn)階段隧道機(jī)電設(shè)施定檢工作開展的主要依據(jù)是《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(JTG H12—2015)[1-2]或《國家公路網(wǎng)重點(diǎn)橋梁和隧道監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)規(guī)程》(T/CECS G:E41-04—2019)[3]這2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，在第1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，隧道機(jī)電設(shè)施分為供配電設(shè)施、照明設(shè)施、通風(fēng)設(shè)施、消防設(shè)施和監(jiān)控與通信設(shè)施5個(gè)分部工程，根據(jù)分部工程的設(shè)備完好率提出技術(shù)狀況評(píng)定值，但沒有給出分部工程中包含的分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施的技術(shù)狀況評(píng)定值及設(shè)備設(shè)施養(yǎng)護(hù)的明確分類，在第2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，雖然規(guī)定了各分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施檢測(cè)內(nèi)容的權(quán)重，但分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施的技術(shù)狀況評(píng)定值及養(yǎng)護(hù)分類同樣也未給出明確要求。這種情況下，各省運(yùn)營公司在做分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施的養(yǎng)護(hù)時(shí)缺乏針對(duì)性。

目前，國內(nèi)外學(xué)者結(jié)合工程應(yīng)用現(xiàn)狀針對(duì)隧道機(jī)電設(shè)施的評(píng)定和養(yǎng)護(hù)做了一些研究，提出了相關(guān)理論算法。張偉偉等[4]針對(duì)高速公路機(jī)電系統(tǒng)提出了AHP的機(jī)電系統(tǒng)維護(hù)質(zhì)量的模糊評(píng)價(jià)模型。于艷波等[5]結(jié)合隧道設(shè)備成新率、穩(wěn)定度和合格率等評(píng)估指標(biāo)所占權(quán)重，提出了隧道機(jī)電設(shè)施的評(píng)估體系。余忠磊等[6]從高速公路隧道運(yùn)營安全角度出發(fā)，引入模糊數(shù)學(xué)算法，從駕駛員和車輛特性、機(jī)電設(shè)施、土建結(jié)構(gòu)、交通環(huán)境4個(gè)方面對(duì)運(yùn)營安全進(jìn)行了評(píng)價(jià)?？翟葡嫉萚7]從技術(shù)性能指標(biāo)、運(yùn)營效果指標(biāo)2個(gè)角度著手，計(jì)算檢測(cè)指令執(zhí)行所需的權(quán)重比數(shù)值，完成了普通公路隧道機(jī)電設(shè)施的檢測(cè)指標(biāo)選取。邱進(jìn)[8]結(jié)合隧道機(jī)電分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施，從預(yù)防性檢測(cè)和故障響應(yīng)機(jī)制角度提出了檢測(cè)技術(shù)要點(diǎn)和控制措施。楊松等[9]在分析現(xiàn)有隧道機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,根據(jù)目前隧道運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)控制的需求,提出了智慧交通隧道機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)體系框架。

基于現(xiàn)狀，隧道機(jī)電設(shè)施養(yǎng)護(hù)檢測(cè)及技術(shù)狀況評(píng)定方法要么是隧道機(jī)電設(shè)施單位工程和分部工程的養(yǎng)護(hù)評(píng)定方法，要么是具體設(shè)備檢測(cè)養(yǎng)護(hù)和養(yǎng)護(hù)方法，但對(duì)分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施的系統(tǒng)分析和分類還較少。本研究從某省營運(yùn)期隧道機(jī)電設(shè)施定檢數(shù)據(jù)采樣分析的工程實(shí)際出發(fā)，結(jié)合聚類K-means算法，提出分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施技術(shù)狀況評(píng)分值的分類以及標(biāo)度的新概念，根據(jù)標(biāo)度提出分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施的不同養(yǎng)護(hù)措施，以期在行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

1 隧道機(jī)電設(shè)施定檢數(shù)據(jù)

