基于隨機(jī)森林和XGBoost的鐵路工期指標(biāo)預(yù)測方法研究

寇智聰

中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京，102600

0 引言

鐵路工期進(jìn)度指標(biāo)是進(jìn)行鐵路施工組織編制的基礎(chǔ)和依據(jù)，獲取準(zhǔn)確的進(jìn)度指標(biāo)值能夠為組織施工方案和優(yōu)化施工工期提供更為可靠的數(shù)據(jù)支撐。中國鐵路總公司發(fā)布的《鐵路工程施工組織設(shè)計規(guī)范》（Q/CR 9004-2018）[1]是施工組織編制的綱領(lǐng)性文件，其中對施工工期的主要參考指標(biāo)進(jìn)行了明確。該指標(biāo)主要用于指導(dǎo)性的施工組織設(shè)計，然而各建設(shè)項目所在區(qū)域與施工條件各具特點(diǎn)，現(xiàn)場施工常會受到多種因素的影響，使得工期參考指標(biāo)指導(dǎo)實際施工的意義大打折扣，容易造成計劃與實際的脫節(jié)[2]。

部分專家學(xué)者通過實際調(diào)研與典型案例相結(jié)合的方法，收集相關(guān)數(shù)據(jù)作為確定工期指標(biāo)的參照[3]，而這種研究方法需要廣泛收集資料，使得及時、準(zhǔn)確地獲得工期指標(biāo)的難度較大。隨著大數(shù)據(jù)和計算機(jī)科學(xué)的不斷發(fā)展，新的信息技術(shù)和智能算法被越來越多地應(yīng)用于工程建設(shè)領(lǐng)域[4-5]。一些學(xué)者也開始嘗試應(yīng)用智能算法來進(jìn)行工期預(yù)測的研究[6-7]，但目前此類研究仍處于起步階段。上述相關(guān)研究中大多采用的是單一的回歸預(yù)測模型且樣本數(shù)量較少，雖然有效地解決了工期預(yù)測中出現(xiàn)的一些問題，提高了預(yù)測效率，但仍存在算法高度依賴數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的問題，易陷入局部最優(yōu)等缺陷，可能會導(dǎo)致實際使用時的預(yù)測結(jié)果不可靠。此外，針對鐵路工期指標(biāo)預(yù)測影響因素多、噪聲干擾復(fù)雜的特點(diǎn)，需要有效地選擇關(guān)鍵的影響因素，才能得到更為準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果。

為此，本文引入機(jī)器學(xué)習(xí)中的隨機(jī)森林（RF）和XGBoost算法，提出一種結(jié)合兩種算法的工期指標(biāo)預(yù)測模型。使用RF對輸入的影響因素進(jìn)行重要程度排序，結(jié)合特征選擇中的循序向后選擇法對無關(guān)影響因素進(jìn)行剔除，得到工期指標(biāo)預(yù)測的最優(yōu)影響因素集，然后以此為模型輸入建立基于XGBoost的工期指標(biāo)預(yù)測模型，從而實現(xiàn)對工期指標(biāo)的準(zhǔn)確預(yù)測。

1 相關(guān)算法

1.1 隨機(jī)森林算法

隨機(jī)森林（RF，random forest）作為一種綜合的算法，最先由Breiman[8]在2001年提出，主要應(yīng)用于預(yù)測和特征選擇等問題。該算法結(jié)合了CART樹和Bagging方法，利用Bootstrap對原始樣本集進(jìn)行有放回的抽樣，使用抽取出的每一個樣本集來構(gòu)建對應(yīng)的決策樹模型，所有決策樹的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)均采用隨機(jī)選擇特征的方式對屬性進(jìn)行分裂，最后組成一個完整的隨機(jī)森林，在綜合各決策樹所產(chǎn)生結(jié)果的基礎(chǔ)上，投票得到最終結(jié)果。

1.1.1 模型的泛化誤差

在對樣本集進(jìn)行有放回抽樣時，會產(chǎn)生36.8%的袋外數(shù)據(jù)（OBB），可作為計算模型泛化誤差的依據(jù)。模型的泛化誤差可以用下式表示：

在RF中，隨著決策樹的數(shù)目不斷增多，模型的泛化誤差將會趨近一個有限的上界。即：

1.1.2 特征的重要度

隨機(jī)森林中某個特征的重要程度為：

式（3）中，N為隨機(jī)森林中決策樹的個數(shù)，和分別對應(yīng)未變換以及隨機(jī)對數(shù)據(jù)中某個特征順序進(jìn)行變換后的袋外數(shù)據(jù)的誤差值。

計算所有特征的重要度之后，使用循序向后的特征選擇方法對重要度最低的特征進(jìn)行分步去除，最終找出最合適的特征數(shù)量[9]。

1.2 XGBoost算法

XGBoost是2014年2月由Chen[10]提出的基于決策樹模型的提升算法，因其優(yōu)良的學(xué)習(xí)效果以及較高的訓(xùn)練速度獲得大量關(guān)注，廣泛應(yīng)用于解決工程領(lǐng)域的分類和回歸預(yù)測等問題[11]。該算法是對梯度提升樹方法的改進(jìn)，適用于大規(guī)模的稀疏數(shù)據(jù)，具有運(yùn)算速度快、準(zhǔn)確率高等優(yōu)點(diǎn)。基于多個決策樹的組合模型可寫作K個可加函數(shù)的和：

