%9c的石油化工工程建设项目管理绩效评价
本文关键词:基于人工神经网络的石油化工工程建设项目管理绩效评价,由笔耕文化传播整理发布。
石油学报(石油加工) 2010年6月
ACTA PETR01.EI SINICA(PETROl,EUM PROCESSING SECTION)
第26卷第3期
文章编号:1001—8719(2010)03一0317一07
基于人工神经网络的石油化工工程建设 项目管理绩效评价
韩志国1,王基铭1’
2,陈智高1
(1.华东理工大学,上海200237;2.中国石油化工集团公司,北京100728)
摘要:针对非线性多输入多输出的石油化工工程建设项目管理绩效评价问题,应用人工神经网络(ANN)构建评价
模型。使用50个项目的287个学习案例数据,以10个影响因素为输入,6个指标为输出,对BP神经网络、基于
遗传算法的BP神经网络、径向基函数神经网络与广义回归神经网络4类网络模型进行训练和测试。通过均方误差 的比较,发现基于遗传算法的BP神经网络优于一般的BP神经网络,广义回归神经网络的测试结果优于BP神经 网络,径向基甬数神经网络具有最好的误差精度。Z个应用示例表明,人工神经网络应用于石油化工工程建设项目
管理绩效的评价是可行和有效的。
关键词:石油化工工程建设项目;项目管理;绩效评价;人工神经网络(ANN)
中图分类号:F224 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2010.03.001
MANAGEMENT PERFORMANCE EVALUATION
IN
PETROCHEMICAL ENGINEERING
CONSTRUCTIoN PROJECT BY USlNG ARTIFICIAL NEURAL
HAN
NETWORK
Zhigu01,WANG Jimin91”,CHEN
Zhiga01
(1.EastChina University ofScience and Technology,Shanghai
200237,China;2.ChinaPetrochemicalCorporation,Beijin9100728。China)
for the management
Abstract:An
artificial
neural
network
model(ANN)was developed
performance evaluation of petrochemical
engineering construction project.By using the data from
as
287 samples of 50 projects,in which 10 factors were and
test
inputs and 6 indicators
as
outputs,training
were given
to
four kinds of ANN models,BP—NN,GA—based BP—NN,radial basis function
neural network(RBF—NN)and generalized regression neural network(G10NN).By comparing the mean square errors,it iS found that GA-based BP—NN iS prior
to
BP—NN,GR—NN
cases
iS
prior
to
former。and RBF-NN has best accuracy.It iS verified by the illustrations of two model is feasible and valid construction proj
ect. to
that ANN
the management performance evaluation of petrochemical engineering
Key words:petrochemical
engineering
construction
project;project
management;performance
evaluation;artificial neural network(ANN)
