基于模糊神经网络的渠道衬砌机施工绩效预测

杨耀红YANG Yao-hong；薛光绪XUE Guang-xu

（华北水利水电大学，郑州450011）

0 引言

南水北调中线工程沿线主要是渠道工程，渠道衬砌设备施工绩效直接影响南水北调中线工程进度。渠道衬砌设备施工绩效受到多种因素的影响，各种影响因素和设备施工绩效之间呈现复杂的非线性关系。目前，关于渠道衬砌设备施工绩效预测研究成果较少，文献[1-3]对渠道衬砌设备施工绩效和其影响因素之间的关系，只是做了一些定性讨论，并未做定量研究。找出施工绩效与影响因素之间的定性关系，预测渠道衬砌设备施工绩效，对于南水北调中线工程的进度计划安排、资源配置以及其他有关工程具有一定的指导意义。

1 渠道衬砌设备施工绩效影响因素的影响机理

影响渠道衬砌设备施工绩效的因素较多。通过查阅相关方面的资料和工程实地调研，收集、整理、分析了渠道衬砌设备施工绩效影响因素，包括6个一级影响因素和16个二级影响因素。

1.1 组织安排 ①施工作业人员协作和稳定程度：衬砌设备施工前，对即将参与衬砌施工的全体人员进行一个总体的分工，通过合理有序的分工，使每个人员各司其职，高效的完成自己所分配的任务，也有利于提高衬砌设备施工绩效。同时，同一台设备频繁更换操作人员，也直接影响设备施工绩效。②员工培训力度：对参与衬砌施工的全部人员，进行全面、持续的培训，不断提高这些人员的素质和技能，有利于提高衬砌设备施工绩效。③管理人员状况：施工管理人员是衬砌设备施工现场最直接的调度指挥人员，做好设备的施工计划，并根据现场的实际施工情况及时做出相应调整，是提高衬砌设备施工绩效的重要工作。

1.2 资源配置 ①设备状况：衬砌设备本身的技术水平、施工质量可靠性、易维护程度等必然直接影响着衬砌施工绩效。②配套状况：渠道衬砌设备施工所需要的混凝土搅拌站、混凝土罐车、抹光机等配套设备的数量、质量以及维修状况，也必然影响衬砌机施工绩效。③作业人员状况：作业人员是衬砌设备的直接操作者和使用者，他们的基本素质和技术水平、熟练程度将会对衬砌设备施工绩效产生较大影响。

1.3 浇筑状况 ①厚度：混凝土的浇筑厚度是衬砌设备施工绩效的直接影响因素，浇筑厚度越厚，混凝土的需求量就越大，受布料机运输速度的限制，施工绩效就会降低。②坡长：渠道的衬砌深度和渠坡坡比决定着衬砌的坡长，而渠坡的长度又直接决定着混凝土的浇筑量，进而影响渠道衬砌设备施工绩效。③天气状况：天气状况的好坏对衬砌设备施工绩效的影响是显而易见的，在有效施工时间，遇到小雨、刮风等不良天气状况，需要采取必要的防范措施，否则衬砌设备施工绩效将会大打折扣。

1.4 紧前工作 ①土工膜铺设及焊接：土工膜铺设及焊接是衬砌设备施工的紧前工作，其铺设速度的快慢及施工规范化程度间接地影响着衬砌设备施工绩效。②保温板铺设：保温板铺设是土工膜铺设及焊接的紧前工作，其铺设速度的快慢及施工规范化的程度间接地影响着衬砌设备施工绩效。③反滤料铺设：反滤料铺设是保温板铺设的紧前工作，其铺设速度的快慢及施工规范化程度间接地影响着衬砌设备施工绩效。④软式透水管铺设：软式透水管铺设是反滤料铺设的紧前工作，其铺设速度的快慢及施工规范化程度间接地影响着衬砌设备施工绩效。⑤管沟开挖：管沟开挖是软式透水管铺设的紧前工作，其开挖速度的快慢及施工规范化程度间接地影响着衬砌设备施工绩效。

1.5 紧后工作 切缝：衬砌施工完毕后，当其强度达到1～5Mpa时进行切缝最为适宜，因此掌握好切缝的最佳时间并快速及时的切缝对后续的衬砌设备施工来说尤为重要。没有及时切缝容易造成混凝土衬砌裂缝，所以没有及时切缝将造成衬砌机被迫停止继续推进，等待切缝跟上。切缝机配备、切缝班组工人素质和熟练程度直接影响切缝效率。

1.6 其他 协调能力：衬砌设备施工的各个工序之间的衔接和配合形成了一个完整的系统，对于这个系统能否良好运行，各个工序之间的配合协调能力尤为关键，其对衬砌设备施工绩效影响较大。

2 渠道衬砌设备施工绩效预测研究方法

2.1 渠道衬砌设备施工绩效影响因素取值 16个二级影响因素中包括定性和定量两种因素，为了能将因素输入模糊推理系统进行推理，需要对输入因素进行处理。在这个模糊推理系统中，定性和定量两种因素取值必须在[0,1]区间内，输入模型才有效。

