基于BP網(wǎng)絡(luò)模型的渾河臺(tái)安縣段治理成本估算分析

李延君

(遼寧省臺(tái)安縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 臺(tái)安 114100)

0 引 言

我國(guó)北方地區(qū)河網(wǎng)稠密、水系發(fā)達(dá)，各支流縱橫交錯(cuò)且雨量較為豐富。近年來(lái)，暴雨、強(qiáng)降雨等極端天氣頻繁發(fā)生，水土流失與中小河流洪澇災(zāi)害問(wèn)題嚴(yán)重威脅著沿河民眾生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。為進(jìn)一步加強(qiáng)中小河流綜合治理工作，我國(guó)正式頒布了關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定。項(xiàng)目法人在河流治理規(guī)劃階段面臨著如何準(zhǔn)確估算治理成本的難題，且該治理成本估算為支付河流前期勘測(cè)、設(shè)計(jì)、研究等費(fèi)用以及向上級(jí)部門申報(bào)治理資金的重要依據(jù)。所以，為更好的促進(jìn)我國(guó)中小河流治理有必要建立合適的河道治理成本估算模型。

由于具有聯(lián)想記憶、自適應(yīng)性、自組織學(xué)習(xí)、高度非線性映射、高度容錯(cuò)等特性，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在估算工程投資、處理多因素復(fù)雜問(wèn)題等方面應(yīng)用廣泛[2-4]。針對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)在工程造價(jià)估算方面的應(yīng)用諸多學(xué)者開展了一系列研究，如楊無(wú)疆等[5]根據(jù)住宅工程的特征類目和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理，構(gòu)建了能夠快速估算成本造價(jià)的BP網(wǎng)絡(luò)模型；王新征等[6]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與顯著性成本法相耦合，運(yùn)用顯著性成本優(yōu)化模型快速估算了擬建工程投資；任宏等[7]考慮軟件環(huán)境、工程硬件、工程造價(jià)指數(shù)對(duì)投資成本的影響，基于改進(jìn)的BP網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建工程量和工程造價(jià)估算模型，并對(duì)模型的實(shí)用性和準(zhǔn)確性以深圳市已建工程進(jìn)行了驗(yàn)證。

文章對(duì)河流治理工程規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的投資成本運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行估算，根據(jù)遼河平原腹地河流治理工程特點(diǎn)選擇神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入量，由此構(gòu)建基于BP網(wǎng)絡(luò)的工程成本估算模型，結(jié)合渾河臺(tái)安縣段已建治理工程資料驗(yàn)證了模型的精確性和適用性。

1 河道治理工程特征指標(biāo)的選取與處理

1.1 工程造價(jià)影響因素

造價(jià)成本估算涉及到的范圍廣、因素多且計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，任意一項(xiàng)參數(shù)的改變均可對(duì)工程造價(jià)產(chǎn)生一定的影響和波動(dòng)，且不同特征指標(biāo)的影響程度存在一定差異，若全部考慮、統(tǒng)一對(duì)待各特征元素并忽略其間的差異影響，則成本估算結(jié)果勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生偏差。一般情況下，河流治理主要有河道建筑物、疏浚工程、護(hù)岸工程等建設(shè)任務(wù)，低山丘陵區(qū)中小河流具有洪水陡漲陡落、水力坡降大、河道狹窄等特征，從而導(dǎo)致河道淤積通常較少、堤防沖刷損壞嚴(yán)重，平原區(qū)的河流具有河床寬廣、水量大、容易形成泥沙堆積。通過(guò)分析河流治理成本造價(jià)構(gòu)成，總工程70%的成本用于護(hù)岸工程建設(shè)，因此在河流治理投資估算中護(hù)岸工程的造價(jià)特征指標(biāo)十分重要。護(hù)岸工程成本造價(jià)主要與護(hù)岸類型、結(jié)構(gòu)尺寸、河岸地形地質(zhì)條件、水流流速、河道坡比等因素相關(guān)[8]。

