于培勇 錢 峰
1.東南大學(xué);2.江蘇永源電力安裝有限公司
隨著我國(guó)電網(wǎng)工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大,電力行業(yè)對(duì)工程造價(jià)的重視度也越來越高。造價(jià)工作貫穿于一個(gè)建設(shè)工程從投資估算到竣工決算的全過程,在整個(gè)全壽命周期中扮演著舉足輕重的地位。而工程估算作為項(xiàng)目造價(jià)工作的起點(diǎn),幾乎與項(xiàng)目立項(xiàng)和可行性研究工作同時(shí)進(jìn)行,不僅對(duì)投資決策有著重大影響,對(duì)后續(xù)工作也有著非常重要的指導(dǎo)意義。所以如何得到合理、準(zhǔn)確的工程造價(jià)估算是關(guān)鍵。
電力通信網(wǎng)是電力行業(yè)的專用通信網(wǎng)絡(luò),是電力系統(tǒng)的第二張實(shí)體網(wǎng)絡(luò),承載了大量涉及電力生產(chǎn)、運(yùn)行與安全的重要業(yè)務(wù),是電網(wǎng)調(diào)度、運(yùn)營(yíng)、管理信息化的基礎(chǔ)。目前電力通信網(wǎng)的主要傳輸介質(zhì)就是光纜。其中ADSS光纜屬于全介質(zhì)自承式光纜,是電力通信網(wǎng)絡(luò)的“靜脈血管”,與OPGW光纜相比,其施工難度更低,光纜線路檢修、改造更為容易和方便。與GYTS等普通光纜相比,ADSS光纜施工為一次施工,免去鋼絞線的安裝步驟,節(jié)約施工成本,維護(hù)簡(jiǎn)單且壽命較長(zhǎng),其非金屬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得光纜幾乎不遭受感應(yīng)電隱患困擾。因此在220kV及以下輸電線路中,ADSS光纜得到了廣泛的應(yīng)用。近年來,每年ADSS光纜架設(shè)工程數(shù)量呈爆發(fā)和遞增趨勢(shì)。但是經(jīng)常在這些項(xiàng)目決策的前期,因?yàn)楣こ塘繜o法準(zhǔn)確得知、估算時(shí)間不充?;蛘叽嬖谳^多工程需要在短期內(nèi)計(jì)算造價(jià),此時(shí)往往得不到與實(shí)際造價(jià)偏差較低的估算價(jià)。于是根據(jù)有限的已知參數(shù)使用科學(xué)的估算模型來得到一個(gè)相對(duì)準(zhǔn)確的電力通信ADSS光纜架設(shè)工程估算價(jià)格顯得十分必要。
本文通過對(duì)電力通信ADSS光纜架設(shè)工程特點(diǎn)分析,利用層次分析法確定影響工程估算的關(guān)鍵指標(biāo),建立基于層次分析法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的估算預(yù)測(cè)模型,找出工程估算價(jià)與這些指標(biāo)之間的復(fù)雜非線性關(guān)系,并通過MATLAB軟件及其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和測(cè)試檢驗(yàn),為電力通信線路工程的造價(jià)估算提供了新思路。
層次分析法,簡(jiǎn)稱AHP,由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家T.L.Saaty于20世紀(jì)70年代首先提出,是指將與決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次,并在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法。其分析步驟一般分為三步。
步驟1:建立層次結(jié)構(gòu)模型。AHP結(jié)構(gòu)模型通常分為三層:頂層為目標(biāo)層,標(biāo)明所要決策問題的總目標(biāo);中間層為準(zhǔn)則層,標(biāo)明判斷標(biāo)準(zhǔn);底層為方案層,包含比方案列表。
步驟2:構(gòu)造比較判斷矩陣。對(duì)同一層次的各個(gè)因素之間的重要性進(jìn)行兩兩比較,建立兩兩比較的判斷矩陣。參考Saaty等人給出的比例標(biāo)度表,用1至9之間的具體整數(shù)數(shù)值來量化因素i與因素j之間的重要性差異程度,可以得到由因素間重要性比較的量化值aij構(gòu)成的數(shù)值矩陣,該矩陣具有如下特征:aij=1/aji。
步驟3:層次單排序和一致性檢驗(yàn)。對(duì)以上判斷矩陣的最大特征根λmax的特征向量歸一化之后得到各因素的權(quán)重指標(biāo)值wi。能否確認(rèn)這一層次的單排序,則需要通過對(duì)一致性指標(biāo)的計(jì)算,進(jìn)行結(jié)果的一致性檢驗(yàn)。
