混沌粒子群優(yōu)化投影尋蹤算法對建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展評價

李凱峰,花尉攀

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混沌粒子群優(yōu)化投影尋蹤算法對建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展評價

李凱峰,花尉攀

安陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系, 河南 安陽 455000

建筑業(yè)是我國經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一，對推動經(jīng)濟的增長起著重要的作用，建立合理的評價指標體系是進行可持續(xù)發(fā)展評價的關(guān)鍵，選取經(jīng)濟可持續(xù)、社會可持續(xù)、資源能耗消耗可持續(xù)、環(huán)境效應(yīng)可持續(xù)、技術(shù)可持續(xù)、可持續(xù)發(fā)展6個方面共25個評價指標，根據(jù)2008~2011年遼寧省建筑業(yè)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，建立了建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展評價指標體系，并利用混沌粒子群優(yōu)化投影尋蹤模型求解最佳投影方向。根據(jù)投影值的數(shù)值大小對建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展水平做出合理評價分析。結(jié)果表明，2008~2011年遼寧省建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展勢頭總體良好，這符合遼寧省建筑業(yè)發(fā)展的實際情況?；煦缌Ｗ尤簝?yōu)化投影尋蹤方法計算快速易實現(xiàn)，提高了全局尋優(yōu)能力，為建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力評價提供了一條新的方法和思路。

混沌粒子群優(yōu)化投影尋蹤算法; 建筑; 評價

建筑業(yè)作為我國國民經(jīng)濟的重要產(chǎn)業(yè)之一，已經(jīng)取得了顯著的成果，但仍然存在一些物質(zhì)能耗大，環(huán)境污染嚴重的一些深層次有礙社會總體發(fā)展趨勢是的問題。因此要使建筑業(yè)走向良性的發(fā)展趨勢，必須走可持續(xù)發(fā)展的道路，堅持走可持續(xù)發(fā)展并結(jié)合實際注重長遠發(fā)展的經(jīng)濟增長趨勢，結(jié)合實際情況例如人口的增長、資源的儲備、環(huán)境的效應(yīng)和經(jīng)濟增長指數(shù)之間關(guān)系進行相互協(xié)調(diào)，互補的戰(zhàn)略，建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展是社會可持續(xù)發(fā)展的需要，可以減少對環(huán)境的污染，改善城市面貌，是人類生存和發(fā)展的途徑。近年來，政府部門研究機構(gòu)和專家學(xué)者從多個層面積極研究我國的可持續(xù)發(fā)展方針和戰(zhàn)略措施，但是在建筑業(yè)的可持續(xù)方面研究甚少，還處于探索的階段，因此在建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展重要性以及存在的問題以及模式和提高的措施等方面?zhèn)涫軐＜覍W(xué)者的研究，其理論研究和評價指標體系等方面已成為行業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點。在建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展評價方法方面大多采用層次分析法、主成分分析法、模糊綜合評判法、灰色關(guān)聯(lián)度分析法等。層次分析法其評價過程隨機性和人為因素的主觀性強；主成分分析法其缺點是所需數(shù)據(jù)樣本較多，評價過程繁瑣；模糊綜合評判法其缺點是具有一定的主觀性、繁瑣，實用性差；灰色關(guān)聯(lián)度分析法其缺點是主觀性較強。本文對建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展采用了混沌粒子群優(yōu)化投影尋蹤方法，此方法的優(yōu)勢在于計算快且容易實現(xiàn)。

1 混沌粒子群優(yōu)化投影尋蹤算法原理

1.1 混沌粒子群算法原理

混沌粒子群算法[1-6]是將混沌優(yōu)化和粒子群算法兩者相結(jié)合。首先將給定的優(yōu)化函數(shù)，將搜索過程與混沌軌道相對應(yīng)的遍歷過程，此算法優(yōu)勢在于具有局部搜索的能力。

混沌局部搜索算法（CLS），其算法步驟如下：

要想混沌搜索算法得到較好的解，通常的做法是需要大量的迭代步數(shù)，將粒子群算法與混沌搜索相結(jié)合，得到混沌粒子群算法。

1.2 投影尋蹤算法基本原理（PPC）

投影尋蹤算法是一種數(shù)學(xué)處理方法，是解決非正態(tài)非線性高維數(shù)據(jù)的分析處理方法，是將高維空間降為低維空間，利用數(shù)據(jù)將某種組合投影到1~3維低維子空間，通過投影指標函數(shù)優(yōu)化求解來研究分析高維數(shù)據(jù)的屬性和結(jié)構(gòu)特征的最優(yōu)的投影方向，來達到分析高維數(shù)據(jù)的目的。其算法建模流程如下：

