Matlab在水利工程概算中的應用

張習博

(楊凌職業技術學院， 陜西 楊凌 712100)

0 引 言

在水利工程施工過程中，水利工程概算具有舉足輕重的作用。目前在各個基層水利部門主要使用excel表格計算的方法完成概算工作，具體操作中需結合查閱相關概算手冊，利用excel的函數計算功能進行概算工作。雖然Excel具有容易學習，易于實現數據鏈接等“自動化”的效果，但隨著計算機技術的飛速發展，如今使用Excel表格在概算中越來越顯露出它的局限。

首先，計算速度慢， 由于Excel在概算中每次只能使用一個函數來計算一個單元格的數據，遠不能滿足目前工作需要；其次，重新計算多，利用Excel進行概算數據填寫工作時，一旦有數據計算發生錯誤，其后所有跟它相關的計算只能全部重新計算；第三，不能動態控制計算過程，利用Excel進行概算不能動態的控制整個計算過程，也不能進行工程投資的估算。

當今信息化的普及，對水利概算工作提出了更高的要求，Matlab 以其強大的數值計算、統計分析功能和圖形處理能力受到廣大水利行業的預算員的青睞。

1 Matlab軟件介紹

Matlab是當今在許多行業應用較為廣泛的數據分析處理的軟件，它功能強大，應用領域廣泛，在數據分析、科學計算、曲線擬合、數據預測等領域具有其它軟件無法企及的優勢，尤其在數值計算方面，具備高級技術的計算語言和優越的交互式環境。它將建模和仿真集合在一個環境中，可以實現數值分析計算，數據可視化分析，矩陣應用分析，非線性動態系統的高級應用等功能，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。在信號處理、信號檢測、圖形圖像分析處理、工程計算估算、自動化控制設計、金融領域分析估算等方面具有廣泛的應用。

2 Matlab技術在水利工程概算中的具體應用

水利工程概預算編制,是一項系統工程,它貫穿于設計階段、招標投標階段、施工階段以及竣工階段等各個環節。只有科學、準確地概預算編制，才能保證項目投資控制目標的實現,從而取得較好的投資效益和社會效益。目前水利系統概算過程中存在諸多問題，主要表現在：概算書編制不規范；概算中投資分析深度不夠；送審的概算書中存在很多明顯的錯誤；上級部門對水利工程造價的控制力度不夠。基于出現的以上問題，結合陜西省鄠邑高效節水2013-2017年項目的實施方案，使用Matlab軟件對水利工程概算過程進行數據處理，同時建立水利概算仿真平臺，推進鄠邑水利局信息化的發展。

2.1 理清概算工作步驟，找出數據之間的函數關系，編寫Matlab程序

確定需要計算的工種或工序隸屬于哪一大類，然后根據工作內容及要求確定屬于哪個子目錄，查出定額編號，根據定額編號確定定額單位所需的人、材、機及其他費用，再根據單價表的格式及取費標準計算出每一工序的單價表，當確定出工程量后，用工程量乘以單價算出合價，比如材料費、設備費、臺班費等等，在這個概算工程中，將重要參數提取出來，找出數據間的關系，確定數據間要使用的函數和公式，借助Matlab程序語法，進行變量定義，并按照概算過程，設計Matlab子程序模塊，子程序模塊流程圖如圖1所示。

圖1 子程序模塊流程圖

2.2 分析概算過程重點步驟，提取特征向量

在水利概算過程中，單價計算是關鍵環節，通過單價計算的計算結果，一步步推算其他數據，直至計算出最終的總花費。在整個水利概算的數據計算過程中，像單價這樣重要的參數還有很多，比如材料費，設備費等，在用Matlab編程時，將這些重要變量抽取出來，作為主要因子并進行數據類型的定義，即為Matlab編程設置變量，為下一步建立概算數據計算模型奠定了基礎。

