基于多層次模糊和BP神經網絡的水利工程項目綜合效益評價分析

王偉偉

(新疆伊犁河流域開發建設管理局，新疆 伊寧 835000)

0 引 言

“十三五”以來，國家加快了基礎設施建設力度，在交通、水利、市政方面投入巨大。但同時國家也在改變以往的發展理念，以前只注重經濟效益，忽視社會、生態效益問題，產生了大量的負面效應[1]。因此，對于水利工程而言，政府叫?；蛘叻啪徚嗽S多中小型水利工程設施的開發建設，以保證社會經濟的可持續發展。

為了使經濟、社會、生態三者協調發展，充分論證水利工程建設項目的可行性，就必須提高項目綜合效益評價的理論水平，并選擇合適的評價方法和手段，才能使水利工程項目的效益評價結果更準確，更貼近于實際[2-5]。在評價項目效益時，目前有多種方法，如專家評價法、經濟分析法、灰色決策評價法、可拓決策評價法、AHP法、模糊綜合評價法、DEA法、人工神經網絡法等等[6]。其中，豐景春、黃飛燕等利用模糊評價法對水利工程規劃建設的效果進行了評價分析[7-8]；劉昌宇、王振興等則采用神經網絡法對水利工程建設項目進行了綜合評價分析[9-10]。

雖然經歷了多年的發展，但不同的評價方法均有其局限性，多層次模糊綜合評價法成功將定性問題轉化為定量分析，但其指標權重容易受專家主觀臆斷的影響。而人工神經網絡法在一定程度上可以解決這一問題，因此綜合運用評價方法成為提高項目評價結果可靠性的主要途徑，其主要有兩類：一是同時使用多種方法進行評價，然后對結果進行分析，得出最終評價；二是綜合運用多種理論方法形成新方法，這種方法是一種趨勢但難度極大且不易成熟?？紤]到上述情況，本文綜合采用多層次模糊綜合評價和BP神經網絡分析法對某水利工程項目進行綜合評價，以期為工程的建設實施提供借鑒與參考。

1 工程概況

新疆伊犁河流域B渠工程總長200 km以上，主要由輸水明渠及渠系建筑物(閘、涵)、隧洞、輸水涵洞、輸水渡槽、退水系統、防洪系統及伴渠道路、農渠管理站、變電所等附屬設施等組成。渠道工程設計控制灌溉面積5.066 7×104hm2，灌區主要包括3個行政鄉，由多民族構成，總人口約為10.5萬人，區內主要以種植業、園林和畜牧業為主，人均收入13 044元。區內多年平均氣溫5.9℃，多年平均降雨量412.1 mm，多年平均蒸發量約為1 550 mm，區域內主要垂直自上而下的土壤分布形式為高山草甸土、亞高山草甸土、灰褐色森林土、山地黑鈣土以及山地栗鈣土。

2 評價方法簡介

2.1 多層次模糊綜合評價法

模糊評價法在因素較多時，指標的權重分配較為困難，有些指標也難以定量。在此基礎上進行改進，形成多層次模糊評價分析法，使難以量化的定性問題得以量化解決，并根據行業內有權威的專家進行打分獲得指標權重，從而計算得到評價結果。此方法的計算過程為：①確定建設項目綜合評價因素集A；②對各個評價因素進行權重計算，確定W；③對隸屬度進行計算，得到評價矩陣R；④將W和R進行相乘，得到綜合評判指標矩陣P，獲取最優方案。

2.2 BP人工神經網絡評價法

BP人工神經網絡利用多層網絡結構，通過內部樣本訓練獲得指標權重，避免了專家打分主管臆斷性的影響，其由輸入、輸出和隱含層組成，見圖1。其主要計算過程如下：①賦初始權值(初始化)；②輸入學習樣本；③進行正向計算；④進行反向計算，獲得誤差δjK；⑤對權重值進行修正；⑥判別，若計算滿足k+1>N，且E<ε，則計算終止，否則重復步驟②～⑥進行計算。

圖1 BP神經網絡模型

3 指標體系的建立

遵循持續性、和諧性、以人為本、公眾參與、公平性原則，從經濟、社會、生態環境3方面進行評價分析。其中，目標層為水利工程項目綜合效益評價體系，準則層包括經濟效益指標、社會效益指標以及生態環境效益評價，指標層為盈利能力、效益分配效果、社會就業效果、水土保持評價指標、生態環境效果等16個指標，分指標層則是對各指標進行分解定義并使其公式化、明細化(由于涉及內容較多，版面有限，在文中不一一列出)，建立的指標體系見表1。