（1）高維樣本原始數(shù)據(jù)歸一化處理；

（2）將高維數(shù)據(jù)投影構(gòu)造低維投影目標函數(shù)；

（3）構(gòu)造優(yōu)化投影目標函數(shù)；

（4）將投影值優(yōu)劣排序，進行綜合評價；

1.3 混沌粒子群優(yōu)化投影尋蹤建模步驟

混沌粒子群優(yōu)化投影尋蹤模型（CLSPSO-PPC）算法的求解步驟如下：

—種群規(guī)模；—當前進化代數(shù)；1，2—分布[0,1]之間的隨機數(shù)；1，2—加速因子。

式中：投影值z的標準差為a，投影值z的局部密度為u。

步驟4：根據(jù)式（4）計算每個微粒的適應(yīng)值，將當前各微粒適應(yīng)度以及位置和存儲在各微粒的p中，將所有pbest中適應(yīng)值最優(yōu)個體的適應(yīng)值和位置存儲于p中；

步驟5：按式（1）（2）更新粒子的位移速度v和位置j，根據(jù)速度v和位置j約束產(chǎn)生新種群；

步驟6：通過計算每個粒子的目標函數(shù)值，最終保留群體中性能最好1/5的粒子；

步驟7：保留的群體中的最佳粒子并執(zhí)行混沌局部搜索，同時更新其pbest及群體的gbest；

步驟8：直到搜索到滿足條件為止，輸出結(jié)果，否則轉(zhuǎn)步驟9；

其中，S,0表示當前pbest的第維變量的值；

步驟10：在收縮后的空間中隨機產(chǎn)生群體中剩余4/5的粒子，轉(zhuǎn)步驟4。

步驟11：根據(jù)最佳投影*，按照式（7）計算各個樣本的最佳投影值z，若按z值按照順序從大到小排列，則對應(yīng)的樣本就是從優(yōu)到劣進行排序。

2 實例研究

數(shù)據(jù)來源于國家統(tǒng)計局中數(shù)據(jù)，以《中國統(tǒng)計年鑒》、《中國建筑業(yè)統(tǒng)計年鑒》、《中國能源統(tǒng)計年鑒》、《中國勞動統(tǒng)計年鑒》、《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》、《中國第三產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計年鑒》、遼寧統(tǒng)計信息網(wǎng)[7-9]中查得相關(guān)指標的原始數(shù)據(jù)，以遼寧省2008年至2011年建筑業(yè)發(fā)展情況為實例進行分析研究，將評價結(jié)果與實際情況進行對比分析。

2.1 構(gòu)建評價指標體系

建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展是受較多因素影響的復(fù)雜系統(tǒng)，因此對建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展關(guān)鍵取決于建立合理科學(xué)的評價指標體系。評價指標的選取應(yīng)遵循系統(tǒng)科學(xué)性、客觀性和可操作性的原則，并咨詢有關(guān)專家的意見結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗，參考已有的文獻資料[10-16]建立評價指標體系，同時選取在經(jīng)濟方面的可持續(xù)、從社會層面的可持續(xù)、在資源能耗消耗方面的可持續(xù)、環(huán)境影響效應(yīng)的可持續(xù)、技術(shù)可持續(xù)、可持續(xù)發(fā)展6個方面，其中選取建筑業(yè)總產(chǎn)值、人均竣工產(chǎn)值、資產(chǎn)負債率、勞動生產(chǎn)率、總產(chǎn)值年增長率、從業(yè)人員平均勞動報酬、人均利稅、產(chǎn)值利稅率、總產(chǎn)值占社會生產(chǎn)總值的比例、分別以每億元產(chǎn)值對鋼材、木材、水泥、電力、煤消耗量為單位進行評估，同時對已建成區(qū)并投入使用的綠化覆蓋率、園林綠地面積、廢水和廢氣排放達標率、固體廢棄物的綜合使用情況、技術(shù)裝備率、動力裝備率、自有機械設(shè)備總功率、固定資產(chǎn)投資增長率、城鎮(zhèn)居民人均每年消費支出、城鎮(zhèn)居民人均每年用于住房支出共25個指標構(gòu)建了評價指標體系見表1所示。

表 1 遼寧省建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展評價指標體系

2.2 混沌粒子群優(yōu)化投影尋蹤模型求解

利用2.1中建立的遼寧省建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展評價指標，通過建立混沌粒子群優(yōu)化投影尋蹤模型，對遼寧省的建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展進行評價，算法的初始化參數(shù)如下：粒子群數(shù)目=50，學(xué)習(xí)因子1=2，2=2，最大迭代次數(shù)=1000，慣性權(quán)重=0.8，maxc=10。首先對樣本數(shù)據(jù)進行歸一化處理后評價指標集為：

將評價投影值繪制成直觀的折線圖，此圖更能清楚的反應(yīng)遼寧省2008-2011年的有關(guān)建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的狀況(圖1)。

圖 1 一級指標評價值曲線圖

3 結(jié)論

（1）從綜合評價結(jié)果分析。本文選擇6個方面共25個評價指標建立了評價指標體系，利用混沌粒子群優(yōu)化投影尋蹤模型找出最優(yōu)的投影方向，分析評價各個樣本數(shù)據(jù)值的投影值，從綜合投影值可以看出，遼寧省建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展系數(shù)從2008年的1.6228穩(wěn)步上升到2011年的2.5483，說明遼寧省建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展勢頭總體良好，這符合遼寧省建筑業(yè)發(fā)展的實際情況，其中建筑總產(chǎn)值連年上升，規(guī)模持續(xù)壯大，從2008年的2505.17億元增加到2011年的6217.52億元，3年時間翻了近3倍；建筑業(yè)總產(chǎn)值占社會生產(chǎn)總值的比例從2008年的18.6%增加到2011年的28.2%，3年時間增加了近一倍。資金的投入的目的最后歸結(jié)為產(chǎn)值，從產(chǎn)值的角度來看，建筑業(yè)已經(jīng)成為全省重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一。