石油化工工程建设项目是高投入、高风险的项 目,具有资金和技术高度密集、技术复杂、涉及专 业多、关联范畴广、集成程度高、质量要求高、工 程投资大、建造周期长的特点。工程建设项目管理 水平的高低将直接决定项目的投资效益,决定建设
项目的成败,决定石油化工企业的持续有效发展。 少投入、多产出、快建设、高质量、保投产始终是 工程项目建设中必须要解决好的重大命题Ⅲ。因此, 石油化工工程建设项目的管理及其绩效评价有其特 殊意义。目前,针对石油化工工程管理绩效评价展
收稿日期:2010—02—05 通讯联系人:韩志国,Tel:010—59962309;E-mail:hanzg@sinopec.corn.cn
万方数据
318
石油学报(石油加-12)
第26卷
开的研究还不多,对于工程建设项目管理绩效评价 的研究主要涉及两方面的内容,即评价指标体系和 评价方法。对于不同类型的项目和不同的评价者, 由于对象和角度的差异,项目管理绩效评价的指标 和方法有所不同。 石油化工工程建设项目管理绩效的评价是一类 典型的非线性多输人多输出问题。笔者基于人工智
能领域神经网络方法的优势,研究石油化工工程建
定量,不得不依靠经验法给出管理绩效的评价意见。 尽管现在已经产生了许多客观的方法,项目管理绩 效的某些指标,例如技术水平、质量等,以及评价 方法中指标权重的设定等,依然离不开经验判断法。 定量的分析决策方法又可分为技术经济评价法 和多因素评价法。例如净现值法[63和挣值法¨3便是 常用的技术经济评价法。因为许多评价指标已经超 出经济因素的范围,单纯的技术经济评价法已不能 完整地评价工程建设项目管理的绩效。多因素评价 法中以统计分析方法居多,其中最常用的是权重取 决于专家经验的多层次指标值加权综合法∞],其次
是回归分析方法一叫虬和结构方程建模法。11】。多层次
设项目管理绩效的评价模型,为此类项目管理绩效 的科学评价提供可选择的新途径。
1
已有的相关石油化工工程建设项目管理绩
效评价的研究
1.1
分析法凹坝0常用于设定多指标加总的权重。除统计 分析方法之外,多因素评价方法中还有基于最佳实 践比较的标杆法口2““、综合多层次多因素平衡发展 思想的平衡计分卡[1“、模糊决策方法o]、数据包络
分析法u 5】、系统动力学-6-171和人工神经网络 (ANN)E18—19j等。 2
工程建设项目管理绩效的评价指标
工程建设项目管理绩效评价指标分为综合性评 价指标和局部性评价指标两类。综合性评价指标一 般包括局部性评价指标,局部性评价指标中又以经 济指标为主。综合性的项目管理绩效研究中, BrydeL21参考EFQM(European
quality foundation for
management)业务卓越模型提出的项目管理
management performance
人工神经网络及其在工程建设项目管理中
绩效评价PMPA(Project
的应用
人工神经网络是一种通过物理器件或计算机来 模拟生物体中神经网络的某些结构与功能的技术, 在结构上由许多人工神经元相互连接而成。实际中 使用最广泛的是BP神经网络(BP—NN,Back
propagation neural
assessment)模型最具代表性。PMPA模型面向各种 类型的项目,设有项目管理的领导、人员、策略、 合作关系和资源、生命周期管理过程(时间、成本、 工作范围的计划、风险管理、质量管理等16项活 动)、关键绩效指标(KPI)6个评价准则,其最主要 的特点是将项目管理及其结果作了区分,即从因和 果的两个方面来区别绩效指标。 成本、时间和质量构成的铁三角∞]是最基本的 项目管理绩效评价指标。随着时代的进步和项目管 理领域的发展,不同类别的项目分别按需要增加一 些新的指标或管理成功与否的判断准则。例如,面 向特定用户的开发项目增设客户满意度或客户利益 的指标一],因安全与环境保护意识的增强而加入了 “健康?安全?环保”(HSE)指标_],因长期发展战 略的需要而增加了可持续性指标,等等。 1.2工程建设项目管理绩效的评价方法 目前,关于工程建设项目管理绩效的评价方法 的研究主要在于普适性方法的应用研究和其他领域 评价方法的借鉴应用研究。常见的项目绩效评价方 法大致上可分为定性的经验判断法和定量的分析决