2.1.1 定量因素的处理 二级影响因素中只有混凝土厚度和坡比这两个定量因素，且取值不在[0,1]区间内，我们采用归一化处理的方法，使处理后的相对值能够反应单个影响因素的优劣。

渠道衬砌厚度设为X，最大厚度为Xmax，则相对值为Xi/Xmax。

表1 坡比及相对值

2.1.2 定性因素的处理 对于定性因素，采用7级取值方法，为了能够反映单个影响因素的优劣，我们采用固定最大值归一化处理的方法，设最大值为Xmax，则归一化处理后的相对值为Xi/Xmax，见表2。

2.1.3 绩效值的处理 根据渠道衬砌机的施工情况，设一台衬砌机的一天标准衬砌量是40米。考虑到衬砌机施工期间，受到天气、设备维护、设备调动等因素的影响，所以一台衬砌机的有效工作天数按一个月22天计算，那么一台衬砌机一个月的标准衬砌量是880米，每台衬砌机的月实际工作量除以880米，作为该衬砌机的绩效值。

2.2 模糊推理系统 基于模糊神经网络的模糊推理机制[4]，渠道衬砌设备施工绩效预测模糊推理系统结构如图1所示。

图1 模糊推理系统结构

模糊神经网络共包含5层，为了简化图形，假定模糊推理系统有两输入变量x和y，实际在本系统中有16个输入变量，规则集如下：

规则1：如果x是A1and y是B1，那么

规则1：如果x是A2and y是B2，那么

第1层：这一层的每个结点i是一个有结点函数的自适应结点。

这里x（或y）是结点i的输入，A（或B）是与该结点有关的语言标识（如“好”或“差”）。O1,i是模糊集 A（=A1，A2，B1或B2）的隶属度，并且它确定了给定输入x（或y）满足A的程度。这里A的隶属函数可以是任意合适的参数化隶属函数，如一般的钟型函数：

式中 ｛ai， bi，ci｝是参数集。当这些参数的值改变时，钟型函数也随之改变，这样展示了模糊集A的不同隶属函数形式。本层参数称为前提参数。

第2层：这一层的每个结点是一个标以∏的固定结点，它的输出是所有输入信号的积：

每个结点的输出表示一条规则的激励强度。

第3层：这一层的每个结点是一个标以N的固定结点。第i个结点计算第i条规则的激励强度与所有规则的激励强度之和的比值：

为方便起见，本层的输出称为归一化激励强度。

第4层：这一层的每个结点i是一个有结点函数的自适应结点。

第5层：这一层的单结点是一个标以Σ的固定结点，它计算所有传来信号之和作为总输出：

模糊推理系统的参数优化计算，采用反向传播算法与最小二乘法相结合的混合法[5]。网络训练采用允许误差控制，当训练得到的误差值不大于允许误差时，则停止训练，保存得到的网络参数；若不能满足要求，应调整网络参数或增加样本数量，再训练网络，直到得到满意结果为止。

3 实证研究

通过工程实地调研，共得到25台渠道衬砌机的影响因素值和施工绩效值。另外，设最优衬砌机的各个因素的相对值均为1，最差衬砌机的各个因素的相对值均为0，关于影响渠道衬砌设备施工绩效的因素取值，一共有25组数据，每组数据中有16个因素值，1个绩效值。从中任意选出20组数据作为网络训练组，剩余5组数据作为网络检验组，网络训练组的数据如表3（因数据组数比较多，故只列出了其中6组数据）。

表3

表4

训练得到的模糊神经网络结构如图2所示，函数图形如图3所示。

图2 训练得到的模糊神经网络结构

图3 训练得到的函数图形

网络训练好以后，保存好相关的网络参数，就可以进行网络检验了，网络检验组的数据如表4。

将以上数据输入训练好的模糊推理系统，检验结果如图4所示，检验误差为0.0199，满足要求。

图4 预测值和实际值的比较

4 结论

针对渠道衬砌设备施工绩效预测这个问题，通过工程实地调查，确定了影响渠道衬砌机施工绩效的16个影响因素，并得到了25台衬砌机的施工实际值；然后基于模糊神经网络建立了渠道衬砌设备施工绩效预测系统；最后利用实证数据进行了网络训练和网络检验。研究表明，利用模糊神经网络自组织、自学习和处理不精确信息的能力，能够对渠道衬砌设备施工绩效进行有效准确的预测，利用模糊神经网络对渠道衬砌设备施工绩效进行预测是实用和可行的，可为南水北调中线工程及其它工程的进度计划安排和资源配置提供实际参考。

[1]许庆河,诸葛梅君.南水北调中线总干渠衬砌施工关键技术[J].人民黄河,2010,32(7):137-138.

[2]张跃松.南水北调渠道混凝土衬砌施工技术[J].华北水利水电学院学报,2010,31(5):75-76.

[3]杨谢芸,简兴昌,李静.南水北调中线工程大型渠道混凝土施工方案选择[J].人民长江,2010,41(16):75-76.

[4]张智星,孙春在,水谷英二.神经-模糊和软计算[M].西安交通大学出版社,2000(12):238-240.

[5]张国良,曾静,柯熙政,邓方林.模糊控制及其MATLAB应用[M].西安交通大学出版社,2002(2):63-68.