1.2 特征指標(biāo)的選取

遼河平原腹地河流不具有較為復(fù)雜的地質(zhì)特征，地勢(shì)起伏變化不明顯，局部地區(qū)也會(huì)存在著暴雨強(qiáng)度大，降雨集中，但是不同區(qū)域的氣候條件存在一定差異。另外，降水匯集不易集中、洪水位較低、坡降較小以及匯流時(shí)間段較長(zhǎng)等為遼河平原腹地的典型特征，水流速度較慢，沖刷能力和攜沙能力都比較弱，岸坡具有一定的抗沖刷能力，洪水懸移質(zhì)與推移質(zhì)偏多，但是若發(fā)生特大洪水極易引起淤塞河槽、河岸滑坡、坍塌等災(zāi)害，甚至可能出現(xiàn)摧毀村莊鄉(xiāng)鎮(zhèn)、損壞耕地等災(zāi)害。對(duì)此，要充分考慮河道水土流失的特點(diǎn)、水流特征，綜合考察整個(gè)流域與河道上下游、左右岸的之間的關(guān)聯(lián)性，按照科學(xué)的方法統(tǒng)籌規(guī)劃各項(xiàng)治理措施。目前，格賓擋墻、雷諾護(hù)坡、仰斜式漿砌石擋墻、重力式漿砌石擋墻等為遼河平原腹地中小河流常見的護(hù)岸型式。在選擇護(hù)岸型式時(shí)要考慮的因素有水流流速、河道坡比、地質(zhì)條件等，同時(shí)分析是否與生態(tài)環(huán)境、沿河景觀之間的協(xié)調(diào)性[9-12]。文章結(jié)合已建項(xiàng)目相關(guān)資料和工程造價(jià)主要影響因素，選擇治理措施生態(tài)與否、護(hù)岸頂寬、護(hù)岸高度、水流流速、河道走勢(shì)、治理長(zhǎng)度、天然坡比、護(hù)岸型式等8個(gè)河道治理特征指標(biāo)。

1.3 特征指標(biāo)的量化

字符型和數(shù)值型為護(hù)岸工程特征指標(biāo)的主要類型，必須經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理后方可將數(shù)值型特征指標(biāo)輸入模型；字符型特征指標(biāo)不僅要作數(shù)據(jù)預(yù)處理，而且要轉(zhuǎn)化為數(shù)值型參數(shù)方可參與運(yùn)算。數(shù)值型指標(biāo)有各賓擋墻、雷諾護(hù)坡、仰斜式擋土墻、重力式擋土墻，相應(yīng)的賦值分別為4、3、2、1，字符型特征指標(biāo)有流速度、天然坡比、河道走勢(shì)，其量化結(jié)果見表1。

表1 指標(biāo)量化結(jié)果

2 BP網(wǎng)絡(luò)成本估算模型

2.1 模型結(jié)構(gòu)

由輸出層、輸入層、隱含層三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成的BP網(wǎng)絡(luò)成本估算模型，其隱含層一般存在多層或一層。全連接為BP網(wǎng)絡(luò)各層及之間的連接方式，而連接程度的控制主要依據(jù)對(duì)權(quán)值的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)，學(xué)習(xí)過(guò)程為權(quán)值調(diào)整的常用方法，神經(jīng)元在同一層次內(nèi)不存在相互連接的關(guān)系。

BP網(wǎng)絡(luò)主要有輸入、輸出、誤差計(jì)算、自學(xué)習(xí)、傳遞函數(shù)等運(yùn)算模塊，其中輸入層可實(shí)現(xiàn)成本估算信息的接受，通過(guò)設(shè)定期望誤差和一系列神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算完成最終的成本估算?？陀^事物的復(fù)雜關(guān)系利用高度非線性映射、高度容錯(cuò)性的樣本學(xué)習(xí)與訓(xùn)練過(guò)程描述，對(duì)隱含層的變換計(jì)算使得訊號(hào)經(jīng)過(guò)輸出節(jié)點(diǎn)形成相應(yīng)的輸出值，非線性Sigmoid激活函數(shù)為傳遞過(guò)程中輸出節(jié)點(diǎn)與隱含層的運(yùn)算公式。為降低輸出成本與理想成本之間的誤差，通常需要將反復(fù)多次學(xué)習(xí)訓(xùn)練，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的精度要求時(shí)停止網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的訓(xùn)練。

2.2 模型參數(shù)