策法。
network),即误差反向传播神经
网络模型,主要用来进行非线性系统的多输入多输
出映射关系建模。
神经网络在工程建设项目管理中的早期应用可 见于20世纪90年代后期。当时的应用主要有建筑 需求的预测:20]、预算绩效‘21]、现金流预测:2 2|、建 筑计划和管理o¨等。近几年来,神经网络在工程建 设项目管理中的应用不断拓展和深化。Dikmen 等口8|、Cheung等,24一开发了支持建筑工程项目招投 标决策的神经网络模型,Elhag等_5:构建了用于桥 梁维护项目风险评估的神经网络模型和结合回归分 析的混合模型,Cheng等。6:提出了一个综合遗传算 法以及模糊逻辑和神经网络优势的进化模糊神经参 考模型,用以支持工程建设项目的前期管理。 已有的神经网络在工程建设项目管理中的应用 主要集中在单项的项目管理,在综合性的项目管理 绩效评价中的应用非常少见。Ling等盈73构建的由 65个影响因素为输入,分别以成本、工期、质量、
由于工程建设项目的管理绩效涉及面广且难以
万方数据
第3期
基于人工神经网络的石油化工工程建设项目管理绩效评价
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业主4类11个绩效指标为输出的神经网络模型,是 一个不多见的综合性项目管理绩效评价模型。该模 型用于预测新加坡DB管理模式下的项目绩效,能 够相当精确地预估项目的绩效指标。闰文周等u钉综 合考虑项目的工期、质量、费用和安全四大控制指 标所建立的神经网络模型,也是一个不多见的综合 性工程项目管理绩效评价模型。
含有单个隐层的BP神经网络可以任意逼近含 有多个隐层的BP神经网络,因此笔者选用由输入 层、隐层和输出层构成的3层BP神经网络。输入 和输出层的神经元数目及其角色与具体的研究对象 有关。基于项目建设过程的实践,笔者所在的石油 化工工程建设项目管理研究课题组提出了项目组织、 项目策划、沟通协调、进度管理、费用管理、质量 管理、HSE管理、技术管理、合同管理和风险管理 10个影响项目管理绩效的参数,从全面评价的角度 提出了质量水平、造价、建设工期、HSE、技术水 平和效益水平6个项目管理绩效评价指标。这些参 数和指标构成“因一果”关系,并已采集到有效的样本 数据。因此,这10个参数和6个指标可分别设为神 经网络的输入变量和输出变量。 根据以上思路,构建了面向石油化工工程建设 项目管理绩效评价的BP神经网络模型,如图1所 示。该模型设10个输入变量和6个输出变量,分别 用zi和Y,表示(i=1,2,…10;.j=1,2,…6)。
3石油化工工程建设项目管理绩效的神经网 络建模与数据采集
3.1神经网络建模
神经网络建模包括网络类型的选择、网络结构 的设计、网络各层神经元数目及其角色的设计。不 同类型的神经网络具有不同的特点和适用性,笔者 以目前应用较为普遍的3层BP神经网络作为基准网 络,以基于遗传算法的BP神经网络、径向基函数神 经网络和广义回归神经网络作为参选网络,通过这 4类网络测试误差的比较确定最佳的神经网络类型。
Quality
儿 COSt 咒 Time 乃
HSE
y4
Technology
ys
Profit y6
呲岍
眦岍
呲岍
x2 x3 x‘x,x6 x1 xs xq XlO
scheme
comm四‘- cat]on&
COOrdination
schedule
manage
cost
mana2e
Quality
manage
HSE manage
Technology manage
contract manage
Risk manage
图l面向石油化工工程建设项目管理绩效评价的BP神经网络模型
Fig.1 BP-NN model of
project management performance evaluation for petrochemical engineering construction
面向石油化工工程建设项目管理绩效评价的 BP神经网络模型中,隐层的神经元个数是决定神 经网络模型精度的影响因素之一,笔者将讨论隐层 神经元个数的设定。 3.2数据采集与检验 笔者采用问卷调查数据作为数据源,考察项目管 理要素与项目绩效的“因一果”关系,用判断抽样和配 额抽样相结合的方法抽取样本,于2009年5月下旬 至7月中旬在中国石油化工集团公司内部选取32家 单位52个重大或大型石油化工工程建设项目所参与
