（农业水土工程专业论文）苏北地区中小型水利工程造价估算系统.pdf

张跃飞苏北地区中小型水利工程造价估算系统 摘要 本文以m i c r o s o f t v i s u a lb a s i c6 0 ( v b 6 o ) 为开发平台，开发了苏北中小型水利 工程造价估算系统。本系统采用面向对象的编程方法，实现了多种软件( v i s u a l b a s i c6 0 、f o r t r a n 、m i c r o s o f te x c e l 、m i c r o s o f ta c c e s s 等) 的跨平台集成，通过人 机对话的方式，自动计算、自动生成表格等功能。本系统包括神经网络法、回归 分析法、工程汇总及经济分析等五个模块。本系统中建筑物属性数据采用数据库 存储与管理，在工程量计算时，充分利用数据库存储与分析功能，自动生成工程 量计算所需的文件，采用神经网络模型进行工程量计算；在工程造价估算时，充 分利用e x c e l 强大的表格处理功能，在e x c e l 中自动生成工程估算表。 本文详细阐述了系统所采用的编程方法、系统构成、系统各组成部分的开发过 程，最后举例说明，运行结果表明，本系统操作简便，界面友好，运行速度快， 提高了编制速度，节省了大量时间，具有较强的适用性。 关键词：面向对象神经网络系统开发工程估算 扬州大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mo fm i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 0 ，a ne v a l u a t i o ns y s t e m o fc o n s t r u c t i o nc o s tf o rt h em e d i u m - a n d ，s m a l l s c a l ew a t e rr e s o u r c e sp r o j e c t so ft h e n o r t ha r e a so fj i a n g s up r o v i n c ei sd e v e l o p e di nt h i st h e s i s a d o p t i n gt h e0 0 ( o b j e c t o r i e n t e d ) p r o g r a m m i n gm e t h o d ，t h es y s t e mr e a l i z e dt h ei n t e g r a t i o no f t h es o f t w a r es u c h a sv i s u a lb a s i c6 0 ，f o r t r a n ，m i c r o s o f te x c e l ，m i c r o s o f ta c c e s s ，e t c t h r o u g h m a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o n s ，c a l c u l a t i o n sa n dp r o d u c i n gt a b l e sa n ds oo na l lc a l lb e a u t o m a t i c a l l yd o n e t h es y s t e mi n c l u d e ss u c hf o u rm o d u l e sa sn e u r a ln e t w o r k s ( n i 0 ， r e g r e s s i o na n a l y s i s ，e n g i n e e r i n gs u m m a r y , a n de c o n o m i ca n a l y s i s t h es y s t e ma d o p t s t h er e l e v a n td a t a b a s ef o rt h es t o r a g ea n dm a n a g e m e n to f t h ea t t r i b u t e d a t ao fs t r u c t u r e s ， a n di tm a k e st h em o s tu s eo ft h ef u n c t i o no fd a t a b a s ei ns t o r i n ga n da n a l y z i n gd a t at o a u t o m a t i c a l l yo r g a n i z ef i l e sn e e d e di nq u a n t i t i e sc a l c u l a t i o n q u a n t i t i e sa l ec a l c u l a t e d b yn n w h e ni ne n g i n e e r i n ge v a l u a t i o n , t h es y s t e mm a k e st h em o s to ft h ep o w e r