某省某營運(yùn)高速公路涉及隧道機(jī)電設(shè)施定期檢測(cè)隧道共75座，其中特長隧道4座，長隧道38座，中隧道25座，短隧道8座。隧道機(jī)電設(shè)施包括供配電設(shè)施、照明設(shè)施、通風(fēng)設(shè)施、消防設(shè)施、監(jiān)控與通信設(shè)施5個(gè)分部工程。根據(jù)《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》中定期檢查的測(cè)試項(xiàng)內(nèi)容，從設(shè)備完好率和技術(shù)狀況評(píng)分這2種主要參數(shù)出發(fā)，構(gòu)建隧道機(jī)電設(shè)施定檢數(shù)據(jù)新模型，得出2種參數(shù)的結(jié)果(均歸一化處理，完好率以100%為滿分，技術(shù)狀況評(píng)分以100為滿分)，以該省營運(yùn)隧道中的1座隧道(整體評(píng)價(jià)包括隧道左幅和右幅)為例，其分部工程的分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施的完好率和技術(shù)狀況評(píng)分[10]如表1所示，形成該隧道的2個(gè)數(shù)組，分別表示設(shè)備設(shè)施的完好率和技術(shù)狀況評(píng)分。表2為隧道機(jī)電設(shè)施的整體評(píng)分值和技術(shù)狀況類別。該隧道是2類隧道，對(duì)于設(shè)備故障率出現(xiàn)很低，運(yùn)營則主要關(guān)注分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施的技術(shù)狀況評(píng)分及相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)措施。

表1 某隧道分項(xiàng)設(shè)備設(shè)施的完好率和技術(shù)狀況評(píng)分Tab.1 Intactness rate and technical condition scores of subdivisional equipment and facilities of a tunnel

表2 隧道機(jī)電設(shè)施技術(shù)狀況評(píng)分和技術(shù)狀況類別Tab.2 Technical condition scores and technical status categories of tunnel electromechanical facilities

2 技術(shù)路線研究

基于K-means算法的隧道機(jī)電分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施評(píng)定標(biāo)度的研究技術(shù)路線為：

(1)統(tǒng)計(jì)該省75座營運(yùn)隧道定期檢測(cè)結(jié)果。對(duì)隧道機(jī)電設(shè)施分部分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施的完好率和技術(shù)狀況評(píng)分，2個(gè)數(shù)據(jù)數(shù)組，每個(gè)數(shù)組均為一維數(shù)組，約3 000個(gè)數(shù)據(jù)，2個(gè)數(shù)組共約6 000個(gè)數(shù)據(jù)。

(2)分析現(xiàn)有常用的工程領(lǐng)域的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的算法和模型，找出適用該研究的算法。

(3)確定采用K-means算法對(duì)隧道機(jī)電分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施評(píng)定標(biāo)度進(jìn)行研究。

(4)結(jié)合《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》和《國家公路網(wǎng)重點(diǎn)橋梁和隧道監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)規(guī)程》這2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于評(píng)定劃定類別的要求，對(duì)于分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施提出劃分為k類的合理性，分類選擇值應(yīng)與隧道機(jī)電設(shè)施的類別相對(duì)應(yīng)，從k=2,3,4,5,6中選取，確定哪個(gè)值更為合適，并借此定義標(biāo)度概念。

(5)用軟件編程實(shí)現(xiàn)K-means算法，并導(dǎo)入4 770個(gè)數(shù)值，進(jìn)行分類聚類計(jì)算，分析結(jié)果數(shù)據(jù)集合中的標(biāo)準(zhǔn)差，得出最為合適的值為標(biāo)度的結(jié)果。

(6)對(duì)技術(shù)狀況評(píng)分的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)分值分類，得出分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施技術(shù)狀況評(píng)分對(duì)應(yīng)的標(biāo)度的分類，提出不同標(biāo)度的分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施的養(yǎng)護(hù)措施。

3 K-means聚類算法

數(shù)據(jù)處理算法的選擇直接影響數(shù)據(jù)處理、數(shù)值分析及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果。工程領(lǐng)域數(shù)據(jù)處理的常用方法有主觀估計(jì)法[11]、概率分布分析法[12]、模糊數(shù)學(xué)法[13]、灰色關(guān)聯(lián)評(píng)估法[14]、層次分析法[15]、熵權(quán)確定權(quán)重法[16]、聚類算法[17-19]等，針對(duì)上述各種算法分析其適用范圍和特點(diǎn)，如表3所示。

