基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)工程投資結(jié)余率預(yù)測研究

張俊健

中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計院有限公司

0 引言

由于電網(wǎng)基建項目具有投資大、建設(shè)周期長等特點，變電站和電力線路在建設(shè)過程中的投資控制不夠理想，項目投資超過前期估算和概算的情況時有發(fā)生［1］。項目投資控制情況差導(dǎo)致項目的資金不能及時到位，影響了項目的建設(shè)進(jìn)度和電網(wǎng)發(fā)展。

目前在電網(wǎng)項目投資的研究主要集中于對項目單一投資的預(yù)測。張旺等采用XGBoost 算法實現(xiàn)變電站工程投資的預(yù)測［2］。朱茳等建立了電網(wǎng)靜態(tài)投資與單位工程造價間的關(guān)聯(lián)分析模型，實現(xiàn)了變電站技改項目的投資管控［3］。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其較高的穩(wěn)定性、靈活性和高可靠性，逐漸在預(yù)測領(lǐng)域得到應(yīng)用。Wang 等提出應(yīng)用徑向基核函數(shù)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上映射碳交易價格在時間尺度上的演變規(guī)律［4］。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在滑坡變形研究和洪災(zāi)期間的應(yīng)急物資管理中也得到了應(yīng)用［5］，結(jié)果表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在工程實踐和應(yīng)急管理中具有現(xiàn)實意義［6］。

隨著智慧工地和電網(wǎng)項目信息化管理建設(shè)的加快，構(gòu)建科學(xué)的電網(wǎng)基建項目結(jié)余控制模型符合當(dāng)前電網(wǎng)發(fā)展的現(xiàn)實需要［7］。PSO以其較高的穩(wěn)定性在智能預(yù)測領(lǐng)域被實踐［8］。因此，本文探索了基于PSO和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上的PSO-BP電網(wǎng)基建項目投資預(yù)測模型，并以此實現(xiàn)電網(wǎng)基建項目的投資結(jié)余水平預(yù)測和控制。

1 模型構(gòu)建

電網(wǎng)基建項目眾多，不同類型不同電壓等級的項目造價千差萬別，實現(xiàn)電網(wǎng)基建項目的有效投資結(jié)余控制，能夠節(jié)省電網(wǎng)投資，提高資金效率，促進(jìn)電網(wǎng)高質(zhì)量發(fā)展。研究了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的電網(wǎng)基建投資結(jié)余預(yù)測模型（PSO-BP）。

影響因素的輸入模塊即BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層包括：

1）電壓等級

不同電壓等級的項目造價差異較大，投資結(jié)余控制的重點和難點也不盡相同。

2）變電容量/線路長度

變電項目的變電容量和線路工程的線路長度是影響項目造價的兩個重要指標(biāo)，不同的容量和長度影響投資的大小。

3）地形

地形影響項目施工的難易程度，山地地形往往需要更復(fù)雜的設(shè)計方案和水土保持措施。同時，地形影響到項目的征地費用的投資，征地費往往對項目的投資影響較大。

4）通用設(shè)計

通過分析項目的通用設(shè)計方案的應(yīng)用情況，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)基建項目的通用設(shè)計部分的造價進(jìn)行估算，從而降低項目造價和結(jié)余水平預(yù)測的誤差。

5）建設(shè)性質(zhì)

新建、改擴(kuò)建還是增容改造，影響電網(wǎng)基建項目的規(guī)模，同時不同性質(zhì)的電網(wǎng)基建項目的投資關(guān)鍵指標(biāo)也不盡相同，將建設(shè)性質(zhì)納入PSO-BP模型的輸入層是必要的。

構(gòu)建PSO-BP 投資結(jié)余模型的關(guān)鍵是搭建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。建立由5 個輸入節(jié)點、6 個隱藏節(jié)點和1 個投資結(jié)余輸入節(jié)點構(gòu)成的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（見圖1）。