f u l t a b l ed i s p o s a lf u n c t i o no f e x c e lt oc r e a t ee n g i n e e r i n ge v a l u a t i o nt a b l ea u t o m a t i c a l l y t h ep r o g r a m m i n gm e t h o d s ，s y s t e ms t r u c t u r e s ，d e v e l o p i n gp r o c e s s e so f e v e r yp a r ta r e e l a b o r a t e di nt h ep a p e r t a k i n gs e v e r a ls t r u c t u r e sf o re x a m p l e ，t h er u n n i n gr e s u l t ss h o w s t h a tt h es y s t e mc a nb ee a s i l yo p e r a t e d ，h a sf r i e n d l yi n t e r f a c ea n df a s tr u n n i n gs p e e d a s ar e s u l t ，t h es p e e do fc o m p i l a t i o ni sg r e a t l yi m p r o v e da n dag r e a tq u a n t i t yo ft i m ei s s a v e d t h e r e f o r e ，t h es y s t e mh a sap r e f e r a b l ep r a c t i c a b i l i t y k e y w o r d s ：o b j e c to r i e n t e d ；n e u r a ln e t w o r k s ；s y s t e md e v e l o p m e n t ；e n g i n e e r i n g e v a l u a t i o n 张跃飞苏北地区中小型水利工程造价估算系统 l 前言 1 1 问题的提出 水利工程建设具有投资规模大、建设周期长、涉及面广、不可预见因素多等显 著的行业特点，有效的造价管理是保证工程建设顺利开展的重要因素。大型水利 工程建设因其投资额巨大、工程内容复杂，一般需委托专业咨询机构或组建专业 队伍对工程造价进行管理，而在中、小型水利工程的建设过程中，受现有建设管 理体制所限，在工程造价管理方面尚存在着一些薄弱环节，需要在实践中不断总 结、提高和完善。 水利工程造价管理【1 - 3 1 ，是指对水利建设项目从项目建议书、可行性研究报告、 初步设计、施工准备、建设实施、竣工验收等各阶段所对应的投资估算、设计概 算、项目管理预算、标底价、合同价、工程竣工决算等工程造价文件的编制和执 行，进行规范指导和监督管理。其主要目标就是在工程建设过程中，随时纠正发 生的投资偏差，把实际发生的投资额控制在批准的投资限额以内，并在实现工程 使用功能和投资控制目标的基础上，力求使投资最少，以提高投资效益。水利工 程建设过程中的造价管理应按照国家相关法律、法规及有关技术规范，遵循市场 规律，合理确定和有效控制工程造价，按照“合理预测、静态控制、动态管理、 明确职责”的办法对工程投资实施管理。根据我省现行重点水利工程建设管理规 定，初步设计概算静态总投资原则上不得超过经批准的可行性研究报告投资估算， 若静态投资超过可行性研究报告投资估算的1 0 ，应当提交专题分析报告重新审 批；经批准后的初步设计概算是基本建设项目投资控制的最高限额，是项目法人 在建设实施阶段编制项目管理预算、招投标、签定建设项目合同等活动的重要依 据。 中、小型水利基本建设项目的前期工作一般由项目建议书、可行性研究报告和 初步设计三个部分组成，在项目可行性研究阶段需要根据投资估算，通过经济技 术分析完成项目决策工作；在初步设计阶段需要根据其概算确定工程静态总投资， 2 扬州大学硕士学位论文 是造价管理过程中确定造价控制目标的重要阶段。 水利工程立项过程包括项目建议书和可行性研究报告两个阶段( 特殊情况下可 适当简化立项程序) ，项目建议书和可行性研究报告应根据国民经济及水利行业 近、远期规划要求，对建设项目在技术、经济、水资源开发利用、水土保持等方 面的合理性、可行性进行研究和评价。在报告编制过程中，应努力做到基本资料 翔实、设计方案科学、投资估算全面、效益分析充分，并应根据国土资源部建 设项目用地预审管理办法，在可研阶段对建设项目涉及到的土地利用事项及时开 展用地预审工作。工程立项后，经批准的可行性研究报告即为确定工程建设规模、 标准和编制初步设计的依据，其投资估算是控制工程造价( 即静态总投资) 的主 要依据。 在般情况下，工程概算应控制在投资估算范围内，施工预算应控制在上级 批准的概算范围内。一旦出现“三超”【4 , 5 1 ( 概算超估算、预算超概算、决算超预算) ， 会直接影响工程进度，造成不良循环。 国内对于中、小型水利工程造价估算，只提供了一些计算方法t 6 , 7 1 ，还没有现 成的软件可以提供。