一致性指標(biāo)CI:CI =λ-n/n-1(λ為特征值,n為矩陣階數(shù))
計(jì)算檢驗(yàn)系數(shù)CR:CR = CI/RI
平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的值可由查表獲得,若計(jì)算結(jié)果CR的值小于0.1,則可以認(rèn)為一致性檢驗(yàn)符合要求。否則該矩陣就沒有滿意的一致性,需要重新修正。
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模仿人類神經(jīng)活動(dòng)而建立的數(shù)學(xué)模型,如今正被廣泛的運(yùn)用在工程技術(shù)領(lǐng)域。在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中,最典型最常見的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型就是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),占整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的80%左右。BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是在1986年最先提出的,是一種典型的有導(dǎo)師的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),其特點(diǎn)是:各層神經(jīng)元之間無反饋連接,各層內(nèi)神經(jīng)元之間無任何連接,僅相鄰層神經(jīng)元之間有連接。典型的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型由輸入層、隱含層、輸出層構(gòu)成,隱含層與外界無直接聯(lián)系,每一層均有若干個(gè)節(jié)點(diǎn)。
對(duì)于單個(gè)存在R個(gè)輸入的BP神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)j,它的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。
圖1 神經(jīng)元結(jié)構(gòu)模型
[p1,p2,...,pR]是來自神經(jīng)元1、2、...、R的輸入,[w1,w2,...,wR]為各輸入量的權(quán)值,b為偏置值,f為傳遞函數(shù),將所有輸入的加權(quán)累加值與偏置值求和,經(jīng)傳遞函數(shù)作用后則可得到該神經(jīng)元j的輸出A。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中,作用函數(shù)是反映下層輸入對(duì)上層節(jié)點(diǎn)刺激脈沖強(qiáng)度的函數(shù),一般?。?,1)連續(xù)取值的sigmoid函數(shù):
sigmoid函數(shù)基本模型:f(x)=1/1+e-x
BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理是誤差逆向傳播算法訓(xùn)練,即信息輸入之后正向傳播,計(jì)算的誤差反向傳播。誤差的傳遞過程與輸入信息的傳遞過程相反,并按照誤差梯度下降的方式和鏈?zhǔn)角髮?dǎo)法則修正各層之間的連接權(quán)值,以此使得網(wǎng)絡(luò)輸出值和目標(biāo)值之間的誤差的平方達(dá)到最小值。其誤差計(jì)算模型如下:
誤差計(jì)算模型:Eq=1/2*Σ(tk-ok)2
在BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和學(xué)習(xí)的過程中,如果使用的算法不一樣,則網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)也不盡相同。在MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱中,使用最多最廣泛的是L-M(Levenberg-Marquardt)算法。這種算法是一種非線性最小二乘算法。它使用模型函數(shù)對(duì)待估參數(shù)做線性近似,再利用泰勒展開并忽略二階以上的導(dǎo)數(shù)項(xiàng),進(jìn)而轉(zhuǎn)化為線性最小二乘估計(jì)問題。此種算法集合了梯度下降法和高斯牛頓法的優(yōu)點(diǎn)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的工作過程如圖2所示。
圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法流程圖
在工程建設(shè)過程中,影響工程造價(jià)的因素有很多,所以在項(xiàng)目前期對(duì)項(xiàng)目開展投資分析和造價(jià)估算時(shí),所考慮的影響因素需要全面而又重點(diǎn)分明。在電力通信ADSS光纜架設(shè)工程中,影響工程造價(jià)估算的因素有如下幾種:
(1)光纜長(zhǎng)度:ADSS光纜長(zhǎng)度對(duì)光纜施工造價(jià)影響較大。通常光纜越短,每公里光纜的施工成本就越高。因?yàn)殡S著光纜長(zhǎng)度的增加,施工項(xiàng)目經(jīng)理可以更科學(xué)地完成施工部署,更合理地分?jǐn)偯抗锕饫|施工所產(chǎn)生的的人工費(fèi)、材料費(fèi)和機(jī)械費(fèi)。
(2)光纜材料單價(jià):材料價(jià)格在工程造價(jià)中占比較高。ADSS光纜工程各個(gè)材料之間價(jià)格差別較大,其中最主要的是光纜材料。同一供應(yīng)商的不同型號(hào)規(guī)格、不同材質(zhì)屬性的光纜單價(jià)不一樣。不同供應(yīng)商對(duì)于同樣規(guī)格型號(hào)和材質(zhì)屬性的光纜由于廠家各自生產(chǎn)水平、工藝方法和成本控制的能力不一,造成光纜單價(jià)也不一樣。
(3)工程類型:在電力通信工程中,一般將工程分為新建工程、技術(shù)改造工程、檢修工程等類型。新建工程是指新建光纜路由通道,一般其中一端或兩端變電站為新建變電站,有時(shí)也存在原相鄰變電站之間無光纜通道,需要新架光纜構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)的情況;技改工程即原先存在光纜路由,但是因?yàn)楣饫|老舊或損傷,整條光纜需要改造的工程;檢修一般是在光纜線路存在故障或突發(fā)情況下進(jìn)行的修理工程。新建工程一般具有詳細(xì)的設(shè)計(jì)圖紙和充分的準(zhǔn)備時(shí)間;技術(shù)改造工程需要對(duì)現(xiàn)有路由進(jìn)行分析并考慮對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信業(yè)務(wù)的影響;修理項(xiàng)目因?yàn)槠渫话l(fā)性和及時(shí)性要求高,施工成本也相對(duì)較高。
(4)地形地貌:平原郊區(qū)、市區(qū)和山地丘陵地帶的施工費(fèi)用均不同。市區(qū)下跨線路復(fù)雜,道路、10kV桿線和弱電線路錯(cuò)綜分布。郊區(qū)的施工條件相對(duì)穩(wěn)定。山地條件下施工難度大、作業(yè)進(jìn)度慢,施工成本也相對(duì)較高。
(5)光纜接頭數(shù)量:光纜中間接頭的數(shù)量也對(duì)光纜線路施工的造價(jià)有較大影響。光纜接頭越多,光纜的熔接費(fèi)用也就越高。
(6)光纜芯數(shù):不同芯數(shù)的光纜的熔接、架線施工費(fèi)、測(cè)試費(fèi)用對(duì)整體造價(jià)均有不同程度的影響。
(7)測(cè)試環(huán)境:測(cè)試要求、測(cè)試人員及裝備對(duì)工程造價(jià)也存在一定的影響。
(8)氣候條件:在寒冷的冬季及雨水天氣施工時(shí),工程的造價(jià)會(huì)相對(duì)較高。
(9)進(jìn)站方式:光纜進(jìn)入變電站時(shí),有些是通過站外的管道進(jìn)變電站通信機(jī)房,有些是從變電站構(gòu)架引下進(jìn)入機(jī)房,二者的施工費(fèi)用存在差別。
(10)耐張段比例:一般情況下,耐張段施工的工藝較直線段施工相對(duì)復(fù)雜,所需的造價(jià)也更高。
(11)塔基數(shù)量:不同線路的桿塔類型和桿塔數(shù)量不一致,一般35kV線路為鋼管塔或鐵塔,110kV及以上線路主要是鐵塔。塔基數(shù)量越多,需要的金具和緊固件也越多,造價(jià)也就越高。
在以上影響造價(jià)的眾多因素中需要找到最能影響工程造價(jià)的關(guān)鍵因素。可以先對(duì)這些因素分類整理,確定量化因素和質(zhì)化因素,利用層次分析法建立指標(biāo)的分析模型,由此確定那些關(guān)鍵指標(biāo)。層次分析模型如圖3所示。
圖3 ADSS光纜架設(shè)工程層次分析模型
然后利用saaty標(biāo)度法構(gòu)建各級(jí)判斷矩陣,由此得到各級(jí)矩陣的權(quán)重指標(biāo)如表1、表2、表3所示。
表1 第一層—第二層
表2 量化指標(biāo)層—量化因素層
表3 質(zhì)化指標(biāo)層&質(zhì)化因素層
