基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的渠道襯砌機(jī)施工績(jī)效預(yù)測(cè)

楊耀紅YANG Yao-hong；薛光緒XUE Guang-xu

（華北水利水電大學(xué)，鄭州450011）

0 引言

南水北調(diào)中線(xiàn)工程沿線(xiàn)主要是渠道工程，渠道襯砌設(shè)備施工績(jī)效直接影響南水北調(diào)中線(xiàn)工程進(jìn)度。渠道襯砌設(shè)備施工績(jī)效受到多種因素的影響，各種影響因素和設(shè)備施工績(jī)效之間呈現(xiàn)復(fù)雜的非線(xiàn)性關(guān)系。目前，關(guān)于渠道襯砌設(shè)備施工績(jī)效預(yù)測(cè)研究成果較少，文獻(xiàn)[1-3]對(duì)渠道襯砌設(shè)備施工績(jī)效和其影響因素之間的關(guān)系，只是做了一些定性討論，并未做定量研究。找出施工績(jī)效與影響因素之間的定性關(guān)系，預(yù)測(cè)渠道襯砌設(shè)備施工績(jī)效，對(duì)于南水北調(diào)中線(xiàn)工程的進(jìn)度計(jì)劃安排、資源配置以及其他有關(guān)工程具有一定的指導(dǎo)意義。

1 渠道襯砌設(shè)備施工績(jī)效影響因素的影響機(jī)理

影響渠道襯砌設(shè)備施工績(jī)效的因素較多。通過(guò)查閱相關(guān)方面的資料和工程實(shí)地調(diào)研，收集、整理、分析了渠道襯砌設(shè)備施工績(jī)效影響因素，包括6個(gè)一級(jí)影響因素和16個(gè)二級(jí)影響因素。

1.1 組織安排 ①施工作業(yè)人員協(xié)作和穩(wěn)定程度：襯砌設(shè)備施工前，對(duì)即將參與襯砌施工的全體人員進(jìn)行一個(gè)總體的分工，通過(guò)合理有序的分工，使每個(gè)人員各司其職，高效的完成自己所分配的任務(wù)，也有利于提高襯砌設(shè)備施工績(jī)效。同時(shí)，同一臺(tái)設(shè)備頻繁更換操作人員，也直接影響設(shè)備施工績(jī)效。②員工培訓(xùn)力度：對(duì)參與襯砌施工的全部人員，進(jìn)行全面、持續(xù)的培訓(xùn)，不斷提高這些人員的素質(zhì)和技能，有利于提高襯砌設(shè)備施工績(jī)效。③管理人員狀況：施工管理人員是襯砌設(shè)備施工現(xiàn)場(chǎng)最直接的調(diào)度指揮人員，做好設(shè)備的施工計(jì)劃，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際施工情況及時(shí)做出相應(yīng)調(diào)整，是提高襯砌設(shè)備施工績(jī)效的重要工作。

1.2 資源配置 ①設(shè)備狀況：襯砌設(shè)備本身的技術(shù)水平、施工質(zhì)量可靠性、易維護(hù)程度等必然直接影響著襯砌施工績(jī)效。②配套狀況：渠道襯砌設(shè)備施工所需要的混凝土攪拌站、混凝土罐車(chē)、抹光機(jī)等配套設(shè)備的數(shù)量、質(zhì)量以及維修狀況，也必然影響襯砌機(jī)施工績(jī)效。③作業(yè)人員狀況：作業(yè)人員是襯砌設(shè)備的直接操作者和使用者，他們的基本素質(zhì)和技術(shù)水平、熟練程度將會(huì)對(duì)襯砌設(shè)備施工績(jī)效產(chǎn)生較大影響。

