基于多層次模糊和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水利工程項(xiàng)目綜合效益評價分析

王偉偉

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆 伊寧 835000)

0 引 言

“十三五”以來，國家加快了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度，在交通、水利、市政方面投入巨大。但同時國家也在改變以往的發(fā)展理念，以前只注重經(jīng)濟(jì)效益，忽視社會、生態(tài)效益問題，產(chǎn)生了大量的負(fù)面效應(yīng)[1]。因此，對于水利工程而言，政府叫停或者放緩了許多中小型水利工程設(shè)施的開發(fā)建設(shè)，以保證社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

為了使經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)三者協(xié)調(diào)發(fā)展，充分論證水利工程建設(shè)項(xiàng)目的可行性，就必須提高項(xiàng)目綜合效益評價的理論水平，并選擇合適的評價方法和手段，才能使水利工程項(xiàng)目的效益評價結(jié)果更準(zhǔn)確，更貼近于實(shí)際[2-5]。在評價項(xiàng)目效益時，目前有多種方法，如專家評價法、經(jīng)濟(jì)分析法、灰色決策評價法、可拓決策評價法、AHP法、模糊綜合評價法、DEA法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等等[6]。其中，豐景春、黃飛燕等利用模糊評價法對水利工程規(guī)劃建設(shè)的效果進(jìn)行了評價分析[7-8]；劉昌宇、王振興等則采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對水利工程建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行了綜合評價分析[9-10]。

雖然經(jīng)歷了多年的發(fā)展，但不同的評價方法均有其局限性，多層次模糊綜合評價法成功將定性問題轉(zhuǎn)化為定量分析，但其指標(biāo)權(quán)重容易受專家主觀臆斷的影響。而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在一定程度上可以解決這一問題，因此綜合運(yùn)用評價方法成為提高項(xiàng)目評價結(jié)果可靠性的主要途徑，其主要有兩類：一是同時使用多種方法進(jìn)行評價，然后對結(jié)果進(jìn)行分析，得出最終評價；二是綜合運(yùn)用多種理論方法形成新方法，這種方法是一種趨勢但難度極大且不易成熟。考慮到上述情況，本文綜合采用多層次模糊綜合評價和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法對某水利工程項(xiàng)目進(jìn)行綜合評價，以期為工程的建設(shè)實(shí)施提供借鑒與參考。

1 工程概況

新疆伊犁河流域B渠工程總長200 km以上，主要由輸水明渠及渠系建筑物(閘、涵)、隧洞、輸水涵洞、輸水渡槽、退水系統(tǒng)、防洪系統(tǒng)及伴渠道路、農(nóng)渠管理站、變電所等附屬設(shè)施等組成。渠道工程設(shè)計(jì)控制灌溉面積5.066 7×104hm2，灌區(qū)主要包括3個行政鄉(xiāng)，由多民族構(gòu)成，總?cè)丝诩s為10.5萬人，區(qū)內(nèi)主要以種植業(yè)、園林和畜牧業(yè)為主，人均收入13 044元。區(qū)內(nèi)多年平均氣溫5.9℃，多年平均降雨量412.1 mm，多年平均蒸發(fā)量約為1 550 mm，區(qū)域內(nèi)主要垂直自上而下的土壤分布形式為高山草甸土、亞高山草甸土、灰褐色森林土、山地黑鈣土以及山地栗鈣土。

2 評價方法簡介

2.1 多層次模糊綜合評價法

模糊評價法在因素較多時，指標(biāo)的權(quán)重分配較為困難，有些指標(biāo)也難以定量。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，形成多層次模糊評價分析法，使難以量化的定性問題得以量化解決，并根據(jù)行業(yè)內(nèi)有權(quán)威的專家進(jìn)行打分獲得指標(biāo)權(quán)重，從而計(jì)算得到評價結(jié)果。此方法的計(jì)算過程為：①確定建設(shè)項(xiàng)目綜合評價因素集A；②對各個評價因素進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，確定W；③對隸屬度進(jìn)行計(jì)算，得到評價矩陣R；④將W和R進(jìn)行相乘，得到綜合評判指標(biāo)矩陣P，獲取最優(yōu)方案。

2.2 BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法

BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過內(nèi)部樣本訓(xùn)練獲得指標(biāo)權(quán)重，避免了專家打分主管臆斷性的影響，其由輸入、輸出和隱含層組成，見圖1。其主要計(jì)算過程如下：①賦初始權(quán)值(初始化)；②輸入學(xué)習(xí)樣本；③進(jìn)行正向計(jì)算；④進(jìn)行反向計(jì)算，獲得誤差δjK；⑤對權(quán)重值進(jìn)行修正；⑥判別，若計(jì)算滿足k+1>N，且E<ε，則計(jì)算終止，否則重復(fù)步驟②～⑥進(jìn)行計(jì)算。

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

3 指標(biāo)體系的建立

遵循持續(xù)性、和諧性、以人為本、公眾參與、公平性原則，從經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)環(huán)境3方面進(jìn)行評價分析。其中，目標(biāo)層為水利工程項(xiàng)目綜合效益評價體系，準(zhǔn)則層包括經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)、社會效益指標(biāo)以及生態(tài)環(huán)境效益評價，指標(biāo)層為盈利能力、效益分配效果、社會就業(yè)效果、水土保持評價指標(biāo)、生態(tài)環(huán)境效果等16個指標(biāo)，分指標(biāo)層則是對各指標(biāo)進(jìn)行分解定義并使其公式化、明細(xì)化(由于涉及內(nèi)容較多，版面有限，在文中不一一列出)，建立的指標(biāo)體系見表1。