对与中、小型水利工程的造价估算，通常采用人工计算方法， 首先统计其工程量，再按不同的单价估算其价值量，从而得到它的投资估算。但 是这种方法需要有详细、全面的工程设计、施工资料，编制人员往往需要花费很 长时问用在工程量计算上面，而且计算工程量过程非常繁杂，重复性劳动极大， 容易出错；由于手工计算工程量所有计算都是由手工求得，这就使得低级计算错 误和计算工程量人员理解偏差等造成的错误很难避免，有时虽然可以通过复核等 途径发现错误，但是由于更改局部工程量后会引起相应汇总量的变化，从而会造 成汇总表格的重新调整，甚至会影响到以后的取费、组价，也即此方法出现错误 后会造成较大的修复代价。 1 2 本系统研究的意义及内容 目前，党中央、国务院十分重视基础水利工程建设，水利作为国民经济第一 基础的地位不断加强。近年来，各级政府非常重视水利基础建设，各类水利规划 张跃飞苏北地区中小型水利工程造价估算系统 3 已全面展开，如流域、区域和市、县的防洪规划、水资源规划、水系规划、水环 境规划、灌区规划、节水规划、水库加固除险规划等等。规划的重要环节之一就 是要科学确定投资规模，进行工程估算，安排资金筹措渠道和年代计划，那么， 投资估算的科学性和重要性就不言而喻，但是，我省乃至我国尚无一套水利工程 规划阶段的工程造价估算方法和定额。目前，在规划阶段的工程造价估算基本依 靠工程技术人员的经验，因此，采用科学方法、先进理论、现代化工具开发一套 适合于苏北地区中小型水利工程的造价估算系统，以填补国内空白，具有重要的 实用价值和生产指导意义。 1 3 研究成果与创新 本系统把神经网络模型运用到工程量计算中，与传统的手工计算相比，其具有 比较明显的优势，省去了大量的手工劳动( 工程设计、施工资料收集，工程量计 算等) ，提高了建筑物工程量计算的效率。本系统利用a c c e s s 作为外部数据库来存 放与管理各种建筑物的信息，解决了工程量计算时样本数据调用这一问题；利用 f o r t r a n 语言编制计算模块，并与数据库相结合，实现了工程量计算的通用性；利 用混合语言程序设计技术，实现了在不同语言编程环境下数据的组织。本系统把 e x c e l 运用到工程造价估算中，利用e x c e l 强大的表格处理功能，在e x c e l 中自动 生成建筑物工程造价表，提高了工程造价估算的编制速度，节省了大量时间。因 此本系统具有一定的应用前景。 4 扬州大学硕士学位论文 2 影响中小型水平l j1 - 程i s , 9i t 程量的主要因素 2 1 影响涵洞工程量的主要因素 2 1 1 涵洞的类型 ( 1 ) 圆涵 圆形管涵受力条件好，能承受较大的填土压力和内水压力。多采用钢筋混凝土 建造，而以预制钢筋混凝土管用得最普遍，管径为o 8 2 5 m ，管壁厚为内径的 1 1 0 1 1 5 ，其优点是构造简单，工程量小，施工方便。当泻流量大时，可采用双 管或多管。 ( 2 ) 盖板式涵洞 盖板式涵洞不能承受内水压力，洞宽为2 4 m 。盖板多为预制钢筋混凝土板， 侧墙多采用石砌重力式挡土墙。设计时应考虑填土弹性抗力，并利用盖板及底板 作为支撑，这样可节省工程量。 ( 3 ) 箱形涵洞 箱形涵洞为四边封闭的钢筋混凝土整体结构。其特点是对地基不均匀沉陷适应 性好。小跨径箱涵一般都做成单孔，当孔径大于2 3 m 时，可做成双孔或多孔。 ( 4 ) 拱形涵洞 拱形涵洞能承受较大的外压，故多用于填土较高、泻流量较大的明流涵洞。 2 1 2 涵洞过流能力计算 ( 1 ) 无压流过水能力计算 洞的过水能力计算 q = m b 压h 3 0 7 2 式中 矾计入行进流速水买的上游洞底以上水头，风= 胃+ 竽； z g 张跃飞苏北地区中小型水利工程造价估算系统 6 一矩形断面涵洞底宽，若涵洞为非矩形断面时，6 ：导( q 为相应于临 界水深的过水断面面积) ； m 一流量系数。 长洞的过水能力计算 无压长洞的过水能力可应用短洞的计算公式并加入淹没系数来进行计算。 q = m d 囊瓜h 吾t 式中 掰一流量系数； 吒淹没系数。 ( 2 ) 半压力流过水能力计算 半压力流过水能力可按下式计算 q = u w 4 2 9 ( h o r l a ) 式中一流量系数： 玎一修正收缩系数； w 一涵洞断面面积( m 2 ) ； 口一涵洞高度( m ) 。 ( 3 ) 压力流过水能力计算 非淹没流过水能力按下式计算 q = - w | 、2 9 ( h o + 订一j ) j 式中刀一系数，一般r l = o 8 5 ： ，涵洞长度( m ) ； 一流量系数。 l 胪4 1 + e g 孺4 2 9 l c 式中 z 孝一进口、渐变段等阻力系数总和； c 一谢才系数； 6 扬州大学硕士学位论文 胄水利半径( m ) 。 淹没流过水能力按下式计算 q = t w 4 2 9 ( h o + f ，一 ) 式中 一出口洞底以上的水深( m ) ； f 一流量系数。 l 胪蘑v c r 式中善包括出口阻力系数在内的阻力系数总和。 2 1 3 影响工程量的因素 ( 1 ) 对于无压涵洞 由上式可知涵洞断面尺寸主要与上游水位、过水流量大小等有关，涵洞结构尺 寸主要与涵洞顶部填土厚度有关。 