基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機庫工程建設(shè)項目質(zhì)量綜合評估

戰(zhàn)希臣 武學(xué)忠 鄭海平

[摘 要] 飛機機庫是一個先進、復(fù)雜、可靠的完備技術(shù)體系，飛機機庫工程建設(shè)項目則是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，可以為提升飛機維修保障能力提供重要的支撐平臺。為了準確地反映飛機機庫工程建設(shè)項目質(zhì)量的現(xiàn)實狀況，結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性映射、自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)等特點，構(gòu)建項目質(zhì)量綜合評估模型，并進行了仿真驗證，分析結(jié)果表明，運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行綜合評估，可以修正專家打分法的主觀隨意性，提高綜合評估結(jié)果的準確性和可靠性，可以為項目質(zhì)量綜合評估提供實用方法和理論依據(jù)。

[關(guān)鍵詞] 機庫工程建設(shè)項目；項目質(zhì)量；指標體系；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 05. 030

[中圖分類號] TP18；TU712.3 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2018）05- 0071- 02

0 引 言

隨著大量先進飛機裝備部隊，飛機機庫工程建設(shè)項目越來越多，工程量越來越大，對機庫工程建設(shè)質(zhì)量的要求也越來越高。飛機機庫多采用尖端的國防科學(xué)技術(shù)，是一個先進、復(fù)雜、可靠的完備技術(shù)體系，因此，只有注重飛機機庫工程建設(shè)項目質(zhì)量，才能確保飛機維修保障能力的提升，為飛機維修保障提供先進的技術(shù)平臺。運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反映機庫工程建設(shè)項目質(zhì)量的現(xiàn)實狀況，可以為機庫工程建設(shè)質(zhì)量評估提供高效的方法。

1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型引理

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運算具有較強的適應(yīng)性，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)進行網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)參數(shù)主要包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、隱層單元數(shù)、輸入/輸出層數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)初始權(quán)值、網(wǎng)絡(luò)閾值、網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練最大期望誤差等。在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中，把采集到的飛機機庫建設(shè)質(zhì)量數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然后，根據(jù)數(shù)據(jù)特征和數(shù)據(jù)多少選擇合適的訓(xùn)練函數(shù)進行訓(xùn)練，運用網(wǎng)絡(luò)期望誤差與網(wǎng)絡(luò)最大訓(xùn)練次數(shù)對訓(xùn)練函數(shù)進行控制，確認函數(shù)是否收斂，使誤差滿足所提出的精確要求，若函數(shù)收斂，則保存網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果，形成權(quán)值閾值矩陣；若不收斂，則通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及訓(xùn)練參數(shù)，進入新一輪學(xué)習(xí)。

1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，在任何閉區(qū)間內(nèi)的一個連續(xù)函數(shù)均可用至少一個S型隱含層加上一個線性輸出層的網(wǎng)絡(luò)來逼近。應(yīng)優(yōu)先考慮增加神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層中的神經(jīng)元數(shù)，來達到訓(xùn)練誤差要求并使網(wǎng)絡(luò)盡快收斂。實踐表明，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用輸入層—隱層—輸出層結(jié)構(gòu)，比較適應(yīng)于飛機機庫工程建設(shè)項目質(zhì)量評估。

1.2 隱層單元數(shù)量的確定

就BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)而言，隱層單元數(shù)量是反映機庫工程建設(shè)項目影響因素并體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的因素中。隱層單元數(shù)量與輸入、輸出單元數(shù)量以及影響因素的復(fù)雜程度直接相關(guān)。如果隱層單元數(shù)量過多，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就會很復(fù)雜，訓(xùn)練過程中運算速度就會降低，可能會出現(xiàn)神經(jīng)元冗余現(xiàn)象；如果隱層單元數(shù)量過少，那么神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所能反映的影響機庫工程建設(shè)項目的因素就會太少，則有可能導(dǎo)致訓(xùn)練難以收斂和精確度下降，進而影響神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的辨別能力降低，使輸出的仿真結(jié)果難以準確反映被評估對象的現(xiàn)實狀況。借鑒Robert Hecht提出的隱層單元數(shù)為2N+1，其中N為輸入節(jié)點數(shù)。結(jié)合飛機機庫工程建設(shè)項目實際，選用經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜑椋弘[層單元數(shù)≤■+1，其中，N為輸入節(jié)點數(shù)，L為輸出節(jié)點數(shù)。因為影響因素選取了20個，即 N=20，輸出節(jié)點 L=1，最終確定隱層單元數(shù)為10個節(jié)點。