表1 B渠工程建設(shè)項(xiàng)目綜合效益評價體系

4 評價結(jié)果分析

4.1 多層次模糊綜合評價法結(jié)果分析

根據(jù)建立的B渠工程建設(shè)項(xiàng)目綜合效益評價體系，建立B渠工程綜合效益的多層次模糊綜合評價模型，見圖2。將整體工程分為有項(xiàng)目(實(shí)施項(xiàng)目)和無項(xiàng)目(未實(shí)施項(xiàng)目)兩種方案進(jìn)行對比分析。

圖2 多層次模糊綜合評價模型結(jié)構(gòu)

現(xiàn)將主要計(jì)算過程說明如下：

1) 構(gòu)建評價因素集A=[B1B2B3B4B5]。

2) 根據(jù)11位專家評價結(jié)果，構(gòu)造兩兩判斷矩陣(表2)，采用德爾菲法確定各效果層相互之間的重要性，經(jīng)歸一化處理后，得到效果層權(quán)向量W=(0.195,0.195，0.195,0.277,0.138)，經(jīng)一致性檢驗(yàn)得到C*R*=0.027<0.1，表明其具有良好的一致性結(jié)果；對專家確定的指標(biāo)權(quán)重值進(jìn)行排序，得到指標(biāo)層的權(quán)重向量W=[0.068,0.039,0.070,0.031,0.041,0.066,0.043,0.049,0.075,0.122,0.155,0.084,0.038,0.026,0.046,0.058]。

表2 判斷矩陣示例

3) 然后，確定評語集V={V1(很好)V2(較好)V3(一般)V4(較差)V5(很差)}，標(biāo)準(zhǔn)隸屬度函數(shù)為U={U1(1.0)U2(0.8)U3(0.5)U4(0.2)U5(0.0)}，通過計(jì)算得到評價矩陣R：

4) 將指標(biāo)權(quán)向量W和評價矩陣R進(jìn)行相乘，獲得綜合評判指標(biāo)矩陣P=[0.626,0.306]?？梢?，在有項(xiàng)目情況下，評價結(jié)果為0.626；無項(xiàng)目時，評價結(jié)果為0.306，實(shí)施項(xiàng)目后的整體評價結(jié)果遠(yuǎn)大于未實(shí)施項(xiàng)目的評價結(jié)果，表明該水利工程可行。

4.2 BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合評價法結(jié)果分析

根據(jù)分析成果，建立BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合評價模型結(jié)構(gòu)，見圖3。

圖3 BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合評價模型結(jié)構(gòu)

根據(jù)模型結(jié)構(gòu)，將指標(biāo)層作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入節(jié)點(diǎn)，隱含層的傳遞函數(shù)則選用Sigmoid函數(shù)(并通過試算最終確定為8個節(jié)點(diǎn))，輸出層則采用Purelin 函數(shù)，所采用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意見圖4。

圖4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

主要計(jì)算分析過程如下：

1) 選取6組工程項(xiàng)目的相關(guān)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)，并增加2組數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)，以確保輸出結(jié)果與專家評價結(jié)果相接近，經(jīng)過2 614次訓(xùn)練分析后，得到6組數(shù)據(jù)訓(xùn)練曲線與目標(biāo)曲線的誤差分析結(jié)果，見圖5。從圖5中可以看到，采用的樣本數(shù)據(jù)經(jīng)過多次訓(xùn)練后，趨于目標(biāo)曲線，滿足期望誤差的相關(guān)要求；BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練輸出結(jié)果與多層次模糊評價結(jié)果對比結(jié)果見表3。

圖5 訓(xùn)練情況

表3 BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練輸出結(jié)果與多層次模糊評價結(jié)果對比

2) 將檢驗(yàn)組數(shù)據(jù)輸入到已經(jīng)訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)模型中，最終得到的評價指數(shù)為0.1292和0.5696。結(jié)果表明，第八組的評價結(jié)果優(yōu)于第七組，且與專家利用多層次模糊評價法得到的結(jié)果基本吻合，可用于該工程的社會評價中，并排除了認(rèn)為主觀因素的影響。

3) 將各指標(biāo)的數(shù)據(jù)輸入到訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，獲得各評價指標(biāo)的最終評價分?jǐn)?shù)，見表4。經(jīng)過已訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)模型最終計(jì)算得到的該工程的綜合效益評價分?jǐn)?shù)為0.682，表明B渠工程建設(shè)項(xiàng)目是可行的。

表4 B渠工程建設(shè)項(xiàng)目各指標(biāo)綜合效益評價結(jié)果

4.3 兩種方法結(jié)論對比

從以上分析可知，基于多層次模糊評價法得到的B渠工程建設(shè)項(xiàng)目綜合效益評價得分為0.626，而基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法得到的B渠工程建設(shè)項(xiàng)目綜合效益評價得分為0.682，兩種方法計(jì)算結(jié)果基本吻合，表明該工程項(xiàng)目的綜合評價結(jié)果為可行。

5 結(jié) 論

本文利用多層次模糊評價法和BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對新疆伊犁地區(qū)某渠道水利工程的項(xiàng)目效益進(jìn)行了綜合評價，從綜合評價結(jié)果來看，B渠工程建設(shè)項(xiàng)目可行。綜合評價方法可避免單一評價方法的局限性所帶來的評價誤差，可提高項(xiàng)目整體的評價準(zhǔn)確性，評價方法對于其它工程而言具有借鑒意義。