因此影响涵洞( 单位长度) 工程量的因素有涵洞类型、上游水位、过水流量及 顶部填土厚度等。 ( 2 ) 对于半压涵洞 由上式可知涵洞断面尺寸主要与上游水位、过水流量大小等有关，涵洞结构尺 寸主要与涵洞顶部填土厚度有关。 因此影响涵洞( 单位长度) t 程量的因素有涵洞类型、上游水位、过水流量及 顶部填土厚度等。 ( 3 ) 对于有压涵洞 由上式可知涵洞断面尺寸主要与上、下游水位、涵洞的纵坡( 比降i ) 、涵洞长 度、过水流量大小等有关，涵洞结构尺寸主要与涵洞顶部填土厚度有关。 因此影响涵洞工程量的因素有涵洞类型、上、下游水位、纵坡( 比降i ) 、过水 流量、涵洞长度、顶部填土厚度等。 考虑到收集的涵洞资料有限，主要是无压涵洞，本系统只考虑无压涵洞的工程 张跃飞苏北地区中小型水利工程造价估算系统 7 估算，对于半压及有压涵洞的工程估算，以后逐渐完善。 2 1 4 结论 无压涵洞( 单位长度) 工程量的主要影响参数有：涵洞类型流量q 填土厚 度日。 2 2 影响倒虹吸管工程量的主要因素 2 2 1 倒虹吸断面形式 倒虹吸管又称地下涵洞或地龙，它好似渠道与谷底、冲沟、道路、河道以及其 他渠道相交时，为连接渠道而设置的压力输水管道。倒虹吸管断面通常为圆形， 具有过水条件和受力条件好、造价低等优点，但在流量大、水头小的平原地区渠 系上，特别是穿越道路的倒虹吸管，也常有采用矩形断面的。 2 2 2 倒虹吸的布置型式 对于低水头小型倒虹吸管的布置型式有竖井式和斜管式两种。 ( 1 ) 竖并式 当岸坡较陡、风化层较厚，或与道路、水渠交叉高程差较小时，可采用竖井式。 它构造简单、管理短、占地少。井底通常设o 5 m 左右深的集沙井。因其水流条件 较差，一般多用于较小的倒虹吸管。 ( 2 ) 斜管式 当岸坡较缓，管道可随地面敷设成曲线型。其优点是开挖方量少，施工便利， 水流条件好。这是渠道与河道、沟渠交叉时最常采用的一种型式。 2 2 3 倒虹吸管过水能力计算 倒虹吸管的过水能力按压力管流计算，流量计算公式为： q = “压乏 8 扬州大学硕士学位论文 式中 q 一流量( m 3 s ) ； 彳一倒虹吸管的断面积( m 2 ) ； z 一上、下游水位差( m ) ： 一流量系数。 流量系数按下式计算 1 胪了霜露岛+ 善+ 面 式中 磊一出口损失系数： 孝一局部损失系数总和； 型d 沿程摩阻损失系数，五为能量损失系数( a = 罟) ，为管长( m ) ， d 为管径( m ) ，c 为谢才系数。 图2 1 为斜管式倒虹吸管水力计算简图。 2 2 4 影响工程量的因素 图2 - 1 倒虹吸管水力计算图 由上式可知倒虹吸管的断面尺寸与流量、水头损失( 即上下游水位差) 、管长等 有关，且倒虹吸管( 钢筋砼管和砼管) 的壁厚、钢筋数量与管内径、填土高度、 管内压力水头有关。 因此倒虹吸管的工程量与布置型式、倒虹吸管的流量、倒虹吸管的长度、上下 游水位差、管内压力水头及填土高度等有关。 张跃飞苏北地区中小型水利工程造价估算系统 9 2 2 5 结论 倒虹吸管工程量的主要影响参数有：布置型式断面形式流量管长上下 游水位差管内压力水头填土高度。 2 3 影响渡槽工程量的主要因素 2 3 1 渡槽类型及断面形式 渡槽是输送水流跨越河渠、道路、山冲、谷口等的架空输水建筑物。渡槽的类 型，一般是指输水槽身及其支撑结构的类型。按支撑结构型式，主要有粱式渡槽、 拱式渡槽和桁架式渡槽。 槽身横断面有矩形、梯形、u 型、半椭圆形、抛物线形等。一般常采用矩形和u 形断面。 2 3 2 渡槽水力计算 ( 1 ) 槽身比降i 比降i 与槽身断面有一定的关系，一般i 大则槽身断面较小，i 小则槽身断面较 大。 ( 2 ) 槽身断面的确定 ( 3 ) 槽身宽度。槽身宽度按以下二种情况计算： 当渡槽长l 小于或等于1 5 2 0 倍槽内水深h 时，按淹没宽顶堰流量公式计算 q = 劬刖2 9 z 。 式中 q 渡槽设计流量，( m 3 s ) ； f - 倾0 收缩系数； 一流速系数； 进口水头损失( m ) 。 当渡槽长度l 大于1 5 2 0 倍槽内水深h 时，按明渠均匀流公式计算 i o 扬州大学硕士学位论文 式中矗水力半径，m ； 一槽身比降： c 一谢才系数。 9 = 4 c 压= b h c 4 雨 2 3 3 影响渡槽工程量的因素 考虑到收集的渡槽资料主要是梁式渡槽，本系统暂时只考虑梁式渡槽的工程估 算，对于拱式渡槽和桁架式渡稽的工程估算，在以后收集到充分资料的基础上再 进一步完善系统。 由上可知梁式渡槽的断面尺寸与渡槽流量、槽身比降有关。梁式渡槽的跨度是 关键尺寸，影响梁式渡槽支撑结构工程量。 因此梁式渡槽的工程量与断面形式、渡槽流量、槽身比降i 、渡槽长度以及跨度 等有关。 2 3 4 结论 梁式渡槽工程量的主要影响参数有：断面形式流量q 槽身比降d 渡槽长度 跨度。l 2 4 影响水闸工程量的主要因素 2 4 1 水闸的类型 水闸是一种既能挡水又能泄水的低水头水工建筑物，通过启闭机闸门来控制水 位和流量。在防洪、灌溉、排涝等水利工程中应用很广。水闸按闸室结构型式可 分为开敝式和涵洞式水闸两种。 