混沌粒子群优化投影寻踪算法对建筑业可持续发展评价

李凯峰,花尉攀



混沌粒子群优化投影寻踪算法对建筑业可持续发展评价

李凯峰,花尉攀

安阳职业技术学院 建筑工程系, 河南 安阳 455000

建筑业是我国经济的支柱产业之一，对推动经济的增长起着重要的作用，建立合理的评价指标体系是进行可持续发展评价的关键，选取经济可持续、社会可持续、资源能耗消耗可持续、环境效应可持续、技术可持续、可持续发展6个方面共25个评价指标，根据2008~2011年辽宁省建筑业相关统计数据，建立了建筑业可持续发展评价指标体系，并利用混沌粒子群优化投影寻踪模型求解最佳投影方向。根据投影值的数值大小对建筑业可持续发展水平做出合理评价分析。结果表明，2008~2011年辽宁省建筑业可持续发展势头总体良好，这符合辽宁省建筑业发展的实际情况。混沌粒子群优化投影寻踪方法计算快速易实现，提高了全局寻优能力，为建筑业可持续发展能力评价提供了一条新的方法和思路。

混沌粒子群优化投影寻踪算法; 建筑; 评价

建筑业作为我国国民经济的重要产业之一，已经取得了显著的成果，但仍然存在一些物质能耗大，环境污染严重的一些深层次有碍社会总体发展趋势是的问题。因此要使建筑业走向良性的发展趋势，必须走可持续发展的道路，坚持走可持续发展并结合实际注重长远发展的经济增长趋势，结合实际情况例如人口的增长、资源的储备、环境的效应和经济增长指数之间关系进行相互协调，互补的战略，建筑业可持续发展是社会可持续发展的需要，可以减少对环境的污染，改善城市面貌，是人类生存和发展的途径。近年来，政府部门研究机构和专家学者从多个层面积极研究我国的可持续发展方针和战略措施，但是在建筑业的可持续方面研究甚少，还处于探索的阶段，因此在建筑业的可持续发展重要性以及存在的问题以及模式和提高的措施等方面备受专家学者的研究，其理论研究和评价指标体系等方面已成为行业内关注的热点。在建筑业可持续发展评价方法方面大多采用层次分析法、主成分分析法、模糊综合评判法、灰色关联度分析法等。层次分析法其评价过程随机性和人为因素的主观性强；主成分分析法其缺点是所需数据样本较多，评价过程繁琐；模糊综合评判法其缺点是具有一定的主观性、繁琐，实用性差；灰色关联度分析法其缺点是主观性较强。本文对建筑业的可持续发展采用了混沌粒子群优化投影寻踪方法，此方法的优势在于计算快且容易实现。

1 混沌粒子群优化投影寻踪算法原理

1.1 混沌粒子群算法原理

混沌粒子群算法[1-6]是将混沌优化和粒子群算法两者相结合。首先将给定的优化函数，将搜索过程与混沌轨道相对应的遍历过程，此算法优势在于具有局部搜索的能力。

混沌局部搜索算法（CLS），其算法步骤如下：

要想混沌搜索算法得到较好的解，通常的做法是需要大量的迭代步数，将粒子群算法与混沌搜索相结合，得到混沌粒子群算法。

1.2 投影寻踪算法基本原理（PPC）

投影寻踪算法是一种数学处理方法，是解决非正态非线性高维数据的分析处理方法，是将高维空间降为低维空间，利用数据将某种组合投影到1~3维低维子空间，通过投影指标函数优化求解来研究分析高维数据的属性和结构特征的最优的投影方向，来达到分析高维数据的目的。其算法建模流程如下：

（1）高维样本原始数据归一化处理；

（2）将高维数据投影构造低维投影目标函数；

（3）构造优化投影目标函数；

（4）将投影值优劣排序，进行综合评价；

1.3 混沌粒子群优化投影寻踪建模步骤

混沌粒子群优化投影寻踪模型（CLSPSO-PPC）算法的求解步骤如下：

—种群规模；—当前进化代数；1，2—分布[0,1]之间的随机数；1，2—加速因子。

式中：投影值z的标准差为a，投影值z的局部密度为u。

步骤4：根据式（4）计算每个微粒的适应值，将当前各微粒适应度以及位置和存储在各微粒的p中，将所有pbest中适应值最优个体的适应值和位置存储于p中；

步骤5：按式（1）（2）更新粒子的位移速度v和位置j，根据速度v和位置j约束产生新种群；

步骤6：通过计算每个粒子的目标函数值，最终保留群体中性能最好1/5的粒子；

步骤7：保留的群体中的最佳粒子并执行混沌局部搜索，同时更新其pbest及群体的gbest；

步骤8：直到搜索到满足条件为止，输出结果，否则转步骤9；

其中，S,0表示当前pbest的第维变量的值；

步骤10：在收缩后的空间中随机产生群体中剩余4/5的粒子，转步骤4。

步骤11：根据最佳投影*，按照式（7）计算各个样本的最佳投影值z，若按z值按照顺序从大到小排列，则对应的样本就是从优到劣进行排序。

2 实例研究

数据来源于国家统计局中数据，以《中国统计年鉴》、《中国建筑业统计年鉴》、《中国能源统计年鉴》、《中国劳动统计年鉴》、《中国环境统计年鉴》、《中国第三产业统计年鉴》、辽宁统计信息网[7-9]中查得相关指标的原始数据，以辽宁省2008年至2011年建筑业发展情况为实例进行分析研究，将评价结果与实际情况进行对比分析。