將工程概算過程中主要因子在Excel表格中的單元格名稱提取出來，構成特征向量。如建筑工程預算中，可提取主要因子人工挖溝槽，屬性值可選擇開挖面積，開挖單價，人工費，直接費用，間接費用，特征向量的屬性值的選取是在結合專家率先法和相關分析法后進行確定。首先通過使用專家篩選法確定符合要求的特征向量的屬性值，其次使用相關分析法對輸入端的屬性值和輸出端的屬性值進行相關性分析，分析過程中，使用PEARSON簡單相關系數對其相關性進行度量，經過多次的選取、相關性度量之后，在相關程度滿足要求時選取最終向量值，參與下一步的計算。

2.3 特征向量矩陣的建立

由上面步驟形成的多個特征向量以及它的屬性值，構成特征向量矩陣，這個矩陣就是概算開始時選定的關鍵起始數據，將這些數據輸入Matlab程序中，就可以依次計算出概算表中相關的數據值。如主要材料預算中，可選擇一維特征向量

ZYCL(SN425, SZWH, SZLH, SS, CY0，QY90, JZ, ,BFC, GJ)

其中

SN425指主要材料費

SZWH指水泥425的價格

SZLH指沙子(渭河)的價格

SS指碎石價格

CY0指0#柴油的價格

QY90指汽油90#的價格

JZ指機磚的價格

BFC指板枋材的價格

GJ指鋼筋的價格

2.4 Matlab網絡訓練

經過對水利概算數據關系的分析，選取了線性網絡結構進行設計。并對該網絡的實現按以下4個步驟進行。

2.4.1 網絡建立 利用MATLAB的神經網絡工具箱中的函數newlin建立網絡。

2.4.2 樣本初始化 由于Matlab神經網絡對要處理的數據有格式方面的要求，在進行Matlab網絡訓練之前引入單價概算值對學習樣本實行必要的初始化。如將建筑工程單價初始化為

JGD(RWC, RHT, SZ, WSC, TC)

其中

JGD指建筑工程單價

RWC指人工挖溝槽單價

RHT指人工回填單價

SZ指松散層鉆井單價

WSC指屋面防滲處理單價

TC指貼瓷片單價

2.4.3 Matlab網絡訓練 利用Matlab軟件中神經網絡函數庫對樣本數據進行多次訓練，每次訓練完成對訓練結果進行分析，判斷是否達到樣本數據學習訓練要求，比如在主要材料費預算中，需要判斷是否將主要材料費總額控制在要求金額內，如果未達到要求，可調整訓練樣本中的部分數據繼續訓練，直至訓練結果達到要求為止。訓練中對訓練樣本的選取方法是從已選取好的樣本集合中隨機抽取樣本總數的85%，剩下的15%的樣本數據作為測試樣本留了下來，再利用訓練樣本進行徑向基神經網絡的訓練；其訓練結果再用測試樣本進行測試，測試通過將其確定為概算模型的最終網絡，網絡訓練流程圖如圖2所示。網絡仿真過程如圖3所示。

圖2 網絡訓練流程圖

3 應用Matlab技術和之前的Excel表格計算進行比較

在水利工程概預算中，使用Excel電子表格進行概預算時，自創或者修改已有的數學模型過程較為繁瑣，且耗時長，利用Matlab技術之后適合于分析多種類不同的數據，可以直接調用內嵌的多種現存的模型和函數，自動化程度顯著提高，并大大節省了工作時間和人力資源的投入，數據修改方便快捷，數據鏈接錯誤減少，使用模型與函數得到的計算結果更加準確 。

圖3 網絡仿真過程圖

4 結 論

對水利概算過程應用Matlab軟件進行程序化控制，對概算過程中的數據進行分析處理，過濾非確定數據的影響，不僅動態控制概算過程，而且提高概算的精度，建立水利工程概算程序化流程。工程人員可以利用此流程，快速準確計算出概算過程中的重要數據，例如某某，利用軟件對重要數據進行分析，調整，得到滿足實際工作要求的概算結果，推動水利行業的信息化發展。