表3 工程領(lǐng)域各種算法適用范圍和特點(diǎn)Tab.3 Application scope and characteristics of various algorithms in engineering field

通過對(duì)上述各數(shù)據(jù)處理算法的分析和總結(jié)，結(jié)合該省的隧道機(jī)電設(shè)施分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施的檢測(cè)結(jié)果(主要為設(shè)備完好率和技術(shù)狀況評(píng)分這2個(gè)參數(shù))，選取聚類算法為數(shù)據(jù)處理算法。聚類常用算法方法分為3種，分別為基于距離的聚類算法、基于密度的聚類算法、基于互聯(lián)性的聚類算法。由于只有2個(gè)變量參數(shù)的大規(guī)模數(shù)據(jù)，因此采用基于距離的K-means聚類算法可得到更為合適的聚類結(jié)果。

首先，將隧道機(jī)電設(shè)施的設(shè)備完好率和技術(shù)狀況評(píng)分組成2個(gè)數(shù)組數(shù)據(jù)集合。其次，假設(shè)K-means算法分為k類，k為自然數(shù)，k=1，2，3，…，n。采用基于距離的聚類算法進(jìn)行迭代，把數(shù)據(jù)集合劃分為k類。最后，選取設(shè)備完好率和技術(shù)狀況評(píng)分距離最遠(yuǎn)的2個(gè)參數(shù)(通過數(shù)值均一化處理)，例如[0,0]和[100,100]，按照?qǐng)D1的思想進(jìn)行迭代，直至選取k類結(jié)果結(jié)束。使相同類的內(nèi)部數(shù)據(jù)具有極大的相同性，而類之間的數(shù)據(jù)相同性盡量小，達(dá)到最優(yōu)的分組聚類的效果。

圖1 K-means聚類思想Fig.1 K-means clustering idea

數(shù)據(jù)集合分k類的軟件算法流程圖如圖2所示。設(shè)數(shù)據(jù)集合為P，分類結(jié)果為T。

圖2 K-means聚類軟件算法Fig.2 K-means clustering software algorithm

4 K-means聚類結(jié)果分析

以設(shè)備完好率和技術(shù)狀況評(píng)分分別為變量Pij，Pij=[ai;bj]，ai和bj分別對(duì)應(yīng)隧道的分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施的完好率和技術(shù)狀況評(píng)分，i和j為自然數(shù)，i，j=1, 2, 3,…,n。對(duì)應(yīng)75座隧道分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施的完好率和技術(shù)狀況評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)，約4 770個(gè)參數(shù)。設(shè)其集合為Tk，k為自然數(shù)，k=1, 2, 3,…,n。集合x1數(shù)組和集合x2數(shù)組進(jìn)行k分類后得到Tk集合，x1數(shù)組和x2數(shù)組中包含Tk聚類后ai和bj，運(yùn)行編制的K-means算法聚類程序，根據(jù)《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》中隧道機(jī)電設(shè)施單位工程的技術(shù)狀況評(píng)定分類為4類和評(píng)定劃定的養(yǎng)護(hù)措施為5類的思想，選取分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施的科學(xué)分類與單位工程隧道機(jī)電設(shè)施相對(duì)應(yīng)，選取聚類k值分別為2, 3, 4, 5, 6進(jìn)行分析研究。K-means聚類結(jié)果如表4～表8所示。

表4 k=2的聚類結(jié)果Tab.4 Clustering result of k=2

表5 k=3的聚類結(jié)果Tab.5 Clustering result of k=3

表6 k=4的聚類結(jié)果Tab.6 Clustering result of k=4

表7 k=5的聚類結(jié)果Tab.7 Clustering result of k=5

表8 k=6的聚類結(jié)果Tab.8 Clustering result of k=6

在表4中，由算法得出第1類為T1集合的x1數(shù)組和x2數(shù)組，第2類為T2集合的x1數(shù)組和x2數(shù)組。計(jì)算2類集合參數(shù)完好率和技術(shù)狀況評(píng)分的標(biāo)準(zhǔn)差為xd1和xd2；xd1=[18.541 0 22.594 7]，xd2=[6.825 1 9.316 5]。