2.1 构建评价指标体系

建筑业可持续发展是受较多因素影响的复杂系统，因此对建筑业的可持续发展关键取决于建立合理科学的评价指标体系。评价指标的选取应遵循系统科学性、客观性和可操作性的原则，并咨询有关专家的意见结合相关经验，参考已有的文献资料[10-16]建立评价指标体系，同时选取在经济方面的可持续、从社会层面的可持续、在资源能耗消耗方面的可持续、环境影响效应的可持续、技术可持续、可持续发展6个方面，其中选取建筑业总产值、人均竣工产值、资产负债率、劳动生产率、总产值年增长率、从业人员平均劳动报酬、人均利税、产值利税率、总产值占社会生产总值的比例、分别以每亿元产值对钢材、木材、水泥、电力、煤消耗量为单位进行评估，同时对已建成区并投入使用的绿化覆盖率、园林绿地面积、废水和废气排放达标率、固体废弃物的综合使用情况、技术装备率、动力装备率、自有机械设备总功率、固定资产投资增长率、城镇居民人均每年消费支出、城镇居民人均每年用于住房支出共25个指标构建了评价指标体系见表1所示。

表 1 辽宁省建筑业可持续发展评价指标体系

2.2 混沌粒子群优化投影寻踪模型求解

利用2.1中建立的辽宁省建筑业可持续发展评价指标，通过建立混沌粒子群优化投影寻踪模型，对辽宁省的建筑业可持续发展进行评价，算法的初始化参数如下：粒子群数目=50，学习因子1=2，2=2，最大迭代次数=1000，惯性权重=0.8，maxc=10。首先对样本数据进行归一化处理后评价指标集为：

将评价投影值绘制成直观的折线图，此图更能清楚的反应辽宁省2008-2011年的有关建筑业可持续发展的状况(图1)。

图 1 一级指标评价值曲线图

3 结论

（1）从综合评价结果分析。本文选择6个方面共25个评价指标建立了评价指标体系，利用混沌粒子群优化投影寻踪模型找出最优的投影方向，分析评价各个样本数据值的投影值，从综合投影值可以看出，辽宁省建筑业可持续发展系数从2008年的1.6228稳步上升到2011年的2.5483，说明辽宁省建筑业可持续发展势头总体良好，这符合辽宁省建筑业发展的实际情况，其中建筑总产值连年上升，规模持续壮大，从2008年的2505.17亿元增加到2011年的6217.52亿元，3年时间翻了近3倍；建筑业总产值占社会生产总值的比例从2008年的18.6%增加到2011年的28.2%，3年时间增加了近一倍。资金的投入的目的最后归结为产值，从产值的角度来看，建筑业已经成为全省重要的支柱产业之一。

（2）从影响因素分析。从25个评价指标的投影方向的投影值来看，影响辽宁省建筑业可持续发展的主要因素有建筑业总产值、劳动生产率、从业人员平均劳动报酬、总产值占社会总产值的比率、以亿元为单位的产值水泥消耗量、固体废弃物的综合利用率、在建成区额绿化覆盖率、产值利税率等指标，这些指标直接影响辽宁省建筑业可持续发展，同时对可持续发展起着非常重要的作用。

（3）从6大方面评价因素分析。①从经济可持续发展曲线可以看出，评价值从2008年的0.4379短暂的回落到2009年的0.2345，之后从2010年的0.2805上升到2011年的0.7241，这与辽宁省近年来经济快速发展，建筑业投入不断增加，建筑企业可持续发展能力日益增强的结果一致。

②从社会可持续发展曲线可以看出，评价值从2008年的0.1055逐年上升到2010年的0.5774，之后又回落到2011年的0.5359，从长远经济发展的角度来看，辽宁省建筑业发展规划有待加强，需要进一步完善，从业人员平均劳动报酬有些偏低，需要提高。

③从资源能耗消耗可持续发展曲线可以看出，评价值从2008年的0.3373下降到2010年的0.237，之后又上升到2011年的0.2806，说明高耗能的建筑业应与经济和环保挂钩，通过有力的措施来减少对资源能源的消耗。