對于固定的樹形結(jié)構(gòu)，用二階近似方法優(yōu)化得到葉子權(quán)重的最優(yōu)解。之后根據(jù)權(quán)重的值來計算樹形結(jié)構(gòu)的得分函數(shù)，以該得分為評價指標(biāo)，最后使用貪婪算法進(jìn)行樹的生長和剪枝。

2 基于RF-XGBoost的工期指標(biāo)預(yù)測模型構(gòu)建

基于RF-XGBoost的工期指標(biāo)預(yù)測模型的建模流程如圖1所示，分為工期指標(biāo)影響因素篩選和工期指標(biāo)預(yù)測兩個主要的過程。

圖1 基于RF-XGBoost的工期指標(biāo)預(yù)測建模流程

2.1 基于RF的工期指標(biāo)影響因素篩選

2.1.1 確定初始數(shù)據(jù)集

對相關(guān)文獻(xiàn)資料和工程實踐經(jīng)驗進(jìn)行學(xué)習(xí)總結(jié)，從人機(jī)料法環(huán)等多個維度進(jìn)行考慮，以現(xiàn)場收集到的工期影響因素作為輸入、鐵路工期進(jìn)度指標(biāo)作為輸出，建立工期指標(biāo)預(yù)測的初始數(shù)據(jù)集。

2.1.2 工期影響因素篩選

直接使用原始的數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，得到的工期指標(biāo)預(yù)測模型精度未必很高，還會增加模型訓(xùn)練所需的時間。結(jié)合RF算法與循序向后選擇法對初始影響因素進(jìn)行剔除，篩選出最優(yōu)影響因素集，可作為后續(xù)預(yù)測模型的輸入變量。在利用RF分析影響因素的大小時，有兩個重要的模型參數(shù)需要設(shè)置，分別是決策樹的隨機(jī)特征數(shù)量mtry和決策樹個數(shù)Ntree。為使模型預(yù)測結(jié)果穩(wěn)定，建議將mtry設(shè)置為特征數(shù)的1/3，Ntree的取值大于500。同時，采用k-折交叉驗證的方法以提高模型的預(yù)測精度。

2.2 基于XGBoost的工期指標(biāo)預(yù)測模型

2.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.2.2 XGBoost模型超參數(shù)選擇

XGBoost模型中主要的超參數(shù)包括樹的個數(shù)、樹的最大深度、學(xué)習(xí)速率以及最小葉子節(jié)點(diǎn)的樣本權(quán)重和等。在參數(shù)調(diào)整過程中，可采用網(wǎng)格搜索法和5折交叉驗證的尋優(yōu)策略，對以上超參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.3 預(yù)測效果評價

選取均方誤差（Rmse）和擬合優(yōu)度（R2）作為XGBoost模型的預(yù)測性能評價指標(biāo)。Rmse衡量的是預(yù)測值與真實值之間的偏差，R2用于評價模型的擬合效果，兩個指標(biāo)的計算公式如下：

式（9）～（10）中，yi和分別為實際值和預(yù)測值;為樣本的均值; n表示樣本數(shù)據(jù)的個數(shù)。

3 實例分析

3.1 數(shù)據(jù)來源

以新村隧道工程某工點(diǎn)為研究對象，從隧道施工臺賬中獲取隧道施工進(jìn)度的數(shù)據(jù)樣本，其中工期指標(biāo)為隧道正洞開挖進(jìn)尺長度，共收集了731組施工進(jìn)度數(shù)據(jù)作為樣本集，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

表1 隧道施工臺賬部分初始數(shù)據(jù)

3.2 基于RF算法的工期指標(biāo)影響因素篩選

3.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為使數(shù)據(jù)能夠讓算法正確識別且更易學(xué)習(xí)，需對數(shù)據(jù)進(jìn)行特征轉(zhuǎn)換從而獲取更佳的數(shù)據(jù)表示方式。本研究中將初始數(shù)據(jù)集中的日期轉(zhuǎn)換為季節(jié)，將施工時間轉(zhuǎn)換為工作時長，同時去除了部分重復(fù)特征，得到變換后的數(shù)據(jù)集，如表2所示。采用獨(dú)熱編碼對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理。

表2 經(jīng)特征變換后的數(shù)據(jù)集

3.2.2 影響因素重要度排序

載入Python語言里專門用于機(jī)器學(xué)習(xí)的sklearn庫，調(diào)取庫中與RF相關(guān)的函數(shù)命令建立分析模型，計算得到初始數(shù)據(jù)集中工期指標(biāo)影響因素的重要度，并對結(jié)果進(jìn)行排序，如圖3所示。由圖中信息可得，重要度排名較高的影響因素包括圍巖等級、工作時長、季節(jié)等，從工程實踐經(jīng)驗來看，圍巖等級的影響最為明顯，而季節(jié)和施工部位與工期指標(biāo)的相關(guān)性也較大，因此RF算法得到的分析結(jié)果具有合理性。