在圖1 中，投資結(jié)余率是由“五算”數(shù)據(jù)，即估、概、預(yù)、結(jié)、決算“五算”數(shù)據(jù)計算得出的，因此只需要對“五算”數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測即可，以下所述模型結(jié)果不包括投資結(jié)余預(yù)測值節(jié)點。

圖1 電網(wǎng)基建項目投資結(jié)余率預(yù)測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

設(shè)第L 層的前一層節(jié)點為L-1 層，定義k 個訓(xùn)練樣本的誤差函數(shù)為：

以S 函數(shù)（sigmod）為電網(wǎng)基建項目PSO-BP模型的激活函數(shù)：

在得到k 個樣本的誤差E 后，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將E返回各級神經(jīng)元并更新權(quán)值P和閾值Q：

其中，δ是學(xué)習(xí)速率，在0到1范圍內(nèi)取值。

2 特征提取與模型優(yōu)化

由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在特征提取和優(yōu)化上的局限性，單一BP 難以實現(xiàn)五種電網(wǎng)基建因素與投資結(jié)余水平間的模型構(gòu)建。電壓等級、容量和性質(zhì)等項目因素，地形等環(huán)境因素和設(shè)計方案等人為因素對電網(wǎng)基建項目影響的路徑和方式不盡相同。要實現(xiàn)三類五種因素與電網(wǎng)基建項目的關(guān)聯(lián)模型構(gòu)建，并實現(xiàn)對項目結(jié)余水平的預(yù)測和控制，需要構(gòu)建穩(wěn)定且高效的理論模型。

為實現(xiàn)對項目特征的進(jìn)一步提取，并且更加客觀地描述因素與電網(wǎng)基建項目投資結(jié)余之間地客觀關(guān)系，提高預(yù)測模型的魯棒性，保證電網(wǎng)投資結(jié)余預(yù)測模型能夠擴(kuò)展到其他類似項目的投資結(jié)余預(yù)測和管控中，提高模型的可擴(kuò)展性。提出應(yīng)用PSO 實現(xiàn)BP 模型輸入層與隱藏層連接參數(shù)的優(yōu)選，并構(gòu)建了PSO-BP電網(wǎng)基建項目投資結(jié)余預(yù)測模型。

如表1 所示，5 個輸入節(jié)點、6 個隱藏節(jié)點和1個輸出節(jié)點構(gòu)成的結(jié)構(gòu)是PSO-BP 模型的基礎(chǔ)。其中，輸入層與隱藏層之間的參數(shù)由PSO 算法獲得，將模型的訓(xùn)練誤差賦值給PSO算法的適應(yīng)度函數(shù)，并讓PSO利用自身的優(yōu)化機(jī)制對模型的對應(yīng)參數(shù)進(jìn)行更新優(yōu)化。而隱藏層閾值、隱藏層與輸出層間的連接權(quán)值由BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身的負(fù)反饋優(yōu)化機(jī)制得出，從而結(jié)合了PSO 與BP 兩個的優(yōu)化方法，PSO的應(yīng)用保證了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的過度擬合并提高了全局優(yōu)化能力，而BP 的應(yīng)用客觀上又提高了PSO 的優(yōu)化速率，能夠?qū)⒂?xùn)練誤差及時反饋到PSO-BP模型并及時對模型的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而建立了更高效的PSO-BP 電網(wǎng)基建項目投資結(jié)余預(yù)測模型。

表1 PSO-BP投資結(jié)余預(yù)測模型主要參數(shù)

表2 基于PSO-BP模型的投資預(yù)測結(jié)果

在表1 中，BP 的學(xué)習(xí)速率為0.76，一方面是考慮到BP 與PSO 優(yōu)化的結(jié)合，PSO 的學(xué)習(xí)因子被設(shè)置為1.52，為避免PSO-BP的學(xué)習(xí)速度過快而丟失部分最優(yōu)解，搜索深度不夠等問題，將BP的學(xué)習(xí)速率調(diào)低至0.76，既提高了PSO-BP模型的優(yōu)化效率，又保證了PSO-BP投資結(jié)余模型有足夠搜索密度和深度，從而為PSO-BP模型匹配更優(yōu)的模型參數(shù)。

