基于ANN的電力工程造價預測模型的建立與實現

王綿斌+耿鵬云+安磊

摘 要： 傳統概預算定額電力工程造價方法在沒有工程細節時，存在估計偏差大且無法利用歷史數據的問題。文中根據人工神經網絡（ANN）的機器學習機制提出一種基于ANN的電力工程造價預測模型，將歷史數據樣本歸一化作為輸入，通過ANN算法對網絡進行訓練，采用訓練后的網絡來對工程造價進行估算。文中進行了多個電力工程造價的預測，得到的預測結果與實際造價相差小于5%，滿足經驗誤差要求。

關鍵詞： 電力工程； 預測模型； 人工神經網絡； 機器學習

中圖分類號： TN915?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）24?0166?03

Abstract： The traditional electric power engineering method for preliminary budget and ration has big estimation error in the absence of engineering details， and can′t make use of the historical data， so an ANN?based cost forecasting model of electric power engineering is proposed according to the machine learning mechanism of artificial neural network （ANN）. The historical data samples are normalized， and taken as the input of the model. The network is trained with ANN algorithm to estimate the engineering cost. A number of electric power engineering costs are predicted in this paper. The difference of the predicted result and actual cost is less than 5%， which can meet the requirement of empirical error.

Keywords： electric power engineering； prediction model； artificial neural network； machine learning

電力工程造價近年來不斷上升，其與資金籌措難度形成一對矛盾，迫切需要一種合理有效的造價管理措施。傳統的電力工程造價主要是概預算定額的方法，但其主要缺點是在沒有工程細節時估計偏差大且無法利用歷史數據，造成大量有用信息的浪費。如何利用歷史數據找尋其中的規律以指導工程造價管理是一個新問題[1]。本文根據人工神經網絡（ANN）的機器學習機制提出一種基于ANN的電力工程造價預測模型，利用歷史數據對網絡進行訓練得到最優網絡從而實現電力工程造價的預測。

1 基于機器學習的預測模型

工程投資預算是電力工程造價管理中備受關注的，其可通過分析工程的技術指標與經濟指標來推測。通常只能觀察到輸入和輸出，而其內部的具體運行機制未知的復雜系統稱為“黑盒”。對于“黑盒”系統，需要利用已有的輸入/輸出數據，來尋找其間的規律以預測系統內部的運行機制，從而預測新輸入的數據對應的輸出，“黑盒”系統的估計過程即為機器學習[2]，預測出的關系稱為預測函數[3]。預測函數模型的三部分為學習環境、學習機和教師，學習環境為隨機量發生器，學習機為由輸入到輸出之間的學習算法，教師[4]則為從學習環境中產生的隨機量X給出期望響應Y。所以，機器學習模型就是在給定的學習環境條件下，通過找尋輸入/輸出之間的學習規律，以盡可能精確地預測新輸入的輸出。

2 電力工程造價預測模型建立

人工神經網絡算法是機器學習預測函數模型中學習機最具代表性的[5]，因此本文提出一種基于ANN的電力工程造價預測模型，其流程如圖1所示。

電力工程造價分析中輸入數據為輸電工程和變電工程的造價數據，輸電線工程主要有工地運輸、架線工程、土石方和基礎工程等，變電工程則分為建筑工程、安裝工程等[6?8]。

2.1 數據預處理

實際電力工程造價中各個不同指標的數據在數量級上不一致，則需要在學習與預測之前進行數據預處理[9]。本文在進行ANN算法之前對數據進行歸一化處理，即將各指標數據歸一化到[0，1]之間。假設P個指標數據為X1，X2，…，XP，則歸一化公式如下：

2.2 基于人工神經網絡預測模型

人工神經網絡算法是一種模擬動物神經網絡而進行的信息分布式處理的算法[10]，其主要思想是復雜系統內部形成網絡，通過不斷調節網絡內部節點的連接關系而達到信息處理的目的。ANN算法的優點是自學習和自適應，能夠根據之前的輸入/輸出數據找到其間的規律，從而可以預測出新輸入數據對應的輸出數據，這種自學習的過程被稱為“訓練”。ANN算法現在廣泛地應用于電力系統的電價和負荷預測等方面。

電力工程造價預測是一個多因素影響的復雜系統，各因素之間呈非線性網絡關系，網絡之間通過自學習訓練來達到輸入/輸出關系的最近似，即相當于函數模擬器。基于ANN的電力工程造價預測模型是通過分析得到各影響因素與造價之間的關系，得出各個影響因素的權重，從而構造影響因素與造價之間的映射以達到通過映射進行造價預測的目的，其網絡模型如圖2所示。

假設電力工程造價預測模型中有n個影響因素，文中使用的建模算法為基于BP的前向ANN算法，包含輸入層、隱含層和輸出層3個部分。其中，輸入層為歸一化處理后的影響因素數據，多個歷史數據作為ANN訓練樣本，為圖2中的in（i），輸出層為預測的工程造價。在圖2所示的ANN神經網絡模型中加入了反饋結構，通過反饋結果信息以不斷調整網絡結構，提高預測的精度，加快收斂速度。

3 計算機仿真及模型測試

本例中采用的訓練樣本為某地區電力公司實際電力工程造價歷史數據，其原始資料為Excel表。

3.1 數據定義

歷史數據統計時具有不確定性以及遺漏現象導致數據的殘缺，且其從屬關系嚴重。因此，本文針對實際情況對原始數據進行整理，得到89個歷史工程造價的相對應輸入輸出數據。輸電工程造價的原始輸入指標集如表1所示。輸出集為本體靜態，單位為萬元/km。

從表1可看出，輸入指標有20個，構成了20×89的矩陣，輸出指標有1個。

對變電工程造價進行整理得到54個歷史輸出數據與相對應的輸入指標，其工程造價的原始輸入指標集如表2所示。輸出集單位為萬元，是靜態總投資。從表2可看出，輸入指標有4個，構成了4×54的矩陣，輸出指標有1個。

3.2 結果分析

基于ANN的電力工程造價預測模型的建立主要步驟如下：

（1） 數據歸一化之后形成8個工程的訓練樣本集和測試集；

（2） 添加ANN軟件工具包在Matlab中，并編寫訓練程序；

（3） 分別對50個和70個訓練集進行訓練得到訓練良好的網絡，接著將測試數據輸入訓練好的網絡中進行測試，對得到的結果與實際值進行比較以得到訓練良好的網絡，即估算模型的精度；

（4） 選擇70個樣本集作為測試集，輸入基于ANN的電力工程造價預測模型中得到輸出，不斷比較輸出結果，以得到最后輸出。

表3為50個和70個歷史工程造價學習樣本的預測結果和對應的誤差。從表3可看出，ANN預測模型的誤差率均在5%以內。根據歷史經驗，其滿足電力工程造價的實際要求，即本文所提出的基于ANN的電力工程造價預測模型符合實際工作需要，對今后的電力工程造價預測具有指導意義。

4 結 語

本文針對傳統的概預算定額電力工程造價方法存在的在沒有工程細節時估計偏差大且無法利用歷史數據的問題，并根據人工神經網絡ANN的機器學習機制提出一種基于ANN的電力工程造價預測模型，將歷史數據樣本歸一化作為輸入，通過ANN算法對網絡進行訓練，采用訓練后的網絡來對工程造價進行估算。本文最后進行多個電力工程造價的預測，得到的預測結果與實際造價相差小于5%，滿足經驗誤差要求，說明文中所提出的基于ANN的電力工程造價預測模型符合實際工作需要，且對之后的電力工程造價具有一定的指導意義。

參考文獻

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