的业主、管理商、承包商、监理等专家回答问卷。实 际共回收样本324份。在剔除异常样本后,实际获得 有效样本287份,涉及50个项目占总问卷数的88.6%。 将样本数据中的10个管理要素作为输入、6个 绩效指标作为输出,用于神经网络模型的训练和测 试。10个输入变量的样本数据各由3个测量变量数 据构成,因此还需要对这些变量的样本数据按其负 荷系数作加权归总处理。30个测量变量和6个输出 变量都取1~7之间的定距尺度,值越大表示水平或 绩效越好,反之亦然。
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石油学报(石油加工)
第26卷
样本数据的检验由信度和效度2个指标考察。 信度即可靠性,是指采用同一方法对同一对象进行 调查时,调查结果的稳定性和内部一致性。笔者以 常用的Cronbach’S口法来检验由测量变量构成的输
Table 1 The reliability
test
入,结果列于表1。口用来衡量1组测量变量的线性 组合在多大程度上能够表示被测变量,它的值在 O~1之间,通常a>O.7即可信。由表1可知,各输 入变量的口均大于0.7,因此可信。
表1用于BP神经网络模型的输入变量和输出变量的Cronbach’s口法信度检验
of input and output variables for BP-NN model by Cronbaeh。s口
效度(Validity)是指测量工具或手段能够准确测 出客观事物的程度。效度又分为内部效度和外部效 度,内部效度可以理解为研究者的判断可以取得共 识并成为知识的程度,外部效度描述研究者已证实 的假设可供推广的程度。内部效度可以用验证性因 子分析来检验,当所有测量变量对于被测变量的负 荷系数A>o.5时,内部效度理想。本研究的30个 测量变量的A都大于0.76,因此可以认为外部效度 有效。
72个测试样本。 隐层神经元个数的设置没有专门的方法,一般 通过对比不同神经元个数情况下的训练及测试效果 后得出。为进行确定隐层神经元个数,训练与测试 的参数取MATLAB 7.6.0的默认值。 在15~40个神经元个数区间内,以5个神经元 为间隔,通过试差法对比隐层不同神经元个数下的 训练及测试效果,得到如表2所示的结果。表2中 均方误差(Mean 绝对误差(Mean
square
error)为各测试样本实际输 error)为各测试样本实际
4石油化工工程建设项目管理绩效的神经网 络模型的函数选择与隐层神经元个数设定
神经元的传递函数、神经网络的训练函数、权 值和阈值等参数是神经网络模型的重要构成。笔者 使用MATLAB 7.6.0的神经网络工具箱进行网络 的设计,选择传递函数时以常用者为准则。选择 Sigmoid型函数Transig()为隐层神经元的传递函 数、线性函数Purelin()为输出层神经元的传递函 数。选择基于数值优化理论的Trainlm()函数训练 BP神经网络。Trainlm()函数与传统的梯度下降法 相比,具有收敛速率快和精度高等特点。权值和阈 值的初始化采用Newff()函数自动完成。 Sigmoid型函数输出O~1之间的连续值,对较 大值的输入收敛速率慢,易陷入局部极值。因此样 本数据需要归一化处理。由式(1)所示的线性函数对 10个输入与6个输出的样本数据进行归一化处理。 实际应用时的输出再由式(2)进行逆变换,得到原来 阈值的数值。
(1) (2)
出与期望输出偏差平方和的平均值取平方根,平均
absolute
输出与期望输出偏差绝对值的平均值。平均绝对误 差更直观地反映了测试样本实际输出和期望输出之 间的偏差程度。
表2采用试差法对比隐层不同神经元个数下的
训练及测试结果
Table 2 The results of node number in hidden layer by the comparison of the trained and tested data
Node number in Training No.