在表5中，由算法得出第1類為T1集合的x1數(shù)組和x2數(shù)組，第2類為T2集合的x1數(shù)組和x2數(shù)組，第3類為T3集合的x1數(shù)組和x2數(shù)組。計(jì)算3類集合參數(shù)完好率和技術(shù)狀況評(píng)分的標(biāo)準(zhǔn)差為xd1，xd2和xd3。xd1=[5.2702 22.113 2]，xd2=[3.298 6 7.886 3] ，xd3=[16.682 7 16.876 1]。

在表6中，由算法得出第1類為T1集合的x1數(shù)組和x2數(shù)組，第2類為T2集合的x1數(shù)組和x2數(shù)組，第3類為T3集合的x1數(shù)組和x2數(shù)組，第4類為T4集合的x1數(shù)組和x2數(shù)組。計(jì)算4類集合參數(shù)完好率和技術(shù)狀況評(píng)分的標(biāo)準(zhǔn)差為xd1，xd2，xd3和xd4。xd1=[2.329 4 1.837 7]，xd2=[4.821 5 22.104 4]，xd3=[6.514 3 9.410 3]，xd4=[13.858 7 11.773 4]。

在表7中，由算法得出第1類為T1集合的x1數(shù)組和x2數(shù)組，第2類為T2集合的x1數(shù)組和x2數(shù)組，第3類為T3集合的x1數(shù)組和x2數(shù)組，第4類為T4集合的x1數(shù)組和x2數(shù)組，第5類為T5集合的x1數(shù)組和x2數(shù)組。計(jì)算5類集合參數(shù)完好率和技術(shù)狀況評(píng)分的標(biāo)準(zhǔn)差為xd1，xd2，xd3，xd4和xd5。xd1=[1.785 8 9.711 6]，xd2=[9.965 5 11.958 6] ，xd3=[6.303 9 7.850 9]，xd4=[1.314 3 1.771 6]，xd5=[4.324 6 22.153 4]。

在表8中，由算法得出第1類為T1集合的x1數(shù)組和x2數(shù)組，第2類為T2集合的x1數(shù)組和x2數(shù)組，第3類為T3集合的x1數(shù)組和x2數(shù)組，第4類為T4集合的x1數(shù)組和x2數(shù)組，第5類為T5集合的x1數(shù)組和x2數(shù)組，第6類為T6集合的x1數(shù)組和x2數(shù)組。計(jì)算6類集合參數(shù)完好率和技術(shù)狀況評(píng)分的標(biāo)準(zhǔn)差為xd1，xd2，xd3，xd4，xd5和xd6。xd1=[1.838 6 10.066 7]，xd2=[9.965 5 11.958 6] ，xd3=[5.994 5 7.981 6]，xd4=[4.3246 22.153 4]，xd5=[2.847 4 2.954 7]，xd6=[1.126 2 0.681 5]。