1.3 澆筑狀況 ①厚度：混凝土的澆筑厚度是襯砌設(shè)備施工績(jī)效的直接影響因素，澆筑厚度越厚，混凝土的需求量就越大，受布料機(jī)運(yùn)輸速度的限制，施工績(jī)效就會(huì)降低。②坡長(zhǎng)：渠道的襯砌深度和渠坡坡比決定著襯砌的坡長(zhǎng)，而渠坡的長(zhǎng)度又直接決定著混凝土的澆筑量，進(jìn)而影響渠道襯砌設(shè)備施工績(jī)效。③天氣狀況：天氣狀況的好壞對(duì)襯砌設(shè)備施工績(jī)效的影響是顯而易見(jiàn)的，在有效施工時(shí)間，遇到小雨、刮風(fēng)等不良天氣狀況，需要采取必要的防范措施，否則襯砌設(shè)備施工績(jī)效將會(huì)大打折扣。

1.4 緊前工作 ①土工膜鋪設(shè)及焊接：土工膜鋪設(shè)及焊接是襯砌設(shè)備施工的緊前工作，其鋪設(shè)速度的快慢及施工規(guī)范化程度間接地影響著襯砌設(shè)備施工績(jī)效。②保溫板鋪設(shè)：保溫板鋪設(shè)是土工膜鋪設(shè)及焊接的緊前工作，其鋪設(shè)速度的快慢及施工規(guī)范化的程度間接地影響著襯砌設(shè)備施工績(jī)效。③反濾料鋪設(shè)：反濾料鋪設(shè)是保溫板鋪設(shè)的緊前工作，其鋪設(shè)速度的快慢及施工規(guī)范化程度間接地影響著襯砌設(shè)備施工績(jī)效。④軟式透水管鋪設(shè)：軟式透水管鋪設(shè)是反濾料鋪設(shè)的緊前工作，其鋪設(shè)速度的快慢及施工規(guī)范化程度間接地影響著襯砌設(shè)備施工績(jī)效。⑤管溝開(kāi)挖：管溝開(kāi)挖是軟式透水管鋪設(shè)的緊前工作，其開(kāi)挖速度的快慢及施工規(guī)范化程度間接地影響著襯砌設(shè)備施工績(jī)效。

1.5 緊后工作 切縫：襯砌施工完畢后，當(dāng)其強(qiáng)度達(dá)到1～5Mpa時(shí)進(jìn)行切縫最為適宜，因此掌握好切縫的最佳時(shí)間并快速及時(shí)的切縫對(duì)后續(xù)的襯砌設(shè)備施工來(lái)說(shuō)尤為重要。沒(méi)有及時(shí)切縫容易造成混凝土襯砌裂縫，所以沒(méi)有及時(shí)切縫將造成襯砌機(jī)被迫停止繼續(xù)推進(jìn)，等待切縫跟上。切縫機(jī)配備、切縫班組工人素質(zhì)和熟練程度直接影響切縫效率。

1.6 其他 協(xié)調(diào)能力：襯砌設(shè)備施工的各個(gè)工序之間的銜接和配合形成了一個(gè)完整的系統(tǒng)，對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)能否良好運(yùn)行，各個(gè)工序之間的配合協(xié)調(diào)能力尤為關(guān)鍵，其對(duì)襯砌設(shè)備施工績(jī)效影響較大。

2 渠道襯砌設(shè)備施工績(jī)效預(yù)測(cè)研究方法

2.1 渠道襯砌設(shè)備施工績(jī)效影響因素取值 16個(gè)二級(jí)影響因素中包括定性和定量?jī)煞N因素，為了能將因素輸入模糊推理系統(tǒng)進(jìn)行推理，需要對(duì)輸入因素進(jìn)行處理。在這個(gè)模糊推理系統(tǒng)中，定性和定量?jī)煞N因素取值必須在[0,1]區(qū)間內(nèi)，輸入模型才有效。

2.1.1 定量因素的處理 二級(jí)影響因素中只有混凝土厚度和坡比這兩個(gè)定量因素，且取值不在[0,1]區(qū)間內(nèi)，我們采用歸一化處理的方法，使處理后的相對(duì)值能夠反應(yīng)單個(gè)影響因素的優(yōu)劣。