2 4 2 影响工程量的因素 ( 1 ) 开敞式水闸 开敞式水闸的闸室是露天的。当引( 泄) 水流量较大、渠堤不高时，常采用开 张跃飞苏北地区中小型水利工程造价估算系统 l l 敞式水闸。渠道上的中、小型水闸，通常采用宽顶堰式水平底板，堰顶高程一般 与渠底齐平。因此按宽顶堰流公式计算： 自蛐流 b 2 蕊焉q 矛砌2 9 日；“ 淹没出流 口： 垒一 a 钟, , h , i 2 9 z 防渗长度计算 工c a l l 式中q | 过闸的设计流量( m 3 s ) ； g 一堰流侧向收缩系数； 艿侧面分水系数； 掰一流量系数，与进口形式有关，由表查得； 风一计入行近流速水头的堰上水头； z 过闸的水位落差； 够。一流速系数，由表查得： h 一上、下游水位差，最不利情况下即为闸前水深( m ) ； c 渗径系数，由表查得。 由上可得节制闸工程量主要与闸孔总净宽口、上下游水位、闸高、地基状况等 有关，但这些因素主要和闸孔总净宽口、渗径工有关，由上式知闸孔总净宽曰与 流量q 有关，因此开敞式水闸工程量主要与闸孔流量q 、渗径工有关 ( 2 ) 涵洞式水闸 涵洞式水闸主要建在渠堤较高、饮水流量较小的渠堤上。在闸室后面有洞身段， 洞顶上填土可做路基，有利于洞身的稳定。灌区中涵洞式水闸，多用于斗、农渠 上的斗门和农门。因饮水流量和水位差均较小，所以洞身常用砼预制管筑成，且 是水平的。斗、农渠上的涵管分水闸，当用于较深的渠道时，进、出口多被淹没。 因此，可按短管淹没出流公式计算： q = u a 4 , 2 9 z 式中q 通过涵管的设计流量，m 3 s ： 1 2 扬州大学硕士学位论文 a 一涵管断面面积，n r ； z 一上、下游水位差，m ； 占一侧面分水系数，其值与分水角有关； “一流量系数，由下列公式计算 觋 胪丽1 、了+ 舌 舭 胪丽1 、磊“考 式中三一管身长度，m ； d 一管的内径，m ； r 一矩形管的水力半径，m ： f 局部损失系数； a 一管的沿程阻力系数，a = 8 9 c 2 ，c 为谢才系数。 由上式知涵洞式水闸工程量主要与洞身类型、流量q 、上、下游水位差、管身 长度、填土高度等有关。 2 4 3 结论 开场式水闸工程量的主要影响参数有：流量q 渗径三。 涵洞式水闸工程量的主要影响参数有：洞身类型流量上下游水位差管 身长度填土高度。 2 5 影响泵站工程量的主要因素 2 5 1 泵房的结构型式 泵房结构型式主要与进、出水水位的变化幅度、水泵机组的类型和结构型式、 工程地质条件等因素有关。通常分为分基型泵房、干室型泵房、湿室型泵房和块 基型泵房四类。 张跃飞苏北地区中小型水利工程造价估算系统 1 3 2 5 2 主要影响因素 由于泵房是整个泵站工程的核心建筑物，泵站工程量主要集中在泵房部分。泵 房的工程量主要跟泵房的结构型式、泵型、机型和水泵台数有关。 ( 1 ) 泵房结构型式主要与进、出水水位的变化幅度、水泵机组的类型和结构型式， 工程地质条件等因素有关。 ( 2 ) 水泵台数的多少，决定水泵尺寸的大小和土建工程投资。 ( 3 ) 影响泵型的因素： 设计扬程及设计流量。设计扬程是决定水泵类型最基本的依据，而设计流量 可提供选择水泵台数的范围。 进、出水池的水位变幅。这对水泵结构，进、出水流道及泵房结构型式均有 影响。 水泵的比转速心及气蚀比转速c 是反映水泵性能的综合性参数，可按它们的 大小对水泵进行分类，也可用它们判别水泵相似性。因此，如果在选型时能大致 确定刀，及c ，即可大致选定水泵类型，水泵转速亦可确定。疗，c 计算公式如下： = 1 3 6 p 5 n x 广- q ，5 6 2 n 4 q 。带 a允=oh 式中q 一单台水泵的设计流量( m 3 s ) ； 日一水泵的设计扬程( m ) ； 万一水泵转速( r r a i n ) ： j l ，水泵必需气蚀余量( m ) ； 盯一气蚀系数。 ( 4 ) 水泵动力机的配套功率为： i v m t 器他 1 4 扬州大学硕士学位论文 式中 q 一水泵工作范围内对应于最大轴功率的流量( m 3 s ) ； 蟊一水泵工作范围内对应于最大轴功率的扬程( m ) ： k 一动力机备用系数； r p 一水泵效率； 可。一传动效率。 ( 5 ) 泵站的渗径长度l 计算： 工c 日 式中h 上、下游水位差，最不利情况下即为闸前水深( m ) ； c 一渗径系数，由根据地基情况查表可得。 由上可知泵站工程量主要与泵房的结构型式、水泵台数、流量q 、扬程日、渗 径上等有关。 2 5 3 结论 泵站工程量的主要影响参数有：泵房的结构型式水泵台数流量q 扬程 日渗径三。 2 6 本章小结 本章主要是介绍了水闸、泵站、涵洞、渡槽以及倒虹吸等水利工程，考虑到各 建筑物工程量影响因素有许多，本章着重阐述了影响水闸、泵站、涵洞、渡槽以 及倒虹吸等建筑物工程量的一些主要影响参数。 张跃飞苏北地区中小型水利工程造价估算系统 1 5 3 建筑物工程量计算的方法选择 为了减轻计算人员在建筑物工程量统计时的大量的烦琐工作( 如工程设计、施 工图资料收集、工程量计算等) ，本系统中建筑物工程量计算考虑根据建筑物的设 计参数直接来进行计算。本文考虑的方法有b p 神经网络法和回归分析法两种可供 选择，那么选用何种方法来进行计算昵? 