④从环境效应发展曲线可以看出，评价值从2008年的0.2096上升到2010年的0.4237，之后又回落到0.3802，说明2008年到2010年辽宁省建筑业环境有所提高，而2011年出现了转折点，图中可现实表明建筑业高速发展对环境有负面的影响，因此建筑业发展要与环境保护同时进行，达到同步协调发展的状态。

⑤从技术可持续曲线可以看出，评价值从2008年的0.5325下降到2010年的0.1061，之后又上升到2011年的0.385，说明辽宁省各建筑企业要提高技术效率和企业竞争力，要提高技术装备率、动力装备率和自有机械设备总功率等指标。

⑥从可持续发展曲线可以看出，评价值从2008年0上升到2010年的0.2827，之后又回落到2011年的0.2425，这与辽宁省经济快速发展，生活水平日益提高，购买力持续强的实际情况相一致。

（4）利用混沌粒子群优化投影寻踪方法，解决高维非线性数据优化的问题，取得了预期良好的效果，该方法提高了全局寻优能力，具有很好的实用价值。

（5）本文提出的建筑业可持续发展评价指标体系是合理可行的，可以作为建筑业可持续发展评价依据，为最终实现建筑业可持续发展提供参考依据。

[1] 程跃,程文明,郑严,等.基于混沌粒子群算法的结构可靠性优化设计[J].中南大学学报,2011,42(3):671-676

[2] 张永领,马娇.混沌粒子群算法在应急资源调度中的应用[J].灾害学,2017,32(2):185-189

[3] 王成华,曾超峰,刘伟鹏.基于混沌粒子群算法的桩基础优化设计方法[J].建筑结构,2016,46(2):76-81

[4] 彭道刚,赵寒梅,黄丽,等.基于混沌粒子群优化的火电机组负荷分配[J].南京理工大学学报,2017,41(4):526-532

[5] 董丽丽.黑龙江省水稻灌区效率性节水及增温技术研究[D].黑龙江:东北农业大学,2011

[6] 韩朝兵,吕晓明,司风琪,等.基于改进混沌粒子群算法的火电厂经济负荷分配[J].动力工程学报,2015,35(4):312-317

[7] 国家统计局.中国统计年鉴（2006-2011）[M].北京:中国统计出版社,2011

[8] 国家统计局.中国建筑业统计年鉴(2005-2012)[M].北京:中国统计出版社,2012

[9] 辽宁统计信息网.2006-2011年辽宁省国民经济和社会发展统计公报[R/OL].http://www.ln.stats.gov.cn/infopub25/ info/default.asp?secid=86&nowsecid=136&index=8

[10] 杨芳,栗峥,袁永博.建筑业可持续发展评价方法研究[J].工程管理学报,2010,24(3):258-261

[11] 张磊.我国建筑业可持续发展水平评价分析[J].技术经济与管理研究,2011(11):105-108

[12] 安强.基于蚁群算法的建筑业可持续发展分析[J].人工智能及识别技术,2007(18):1697-1698

[13] 陆宁,蔡爱云,黄永安,等.我国建筑业可持续发展综合评价—1999~2003年31省（自治区、直辖市）的综合评价[J]. 重庆建筑大学学报,2006,28(4):94-97

[14] 光辉,赵尘,杨培红.基于改进物元可拓模型的建筑业可持续发展综合评价[J].森林工程,2014,30(2):182-188

[15] 郑梦莹,蔡建国.基于因子和聚类分析法的建筑业可持续发展评价研究[J].科技管理研究,2014(12):223-227

[16] 杨菲.基于RAGA投影寻踪模型的安徽省建筑业可持续发展评价研究[D].合肥:安徽建筑大学,2015

Evaluation on Sustainable Development in the Construction Industry with Chaos Particle Swarm Optimization Projection Pursuit Algorithm

LI Kai-feng, HUA Wei-pan

455000,

As a pillar industries of China′s economy, construction industry plays an important role in promoting economic growth. Establishing a reasonable evaluation index system was the key to carrying out the evaluation of sustainable development, 25 assessment factors on the level of development economic sustainability, social sustainability, resource consumption sustainable, environmental effects sustainable, technology sustainable, sustainable development were selected, and according to China′s construction industry′s statistics data from 2008 to 2011, a construction industry′s sustainable development evaluation system was presented. The optimal projection direction can be obtained by using chaos particle swarm optimization projection pursuit algorithm. According to the projection value to asses the construction industry′s level of sustainable development. The results show that the momentum of sustainable development of Liaoning's construction industry is generally good from 2008 to 2011, which is in line with the actual situation of the construction industry in Liaoning Province. Chaos particle swarm optimization projection pursuit method is easy to implement and improve the global optimization ability. It provides a new thinking in assessing the construction industry′s level of sustainable development.

Chaos particle swarm optimization projection pursuit algorithm; construction; evaluation

TU023

A

1000-2324(2019)02-0323-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.02.032

2018-04-23

2018-06-07

李凯峰(1982-),女,硕士,讲师,主要从事结构的优化设计. E-mail:185433262@qq.com