Matlab在水利工程概算中的应用

张习博

(杨凌职业技术学院， 陕西 杨凌 712100)

0 引 言

在水利工程施工过程中，水利工程概算具有举足轻重的作用。目前在各个基层水利部门主要使用excel表格计算的方法完成概算工作，具体操作中需结合查阅相关概算手册，利用excel的函数计算功能进行概算工作。虽然Excel具有容易学习，易于实现数据链接等“自动化”的效果，但随着计算机技术的飞速发展，如今使用Excel表格在概算中越来越显露出它的局限。

首先，计算速度慢， 由于Excel在概算中每次只能使用一个函数来计算一个单元格的数据，远不能满足目前工作需要；其次，重新计算多，利用Excel进行概算数据填写工作时，一旦有数据计算发生错误，其后所有跟它相关的计算只能全部重新计算；第三，不能动态控制计算过程，利用Excel进行概算不能动态的控制整个计算过程，也不能进行工程投资的估算。

当今信息化的普及，对水利概算工作提出了更高的要求，Matlab 以其强大的数值计算、统计分析功能和图形处理能力受到广大水利行业的预算员的青睐。

1 Matlab软件介绍

Matlab是当今在许多行业应用较为广泛的数据分析处理的软件，它功能强大，应用领域广泛，在数据分析、科学计算、曲线拟合、数据预测等领域具有其它软件无法企及的优势，尤其在数值计算方面，具备高级技术的计算语言和优越的交互式环境。它将建模和仿真集合在一个环境中，可以实现数值分析计算，数据可视化分析，矩阵应用分析，非线性动态系统的高级应用等功能，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。在信号处理、信号检测、图形图像分析处理、工程计算估算、自动化控制设计、金融领域分析估算等方面具有广泛的应用。

2 Matlab技术在水利工程概算中的具体应用

水利工程概预算编制,是一项系统工程,它贯穿于设计阶段、招标投标阶段、施工阶段以及竣工阶段等各个环节。只有科学、准确地概预算编制，才能保证项目投资控制目标的实现,从而取得较好的投资效益和社会效益。目前水利系统概算过程中存在诸多问题，主要表现在：概算书编制不规范；概算中投资分析深度不够；送审的概算书中存在很多明显的错误；上级部门对水利工程造价的控制力度不够。基于出现的以上问题，结合陕西省鄠邑高效节水2013-2017年项目的实施方案，使用Matlab软件对水利工程概算过程进行数据处理，同时建立水利概算仿真平台，推进鄠邑水利局信息化的发展。

2.1 理清概算工作步骤，找出数据之间的函数关系，编写Matlab程序

确定需要计算的工种或工序隶属于哪一大类，然后根据工作内容及要求确定属于哪个子目录，查出定额编号，根据定额编号确定定额单位所需的人、材、机及其他费用，再根据单价表的格式及取费标准计算出每一工序的单价表，当确定出工程量后，用工程量乘以单价算出合价，比如材料费、设备费、台班费等等，在这个概算工程中，将重要参数提取出来，找出数据间的关系，确定数据间要使用的函数和公式，借助Matlab程序语法，进行变量定义，并按照概算过程，设计Matlab子程序模块，子程序模块流程图如图1所示。

图1 子程序模块流程图

2.2 分析概算过程重点步骤，提取特征向量

在水利概算过程中，单价计算是关键环节，通过单价计算的计算结果，一步步推算其他数据，直至计算出最终的总花费。在整个水利概算的数据计算过程中，像单价这样重要的参数还有很多，比如材料费，设备费等，在用Matlab编程时，将这些重要变量抽取出来，作为主要因子并进行数据类型的定义，即为Matlab编程设置变量，为下一步建立概算数据计算模型奠定了基础。

将工程概算过程中主要因子在Excel表格中的单元格名称提取出来，构成特征向量。如建筑工程预算中，可提取主要因子人工挖沟槽，属性值可选择开挖面积，开挖单价，人工费，直接费用，间接费用，特征向量的属性值的选取是在结合专家率先法和相关分析法后进行确定。首先通过使用专家筛选法确定符合要求的特征向量的属性值，其次使用相关分析法对输入端的属性值和输出端的属性值进行相关性分析，分析过程中，使用PEARSON简单相关系数对其相关性进行度量，经过多次的选取、相关性度量之后，在相关程度满足要求时选取最终向量值，参与下一步的计算。

2.3 特征向量矩阵的建立

由上面步骤形成的多个特征向量以及它的属性值，构成特征向量矩阵，这个矩阵就是概算开始时选定的关键起始数据，将这些数据输入Matlab程序中，就可以依次计算出概算表中相关的数据值。如主要材料预算中，可选择一维特征向量

ZYCL(SN425, SZWH, SZLH, SS, CY0，QY90, JZ, ,BFC, GJ)

其中

SN425指主要材料费

SZWH指水泥425的价格

SZLH指沙子(渭河)的价格

SS指碎石价格

CY0指0#柴油的价格

QY90指汽油90#的价格

JZ指机砖的价格

BFC指板枋材的价格

GJ指钢筋的价格

2.4 Matlab网络训练

经过对水利概算数据关系的分析，选取了线性网络结构进行设计。并对该网络的实现按以下4个步骤进行。

2.4.1 网络建立 利用MATLAB的神经网络工具箱中的函数newlin建立网络。

2.4.2 样本初始化 由于Matlab神经网络对要处理的数据有格式方面的要求，在进行Matlab网络训练之前引入单价概算值对学习样本实行必要的初始化。如将建筑工程单价初始化为

JGD(RWC, RHT, SZ, WSC, TC)

其中

JGD指建筑工程单价

RWC指人工挖沟槽单价

RHT指人工回填单价

SZ指松散层钻井单价

WSC指屋面防渗处理单价

TC指贴瓷片单价

2.4.3 Matlab网络训练 利用Matlab软件中神经网络函数库对样本数据进行多次训练，每次训练完成对训练结果进行分析，判断是否达到样本数据学习训练要求，比如在主要材料费预算中，需要判断是否将主要材料费总额控制在要求金额内，如果未达到要求，可调整训练样本中的部分数据继续训练，直至训练结果达到要求为止。训练中对训练样本的选取方法是从已选取好的样本集合中随机抽取样本总数的85%，剩下的15%的样本数据作为测试样本留了下来，再利用训练样本进行径向基神经网络的训练；其训练结果再用测试样本进行测试，测试通过将其确定为概算模型的最终网络，网络训练流程图如图2所示。网络仿真过程如图3所示。

图2 网络训练流程图

3 应用Matlab技术和之前的Excel表格计算进行比较

在水利工程概预算中，使用Excel电子表格进行概预算时，自创或者修改已有的数学模型过程较为繁琐，且耗时长，利用Matlab技术之后适合于分析多种类不同的数据，可以直接调用内嵌的多种现存的模型和函数，自动化程度显著提高，并大大节省了工作时间和人力资源的投入，数据修改方便快捷，数据链接错误减少，使用模型与函数得到的计算结果更加准确 。

图3 网络仿真过程图

4 结 论

对水利概算过程应用Matlab软件进行程序化控制，对概算过程中的数据进行分析处理，过滤非确定数据的影响，不仅动态控制概算过程，而且提高概算的精度，建立水利工程概算程序化流程。工程人员可以利用此流程，快速准确计算出概算过程中的重要数据，例如某某，利用软件对重要数据进行分析，调整，得到满足实际工作要求的概算结果，推动水利行业的信息化发展。