对于一组样本，输入为 五l i = 1 ，2 ，七 ，输出为e l i = l ，2 ，j ，可以认为它们 之间存在着某一映射g ，使得z = g ( 五) 。现要求出一个映射f 来，使得在某种意 义下f 是g 的最佳逼近。回归分析法，首先给出，的一种含参数的表达式，然后 求出参数来。通常是选择一组基函数，把f 表达为这些基函数的线性组合，再通 过最小二乘法等确定基函数前的系数，由此得到g 的一种逼近。对于低维或较简 单的g 函数尚能解决一些问题，而对于复杂的映射，则在如何选取基函数，要取 多少基函数以及如何求解系数等方面存在着困难，从而显示出这种映射表示方法 的局限性。而b p 神经网络表达映射的方法是对简单的非线性函数的复合，它经过 少数几次复合就可表达复杂的函数，从而可以描述物理世界中许多复杂现象和过 程。b p 神经网络对输入变量，输出变量个数并没有限制，这使得现实世界中的很 多问题都可以成为b p 网络可以处理的问题，诸如模式识别、系统辨识、预测控制、 图像处理、函数拟合等问题。因此本系统中建筑物工程量的求解选用b p 神经网络 法。 3 1 神经网络模型 3 1 1 人工神经网络研究简史【1 2 l 模糊集理论创始者l a z a d e h 教授近来提出了软计算( s o i lc o m p u t i n g ，又称计算 智能) 这一新学科群，它包括遗传算法、模糊计算、人工神经网络、随机算法、 混沌计算等智能学科。人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s - a n n ) ，又称并行分 布处理模型( p a r a l l e ld i s t r i b m e dp r o c e s s i n gm o d e l ) 或连接机制模型( c o n n e c t i o n i s m 1 6 扬州大学硕士学位论文 m o d e l ) ，是基于模仿人类大脑的结构和功能而构成的一类信息处理系统或计算机， 它具有很多与人类智能相类似的特点，诸如结构与处理的并行性、知识分布存储、 很强的容错性、通过训练学习而具备适应外部环境的能力、模式识别能力和综合 推理能力。2 0 世纪8 0 年代以来，人工神经网络研究重新崛起，已成为高技术研究 领域中的一门令人瞩目的新兴学科分支。世界各国对神经网络的理论与应用的研 究得到了迅速发展，神经网络理论的应用已渗透到各个领域，尤其在模式识别、 知识处理、非线性优化、智能控制、机器人研制等方面得到广泛应用和研究。 人工神经网络 1 3 - 3 7 1 的研究和发展经历了几起几伏。1 9 4 3 年美国神经生物学家 w a r r e nm c c u l l o c h 和数学家w a l t e rp i t t s 合写了名为“al o g i c a lc a l c u l u so fi d e a s i m m a n e n t i n n e r v o u s a c t i v i t y ”的开拓性文章，提出了m p 模型，给人们的信念是大 脑的活动是靠脑细胞的组合连接实现的。在此基础上，1 9 4 9 年心理学家d o n a l a h e b b 在 t h eo r g a n i z a t i o no fb e h a v i o r 书中提出了著名的h e b b 学习规则：脑细胞 间的通路每当参与某种活动时将被加强。该学校规则在目前一些神经网络模型中 仍被应用，为神经网络的学习算法奠定了基础。1 9 5 7 年f r a n k r o s e n b l a t t 提出的感 知器( p e r c e p t i o n ) 模型被认为是最早的神经网络模型。1 9 5 9 年b e m a r dw i d r o w 和 m a r t i a nh a 仃开发出自适应线性单元( a d a l i n e ) 的网络模型，第一次把神经网络研 究从纯理论的研究付诸工程应用，掀起了神经网络研究的第一次高潮。1 9 6 9 年 m a r v i nm i n s k y 和s e y m o u rp a p e r t 在合著的 p e r c e p t i o n 书中指出了简单感知器的严 重局限性，再加上当时基于语言智。能和逻辑一数学智能的人工智能研究很熟，导 致人工神经网络研究陷于低潮。2 0 世纪7 0 年代，芬兰电子工程师k o h o n e n 提出了 联想记忆理论；日本n h k 的福岛邦彦、美国波士顿大学的g r o s s e r g 进行了感知机 的自适应理论的研究；日本甘利俊一进行了神经网络有关数学理论的研究； a n d e r s o n 提出了盆中脑( b s b ) 模型。自2 0 世纪8 0 年代以来，人工神经网络的 研究进展非常迅速。1 9 8 2 年美国加州理工大学院物理学家j o h nh o p f i e l d 提出了离 散的神经网络模型，标志着人工神经网络研究高潮的又一次到来。