Climate-vulnerable road networks require a paradigm shift from reactive, fix-on-failure repairs to predictive, decision-ready maintenance. This paper introduces ST-ResGAT, a novel Spatio-Temporal Residual Graph Attention Network that fuses residual graph-attention encoding with GRU temporal aggregation to forecast pavement deterioration. Engineered for resource-constrained deployment, the framework translates continuous Pavement Condition Index (PCI) forecasts directly into the American Society for Testing and Materials (ASTM)-compliant maintenance priorities. Using a real-world inspection dataset of 750 segments in Sylhet, Bangladesh (2021-2024), ST-ResGAT significantly outperforms traditional non-spatial machine learning baselines, achieving exceptional predictive fidelity (R2 = 0.93, RMSE = 2.72). Crucially, ablation testing confirmed the mathematical necessity of modeling topological neighbor effects, proving that structural decay acts as a spatial contagion. Uniquely, we integrate GNNExplainer to unbox the model, demonstrating that its learned priorities align perfectly with established physical engineering theory. Furthermore, we quantify classification safety: achieving 85.5% exact ASTM class agreement and 100% adjacent-class containment, ensuring bounded, engineer-safe predictions. To connect model outputs to policy, we generate localized longitudinal maintenance profiles, perform climate stress-testing, and derive Pareto sustainability frontiers. ST-ResGAT therefore offers a practical, explainable, and sustainable blueprint for intelligent infrastructure management in high-risk, low-resource geological settings.


翻译:易受气候影响的公路网络需要从被动的、故障后修复模式转向预测性的、决策就绪的维护模式。本文提出了ST-ResGAT,一种新颖的时空残差图注意力网络,它融合了残差图注意力编码与GRU时间聚合来预测路面性能退化。该框架专为资源受限的部署环境设计,能将连续的路面状况指数(PCI)预测结果直接转换为符合美国材料与试验协会(ASTM)标准的维护优先级。基于孟加拉国锡莱特地区750个路段在2021-2024年间的真实检测数据集,ST-ResGAT显著优于传统的非空间机器学习基线模型,取得了卓越的预测保真度(R2 = 0.93,RMSE = 2.72)。至关重要的是,消融实验证实了建模拓扑邻居效应的数学必要性,证明结构性能衰减表现为一种空间传染现象。我们创新性地集成了GNNExplainer来打开模型黑箱,证明其学习到的优先级与既有的物理工程理论完全一致。此外,我们量化了分类安全性:实现了85.5%的ASTM等级精确一致率和100%的相邻等级包含率,确保了有界的、对工程安全的预测。为了将模型输出与政策制定联系起来,我们生成了本地化的纵向维护剖面图,进行了气候压力测试,并推导出帕累托可持续性前沿。因此,ST-ResGAT为高风险、低资源地质环境下的智能基础设施管理提供了一个实用、可解释且可持续的蓝图。

0
下载
关闭预览

相关内容

【HKUST博士论文】迈向可扩展且具泛化能力的时空预测
专知会员服务
18+阅读 · 2025年6月27日
【KDD2025】时空图神经网络的动态定位
专知会员服务
16+阅读 · 2025年1月12日
【WWW2021】面向时空图预测的神经结构搜索
专知会员服务
23+阅读 · 2021年4月23日
专知会员服务
110+阅读 · 2020年12月22日
【图神经网络入门】GAT图注意力网络
深度学习自然语言处理
28+阅读 · 2020年5月16日
图神经网络入门(三)GAT图注意力网络
图与推荐
10+阅读 · 2020年5月14日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
7+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
DeepSeek 版Claude Code,免费小白安装教程来了!
专知会员服务
9+阅读 · 5月5日
《美空军条令出版物 2-0:情报(2026版)》
专知会员服务
14+阅读 · 5月5日
帕兰提尔 Gotham:一个游戏规则改变器
专知会员服务
9+阅读 · 5月5日
【综述】 机器人学习中的世界模型:全面综述
专知会员服务
12+阅读 · 5月4日
伊朗的导弹-无人机行动及其对美国威慑的影响
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
7+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员