PSO 學(xué)習(xí)因子和慣性權(quán)重是PSO 算法的兩個重要參數(shù)，將PSO學(xué)習(xí)因子設(shè)置為1.52以保持算法在不同方向上有較為穩(wěn)定的優(yōu)化速率，而慣性權(quán)重設(shè)置為2.55，是考慮到慣性因子過大會削弱局部尋優(yōu)能力，而過小又會降低全局尋優(yōu)能力。

3 實證研究

以五個變電和五個線路工程，對PSO-BP模型的投資結(jié)余預(yù)測效果進(jìn)行驗證。變電的電壓等級包括550 kV，220 kV 兩種，而線路工程的電壓等級包括220 kV和110 kV兩種?；赑SO-BP模型的投資預(yù)測結(jié)果見表2。由預(yù)測結(jié)果看，首先利用PSO-BP預(yù)測工程的概算和決算值，從而計算得出項目的投資結(jié)余水平。從表2中的概預(yù)算的預(yù)測效果對比可見，PSO-BP對變電和線路工程的樣本數(shù)據(jù)的預(yù)測效果較好。綜合分析概預(yù)算預(yù)測誤差可以得出，變電最大誤差為4.94%，線路最大誤差為6.48%，概算最大誤差為6.48%，決算最大誤差為6.27%，預(yù)測誤差均小于7%，表明PSO-BP 對概預(yù)算的預(yù)測結(jié)果可以支撐對項目投資結(jié)余水平的預(yù)測。考慮到線路工程5 穿越山區(qū)，冬季受到線路覆冰問題的影響較大，因此造價的水平控制難度大，造成了PSO-BP 對線路工程5 的預(yù)測誤差較大。而除線路工程5的其他9項電網(wǎng)基建項目的預(yù)測誤差均控制再5%以下，表明PSO對BP的優(yōu)化效果明顯，PSO-BP模型對變電和線路工程的預(yù)測精度達(dá)到了實際工程管理和質(zhì)量控制的需要。

分析單個變電工程，變電項目2 在4 個500 kV電壓等級項目中的預(yù)測誤差較大，概算誤差4.94%，決算誤差4.19%。深入分析可知，變電項目2 的周邊電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，同時該項目配套建設(shè)的科學(xué)試驗基地，導(dǎo)致變電項目2 的造價高于常規(guī)同類項目造價，給預(yù)測工作帶來了一定的挑戰(zhàn)。在線路工程中，線路工程2的概算誤差控制在0.23%，決算誤差控制在0.90%，兩項造價的預(yù)測偏差均小于1%，能夠有效支撐該項目的投資結(jié)余預(yù)測工作。一方面由于220 kV常規(guī)項目的數(shù)據(jù)來源充足，能夠?qū)SO-BP進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練和迭代優(yōu)化，提高模型對220 kV 線路工程特征學(xué)習(xí)的能力，構(gòu)建了220 kV 項目特征與造價以及投資結(jié)余水平之間的有效關(guān)聯(lián)模型。