同年美日两国 联合举办了联合竞争型神经网络会议，接着日本宣布了“第六代计算机”工程， g r o s s b e r g 对神经网络进行严格的数学分析，1 9 8 4 年h o p f i e l d 又提出了连续神经网 张跃飞苏北地区中小型水利工程造价估算系统 1 7 络模型。1 9 8 5 年r u m e l h a r t 等发展了反向传播学习算法( b a c k - p r o p a g a t i o n a l g o r i t h m - b p ) ，实现了m i n s k y 的多层网络的设想。1 9 8 6 年在美国s n o w b i r d s 召开 了第一次国际神经网络会议。自此以后，各国对神经网络的理论和应用研究迅速 发展起来。 3 1 2b p 神经网络理论研究进展 不同的设计网络结构，由于网络连接模型、输入信息的离散性或连续性、有无 监督训练、神经原的作用函数和动态特性等的不同，相应的学习算法也随之不同。 b p 神经网络f 3 8 - 划是用b p 算法训练的一种多层前馈型非现象映射网络，网络中各 神经元接受前一级的输入，并输出到下一级，网络中没有反馈连接。b p 神经网络 通常可用分为不同的层( 级) ，第j 层的输入仅与第j 1 层的输出联接。由于输入层 节点和输出层节点可与外界相连，直接接受环境的影响，所以称为可见层，而其 它中间层则称为隐层( h i d d e nl a y e r ) 。决定一个b p 神经网络性质的要素有3 个： 网络结构、神经元作用函数和学习算法，对这3 个要素的研究构成了丰富多彩的 内容，尤其是后者被研究得最多。b p 算法是目前应用最为广泛而且较成功的一种 算法，它解决了多层前馈网络的学习问题，从而使该网络在各方面获得了广泛应 用。它利用梯度搜索技术( g r a d i e n ts e a r c ht e c h n i q u e ) 使代价函数( c o s tf u n c t i o n ) 最小化。 b p 算澍5 1 1 可分为在线学习算法( 单样本点学习算法) 和批学习算法两种。前者 在其学习过程中每输入一个输入输出训练样本对后，即对网络参数进行一次调整； 后者采用的策略是，每次所作的网络参数的调整是在输入了样本集中所有训练样 本对后进行的。批学习算法是作为试图对在线学习算法的改进而提出的。一般认 为批学习算法可与加速训练速度，使收敛过程更平滑且泛化性能更好，而欧景等 经分析比较这两种算法的学习机理和学习过程后认为，在线学习算法因为可以实 现对训练样本集中每个样本点的充分逼近，所以它比批学习算法具有更好的学习 效果。 b p 神经网络是通过对简单的非线性函数( 例如s i g m o i d 函数) 的复合来实现这 1 8 扬州大学硕士学位论文 一映射的，只要经过少数几次复合，就可得极复杂的函数，从而可以模拟现实世 界的复杂现象。在式中，x 是n 维向量，y 是m 维向量。由于对m 和n 的大小没 有什么限制，所以使得许多实际问题都可以化成用b p 神经网络来解决，诸如模式 识别、预测、控制、图象处理、函数拟合等问题。 b p 网络的结构由网络层数、各层节点数和节点作用函数所决定。网络的学习， 就是利用样本资料根据一定的目标函数来优化网络的参数( 权值和阈值) 的过程。 目前，网络学习算法较多，其中反传学习算法( b p 算法) 方便、直观且训练有效， 现被广为采用。 3 2 模型建立 如果输入层的节点数目为n ，输出层的节点数目为m ，则网络是从n 维欧氏空间 到i n 维欧氏空间的映射。h e c h t - n i e l s e n 证明了：具有n 各输入神经元、2 n + l 各隐 层神经元和m 个输出神经元的前向三层神经网络可以任意精度逼近任何紧致子集 上的连续函数乒，“寸胄”。其中，为闭单位区间【o ，1 】。即若网络所表达的映射为 y = f & ) ，对一组样本，可以认为存在某一映射g ，使得 i = g ( x ，)p = 1 , 2 ，七) ( 4 1 ) f 可一致逼近g 。h e c h t - n i e l s e n 又证明了在一定条件下，对于任意，存在一个三层 神经网络，它能以均方误差的精度逼近任意平方可积非线性连续函数。 3 3 模型的求解 采用反传学习方法( b p 算法) 对模型进行求解。 图4 1 给出了反传学习算法原理图。在这种网络中，学习过程由正向传播和反向 传播组成。在正向传播过程中，输入信号从输入层经隐层单元逐层处理，并传向 输出层，每一层神经元的状态只影响下一层神经元的状态。如果在输出层不能得 到期望的输出，则转入反向传播，将输出信号的误差沿原来的连接通路返回。通 过修改各层神经元的权值和阈值，使得网络全局误差信号最小。 张跃飞苏北地区中小型水利工程造价估算系统 1 9 反传学习算法的求解步骤如p ： 步骤1 ：初始化。设已归一化的输入、输出样本为 甚钆k = 1 2 一，n k ；h = l ，2 , - - , n h ；j = l 2 “，n j ； ， ( 4 1 1 ) 础为样本容量。给各连接权 、帆 和阈值移 、娩j 赋予( 0 1 ，0 1 ) 区间上的随 机值。 步骤2 ：置k = 1 ，把样本对k ，d k 。) 提供给网络( h = 1 ，2 ，, n k ：j = l 2 ，i l j ) 。 