對(duì)各層級(jí)的判斷矩陣單排序進(jìn)行一致性檢驗(yàn),得到各層級(jí)的CR的值均小于0.1,即滿足一致性檢驗(yàn)要求。進(jìn)而可以計(jì)算第三層所有指標(biāo)的復(fù)合權(quán)重,如表4所示。
表4 復(fù)合權(quán)重表
根據(jù)復(fù)合權(quán)重值的計(jì)算結(jié)果,可以得出影響ADSS光纜架設(shè)工程估價(jià)的最重要的5個(gè)關(guān)鍵因素是光纜長(zhǎng)度、光纜單價(jià)、工程類型、接頭數(shù)量和地形地貌。
以專門從事電力通信施工的某施工單位為參考案例,選取了該公司2020年ADSS光纜架設(shè)的部分項(xiàng)目的工程造價(jià),得到了28個(gè)單條ADSS線路的的造價(jià)數(shù)據(jù)和工程信息。其中25組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本,3組數(shù)據(jù)為檢測(cè)樣本。對(duì)于工程類型和地形地貌2個(gè)質(zhì)化指標(biāo),使用數(shù)字1、2、3進(jìn)行這些指標(biāo)的定量化。如工程類型指標(biāo)中,1表示新建工程,2表示技改工程,3表示檢修工程;在地形地貌指標(biāo)中,1表示平原郊區(qū),2表示市區(qū),3表示山地丘陵地區(qū)。具體數(shù)據(jù)如表5所示。
表5 ADSS光纜架設(shè)工程造價(jià)樣本量化結(jié)果
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本文使用MATLAB軟件中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建、訓(xùn)練和檢測(cè)。根據(jù)柯爾莫哥洛夫定理選擇隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為2m+1,m為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù),在本案例中m為5,即隱含層節(jié)點(diǎn)選擇11。輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)量為1。在MATLAB中完成對(duì)樣本數(shù)據(jù)的歸一化和反歸一化處理。隱含層的轉(zhuǎn)換函數(shù)選擇tan-sigmiod函數(shù),訓(xùn)練函數(shù)選擇L-M算法,完成前20組的樣本訓(xùn)練之后,得到了相對(duì)應(yīng)的的收斂示意圖,如圖4所示。由圖像顯示訓(xùn)練效果良好。
圖4 網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證收斂曲線圖
在MATLAB命令窗口輸入檢測(cè)樣本的三組數(shù)據(jù),并調(diào)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù),即可得到對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)造價(jià),將預(yù)測(cè)造價(jià)和實(shí)際造價(jià)對(duì)比可計(jì)算出預(yù)測(cè)的偏差率。如表6所示。
通過對(duì)比檢測(cè)樣本的預(yù)測(cè)值和實(shí)際值可以發(fā)現(xiàn),偏差率都能控制在11%以內(nèi),大部分偏差率能控制在5%以內(nèi),說明本模型能滿足ADSS光纜架設(shè)工程造價(jià)估算的要求。部分樣本的偏差率高于10%,后續(xù)可以通過增加訓(xùn)練樣本數(shù)量來繼續(xù)優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù),完全有能力使得預(yù)測(cè)值繼續(xù)逼近真實(shí)值。結(jié)果值得注意的是,本模型針對(duì)的是單條ADSS光纜線路架設(shè)的預(yù)測(cè)情景,如果項(xiàng)目涉及多條線路的架設(shè)工作,則需根據(jù)模型將每條線路的估算值累加求和。
本文運(yùn)用層次分析法確定影響單條ADSS光纜架設(shè)工程造價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo),通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建估算模型。結(jié)果表明,本模型可以在前期工程信息不多的情況下準(zhǔn)確、快速地完成ADSS光纜架設(shè)工程造價(jià)的估算,有非常良好的應(yīng)用前景。