Mean
square
Mean absolute
error
hidden
15 20 25 30 35 40
Iayer
error
0.0533 0.0481 O.0510 0.0507 0.0580 0.0715
0.1660 0.1560 0.1624 O.1744 0.1840 0.1974
表2表明,隐层神经元个数为20时,测试样本 实际输出和期望输出之间可以达到最好的均方误差 0.048和误差精度0.156。因此,图1模型的隐层神 经元的个数设置为20。
y=(z—z。。)/(上一一z。。)
y—Xou。。。。×(z。。。一z一)+z。ill
5用于石油化工工程建设项目管理绩效评价 的神经网络的训练与测试
5.1
式(1)和式(2)中的z。。=7、z。i。=1,XoIl。州为 神经网络模型的输出值。 按交叉验证(Cross validation)的思想,将 287个样本以3;1的比例划分为215个训练样本和
BP神经网络的训练与测试 神经网络的训练首先要设定最大训练次数、目
标精度(均方误差)、学习率等参数。图1模型在不
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第3期
基于人工神经网络的石油化工工程建没项目管理绩效评价
32l
设置训练次数的情况下,最优训练精度在训练 500次左右即稳定于0.0076。但此时的测试样本平 均绝对误差达到了0.9711,出现了训练样本过度学 习的过拟合现象。为防止过拟合现象的出现,目标 精度应低于最优值的水平,对训练次数不作限定。 基于样本数据的测量误差水平,并经过试差法实验 将训练目标精度设为0.02。学习率是神经网络案例 学习的速率。如果学习率过大,就会造成学习过程 不稳定。同样,通过试差法将学习率设定为0.01。 在以上训练参数下,采用Trainlm()函数训练 用于石油化工工程建设项目管理绩效评价的BP神 经网络。经过215个训练样本的训练,72个测试样 本的测试,得到各测试样本实际输出与期望输出之 间的均方误差为0.0258,平均绝对误差为0.1223。 均方误差曲线如图2所示。
500代时,种群的适应度趋于稳定。适应度函数是 度量群体中个体在优化计算过程中可能达到或接近 最优解的优良程度。用此时的神经网络权值进行样 本的训练与测试接近最优状态。 基于遗传算法的BP神经网络(简称基于GA的 BP神经网络)训练参数的设置仍采纳5.1节中所述 的数值,将训练样本目标精度设为0.05,并同样对 215个训练样本进行训练,将训练后的神经网络用 于72个测试样本的测试。得到测试样本的均方误差 为0.0213,平均绝对误差为0.1132,表明基于遗传 算法的BP神经网络较单纯的BP神经网络在测试 样本误差精度上有所提高。 5.3径向基函数与广义回归神经网络的训练测试 BP神经网络和基于遗传算法的BP神经网络所 能达到的测试样本平均绝对误差仍显稍大。因此考 虑利用函数逼近能力、学习速率和泛化能力等均优 于BP神经网络的径向基函数(Radial 神经网络(Generalized
basis
function)神经网络(RBF—NN),及其变种广义回归
regression neural network,
GR—NN)对石油化工工程建设项目管理绩效评价的 .】oe警T1口∞c碍Ql,、I 输入输出映射关系进行建模。 RBF神经网络采用径向基函数神经元,其传递 函数为高斯函数(Radbas),神经元Radbas的输人 为输入向量和权值向量的距离乘以阈值。经过多次
7Epochs
试差法比较,将训练目标精度设置为0.02,散布常 数设置为0.25的情况下,得到测试样本的均方误差 为0.0182,平均绝对误差为0.0997。 广义回归神经网络具有1个径向基隐层和1个特 殊的线性层,同时,不需要进行参数的设置,得到测 试样本的均方误差为0.0199,平均绝对误差为0.1128。
5.4
图2用于石油化工工程建设项目管理绩效评价的
BP神经网络测试误差曲线
Fig,2 The
test
a删cm^le of
perrormnce
evaluation of
petrochemical蜘岫riIlg
BP-NN for
project management
construction
(1)Trainl(2)Goal
4类神经网络训练与测试结果的比较 表3为上述4类神经网络模型经过训练后的测
5.2基于遗传算法的BP神经网络初始权值设置 神经网络的初始权值在很大程度上决定了训练 结果,不同的初始权值设置会对神经网络的训练时 间、收敛性和泛化能力产生影响。现阶段,对如何 有效地确定网络的初始权值尚无成熟的理论指导, 往往只能通过随机选取或者大量实验来确定,这就 可能导致网络的训练时间过长,容易陷入局部极值。 遗传算法具有全局搜索能力强、收敛速率快的优点, 利用遗传算法优化神经网络的初始权值,可以得到 较好的均衡效果。 随机生成网络的权值后,程序调用遗传算法对 神经网络的权值进行优化计算。当遗传算法迭代
表3
试误差。
4类神经网络训练与测试的均方误差和平均绝对误差 Mean square
error
Table 3
and mean absolute
error of
four kinds of ANN
由表3可知,就笔者所取学习案例的情况下, 石油化工工程建设项目管理绩效评价的4类神经网 络模型中,基于遗传算法的BP神经网络优于一般