渠道襯砌厚度設(shè)為X，最大厚度為Xmax，則相對(duì)值為Xi/Xmax。

表1 坡比及相對(duì)值

2.1.2 定性因素的處理 對(duì)于定性因素，采用7級(jí)取值方法，為了能夠反映單個(gè)影響因素的優(yōu)劣，我們采用固定最大值歸一化處理的方法，設(shè)最大值為Xmax，則歸一化處理后的相對(duì)值為Xi/Xmax，見(jiàn)表2。

2.1.3 績(jī)效值的處理 根據(jù)渠道襯砌機(jī)的施工情況，設(shè)一臺(tái)襯砌機(jī)的一天標(biāo)準(zhǔn)襯砌量是40米?？紤]到襯砌機(jī)施工期間，受到天氣、設(shè)備維護(hù)、設(shè)備調(diào)動(dòng)等因素的影響，所以一臺(tái)襯砌機(jī)的有效工作天數(shù)按一個(gè)月22天計(jì)算，那么一臺(tái)襯砌機(jī)一個(gè)月的標(biāo)準(zhǔn)襯砌量是880米，每臺(tái)襯砌機(jī)的月實(shí)際工作量除以880米，作為該襯砌機(jī)的績(jī)效值。

2.2 模糊推理系統(tǒng) 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊推理機(jī)制[4]，渠道襯砌設(shè)備施工績(jī)效預(yù)測(cè)模糊推理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模糊推理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)共包含5層，為了簡(jiǎn)化圖形，假定模糊推理系統(tǒng)有兩輸入變量x和y，實(shí)際在本系統(tǒng)中有16個(gè)輸入變量，規(guī)則集如下：

規(guī)則1：如果x是A1and y是B1，那么

規(guī)則1：如果x是A2and y是B2，那么

第1層：這一層的每個(gè)結(jié)點(diǎn)i是一個(gè)有結(jié)點(diǎn)函數(shù)的自適應(yīng)結(jié)點(diǎn)。

這里x（或y）是結(jié)點(diǎn)i的輸入，A（或B）是與該結(jié)點(diǎn)有關(guān)的語(yǔ)言標(biāo)識(shí)（如“好”或“差”）。O1,i是模糊集 A（=A1，A2，B1或B2）的隸屬度，并且它確定了給定輸入x（或y）滿(mǎn)足A的程度。這里A的隸屬函數(shù)可以是任意合適的參數(shù)化隸屬函數(shù)，如一般的鐘型函數(shù)：

式中 ｛ai， bi，ci｝是參數(shù)集。當(dāng)這些參數(shù)的值改變時(shí)，鐘型函數(shù)也隨之改變，這樣展示了模糊集A的不同隸屬函數(shù)形式。本層參數(shù)稱(chēng)為前提參數(shù)。

第2層：這一層的每個(gè)結(jié)點(diǎn)是一個(gè)標(biāo)以∏的固定結(jié)點(diǎn)，它的輸出是所有輸入信號(hào)的積：

每個(gè)結(jié)點(diǎn)的輸出表示一條規(guī)則的激勵(lì)強(qiáng)度。

第3層：這一層的每個(gè)結(jié)點(diǎn)是一個(gè)標(biāo)以N的固定結(jié)點(diǎn)。第i個(gè)結(jié)點(diǎn)計(jì)算第i條規(guī)則的激勵(lì)強(qiáng)度與所有規(guī)則的激勵(lì)強(qiáng)度之和的比值：

為方便起見(jiàn)，本層的輸出稱(chēng)為歸一化激勵(lì)強(qiáng)度。

第4層：這一層的每個(gè)結(jié)點(diǎn)i是一個(gè)有結(jié)點(diǎn)函數(shù)的自適應(yīng)結(jié)點(diǎn)。

第5層：這一層的單結(jié)點(diǎn)是一個(gè)標(biāo)以Σ的固定結(jié)點(diǎn)，它計(jì)算所有傳來(lái)信號(hào)之和作為總輸出：

