基于AHP-人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的城市水環(huán)境治理綠色施工評價研究

李 新，李 維，雷 文，王友輝，羅 寧，樊海元

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.徐州市銅山區(qū)城區(qū)水利工程管理所，江蘇 徐州 221112；3.中國水利水電第七工程局有限公司，成都 610081；4.中國水利水電第十六工程局有限公司，福州 350003；5.中國水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司，西安 710065)

0 引 言

黨的十九大以來，生態(tài)文明建設(shè)被提到了前所未有的高度，在推動綠色發(fā)展和建設(shè)“美麗中國”的新形勢下，如何提高節(jié)能環(huán)保管理水平、改善施工環(huán)境、節(jié)約施工能耗、提升綠色施工水平已經(jīng)成為各行業(yè)發(fā)展過程中的重要內(nèi)容[1]。為避免綠色施工只停留在定義上，必須對綠色施工進(jìn)行評價[2]。

關(guān)于綠色施工評價的研究，黃喜兵[3]對某工程項目開展了綠色施工的模糊綜合評價；董娜[4]對地鐵項目提出了基于組合賦權(quán)和集對分析的綠色施工評價；朱厚宏[5]則對綠色施工評價指標(biāo)與影響因素進(jìn)行了研究；曾環(huán)求[6]提出了基于層次分析法(AHP)、模糊綜合評價的高速公路綠色施工評價模型；蘇偉澤[7]提出了基于價值工程的基坑工程綠色施工評價；李英攀[8]基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對武漢某高層建筑項目進(jìn)行了綠色施工評價研究。總結(jié)起來，對綠色施工評價的方法，主要包括層次分析法、模糊綜合評價法、灰色關(guān)聯(lián)綜合評價法等，這些方法主要針對地鐵、公路、房建等項目開展綠色施工評價。對于城市水環(huán)境治理綠色施工評價的研究還比較少，還缺少相對完整的水環(huán)境治理綠色施工評價體系為工程應(yīng)用提供參考和指導(dǎo)。

本文基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP模型所具有的自適應(yīng)及泛化能力，以及AHP法所具有的定性分析與定量分析相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，針對城市水環(huán)境治理綠色施工開展AHP-人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相耦合的綠色施工評價研究，以期為類似工程提供參考和借鑒。

1 AHP法評價理論及應(yīng)用

1.1 AHP評價方法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP法)，是指將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次[9]，是一種定性和定量分析相結(jié)合的、系統(tǒng)的、層次化的評價方法，可將無法量化的因素、行動、方案、項目指標(biāo)等排出大小順序，將其區(qū)別開來，對難以完全定量的復(fù)雜系統(tǒng)作出決策和評價。由于城市水環(huán)境治理涉及的點(diǎn)多、范圍廣，施工工序多，與周邊環(huán)境交叉多，因此要對綠色施工開展有效評價，得出科學(xué)合理的結(jié)論，可采用AHP法對主要指標(biāo)進(jìn)行分解，通過兩兩比較各因素的重要性，進(jìn)而開展綜合評價。

1.2 綠色施工評價層次結(jié)構(gòu)

由于城市水環(huán)境治理項目施工的復(fù)雜性，為系統(tǒng)梳理和評價項目綠色施工水平，采用層次結(jié)構(gòu)對評價指標(biāo)進(jìn)行分類。以綠色施工最大化為目標(biāo)，以施工綜合管理、綠色施工技術(shù)、施工資源利用、施工環(huán)境保護(hù)為4大控制準(zhǔn)則，構(gòu)建包括綠色施工管理體系、施工現(xiàn)場管控、綠色施工新技術(shù)推廣及應(yīng)用等為具體措施的方案要素，具體包括15個要素。評價指標(biāo)及層次結(jié)構(gòu)見表1。

表1 評價指標(biāo)及層次結(jié)構(gòu)

1.3 構(gòu)造判斷矩陣及一致性檢驗(yàn)