圖3 影響因素的重要性排序圖

3.2.3 關(guān)鍵影響因素篩選

設(shè)定RF模型中參數(shù)mtry的取值為5，Ntree的取值為600，選擇使用5折交叉驗證的方式測試模型精度。根據(jù)圖3給出的重要性排序結(jié)果，使用循序向后的特征選擇方法，得到不同特征組合個數(shù)下模型預(yù)測精度的變化曲線，如圖4所示。

圖4 不同影響因素組合時模型精度變化趨勢圖

由圖中分析可知，隨著特征數(shù)量的減少，模型預(yù)測精度有了一定程度的提高，這意味著某些冗余的影響因素被剔除了；在到達(dá)某一個值時，繼續(xù)減少特征個數(shù)，模型的精度也隨之下降；隨著特征數(shù)量的進(jìn)一步減少，模型精度開始急劇下降，說明一些重要的影響因素被刪除了。在本案例中，當(dāng)影響因素集合中的特征個數(shù)為9時，可以訓(xùn)練得到預(yù)測精度最高的模型。篩選出的關(guān)鍵工期影響因素為圍巖等級_V加、工作時長、圍巖等級_Ⅳ加、季節(jié)_秋、實際方量、圍巖等級_Ⅲ一般、圍巖等級_Ⅳ一般、施工部位_上臺階、施工部位_全斷面。

3.3 基于XGBoost的工期指標(biāo)預(yù)測模型構(gòu)建

3.3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

將3.2節(jié)篩選出的工期影響因素結(jié)果作為XGBoost預(yù)測模型的輸入特征參數(shù)，將隧道進(jìn)度指標(biāo)作為輸出，收集多組隧道工期指標(biāo)數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)集，并對輸入和輸出特征數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。將數(shù)據(jù)集進(jìn)行隨機(jī)劃分，抽取全部樣本的70%作為模型的訓(xùn)練集，剩余30%的樣本則作為測試集，用來評價模型的泛化性能。

3.3.2 模型調(diào)參

加載Python語言sklearn庫中的網(wǎng)格搜索函數(shù)GridSearchCV搜尋XGBoost模型的最優(yōu)超參數(shù)集合，該函數(shù)命令自帶交叉驗證功能。最終的工期指標(biāo)預(yù)測模型采用的超參數(shù)值如表3所示。

表3 工期指標(biāo)預(yù)測模型中超參數(shù)的最優(yōu)值

3.3.3 預(yù)測結(jié)果評價與比較

根據(jù)所確定的模型參數(shù)最優(yōu)值訓(xùn)練XGBoost模型，對工期指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測。分別在訓(xùn)練集和測試集上對其進(jìn)行測試，預(yù)測結(jié)果如圖5和圖6所示。從圖中結(jié)果可得，該模型通過對訓(xùn)練集數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，得到了較好的擬合效果。模型在測試集數(shù)據(jù)上的預(yù)測值與實際值相貼近，說明該模型對工期指標(biāo)的預(yù)測效果良好。

圖5 工期指標(biāo)預(yù)測模型訓(xùn)練集預(yù)測結(jié)果與實際結(jié)果對比

圖6 工期指標(biāo)預(yù)測模型測試集預(yù)測結(jié)果與實際結(jié)果對比

為了進(jìn)一步評估提出的RF-XGBoost方法在工期指標(biāo)預(yù)測上的性能，將其與支持向量機(jī)（SVM）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BPNN）和多元線性回歸等預(yù)測方法構(gòu)建的模型相比較，不同預(yù)測模型得到的結(jié)果對比見表4。該結(jié)果包含了各個模型對案例數(shù)據(jù)預(yù)測結(jié)果的RMSE和R2的值。一般來說，R2越接近1、RMSE越接近0表明模型的預(yù)測性能越好。

表4 模型性能比較

由表中結(jié)果可知，RF-XGBoost模型的RMSE在所有參與比較的模型中最小，R2也更加接近1，說明該模型的擬合效果和預(yù)測精度優(yōu)于其他模型，預(yù)測結(jié)果更加接近實際值，具有不錯的泛化性能。綜上所述，使用基于RF-XGBoost模型對工期指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測，獲得的預(yù)測結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。

4 結(jié)語

本文建立了一種基于RF-XGBoost的工期指標(biāo)預(yù)測模型，利用RF算法對工期指標(biāo)的影響因素進(jìn)行篩選，得到最優(yōu)影響因素集作為XGBoost模型的輸入，為鐵路工期指標(biāo)高精度預(yù)測提供了分析方法。以某隧道項目為背景，提取施工臺賬中的數(shù)據(jù)作為分析樣本，建立了RF-XGBoost工期指標(biāo)預(yù)測模型，通過將預(yù)測結(jié)果與實際數(shù)值相對比驗證了模型在工期指標(biāo)預(yù)測中的有效性。與其他常用預(yù)測模型相比較，該模型的預(yù)測效果更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定，在鐵路工期指標(biāo)預(yù)測中，具有一定的指導(dǎo)意義和實用價值。