模糊推理系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化計(jì)算，采用反向傳播算法與最小二乘法相結(jié)合的混合法[5]。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練采用允許誤差控制，當(dāng)訓(xùn)練得到的誤差值不大于允許誤差時(shí)，則停止訓(xùn)練，保存得到的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；若不能滿(mǎn)足要求，應(yīng)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)或增加樣本數(shù)量，再訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，直到得到滿(mǎn)意結(jié)果為止。

3 實(shí)證研究

通過(guò)工程實(shí)地調(diào)研，共得到25臺(tái)渠道襯砌機(jī)的影響因素值和施工績(jī)效值。另外，設(shè)最優(yōu)襯砌機(jī)的各個(gè)因素的相對(duì)值均為1，最差襯砌機(jī)的各個(gè)因素的相對(duì)值均為0，關(guān)于影響渠道襯砌設(shè)備施工績(jī)效的因素取值，一共有25組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)中有16個(gè)因素值，1個(gè)績(jī)效值。從中任意選出20組數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練組，剩余5組數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)檢驗(yàn)組，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練組的數(shù)據(jù)如表3（因數(shù)據(jù)組數(shù)比較多，故只列出了其中6組數(shù)據(jù)）。

表3

表4

訓(xùn)練得到的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，函數(shù)圖形如圖3所示。

圖2 訓(xùn)練得到的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖3 訓(xùn)練得到的函數(shù)圖形

網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練好以后，保存好相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，就可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)檢驗(yàn)了，網(wǎng)絡(luò)檢驗(yàn)組的數(shù)據(jù)如表4。

將以上數(shù)據(jù)輸入訓(xùn)練好的模糊推理系統(tǒng)，檢驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，檢驗(yàn)誤差為0.0199，滿(mǎn)足要求。

圖4 預(yù)測(cè)值和實(shí)際值的比較

4 結(jié)論

針對(duì)渠道襯砌設(shè)備施工績(jī)效預(yù)測(cè)這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)工程實(shí)地調(diào)查，確定了影響渠道襯砌機(jī)施工績(jī)效的16個(gè)影響因素，并得到了25臺(tái)襯砌機(jī)的施工實(shí)際值；然后基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了渠道襯砌設(shè)備施工績(jī)效預(yù)測(cè)系統(tǒng)；最后利用實(shí)證數(shù)據(jù)進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和網(wǎng)絡(luò)檢驗(yàn)。研究表明，利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自組織、自學(xué)習(xí)和處理不精確信息的能力，能夠?qū)η酪r砌設(shè)備施工績(jī)效進(jìn)行有效準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)渠道襯砌設(shè)備施工績(jī)效進(jìn)行預(yù)測(cè)是實(shí)用和可行的，可為南水北調(diào)中線(xiàn)工程及其它工程的進(jìn)度計(jì)劃安排和資源配置提供實(shí)際參考。

[1]許慶河,諸葛梅君.南水北調(diào)中線(xiàn)總干渠襯砌施工關(guān)鍵技術(shù)[J].人民黃河,2010,32(7):137-138.

[2]張躍松.南水北調(diào)渠道混凝土襯砌施工技術(shù)[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2010,31(5):75-76.

[3]楊謝蕓,簡(jiǎn)興昌,李靜.南水北調(diào)中線(xiàn)工程大型渠道混凝土施工方案選擇[J].人民長(zhǎng)江,2010,41(16):75-76.

[4]張智星,孫春在,水谷英二.神經(jīng)-模糊和軟計(jì)算[M].西安交通大學(xué)出版社,2000(12):238-240.

[5]張國(guó)良,曾靜,柯熙政,鄧方林.模糊控制及其MATLAB應(yīng)用[M].西安交通大學(xué)出版社,2002(2):63-68.