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城市轨道交通土建工程造价非线性预测与反演

孟春成 亐道远 段晓晨

孟春成, 亐道远, 段晓晨. 城市轨道交通土建工程造价非线性预测与反演[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230209
引用本文: 孟春成, 亐道远, 段晓晨. 城市轨道交通土建工程造价非线性预测与反演[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230209
MENG Chuncheng, QU Daoyuan, DUAN Xiaochen. Nonlinear Prediction and Inversion of Civil Engineering Cost of Urban Rail Transit[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230209
Citation: MENG Chuncheng, QU Daoyuan, DUAN Xiaochen. Nonlinear Prediction and Inversion of Civil Engineering Cost of Urban Rail Transit[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230209

城市轨道交通土建工程造价非线性预测与反演

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230209
基金项目: 国家自然科学基金项目(72071133)
详细信息
    作者简介:

    孟春成(1996—),男,博士研究生,研究方向为工程管理,E-mail:2202203001@student.stdu.edu.cn

    通讯作者:

    段晓晨(1962—),男,教授,博士生导师,研究方向为工程经济与造价管理,E-mail:duanxch888@sohu.com

  • 中图分类号: U121

Nonlinear Prediction and Inversion of Civil Engineering Cost of Urban Rail Transit

  • 摘要:

    为解决城市轨道交通土建工程传统造价预测模型缺乏决策信服力的问题,首先,运用特征选择与知识判断方法提取城市轨道交通土建工程造价关键影响因素并建立工程案例数据库;然后,通过粒子群优化(PSO)聚类算法筛选相似案例,采用基于灰狼优化算法(GWO)的极限学习机(ELM)建立土建工程造价非线性预测模型并设计双环境对比实验;最后,将Sobol’ 全局敏感性分析和Curve Fitting分析用于模型解释性反演,并以成都市轨道交通10号线1期工程为例验证模型优越性. 研究结果表明:模型平均绝对误差与均方根误差分别为0.113 9和0.127 4,平均绝对百分比误差为4.14 %,非线性造价预测模型预测效果优于线性模型,同时采用因素优化与案例聚类方法所得预测效果更好;全局敏感性分析发现,地下线长度和地下车站数的总敏感度明显高于其他因素,可作为方案优化重点调节因素;采用Curve Fitting分析提高了机器学习智能预测模型作用机理“黑箱”效应33.70 %~64.52 %的解释性.

     

  • 图 1  因素自变量与造价因变量间的拟合关系

    Figure 1.  Fitting relationship between independent variable of factor and dependent variable of cost

    图 2  模型建构与优化流程

    Figure 2.  Model building and optimization process

    图 3  训练集对比

    Figure 3.  Comparison of training sets

    图 4  检验集对比

    Figure 4.  Comparison of test sets

    图 5  不同模型相同环境下性能对比

    Figure 5.  Performance comparison of different models in same environment

    图 6  相同模型不同环境下性能对比

    Figure 6.  Performance comparison of same model in different environments

    表  1  全局敏感性分析结果

    Table  1.   Global sensitivity analysis results

    影响因素 地下线长度 高架线长度 地下车站数 地上车站数 平均站距 编组 工程环境及
    地质条件
    国内生产总值 居民消费
    价格指数
    总敏感度 0.653 6 0.060 3 0.223 6 0.012 4 0.008 3 0.019 3 0.000 8 0.003 1 0.018 2
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    表  2  线性拟合函数式及其对比

    Table  2.   Linear fitting functions and their comparison

    影响因素 拟合函数式 拟合函数式影响因素
    与土建造价相关性
    原始数据中影响因素
    与土建造价相关性
    对比结果
    地下线长度 f(x)=0.007 1x + 2.179 0 正相关 0.203 1 (正相关) 一致
    高架线长度 f(x)=−0.059 2x + 2.467 0 负相关 −0.498 8 (负相关) 一致
    地下车站数 f(x)=0.014 0x + 2.114 0 正相关 0.255 4 (正相关) 一致
    地上车站数 f(x)=−0.101 4x + 2.455 0 负相关 −0.443 6 (负相关) 一致
    平均站距 f(x)= −0.073 3x + 2.491 0 负相关 −0.167 1 (负相关) 一致
    编组 f(x)= 0.080 2x + 1.781 0 正相关 0.266 0 (正相关) 一致
    工程环境及地质条件 f(x)= 0.065 4x + 2.205 0 正相关 0.127 0 (正相关) 一致
    国内生产总值 f(x)= 0.000 1x + 2.202 0 正相关 0.253 5 (正相关) 一致
    居民消费价格指数 f(x)= 0.039 1x − 1.636 0 正相关 0.138 8 (正相关) 一致
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    表  3  各因素最优拟合函数式