建立好城市水環(huán)境治理綠色施工的層次結(jié)構(gòu)后，需要評價者結(jié)合相關(guān)的知識、經(jīng)驗(yàn)，從準(zhǔn)則層開始向下，確定各層因素相對上一層因素的權(quán)重。在確定各因素權(quán)重時，通常采用Santy九標(biāo)度法，兩兩比較得到矩陣中一個因素相對另一個因素的重要性數(shù)值。

在判斷矩陣構(gòu)造完成后，可采用下述步驟計算各指標(biāo)權(quán)重：

第一步，將判斷矩陣各列作歸一化處理：

(1)

第二步，將經(jīng)歸一化后的矩陣各列按行相加：

(2)

第三步，將向量M=(M1，M2，…，Mn)T歸一化：

(3)

式中：aij為各指標(biāo)的標(biāo)度值；n為判斷矩陣的階數(shù)；i為判斷矩陣的行序號；j為判斷矩陣的列序號。

為了檢驗(yàn)判斷矩陣的合理性，需要采用一致性指標(biāo)CI進(jìn)行驗(yàn)證，計算公式如下：

(4)

(5)

式中：Aw為各標(biāo)度與對應(yīng)特征向量各權(quán)重乘積之和；λmax為判斷矩陣的最大特征值。

根據(jù)一致性指標(biāo)CI，可計算得到一致性比例CR，計算公式如下：

(6)

式中：RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，可查表得到。

在(6)式中，當(dāng)CR<0.1時，可以認(rèn)為判斷矩陣符合一致性要求；當(dāng)CR>0.1時，說明判斷矩陣不符合要求，需要重新修正。

以B1指標(biāo)為例，可得其下一層各指標(biāo)的判斷矩陣，并計算得到各指標(biāo)權(quán)重、最大特征值、一致性比例，詳見表2。由表2可見，B1下一層各指標(biāo)的判斷矩陣CR=0.0372<0.1，符合要求。

表2 B1層綠色施工評價判斷矩陣及權(quán)重

1.4 綜合評價結(jié)果

采用AHP法對綠色施工層次結(jié)構(gòu)中的各項指標(biāo)開展評價，可得各指標(biāo)的權(quán)重，見表3。

表3 綠色施工評價各指標(biāo)權(quán)重

2 BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估模型

2.1 評價網(wǎng)絡(luò)模型

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是在對大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)某種功能而人工構(gòu)造的網(wǎng)絡(luò)模型，可開展大規(guī)模并行計算，并具有自行組織、自我適應(yīng)、自主學(xué)習(xí)的能力。BP網(wǎng)絡(luò)是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最廣泛的模型，包含輸入層、隱含層、輸出層，其示意圖見圖1。

圖1 BP網(wǎng)絡(luò)模型

相對于隱含層，輸入層節(jié)點(diǎn)的值為：

netj=∑wjioi

(7)

式中：oi為上一層節(jié)點(diǎn)i的輸出；wji為上一層節(jié)點(diǎn)i與當(dāng)前層節(jié)點(diǎn)j間的連接權(quán)重；節(jié)點(diǎn)j的輸出值為：

oj=f(netj)

(8)

式中：f(·)為與節(jié)點(diǎn)j相關(guān)的激勵函數(shù)。對于BP網(wǎng)絡(luò)，可選取Sigmoid函數(shù)，其形式為：

(9)