從投資結(jié)余率整體預(yù)測結(jié)果來看，項目的投資結(jié)余率明顯偏大，其中以變電項目的投資結(jié)余問題更為突出。變電項目4 的預(yù)測投資結(jié)余率超過了30%，達(dá)到了31.91%。而變電項目1 和變電項目2的投資結(jié)余也超過了27%，分別為27.87%和27.75%。相比線路工程，變電項目的設(shè)備種類多，單體設(shè)備投資大，不同型號不同品牌的設(shè)備的價格也千差萬別，導(dǎo)致對變電工程實際的投資控制較為困難，投資結(jié)余水平也始終偏高。變壓器廠家、母線型號、斷路器材質(zhì)等都會對變電項目的造價產(chǎn)生較大的影響，因此，為了進(jìn)一步提高變電項目投資的精準(zhǔn)性和合規(guī)性，必須有效降低變電項目的投資結(jié)余率，將有限的投資投到急需建設(shè)的重點項目上，推進(jìn)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和轉(zhuǎn)型升級。當(dāng)某一變電項目的投資結(jié)余水平過高，就會占有其他項目的投資計劃額度，影響其他變電和線路工程的規(guī)劃和建設(shè)，從而造成資金利用效率的低下，浪費投資額度。因此首先要對項目的概算和決算兩個關(guān)鍵性的造價指標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測和控制，對可能預(yù)測到的投資結(jié)余較高的項目及時進(jìn)行項目設(shè)計方案核實和完善，并對部分深度不夠的內(nèi)容進(jìn)行細(xì)化，從而將概算做細(xì)做深，確保能夠用概算指標(biāo)對變電項目的投資進(jìn)行精準(zhǔn)控制。相比之下，線路工程的投資結(jié)余水平控制較好，其中線路工程3 的投資結(jié)余率為17.22%，這是由于線路工程3 包含兩個單體項目，兩個項目的預(yù)測誤差在空間被疊加，從而造成PSO-BP 模型對線路工程3 的整體預(yù)測誤差偏大，同時由于PSO-BP 同時對兩個單體項目進(jìn)行特征學(xué)習(xí)，并對兩個項目整體的概算和決算進(jìn)行了預(yù)測，造成了兩個項目特征映射過程中的干擾，另一個項目干擾了當(dāng)前項目的特征學(xué)習(xí)過程和造價結(jié)余預(yù)測，因此造成最終線路工程3 的結(jié)余水平偏大。相比變電工程，線路工程使用的通用設(shè)備更多，桿塔的材質(zhì)相差不大，線路的整體造價也更容易控制，不同線路工程的造價水平能夠相互參考，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變化平穩(wěn)。因此，線路工程的投資結(jié)余控制難度比變電工程要小。為建立電網(wǎng)基建PSO-BP統(tǒng)一投資結(jié)余預(yù)測方法，需要同時對變電和線路兩類不同特征的投資項目進(jìn)行模型訓(xùn)練，實現(xiàn)PSO-BP 模型能夠同時對變電項目結(jié)余和線路工程投資結(jié)余的精準(zhǔn)預(yù)測，最大程度降低預(yù)測結(jié)余率與項目實際結(jié)余率的最終偏差，為變電項目和線路工程的投資控制提供支撐。

變電工程的最大結(jié)余誤差出現(xiàn)在變電項目5中（10.50%），線路工程的最大結(jié)余誤差出現(xiàn)在線路工程2中（-13.13%）。表明雖然變電工程的投資結(jié)余水平較高，但結(jié)余水平的預(yù)測誤差較小，因此PSO-BP 在對變電項目的投資結(jié)余管理方面也具有現(xiàn)實意義。銅鼓PSO-BP 模型實現(xiàn)變電項目投資結(jié)余率的精準(zhǔn)預(yù)測，從而能夠在項目的前期以及執(zhí)行過程中對資金計劃進(jìn)行調(diào)整并對項目的設(shè)計方案和設(shè)備選型等進(jìn)行優(yōu)化，從而極大地提高電網(wǎng)基建資金的使用效率，嚴(yán)控變電工程各部分和各重點單項工程的投資水平，從而為變電項目的投資結(jié)余管理提供新的思路和方法。