万方数据
322
石油学报(石油加工)
第26卷
的神经网络,这2类神经网络的稳定性差,表现为 多次训练测试得到的测试样本误差值波动较大;广 义回归神经网络的测试结果优于BP神经网络,径 向基函数神经网络的测试结果是最优的。
6.3532,6.3390,6.0000,6.6706,5.6758,6.3314]; input_gy=[o.8858,1.0000,0.8906,0.7804,0.8922, 0.8898,0.8333,0.9451,0.7793,0.88863 示例2:input=[6.3805,4。6817,5.0000,4.0000, 5.oOoo,4.6659,5.o000,6.3340,4.3238,5.oooo]; input__gy=[o.8968,0.6136,0.6667,0.5000,0.6667, 0.6110,0.6667,0.8890,0.5540,0.6667] (2)神经网络模型计算 通过output=sim(net,input—gY)函数的计 算,得到2个示例的管理绩效输出。 示例1:output一[1.0027,0.7557,0.7484, 0.8243,0.9941,0.8460] 示例2:output一[0.7571,0.6805,0.7709, 0.6316,0.7957,0.86913 (3)输出数据的逆变换 采用式(2)对神经网络模型给出的计算结果进行 逆变换,得到2个示例1~7值区间的质量水平、造 价、建设工期、HSE、技术水平和效益水平6个管 理绩效指标数据,结果列于表4。由表4的期望输 出和模型输出的比较可知,人工神经网络用于石油 化工工程建设项目管理绩效的评价是可行和有效的。
petrochemical engineering construction project by RBFoNN
6用于石油化工工程建设项目管理绩效评价 的神经网络模型应用示例
以中国石油化工集团公司的2个石油化工工程 建设项目的管理绩效评价结果为例,说明笔者所建 人工神经网络模型的应用有效性。应用已训练和测 试好的径向基函数神经网络模型,按以下步骤进行 数据处理计算。 (1)管理绩效影响参数的处理与输入 将待评价项目的管理绩效影响参数,用式(1)所 示线性函数进行归一化处理。各由3个测量变量组 合构成影响参数,按负荷系数加权归总,得到项目 组织、项目策划、沟通协调、进度管理、费用管理、 质量管理、HSE管理、技术管理、合同管理和风险 管理10个的参数值,进行归一化处理,并通过 Input()函数输入模型。 示例1:input=[6.3148,7.0000,6.3434,5.6822,
Table 4 The management performance evaluation results of
two
表4应用径向基函数神经网络模型(RBF-NN)评价2个石油化工工程建设项目管理绩效的结果
7
结
论
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project for Sino—petrochemical industry[J,].
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在既定学习案例的前提下,通过BP神经网络、 基于遗传算法的BP神经网络、径向基函数神经网 络和广义回归神经网络4类网络的测试误差比较, 确定选用精度最优的径向基函数神经网络模型求解 石油化工工程建设项目管理绩效评价问题。应用示 例表明,应用神经网络构建石油化工工程建设项目 管理绩效评价模型是可行和有效的。相比于专家经 验、层次分析法等权重设定方法、解释多个自变量 与多个因变量之间的关系的结构方程建模方法,基 于案例学习的人工神经网络具有显著的优势。
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作者简介:
韩志国,男,高级工程师,博士研究生,从事石油化工工程管理;
王基铭,男,中国工程院院士,从事炼油、石油化工及工程管理;
陈智高,男,教授,从事信息系统、知识管理、知识系统工程、科技管理。
万方数据
基于人工神经网络的石油化工工程建设项目管理绩效评价
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 韩志国, 王基铭, 陈智高, HAN Zhiguo, WANG Jiming, CHEN Zhigao 韩志国,陈智高,HAN Zhiguo,CHEN Zhigao(华东理工大学,上海,200237), 王基铭,WANG Jiming(华东理工大学,上海,200237;中国石油化工集团公司,北京,100728) 石油学报(石油加工) ACTA PETROLEI SINICA(PETROLEUM PROCESSING SECTION) 2010,26(3) 0次
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本文关键词:基于人工神经网络的石油化工工程建设项目管理绩效评价,由笔耕文化传播整理发布。
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