設(shè)備設(shè)施完好率的計(jì)算要素由設(shè)備是否有重大缺陷或故障來確定，技術(shù)狀況評(píng)分的計(jì)算要素由外觀評(píng)分、安裝情況、設(shè)備設(shè)施功能和性能等指標(biāo)來確定，即可能出現(xiàn)設(shè)備設(shè)施完好率為0的情況和技術(shù)狀況評(píng)分不為0的情況。運(yùn)營養(yǎng)護(hù)期在故障率不高的情況下，運(yùn)營更為關(guān)心的是分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施的技術(shù)狀況評(píng)分(即定檢過程中發(fā)現(xiàn)的問題)，因此選擇技術(shù)狀況評(píng)分為主要因素來選擇聚類結(jié)果，通過對(duì)比分析k值分別為2,3,4,5,6的聚類結(jié)果和聚類后的標(biāo)準(zhǔn)差，得出其中1個(gè)聚類中的最大標(biāo)準(zhǔn)差分別為22.594 7，22.113 2，22.104 4，22.153 4，22.153 4，不同的k值反映出最大標(biāo)準(zhǔn)差之間的差距，其中k=4時(shí)的22.104 4為各方差最大值中的最小值，同時(shí)考慮對(duì)分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施完好率對(duì)應(yīng)類別的劃分，所以將分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施技術(shù)狀況分為4類，對(duì)劃分為4類的分類，引入標(biāo)度的概念即0，1，2，3，對(duì)分為4類的數(shù)據(jù)x2數(shù)組進(jìn)行分析整理，對(duì)應(yīng)標(biāo)度為0時(shí)的技術(shù)狀況評(píng)分值在90分以上，標(biāo)度為1時(shí)的技術(shù)狀況評(píng)分值在80～90分之間，標(biāo)度為2時(shí)的技術(shù)狀況評(píng)分值在70～80分之間，標(biāo)度為3時(shí)的技術(shù)狀況評(píng)分值在70分以下，如表9所示。

表9 分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施技術(shù)狀況評(píng)分和標(biāo)度Tab.9 Score and scale of technical conditions of equipment and facilities of subdivisional projects

定義標(biāo)度，對(duì)評(píng)定劃定不同標(biāo)度的各類分部工程設(shè)備設(shè)施，分別采取不同的養(yǎng)護(hù)措施：

(1) 對(duì)評(píng)定標(biāo)度為0的分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施進(jìn)行正常養(yǎng)護(hù)，做好清潔維護(hù)，對(duì)外觀產(chǎn)生的銹蝕部分進(jìn)行及時(shí)處理，對(duì)光、電纜進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

(2) 對(duì)評(píng)定標(biāo)度為1的分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施進(jìn)行正常養(yǎng)護(hù)，對(duì)性能指標(biāo)的缺陷進(jìn)行關(guān)注，并對(duì)部分功能缺失進(jìn)行及時(shí)修復(fù)。

(3) 對(duì)評(píng)定標(biāo)度為2的分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施，對(duì)性能指標(biāo)和功能進(jìn)行專項(xiàng)修復(fù)工程，并加強(qiáng)日常巡查，使同類型問題不再擴(kuò)大。

(4) 對(duì)評(píng)定標(biāo)度為3的分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施實(shí)施，完善重大缺陷，恢復(fù)使用功能，必要時(shí)進(jìn)行體質(zhì)升級(jí)，更新?lián)Q代產(chǎn)品或系統(tǒng)。

5 結(jié)論

(1) 基于K-means算法的隧道機(jī)電分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施評(píng)定標(biāo)度的研究，選取某省隧道機(jī)電設(shè)施分部分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施的完好率和技術(shù)狀況評(píng)分組成的4 770個(gè)數(shù)組數(shù)據(jù)，綜合考慮隧道機(jī)電設(shè)施包括供配電設(shè)施、照明設(shè)施、通風(fēng)設(shè)施、消防設(shè)施和監(jiān)控與通信設(shè)施這5個(gè)分部工程所包含的分項(xiàng)工程，應(yīng)用歐式距離的K-means算法構(gòu)建了引入標(biāo)度分類養(yǎng)護(hù)分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施的概念。

(2) 基于K-means算法的評(píng)定標(biāo)度及對(duì)應(yīng)的分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施的技術(shù)狀況評(píng)分，歸納設(shè)備設(shè)施出現(xiàn)技術(shù)狀況的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，優(yōu)化資金的預(yù)算、配置和使用，明確隧道機(jī)電設(shè)施養(yǎng)護(hù)工程的保養(yǎng)、維護(hù)、維修和改造方案，是對(duì)《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》中養(yǎng)護(hù)方法的補(bǔ)充，也是對(duì)《國家公路網(wǎng)重點(diǎn)橋梁和隧道監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)規(guī)程》中分項(xiàng)工程設(shè)備設(shè)施評(píng)定結(jié)果的補(bǔ)充。