在河流治理成本估算過(guò)程中BP網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)參數(shù)主要有：①確定BP網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出節(jié)點(diǎn)：根據(jù)具體的問(wèn)題設(shè)定網(wǎng)絡(luò)的輸出、輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)，文章設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)輸出和輸入節(jié)點(diǎn)為1、8個(gè)。②設(shè)定閾值和權(quán)值：選取-1-1之間的隨機(jī)數(shù)作為閾值和初始權(quán)值。③設(shè)定學(xué)習(xí)速率：為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性一般選取較小的學(xué)習(xí)速率，即0.01-0.80。④收斂精度的設(shè)定：通常情況下根據(jù)工程投資實(shí)際值與預(yù)測(cè)值之間的均方誤差確定，若最小均方誤差小于模型收斂誤差，則認(rèn)為模型收斂運(yùn)算結(jié)束，該模型收斂精度為0.0002。⑤隱含層的確定。選用試錯(cuò)法確定隱含層數(shù)及其節(jié)點(diǎn)數(shù)，試錯(cuò)結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)數(shù)為28、隱含層為1層時(shí)BP網(wǎng)絡(luò)的均方誤差最小，模擬效果最佳。

2.3 成本估算流程

反演預(yù)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練、樣本篩選與準(zhǔn)備模塊為構(gòu)成BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成本估算的主要流程，詳見圖1。

3 模型驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證BP網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用性與可行性，以渾河臺(tái)安縣某遼河平原腹地32段中小河流治理工程為樣本，綜合考慮頂寬、護(hù)岸高度、結(jié)構(gòu)型式等特征指標(biāo)對(duì)成本估算的影響。BP網(wǎng)絡(luò)輸入量為能夠反映工程特點(diǎn)、對(duì)成本造價(jià)影響較大的8個(gè)典型因子，工程造價(jià)相關(guān)資料和具體特征指標(biāo)見表2。其中，BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本為1-28#樣本，檢測(cè)樣本為29#-32#樣本。

圖1 基于BP網(wǎng)絡(luò)的成本估算流程

經(jīng)73次訓(xùn)練后BP網(wǎng)絡(luò)的性能曲線見圖2，設(shè)定的收斂誤差為0.0002，最小均誤差為0.00018625，滿足預(yù)期精度要求。對(duì)于相似樣本可利用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的計(jì)算處理，誤差最小時(shí)的結(jié)果輸出即為成本估算最終值。具體而言，模型輸入向量選擇為初始數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)輸出即為成本估算結(jié)果，利用網(wǎng)絡(luò)對(duì)學(xué)習(xí)樣本訓(xùn)練，當(dāng)達(dá)到設(shè)定精度要求時(shí)停止運(yùn)算，采用該模型進(jìn)行成本估算分析，并輸出最后的結(jié)果值。

文章運(yùn)用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)模型測(cè)試29-32#成本估算樣本，結(jié)果如表3，由此確定各工程的投資成本分別為32.58、12.95、35.72、22.46萬(wàn)元/百米，相對(duì)誤差分別為3.07%、7.72%、2.80%、4.4%，均小于10%，由此表明在河流治理成本估算方面所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)模型具有較高的精確度，可為工程投資和成本控制提供一定參考。

表2 工程投資成本和樣本特征指標(biāo)值 m、萬(wàn)元/百米

續(xù)表2 工程投資成本和樣本特征指標(biāo)值 m、萬(wàn)元/百米

圖2 樣本訓(xùn)練性能曲線

4 結(jié) 論

考慮到遼河平原腹地河流治理的特征，河道護(hù)岸工程為河流綜合治理的重要環(huán)節(jié)。文章結(jié)合遼河平原腹地河流特點(diǎn)和已建工程相關(guān)資料，選擇護(hù)岸型式、水流速度、河道走勢(shì)、治理長(zhǎng)度、天然坡比、措施生態(tài)與否、護(hù)岸頂寬、護(hù)岸高度8項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成BP網(wǎng)絡(luò)輸入向量，然后針對(duì)遼河平原腹地河流治理項(xiàng)目構(gòu)建投資成本估算模型，并以渾河臺(tái)安縣某已建河流治理工程為例，驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確度與可行性。研究表明，所構(gòu)建的BP網(wǎng)絡(luò)成本估算模型具有較強(qiáng)的非線性擬合能力和較高的計(jì)算精度，能夠系統(tǒng)全面的描述工程造價(jià)與工程特征指標(biāo)之間的非線性關(guān)系，可為工程投資成本控制和方案優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定指導(dǎo)。