基于GA-PP模型的水利工程質量評價體系研究

司 新 毅

(中國水務投資有限公司，北京100053)

隨著經濟的快速發展，人口、資源和環境的矛盾愈加突出，粗放的生產生活方式與生態環境承載力之間的矛盾加劇。當前，我國水利工程質量整體水平有所提高，但質量問題仍然不少。作為投資建設單位，隨著項目越來越多，地域跨度越來越大，對工程質量掌控力越來越弱，如何建立規范的水利工程質量評價體系，對水利工程質量進行客觀、公正評估，制定合理的整改方案，是企業可持續發展的關鍵。

以往，各行業根據國家相關法律、法規和行業規定，構建適用于本行業的質量檢查體系。在進行綜合評價時，大多采用訪談、專家打分法確定各因素的影響力大小，再通過層次分析法[1]等確定各個因素的權重。這類方法是以經驗為主導，要求采訪的專家達到一定數量，否則帶有很大的主觀因素，而投影尋蹤方法則比較客觀，現在應用比較廣泛[2-6]，而將此模型應用在質量評價研究方面相對較少，本文通過建立水利工程質量評價體系，應用構建的GA-PP模型，通過Matlab模擬編程，對水利工程質量問題進行客觀和合理評價。

1 水利工程質量評價體系的構建

影響水利工程質量的因素很多，在構建水利工程質量檢查體系指標時，應遵循系統性、科學性、可操作性三原則，結合相關規范和工程實際情況選取指標并對指標進行解釋。水利工程質量檢查體系包含三大體系：質量監督體系、質量控制體系和質量保證體系。

(1)質量監督監督體系包括政府部門和項目法人對監理單位和施工單位施工全過程進行監督，按國家基本建設程序、規范、規程等進行檢查，作為投資建設單位，無權對政府部門進行檢查，所以質量監督體系中不包含對政府部門的檢查。內容包括對項目法人質量管理制度建設、機構建設、監督手續辦理情況、設計變更和歷次發現問題整改情況的檢查，具體見表1。

(2)質量控制體系主要是指施工監理單位根據設計要求和有關施工、監理規范和規程對施工全過程、全方位進行監督檢查，做好質量、進度、資金三大控制和合同條款管理實施工作。內容包括機構建設、監理質量檢查、簽發各類文件、監理日志和月報情況。

(3)質量保證體系部門包括勘測設計單位和施工單位。勘測設計質量保證包括勘察設計文件質量、現場服務及工作記錄等方面；施工質量保證包括施工質量管理制度建立與執行、現場施工管理機構及責任人、施工過程質量控制、質量檢驗評定和質量驗收等等。

(4)評分細則。打分標準將質量評價體系指標的完成情況分為4個等級：完全符合(9～10分)，基本符合(6～9分)，部分符合(2～6分)，不符合(0分)，由專家對23項指標層按照打分標準進行打分，均值為該工程該指標層得分。

2 計算模型建立

投影尋蹤方法最早出現于20世紀60年代末，krusca首先使用投影尋蹤方法，把高維數據投影到低維空間，找到一個反映數據結構特征的最優投影方向，用來分析和處理高維數據，是非線性、非正太高維數據的新興統計方法。目前廣泛地應用于分類、模式識別、遙感分類、圖像處理等領域。該模型主要包含4個步驟。

表1 水利工程質量評價體系指標

2.1 數據預處理

對于統計的指標樣本集數據，有的越大越優，有的越小越優，需將這些數據進行統一處理。指標樣本集：

{x*(i,j)|i=1,2,…,m;j=1,2,…,n}

(1)

式中：x*(i,j)是第i個樣本對應的第j指標；m為樣本數；n為指標個數。

對于越大越優指標：

(2)

對于越小越優指標：

(3)

式中：xmax(j)是第j指標最大值；xmin(j)是第j指標最小值。

2.2 函數構建

設a(j)為投影向量，樣本i在該方向上的投影為：

(4)

其中，‖a‖=1，Z(i)的分部特征應該滿足：投影點局部盡可能密集，在整體上盡可能散開。類間散開度由Z(i)的標準差來表示：

(5)

類內密集度由函數DZ來表示：

(6)

式中：E(Z)為投影值Z(i)的均值；R為局部密度窗口值，一般取0.1SZ；r(i,j)為樣本投影值Z(i)和Z(j)之間的距離，r(i,j)=|Z(i)-Z(j)|；u(t)為單位越階函數，當t≥0時，其值取1，當t<0時，其值取0。

綜上所述，可構造指標函數：

Q(a)=SZDZ

(7)