整體來看投資結(jié)余的預(yù)測誤差相對較大，明顯高于概算和決算的誤差指標(biāo)。但由于投資結(jié)余率是一個相對性指標(biāo)，而變電和線路工程的五算數(shù)據(jù)是絕對指標(biāo)，單純對預(yù)測誤差進(jìn)行對比并不能反映PSO-BP 模型的有效性和科學(xué)性。由于投資結(jié)余率指標(biāo)的特殊性，我們計算PSO-BP模型可能造成的最大預(yù)測偏差，即采用最大預(yù)測結(jié)余率31.91%與最大預(yù)測結(jié)余誤差13.01%的乘積代表。因此，基于現(xiàn)有的變電和電網(wǎng)工程項目信息樣本數(shù)據(jù)，PSO-BP 模型可能帶來的電網(wǎng)基建結(jié)余率的最大預(yù)測誤差為4.15%，該數(shù)據(jù)比13.01%更具有代表性。同時，4.15%只是基于現(xiàn)有的結(jié)余數(shù)據(jù)計算的最大可能預(yù)測誤差，實際上由于31.91%和13.01%分別是變電項目4 和線路工程2 的項目特征，PSO-BP 模型的實際可能造成的投資結(jié)余率預(yù)測誤差低于4.15%，因此現(xiàn)有的精度水平證明PSO-BP投資結(jié)余預(yù)測模型是有效且合理的。

在圖2中，決算預(yù)測誤差、預(yù)測結(jié)余率和預(yù)測結(jié)余誤差分別被繪制在同一張圖上。根據(jù)預(yù)測結(jié)余誤差的線性擬合曲線，可以發(fā)現(xiàn)PSO-BP模型的預(yù)測結(jié)余誤差大致分布在10%的條形區(qū)域內(nèi)，證明該模型的投資結(jié)余預(yù)測誤差是可控的。同時，決算預(yù)測誤差大致分布在該擬合曲線的兩側(cè)，且分布范圍比預(yù)測結(jié)余誤差的分布范圍更窄。由于決算過程的項目的大部分信息已經(jīng)被確定，因此投資的預(yù)測結(jié)果更精確，投資控制效果更好。變電項目和線路工程的預(yù)算與結(jié)算的相關(guān)性也為更好地預(yù)測項目的投資結(jié)余率建立了基礎(chǔ)，通過PSO 對BP 的前置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，不斷對項目的特征與投資之間的相關(guān)性進(jìn)行挖掘，從而實現(xiàn)對PSO-BP電網(wǎng)基建項目投資結(jié)余預(yù)測模型的構(gòu)建和迭代優(yōu)化?？梢钥吹剑顿Y結(jié)余預(yù)測誤差較大的點對應(yīng)更小的概算和預(yù)算，因此較大的結(jié)余預(yù)測誤差并不代表模型的效果較差，相反較大的結(jié)余預(yù)測誤差對應(yīng)了一個很小的結(jié)余預(yù)測絕對偏差值。綜上，PSO-BP能夠有效實現(xiàn)變電工程和線路工程投資結(jié)余率的精準(zhǔn)預(yù)測。

圖2 PSO-BP模型預(yù)測結(jié)果分布

4 結(jié)論

本文基于對電網(wǎng)工程的特征，分變電工程和線路工程兩類對電網(wǎng)工程項目的特征進(jìn)行研究，并基于PSO優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)建立了電網(wǎng)工程特征與投資結(jié)余率之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過PSO-BP模型和項目的特征信息輸入，對項目未來可能達(dá)到的投資結(jié)余率和結(jié)余水平進(jìn)行預(yù)測，取得了理想的預(yù)測精度并證明了PSO 電網(wǎng)基建項目投資結(jié)余預(yù)測模型的有效性和科學(xué)性，為電網(wǎng)工程的投資管理提供了參考，為電網(wǎng)基建項目投資結(jié)余控制和資金優(yōu)化配置建立了可行的模型。基于完備的項目信息庫，通過對PSO-BP模型的不斷優(yōu)化，基于大數(shù)據(jù)實現(xiàn)PSO-BP模型結(jié)構(gòu)的調(diào)整和參數(shù)優(yōu)選，從而能不斷提高PSO-BP模型對電網(wǎng)基建項目投資結(jié)余預(yù)測的精確度，有效支撐電網(wǎng)的精準(zhǔn)投資建設(shè)。