    Table  3.   Optimal fitting function of each factor

    影响因素 拟合函数式 R2
    地下线长度  f(x)=2.317 0 − 0.216 0cos 0.142 6x − 0.113 9sin 0.142 6x + 0.153 4cos 0.285 2x + 0.048 5 ×
    sin 0.285 2x + 0.247 2cos 0.427 8x + 0.125 4sin 0.427 8x + 0.007 9cos 0.570 4x − 0.085 2 ×
    sin 0.570 4x + 0.214 8cos 0.713 0x + 0.007 5sin 0.713 0x − 0.042 0cos 0.855 6x + 0.009 1 ×
    sin 0.855 6x + 0.025 3cos 0.998 2x − 0.164 8sin 0.998 2x − 0.089 6cos 1.140 8x + 0.066 4sin 1.140 8x
    0.645 2
    高架线长度  f(x)= − 6 409 + 104cos 0.998 9x + 8 473sin 0.998 9x − 2 120cos 1.997 8x − 12 500sin 1.997 8x
    5 779cos 2.996 7x + 8 477sin 2.996 7x + 7 112cos 3.995 6x − 720.100 0sin 3.995 6x
    3 340cos 4.994 5x − 2 932sin 4.994 5x + 463.200 0cos 5.993 4x + 1 899sin 5.993 4x +
    74.800 0cos 6.992 3x − 395.100 0sin 6.992 3x
    0.488 5
    地下车站数  f(x)= − 3.368 0 109 + 5.946 0 109cos 0.046 2x + 2.665 0 109sin 0.046 2x − 3.327 0 109cos 0.092 4x
    4.480 0 109sin 0.092 4x + 1.306 0 108cos 0.138 6x + 3.879 0 109sin 0.138 6x +
    1.234 0 109cos 0.184 8x − 1.667 0 109sin 0.184 8x − 7.959 0 108cos 0.231 0x + 1.796 0 108sin 0.231 0x + 1.940 0 108cos 0.277 2x + 1.099 0 108sin 0.277 2x − 1.126 0 107cos 0.323 4x − 3.620 0 107sin 0.323 4x − 1.356 0 106cos 0.369 6x + 2.710 0 106sin 0.369 6x
    0.486 8
    地上车站数  f(x)=0.007 9x5 − 0.139 2x4 + 0.823 5x3 − 1.875 0x2 + 1.143 0x + 2.530 0 0.337 0
    平均站距  f(x)=3.088 0 1011 + 1.954 0 1010cos 0.811 8x − 5.568 0 1011sin 0.811 8x − 4.067 0 1011cos 1.623 6x
    2.742 0 1010sin 1.623 6x − 2.242 0 1010cos 2.435 4x + 2.381 0 1011sin 2.435 4x +
    1.096 0 1011cos 3.247 2x + 1.231 0 1010sin 3.247 2x + 4.558 0 109cos 4.059 0x
    3.827 0 1010sin 4.059 0x − 9.559 0 109cos 4.870 8x − 1.067 0 109sin 4.870 8x − 1.333 0 108cos 5.682 6x + 1.521 0 109sin 5.682 6x + 1.157 0 108cos 6.494 4x + 5.302 0 106sin 6.494 4x
    0.579 1
    编组  f(x)= − 0.008 9x4 + 0.226 1x3 − 2.071 0x2 + 8.206 0x-9.692 0 0.089 3
    工程环境及
    地质条件
     f(x)=2.320 0 − 0.266 6cos 1.571 0x − 0.118 8sin 1.571 0x 0.068 9
    国内生产
    总值
     f(x)=1.751 0 + 0.189 1cos 2.361 0x − 1.345 0sin 2.361 0x + 1.109 0cos 4.722 0x +
    0.535 3sin 4.722 0x − 1.252 0cos 7.083 0x + 0.429 1sin 7.083 0x + 1.131 0cos 9.444 0x
    0.997 2sin 9.444 0x − 0.349 1cos 11.805 0x + 1.747 0sin 11.805 0x − 0.817 2cos 14.166 0x
    1.829 0sin 14.166 0x + 1.257 0cos 16.527 0x + 0.705 4sin 16.527 0x − 0.434 9cos 18.888 0x +
    0.305 6sin 18.888 0x
    0.526 1
    居民消费价格指数  f(x)=2.185 0 + 0.058 3cos 5.835 0x − 0.145 6sin 5.835 0x − 0.203 1cos 11.670 0x +
    0.237 2sin 11.670 0x + 0.050 6cos 17.505 0x + 0.138 8sin 17.505 0x + 0.106 0cos 23.340 0x
    0.051 0sin 23.340 0x + 0.179 2cos 29.175 0x − 0.239 2sin 29.175 0x − 0.027 0cos 35.010 0x +
    0.246 6sin 35.010 0x + 0.021 3cos 40.845 0x − 0.346 3sin 40.845 0x + 0.231 5cos 46.680 0x
    0.089 9sin 46.680 0x
    0.486 7
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-05-04
  • 修回日期:  2023-11-27
  • 网络出版日期:  2024-07-25

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