步骤3 ：计算隐层各节点的输入薯、输出乃( f = 1 , 2 ，n i ) x = w h ，以+ 只， ( 4 1 2 ) y ，= i 0 + e 一) 。 ( 4 1 3 ) 步骤4 ：计算输出层各节点的输入x ，、输出y j ( ，= l ，2 ，巧) _ = 坳乃+ 嘭： ( 4 1 4 ) y = 1 ( 1 + e - ) 。 ( 4 - 1 5 ) 步骤5 ：计算输出层各节点所收到的总输入变化时单样本点误差匪的变化率 詈= 乃( 1 一乃) ( ) ，一巩，) ( ，= 1 ，2 ，形) ( 4 1 6 ) 步骤6 ：计算隐层各节点所受到的总输入变化时单样本点误差的变化率 鲁训叫痞考。嘞( = 1 2 ) m 步骤7 ：修正各连接的权值和阈值 = 嵋一可詈乃+ 口一) ； ( 4 1 8 ) 0 7 - - 彰一，7 詈+ 口 一) ( 3 1 9 ) ； ( 4 1 9 ) 崂1 = 以，一叩熹以 + 口，一咭1 ) ； ( 4 2 0 ) 2 0 扬州大学硕士学位论文 = 8 ；- r l a 靠e k + 口 一) 。 ( 4 2 1 ) 式中，t 为修正系数，学习速率，7 ( o ，1 ) ，动量因子口( o ，1 ) ，玎较大，则算法收敛 快，但不稳定，可能出现振荡，玎较小则算法收敛缓慢，口的作用恰好与叩相反。 步骤8 ：置k _ k + 1 ，取学习模式对也”以，) 提供给网络，转步骤3 ，直至全部n k 个模式对训练完毕，转步骤9 。 步骤9 - 重复步骤2 至步骤8 ，直至网络全局误差函数 e ：童t e t ：e z t l y , 乜1 0422)22 2 ) e = e =一以，) ( 4 小于预先设定的一个较小值或学 - j 次数大于预先设定的值，结束学习。 r 1 _ _ 1 hi 入层障层出层一度向传播 图4 - 1b p 算法原理示意图 3 4b p 算法中对应建筑物的变量、搜索方法及学习次数 1 、开敞式水闸： 输入层变量为：流量q 渗径l ；输出层变量为：土方量砼方量石方量 钢筋量。搜索方式采用负梯度下降法，学习次数取1 0 0 万次。 2 、涵洞式水闸： 输入层变量为：流量q 水位差矗填土高度日洞身长度，；输出层变量 为：土方量石方量砼方量钢筋量。搜索方式采用负梯度下降法，学习次 数取1 0 0 万次。 张跃飞苏北地区中小型水利工程造价估算系统 2 l 3 、涵洞( 单位长度) ： ( 1 ) 箱涵、盖板式涵洞；输入层变量为：流量q 填土厚度日；输出层变量 为：土方量石方量砼方量钢筋量。搜索方式采用负梯度下降法，学习次 数取1 0 0 万次。 ( 2 ) 圆涵：输入层变量为：流量q 填土厚度h ；输出层变量为：土方量 石方量砼方量。搜索方式采用负梯度下降法，学习次数取1 0 0 万次。 4 、泵站： 输入层变量为：流量q 扬程渗径；输出层变量为：土方量砼方量 石方量钢筋量。搜索方式采用负梯度下降法，学习次数取1 0 0 万次。 5 、梁式渡槽： 输入层变量为：流量q 比降i 长度，跨度；输出层变量为：土方量 砼方量石方量钢筋量。搜索方式采用负梯度下降法，学习次数取1 0 0 万次。 6 、倒虹吸管： 输入层变量为：流量q 填土厚度日压力水头水位差助长度，；输出 层变量为：土方量石方量砼方量钢筋量。搜索方式采用负梯度下降法， 学习次数取1 0 0 万次。 2 2 扬州大学硕士学位论文 4 苏北地区中小型水利工程造价估算系统的研制开发 4 1 系统开发概述 4 1 1 系统的功能分析 本系统实现了以下四个功能： ( 1 ) 建筑物属性数据库的管理 本系统为方便计算模块调用建筑物样本数据，将水闸、泵站、涵洞、及渡槽等 建筑物的信息保存于外部数据库中，同时也方便用户对数据库中的建筑物信息进 行查询、管理与维护。 ( 2 ) 建筑物工程量、造价估算计算 该系统能够根据影响建筑物工程量的设计参数，通过调用神经网络计算模块求 解出建筑物的工程量，然后根据当地的材料、设备价格及费率，自动估算出建筑 物的工程造价，并在e x c e l 中自动生成投资估算表。 ( 3 ) 进行工程汇总 计算结束后，计算的最终成果主要是e x c e l 表，根据这些表可以对建筑物的工程 量、机电设备、金属设备及工程造价进行汇总。 ( 4 ) 进行经济分析 根据工程汇总后的项目区总投资，对项目区进行相关的经济分析。 4 1 2 本系统开发的可行性 近年来，计算机的迅速普及和计算机软件开发技术的迅速发展，尤其是随着微 软公司的支持多平台交叉作业的视窗系统和面向对象可视化编程工具的推出，以 及一批优秀文字编辑及绘图软件的大量涌现，使得一般的用户也能开发出适应的 软件出来。主流的可视化程序开发软件有v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 、d e l p h i 、p o w e r b u i l d e r 等。 建筑物工程量计算的通用性是本系统的一大特色，也贯穿于整个系统的始终。 而工程量计算的一大问题就是计算工作量比较大，从而导致处理速度比较慢。目 张跃飞苏北地区中小型水利工程造价估算系统 2 3 前，对于建筑物工程量计算方面，提出了不少解法。