指標函數Q(a)會隨著投影向量a的變化而變化，投影尋蹤法就是找出對應的投影向量a，使得Q(a)取最大值，即：

目標函數：

maxQ(a)=SZDZ

(8)

約束條件：

(9)

2.3 函數求解

構造的函數為非線性優化問題，傳統方法求解比較困難，本文采用遺傳算法[7]求解該問題，但是直接求解有一定難度，首先將帶有約束條件的極大值函數問題進行轉化，即目標函數：

(10)

式中：為保證投影向量平方和為1，M可以設為一個極大值，本文中取M=10 000。

遺傳算法主要包括以下幾個步驟：①生成初始群體。隨機產生 個數據組，構成一個初始群體。每個數據組包含23個變量，即投影變量。②交換。由交換概率挑選的每兩個父代通過將相異的部分基因進行交換，從而產生新的個體。③變異。首先在群體中隨機選擇一定數量個體，對于選中個體會以一定的概率改變某個數據基因的值。同生物界一樣，變異發生的概率很低。④適應度。將生成的n個數據組代入公式(10)中，目標值函數值越小，說明適應性越好，其適應值越大，下次交換概率也就會越大。⑤中止。給定遺傳代數mgen，算法迭代到此代數時停止。

通過Matlab7.1進行編程計算，為計算比較精確，n=100，megn=5 000。

2.4 分類和優化排列

通過遺傳算法，可以求出最優投影變量a*，將其代入式(4)，能夠得到最能反映高維數據特征的投影向量Z*，將Z*按從小到大順序排列。

3 實例分析

將歷年水利工程質量檢查指標打分情況進行收集統計，并歸一化進行處理，投影向量中每個值在[0,1]范圍內，利用Matlab7.1，通過遺傳算法，對投影尋蹤模型進行求解，計算結果見表2，并將歷年投影值進行排序，具體見圖 1。

表2 水利工程評價指標歸一化數據及運算結果

圖1 歷年水利工程投影值情況變化表

根據計算結果可以看出，最佳投影向量都在[0,1]范圍內，且平方和為1，計算結果滿足約束條件。

近年來，政府為了減輕財政負擔，政府與企業之間多采用PPP模式進行城市基礎設施項目建設，包含BOT，TOT等多種模式，企業利潤主要來自于運營階段，而工程的建設質量直接決定了運營的收益和運行成本，作為以建設、運營為主的投資單位，工程建設質量尤其重要。由圖1可以看出，歷年水利工程投影值逐年遞增，說明水利工程項目的質量管控力越來越大，質量越來越好，企業處在一個良性的發展當中。

雖然工程質量不斷提高，但并不代表沒有問題，建設方仍然存在一些制度、質量評定、工程驗收等方面的問題，各項目公司針對自己存在問題，根據專家提出的意見，認真制定整改方案，把工程質量工作落到實處，從源頭上減少質量問題的發生。

4 結 語

通過基于GA-PP水利工程質量評價體系研究，結論主要包含以下幾方面。

(1)GA-PP模型的建立，避免了客觀賦值的干擾，而且評價結果準確合理，為質量評價體系研究提供了新的方法。

(2)最佳投影向量各分量的大小，決定了各指標對整個質量評價體系的影響程度，為質量檢查提供了參考依據。

(3)工程質量評價體系指標沒有一個統一的標準，關于體系指標選取的全面性、科學性和完備性，有待進一步研究。

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[1] 鄧 雪，李家銘，曾浩健，等．層次分析法權重計算方法分析及其應用研究[J]．數學的實踐與認識，2012，42(7)：93-100．

[2] 鄧楚雄，謝炳庚，李曉青，等．基于投影尋蹤法的長株潭城市群地區耕地集約利用評價[J]．地理研究，2013，32(11)：2 000-2 008．

[3] 高 楊，黃華梅，吳志峰．基于投影尋蹤的珠江三角洲景觀生態安全評價[J]．生態學報，2010，30(21)：5 894-5 903．

[4] 魏龍亮，陳元芳，程 龍，等．投影尋蹤模型在典型洪水選擇中的應用[J]．水電能源科學，2013，31(1)：34-37．

[5] 繆萍萍，董增川，李慶航，等．投影尋蹤模型在地表水環境質量后評價中的應用[J]．水電能源科學，2010，28(5)：33-35．

[6] 萬玉文．丘陵山地雨水集蓄工程設計方案的投影尋蹤優選[J]．中國農村水利水電，2011，(12)：55-57．

[7] 馬永杰，云文霞．遺傳算法研究進展[J]．計算機應用研究，2012，29(4)：1 201-1 206．