表1 B渠工程建設項目綜合效益評價體系

4 評價結果分析

4.1 多層次模糊綜合評價法結果分析

根據建立的B渠工程建設項目綜合效益評價體系，建立B渠工程綜合效益的多層次模糊綜合評價模型，見圖2。將整體工程分為有項目(實施項目)和無項目(未實施項目)兩種方案進行對比分析。

圖2 多層次模糊綜合評價模型結構

現將主要計算過程說明如下：

1) 構建評價因素集A=[B1B2B3B4B5]。

2) 根據11位專家評價結果，構造兩兩判斷矩陣(表2)，采用德爾菲法確定各效果層相互之間的重要性，經歸一化處理后，得到效果層權向量W=(0.195,0.195，0.195,0.277,0.138)，經一致性檢驗得到C*R*=0.027<0.1，表明其具有良好的一致性結果；對專家確定的指標權重值進行排序，得到指標層的權重向量W=[0.068,0.039,0.070,0.031,0.041,0.066,0.043,0.049,0.075,0.122,0.155,0.084,0.038,0.026,0.046,0.058]。

表2 判斷矩陣示例

3) 然后，確定評語集V={V1(很好)V2(較好)V3(一般)V4(較差)V5(很差)}，標準隸屬度函數為U={U1(1.0)U2(0.8)U3(0.5)U4(0.2)U5(0.0)}，通過計算得到評價矩陣R：

4) 將指標權向量W和評價矩陣R進行相乘，獲得綜合評判指標矩陣P=[0.626,0.306]?？梢?，在有項目情況下，評價結果為0.626；無項目時，評價結果為0.306，實施項目后的整體評價結果遠大于未實施項目的評價結果，表明該水利工程可行。

4.2 BP人工神經網絡綜合評價法結果分析

根據分析成果，建立BP人工神經網絡綜合評價模型結構，見圖3。

圖3 BP人工神經網絡綜合評價模型結構

根據模型結構，將指標層作為神經網絡的輸入節點，隱含層的傳遞函數則選用Sigmoid函數(并通過試算最終確定為8個節點)，輸出層則采用Purelin 函數，所采用的網絡拓撲結構示意見圖4。

圖4 網絡拓撲結構

主要計算分析過程如下：

1) 選取6組工程項目的相關數據作為訓練樣本數據，并增加2組數據作為檢驗樣本數據，以確保輸出結果與專家評價結果相接近，經過2 614次訓練分析后，得到6組數據訓練曲線與目標曲線的誤差分析結果，見圖5。從圖5中可以看到，采用的樣本數據經過多次訓練后，趨于目標曲線，滿足期望誤差的相關要求；BP網絡訓練輸出結果與多層次模糊評價結果對比結果見表3。

圖5 訓練情況

表3 BP網絡訓練輸出結果與多層次模糊評價結果對比

2) 將檢驗組數據輸入到已經訓練好的網絡模型中，最終得到的評價指數為0.1292和0.5696。結果表明，第八組的評價結果優于第七組，且與專家利用多層次模糊評價法得到的結果基本吻合，可用于該工程的社會評價中，并排除了認為主觀因素的影響。

3) 將各指標的數據輸入到訓練好的神經網絡模型中，獲得各評價指標的最終評價分數，見表4。經過已訓練好的網絡模型最終計算得到的該工程的綜合效益評價分數為0.682，表明B渠工程建設項目是可行的。

表4 B渠工程建設項目各指標綜合效益評價結果

4.3 兩種方法結論對比

從以上分析可知，基于多層次模糊評價法得到的B渠工程建設項目綜合效益評價得分為0.626，而基于BP人工神經網絡法得到的B渠工程建設項目綜合效益評價得分為0.682，兩種方法計算結果基本吻合，表明該工程項目的綜合評價結果為可行。

5 結 論

本文利用多層次模糊評價法和BP人工神經網絡法對新疆伊犁地區某渠道水利工程的項目效益進行了綜合評價，從綜合評價結果來看，B渠工程建設項目可行。綜合評價方法可避免單一評價方法的局限性所帶來的評價誤差，可提高項目整體的評價準確性，評價方法對于其它工程而言具有借鑒意義。