（2）從影響因素分析。從25個評價指標的投影方向的投影值來看，影響遼寧省建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素有建筑業(yè)總產(chǎn)值、勞動生產(chǎn)率、從業(yè)人員平均勞動報酬、總產(chǎn)值占社會總產(chǎn)值的比率、以億元為單位的產(chǎn)值水泥消耗量、固體廢棄物的綜合利用率、在建成區(qū)額綠化覆蓋率、產(chǎn)值利稅率等指標，這些指標直接影響遼寧省建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展，同時對可持續(xù)發(fā)展起著非常重要的作用。

（3）從6大方面評價因素分析。①從經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展曲線可以看出，評價值從2008年的0.4379短暫的回落到2009年的0.2345，之后從2010年的0.2805上升到2011年的0.7241，這與遼寧省近年來經(jīng)濟快速發(fā)展，建筑業(yè)投入不斷增加，建筑企業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力日益增強的結(jié)果一致。

②從社會可持續(xù)發(fā)展曲線可以看出，評價值從2008年的0.1055逐年上升到2010年的0.5774，之后又回落到2011年的0.5359，從長遠經(jīng)濟發(fā)展的角度來看，遼寧省建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃有待加強，需要進一步完善，從業(yè)人員平均勞動報酬有些偏低，需要提高。

③從資源能耗消耗可持續(xù)發(fā)展曲線可以看出，評價值從2008年的0.3373下降到2010年的0.237，之后又上升到2011年的0.2806，說明高耗能的建筑業(yè)應(yīng)與經(jīng)濟和環(huán)保掛鉤，通過有力的措施來減少對資源能源的消耗。

④從環(huán)境效應(yīng)發(fā)展曲線可以看出，評價值從2008年的0.2096上升到2010年的0.4237，之后又回落到0.3802，說明2008年到2010年遼寧省建筑業(yè)環(huán)境有所提高，而2011年出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點，圖中可現(xiàn)實表明建筑業(yè)高速發(fā)展對環(huán)境有負面的影響，因此建筑業(yè)發(fā)展要與環(huán)境保護同時進行，達到同步協(xié)調(diào)發(fā)展的狀態(tài)。

⑤從技術(shù)可持續(xù)曲線可以看出，評價值從2008年的0.5325下降到2010年的0.1061，之后又上升到2011年的0.385，說明遼寧省各建筑企業(yè)要提高技術(shù)效率和企業(yè)競爭力，要提高技術(shù)裝備率、動力裝備率和自有機械設(shè)備總功率等指標。

⑥從可持續(xù)發(fā)展曲線可以看出，評價值從2008年0上升到2010年的0.2827，之后又回落到2011年的0.2425，這與遼寧省經(jīng)濟快速發(fā)展，生活水平日益提高，購買力持續(xù)強的實際情況相一致。

（4）利用混沌粒子群優(yōu)化投影尋蹤方法，解決高維非線性數(shù)據(jù)優(yōu)化的問題，取得了預(yù)期良好的效果，該方法提高了全局尋優(yōu)能力，具有很好的實用價值。

（5）本文提出的建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展評價指標體系是合理可行的，可以作為建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展評價依據(jù)，為最終實現(xiàn)建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

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Evaluation on Sustainable Development in the Construction Industry with Chaos Particle Swarm Optimization Projection Pursuit Algorithm

LI Kai-feng, HUA Wei-pan

455000,

As a pillar industries of China′s economy, construction industry plays an important role in promoting economic growth. Establishing a reasonable evaluation index system was the key to carrying out the evaluation of sustainable development, 25 assessment factors on the level of development economic sustainability, social sustainability, resource consumption sustainable, environmental effects sustainable, technology sustainable, sustainable development were selected, and according to China′s construction industry′s statistics data from 2008 to 2011, a construction industry′s sustainable development evaluation system was presented. The optimal projection direction can be obtained by using chaos particle swarm optimization projection pursuit algorithm. According to the projection value to asses the construction industry′s level of sustainable development. The results show that the momentum of sustainable development of Liaoning's construction industry is generally good from 2008 to 2011, which is in line with the actual situation of the construction industry in Liaoning Province. Chaos particle swarm optimization projection pursuit method is easy to implement and improve the global optimization ability. It provides a new thinking in assessing the construction industry′s level of sustainable development.

Chaos particle swarm optimization projection pursuit algorithm; construction; evaluation

TU023

A

1000-2324(2019)02-0323-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.02.032

2018-04-23

2018-06-07

李凱峰(1982-),女,碩士,講師,主要從事結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計. E-mail:185433262@qq.com