1.3 輸入/輸出數(shù)據(jù)的確定

在機庫工程建設(shè)項目質(zhì)量評估過程中，由于涉及的項目質(zhì)量因素很多，能夠反映項目質(zhì)量的各種情況又千差萬別，在實際的綜合評估過程中不可能將因素數(shù)據(jù)全部考慮在內(nèi)，因此，考慮到項目質(zhì)量綜合評估實際情況和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的要求，選擇輸入數(shù)據(jù)為質(zhì)量綜合評估的20個指標作為控制點，輸出數(shù)據(jù)即為項目質(zhì)量綜合評估的結(jié)果。

2 綜合評估指標體系的構(gòu)建

以機庫工程建設(shè)項目質(zhì)量的綜合評估為目標，以人員因素、材料因素、機械設(shè)備因素、方案因素、環(huán)境因素為一級指標，進行分解得到二級、三級指標，建立一個具有三級指標的評估指標體系。

2.1 綜合評估指標的篩選

（1）人員因素指標的選取。

（2）材料因素指標的選取。

（3）機械因素指標的選取。

（4）方案因素指標的選取。

（5）環(huán)境因素指標的選取。

2.2 綜合評估指標體系的結(jié)構(gòu)

機庫工程建設(shè)項目質(zhì)量綜合評估指標體系的結(jié)構(gòu)如表1所示。

3 數(shù)據(jù)獲取與仿真分析

根據(jù)機庫工程建設(shè)項目施工過程中采集了10組數(shù)據(jù)。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具的輸入節(jié)點數(shù)據(jù)“inputs”項中放輸入數(shù)據(jù)矩陣，輸出節(jié)點數(shù)據(jù)“targets”選項中放輸出數(shù)據(jù)矩陣。

3.1 初始權(quán)值的設(shè)置

連接權(quán)重的初始權(quán)值設(shè)置必須合理，若初始權(quán)值過大，則會導(dǎo)致轉(zhuǎn)換函數(shù)飽和，使網(wǎng)絡(luò)陷入局部最??；若初始權(quán)值過小，則會導(dǎo)致離散性大，訓(xùn)練精度下降。因此，應(yīng)使初始加權(quán)后的每個神經(jīng)元輸出值都趨近于零，以確保各神經(jīng)元權(quán)值都能在其S型激勵函數(shù)變化最大處進行調(diào)節(jié)，使權(quán)重調(diào)整速度較快。可見，初始權(quán)值選取[-1，1] 之間的隨機數(shù)比較合理且可行。

3.2 期望誤差的選取

期望誤差的大小決定了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精度，機庫工程建設(shè)項目質(zhì)量特性的形成盡管有一定的規(guī)律性，但是，因此而構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并不一定都能收斂到一個較小的期望誤差。一般而言，非線性程度越高，期望誤差就會越大。同時，期望誤差的大小還取決于隱層節(jié)點數(shù)量和訓(xùn)練時間長短，增加隱含層的節(jié)點和增加訓(xùn)練時間可以有效降低期望誤差，為了準確反映機庫工程建設(shè)項目質(zhì)量，選取期望誤差為：0.000 01[1]。

3.3 訓(xùn)練次數(shù)的確定

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練次數(shù)受輸入數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、隱節(jié)點數(shù)、訓(xùn)練函數(shù)等環(huán)節(jié)的影響。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練到一定程度，誤差會趨于一個穩(wěn)定的值，此時網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的次數(shù)即為最佳訓(xùn)練次數(shù)。結(jié)合項目質(zhì)量綜合評估實際，選用網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練次數(shù)為：10 000次。

3.4 訓(xùn)練過程

設(shè)定完參數(shù)后就可以進行樣本訓(xùn)練，以獲得各個節(jié)點之間的連接權(quán)重。訓(xùn)練的過程就是將數(shù)據(jù)前向傳播，和目標數(shù)據(jù)比較后將誤差反向傳播，從而不斷調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點之間的連接權(quán)重。

3.5 仿真結(jié)果分析

通過網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后，得出誤差變化曲線圖和權(quán)重直方圖，如圖1、圖2所示。

從誤差變化曲線圖和權(quán)重直方圖可以看出，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練了127次，即已訓(xùn)練完成，系統(tǒng)已經(jīng)將權(quán)值和閥值進行了合理調(diào)整并存到了訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)中。運用Simulate Network進行仿真，得出仿真結(jié)果為0.898 15。此飛機機庫工程建設(shè)項目質(zhì)量綜合評估結(jié)果為：優(yōu)。

4 結(jié) 語

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對飛機機庫工程建設(shè)項目質(zhì)量進行綜合評估，可以比較準確地反映機庫工程建設(shè)項目質(zhì)量的現(xiàn)實狀況，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估結(jié)果，可以找出影響工程建設(shè)項目質(zhì)量的主要因素和這些因素存在的主要問題，以便于采取相應(yīng)的對策措施。

主要參考文獻

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