式中：θ為網(wǎng)絡(luò)中各神經(jīng)元閾值。

2.2 樣本選擇

基于前文中AHP法所得的綠色施工層次結(jié)構(gòu)，組織專家對20個典型水環(huán)境治理項目所涉及的評價指標(biāo)進(jìn)行打分，分值1、2、3、4、5分別表示該項綠色施工指標(biāo)等級為差、較差、一般、較好、好5個等級。將每項指標(biāo)的得分與表2所對應(yīng)的賦值權(quán)重相乘，即得該項目的綠色施工得分及綠色等級。通過編程，將評價所得的20×15矩陣作為模型的輸入樣本，綠色施工得分的20組數(shù)據(jù)作為輸出樣本，作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本。其中，16組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，3組數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證樣本，1組數(shù)據(jù)作為測試樣本，便可訓(xùn)練得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。訓(xùn)練樣本及輸出結(jié)果見表4。經(jīng)訓(xùn)練后，樣本的擬合關(guān)系見圖2、圖3。訓(xùn)練后的擬合度均超過0.95，說明經(jīng)訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較高的擬合度，可作為評價網(wǎng)絡(luò)。

表4 綠色施工評價得分

續(xù)表4

圖2 BP訓(xùn)練后擬合關(guān)系(訓(xùn)練樣本)

圖3 BP訓(xùn)練后擬合關(guān)系(所有樣本)

3 案例分析

3.1 工程概況

某市區(qū)河道水環(huán)境綜合治理工程，項目內(nèi)容包括河道清淤約5.4 km，調(diào)蓄池1座，DN2000截污主管道5.5 km，對河道沿岸現(xiàn)狀污水管道進(jìn)行檢測及非開挖修復(fù)，新、改建雨水管道24處，并設(shè)雨水排放口凈化設(shè)施，生態(tài)化改造現(xiàn)有老駁岸8.7 km等。由于施工地點(diǎn)位于城市繁華區(qū)域，在工程建設(shè)初期，提出了一系列針對性的綠色施工措施，包括采用“新材料、新工藝、新設(shè)備、新技術(shù)”等施工針對性措施，防止噪音、揚(yáng)塵、渣土運(yùn)輸?shù)葘χ苓叚h(huán)境的影響，同時采用BIM技術(shù)開展精細(xì)化施工管理、“互聯(lián)網(wǎng)+”施工監(jiān)測等技術(shù)手段。

3.2 綠色施工評價

基于AHP-人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價理論，經(jīng)對項目的綠色施工情況進(jìn)行打分，各指標(biāo)得分詳見表5。采用訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價得出綜合得分為3.39，說明項目的綠色施工水平一般。經(jīng)與該項目施工單位及監(jiān)理單位主要負(fù)責(zé)人確認(rèn)，該評價結(jié)果與項目的實(shí)際情況基本相符。進(jìn)一步分析原因發(fā)現(xiàn)，由于在施工過程中工期較緊，搶抓工程進(jìn)度，部分施工結(jié)束后，未及時清除建筑垃圾并平整，恢復(fù)植被等，造成綠色施工評價得分不高。由于城市水環(huán)境治理項目施工的復(fù)雜性，需要對工程進(jìn)度、質(zhì)量、安全、費(fèi)用等統(tǒng)籌考慮，加之綠色施工對節(jié)能、環(huán)保等指標(biāo)的要求較高，需在工程建設(shè)中找到一個平衡點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)綠色施工目標(biāo)最大化的同時，有效推動工程開展。

表5 綠色施工評價得分

4 結(jié) 論

針對城市水環(huán)境治理項目，可采用基于AHP-人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法開展綠色施工評價，通過層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，以城市水環(huán)境治理綠色施工為目標(biāo)，構(gòu)建綠色施工評價指標(biāo)，并采用AHP法得到相應(yīng)權(quán)重。結(jié)合AHP法得到的指標(biāo)權(quán)重，將典型水環(huán)境治理項目評價所得到的樣本，經(jīng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后，可得到擬合度較高的評價網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際應(yīng)用表明，由于城市水環(huán)境治理項目施工的復(fù)雜性，需要對工程進(jìn)度、質(zhì)量、安全、費(fèi)用等統(tǒng)籌考慮，加之綠色施工對節(jié)能、環(huán)保等指標(biāo)的要求較高，需在工程建設(shè)中找到一個平衡點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)綠色施工目標(biāo)最大化的同時，有效推動工程開展。