于培勇 錢 峰

1.東南大學(xué)；2.江蘇永源電力安裝有限公司

0 引言

隨著我國電網(wǎng)工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電力行業(yè)對工程造價(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，不僅對投資決策有著重大影響，對后續(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、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)簡單且壽命較長，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。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。

1 原理與方法

1.1 層次分析法

層次分析法，簡稱AHP，由美國運(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。

1.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

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

2 估算模型的建立和應(yīng)用

2.1 工程估算價(jià)格的影響因素分析

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）光纜長度：ADSS光纜長度對光纜施工造價(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)商對于同樣規(guī)格型號和材質(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)改造工程需要對現(xiàn)有路由進(jìn)行分析并考慮對現(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，施工成本也相對較高。

（5）光纜接頭數(shù)量：光纜中間接頭的數(shù)量也對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)、測試費(fèi)用對整體造價(jià)均有不同程度的影響。

（7）測試環(huán)境：測試要求、測試人員及裝備對工程造價(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。

2.2 指標(biāo)體系的建立

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?？梢韵葘@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)建各級判斷矩陣，由此得到各級矩陣的權(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

對各層級的判斷矩陣單排序進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，得到各層級的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)鍵因素是光纜長度、光纜單價(jià)、工程類型、接頭數(shù)量和地形地貌。

2.3 數(shù)據(jù)樣本的處理

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)為檢測樣本。對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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2.4 參數(shù)選擇和網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練

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。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

2.5 預(yù)測結(jié)果分析

在MATLAB命令窗口輸入檢測樣本的三組數(shù)據(jù)，并調(diào)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)，即可得到對應(yīng)的預(yù)測造價(jià)，將預(yù)測造價(jià)和實(shí)際造價(jià)對比可計(jì)算出預(yù)測的偏差率。如表6所示。

通過對比檢測樣本的預(yù)測值和實(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)測值繼續(xù)逼近真實(shí)值。結(jié)果值得注意的是，本模型針對的是單條ADSS光纜線路架設(shè)的預(yù)測情景，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。

3 結(jié)束語

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。