李延君

(遼寧省臺安縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 臺安 114100)

0 引 言

我國北方地區(qū)河網(wǎng)稠密、水系發(fā)達，各支流縱橫交錯且雨量較為豐富。近年來，暴雨、強降雨等極端天氣頻繁發(fā)生，水土流失與中小河流洪澇災害問題嚴重威脅著沿河民眾生命財產(chǎn)安全[1]。為進一步加強中小河流綜合治理工作，我國正式頒布了關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定。項目法人在河流治理規(guī)劃階段面臨著如何準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、設(shè)計、研究等費用以及向上級部門申報治理資金的重要依據(jù)。所以，為更好的促進我國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、自組織學習、高度非線性映射、高度容錯等特性，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在估算工程投資、處理多因素復雜問題等方面應(yīng)用廣泛[2-4]。針對BP網(wǎng)絡(luò)在工程造價估算方面的應(yīng)用諸多學者開展了一系列研究，如楊無疆等[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、工程造價指數(shù)對投資成本的影響，基于改進的BP網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建工程量和工程造價估算模型，并對模型的實用性和準確性以深圳市已建工程進行了驗證。

文章對河流治理工程規(guī)劃設(shè)計階段的投資成本運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進行估算，根據(jù)遼河平原腹地河流治理工程特點選擇神經(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)合渾河臺安縣段已建治理工程資料驗證了模型的精確性和適用性。

1 河道治理工程特征指標的選取與處理

1.1 工程造價影響因素

造價成本估算涉及到的范圍廣、因素多且計算過程較為復雜，任意一項參數(shù)的改變均可對工程造價產(chǎn)生一定的影響和波動，且不同特征指標的影響程度存在一定差異，若全部考慮、統(tǒng)一對待各特征元素并忽略其間的差異影響，則成本估算結(jié)果勢必會產(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，從而導致河道淤積通常較少、堤防沖刷損壞嚴重，平原區(qū)的河流具有河床寬廣、水量大、容易形成泥沙堆積。通過分析河流治理成本造價構(gòu)成，總工程70%的成本用于護岸工程建設(shè)，因此在河流治理投資估算中護岸工程的造價特征指標十分重要。護岸工程成本造價主要與護岸類型、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 特征指標的選取

遼河平原腹地河流不具有較為復雜的地質(zhì)特征，地勢起伏變化不明顯，局部地區(qū)也會存在著暴雨強度大，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間段較長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、坍塌等災害，甚至可能出現(xiàn)摧毀村莊鄉(xiāng)鎮(zhèn)、損壞耕地等災害。對此，要充分考慮河道水土流失的特點、水流特征，綜合考察整個流域與河道上下游、左右岸的之間的關(guān)聯(lián)性，按照科學的方法統(tǒng)籌規(guī)劃各項治理措施。目前，格賓擋墻、雷諾護坡、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岸型式。在選擇護岸型式時要考慮的因素有水流流速、河道坡比、地質(zhì)條件等，同時分析是否與生態(tài)環(huán)境、沿河景觀之間的協(xié)調(diào)性[9-12]。文章結(jié)合已建項目相關(guān)資料和工程造價主要影響因素，選擇治理措施生態(tài)與否、護岸頂寬、護岸高度、水流流速、河道走勢、治理長度、天然坡比、護岸型式等8個河道治理特征指標。

1.3 特征指標的量化

字符型和數(shù)值型為護岸工程特征指標的主要類型，必須經(jīng)數(shù)據(jù)預處理后方可將數(shù)值型特征指標輸入模型；字符型特征指標不僅要作數(shù)據(jù)預處理，而且要轉(zhuǎn)化為數(shù)值型參數(shù)方可參與運算。數(shù)值型指標有各賓擋墻、雷諾護坡、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，字符型特征指標有流速度、天然坡比、河道走勢，其量化結(jié)果見表1。

表1 指標量化結(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)對權(quán)值的調(diào)整來實現(xiàn)，學習過程為權(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、誤差計算、自學習、傳遞函數(shù)等運算模塊，其中輸入層可實現(xiàn)成本估算信息的接受，通過設(shè)定期望誤差和一系列神經(jīng)元節(jié)點的運算完成最終的成本估算?？陀^事物的復雜關(guān)系利用高度非線性映射、高度容錯性的樣本學習與訓練過程描述，對隱含層的變換計算使得訊號經(jīng)過輸出節(jié)點形成相應(yīng)的輸出值，非線性Sigmoid激活函數(shù)為傳遞過程中輸出節(jié)點與隱含層的運算公式。為降低輸出成本與理想成本之間的誤差，通常需要將反復多次學習訓練，當達到設(shè)定的精度要求時停止網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的訓練。

2.2 模型參數(shù)

在河流治理成本估算過程中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：根據(jù)具體的問題設(shè)定網(wǎng)絡(luò)的輸出、輸入節(jié)點數(shù)，文章設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)輸出和輸入節(jié)點為1、8個。②設(shè)定閾值和權(quán)值：選取-1-1之間的隨機數(shù)作為閾值和初始權(quán)值。③設(shè)定學習速率：為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性一般選取較小的學習速率，即0.01-0.80。④收斂精度的設(shè)定：通常情況下根據(jù)工程投資實際值與預測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，則認為模型收斂運算結(jié)束，該模型收斂精度為0.0002。⑤隱含層的確定。選用試錯法確定隱含層數(shù)及其節(jié)點數(shù)，試錯結(jié)果表明節(jié)點數(shù)為28、隱含層為1層時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

反演預測、網(wǎng)絡(luò)訓練、樣本篩選與準備模塊為構(gòu)成BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成本估算的主要流程，詳見圖1。

3 模型驗證

為了進一步驗證BP網(wǎng)絡(luò)的實用性與可行性，以渾河臺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、護岸高度、結(jié)構(gòu)型式等特征指標對成本估算的影響。BP網(wǎng)絡(luò)輸入量為能夠反映工程特點、對成本造價影響較大的8個典型因子，工程造價相關(guān)資料和具體特征指標見表2。其中，BP網(wǎng)絡(luò)訓練樣本為1-28#樣本，檢測樣本為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，滿足預期精度要求。對于相似樣本可利用訓練好的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)自動的計算處理，誤差最小時的結(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)對學習樣本訓練，當達到設(shè)定精度要求時停止運算，采用該模型進行成本估算分析，并輸出最后的結(jié)果值。

文章運用訓練好的網(wǎng)絡(luò)模型測試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、22.46萬元/百米，相對誤差分別為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值 m、萬元/百米

續(xù)表2 工程投資成本和樣本特征指標值 m、萬元/百米

圖2 樣本訓練性能曲線

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和已建工程相關(guān)資料，選擇護岸型式、水流速度、河道走勢、治理長度、天然坡比、措施生態(tài)與否、護岸頂寬、護岸高度8項指標構(gòu)成BP網(wǎng)絡(luò)輸入向量，然后針對遼河平原腹地河流治理項目構(gòu)建投資成本估算模型，并以渾河臺安縣某已建河流治理工程為例，驗證了該模型的準確度與可行性。研究表明，所構(gòu)建的BP網(wǎng)絡(luò)成本估算模型具有較強的非線性擬合能力和較高的計算精度，能夠系統(tǒng)全面的描述工程造價與工程特征指標之間的非線性關(guān)系，可為工程投資成本控制和方案優(yōu)化設(shè)計提供一定指導。