案例推理在通风空调工程投资估算中的应用研究.pdf

建筑经济CONSTRUCTION ECONOMY第 44 卷第 S1 期2023 年 7 月Vol.44 No.S1Jul.2023摘要：通过深入分析大量已建工程的成本数据，归纳总结工程历史成本数据应用原则的基础上，以通风空调工程成本数据为例，进行基于案例推理的投资估算研究。首先利用SPSS软件进行相关性分析，获取通风空调工程成本的重要特征属性及特征权重，建立基于案例推理的投资估算预测模型。然后对特征属性进行量化处理并利用ACCESS软件构建案例库。继而，采用VBA计算机语言程序构建初步搜索与高级检索程序以检索相似案例。最后，以与目标案例的相似度为权重进行修正，得出目标案例预测值。结合实例，验证该模型的有效性。基于案例推理的估算方法，可以有效解决通风空调分部分项工程的投资估算问题，误差较小。关键词：案例推理；投资估算；通风空调工程；ACCESS中图分类号：TU723.3文献标识码：A文章编号：1002-851X（2023）S1-0077-05DOI：10.14181/ki.1002-851x.2023S1077Research on the Application of Case-based Reasoning in the Investment Estimation of Ventilation and Air Conditioning EngineeringFENG Lingxiang1，LI Kexin1，YANG Ming2，BAI Kun3（1.School of Management Science and Engineering，Tianjin University of Finance and Economics，Tianjin 300222，China；2.Tianjin Architectural Design and Research Institute Co.，Ltd，Tianjin 300074，China；3.Urban Construction Branch of China Railway Construction Investment Group Co.，Ltd，Beijing 100070，China）Abstract：This paper analyzes the cost data of a large number of completed projects and summarizes the application principles of historical cost data of projects.Then take the cost data of ventilation and air conditioning engineering as an example to study the investment estimation based on case-based reasoning.First of all，SPSS is used for correlation analysis to obtain the important characteristic attributes and characteristic weights of the cost of ventilation and air conditioning engineering，and a case-based reasoning investment estimation prediction model is established.Then the feature attributes are quantized and the case base is constructed by ACCESS.Then，VBA computer language program is used to build preliminary search and advanced search programs to retrieve similar cases.Finally，the similarity with the target case is used as the weight to correct the result，and the predicted value of the target case is obtained.An example is given to verify the effectiveness of the model.The estimation method based on case-based reasoning can effectively solve the problem of investment estimation of ventilation and air conditioning divisional and subdivisional projects with small error.Keywords：case-based reasoning；investment estimation；ventilation and air conditioning engineering；ACCESS1引言2020年，住房和城乡建设部办公厅 关于印发工程造价改革工作方案的通知 为工程造价咨询服务提出了新的指导方向，即利用大数据和人工智能技术为概预算编制提供依据。事实上多年来随着人工智能技术的发展，该方向已被学术界广泛关注并取得很多学术成果，但是由于数据样本缺乏等原因，人工智能技术在投资估*基金项目：天津市哲学社会科学规划项目资助（TJGL16-009）作者简介：冯领香，博士，讲师，主要从事工程项目管理研究。案例推理在通风空调工程投资估算中的应用研究*冯领香1，李可心1，杨铭2，白琨3（1.天津财经大学管理科学与工程学院，天津 300222；2.天津市建筑设计研究院有限公司，天津 300074；3.中国铁工投资建设集团有限公司城市建设分公司，北京 100070）建 筑 经 济2023年78算、概预算编制中的应用，尚不能落地。因此，收集已完成的工程成本特征数据，进行成本的估算、概算，甚至用作精细的成本计划，有重要的研究意义和工程价值。对工程数据的结构和影响因素进行分析，并利用人工智能技术给出较为准确的工程量和工程价的估算，对工程成本预测理论的发展具有理论意义。项目前期决策阶段，由于工程信息尚少，投资估算主要依靠专家经验，且误差较大。不同建设阶段的成本数据精细度和准确度差别巨大，最前期投资估算阶段数据粗略，最后期竣工验收阶段的工程决算数据准确。从预测精度角度来说，可用某阶段工程项目历史样本数据估算其之前各阶段成本，不能估算其之后各阶段的成本，即可用工程竣工决算历史样本数据预测得出工程估算、工程概预算，可用工程预算历史样本数据预测投资估算和初步设计概算。本文试用初步概算历史样本数据进行投资估算预测的应用研究。通风空调工程属于机电安装工程中的分部分项工程，具备专业性、特殊性和必要性。通过查阅案例推理在工程估价领域应用的文献可知，几乎没有单独将机电安装工程作为研究对象使用案例推理进行成本估算的研究，原因之一是安装造价在总造价中占比较小。但是随着行业对造价预测精度的提高，精准预测机电安装工程的成本亦是未来的发展趋势之一。另一个原因是相较于土建工程主要受结构、建筑面积等因素的影响，并且有相对固定的主材，如钢筋、水泥、砖等，通风空调工程等机电安装工程的成本主要由设备类型或使用材料类型决定，其特征参数和影响因素与土建工程存在截然不同之处。本文以通风空调工程为例，对25个已建工程暖通风系统的初步设计概算造价信息进行数据分析，建立了基于案例推理的通风空调系统的投资估算预测模型，对目标案例的通风空调系统造价进行预测，预测结果误差较小，证明了该模型的有效性与现实应用意义。2案例推理研究方法和成本预测指标体系2.1案例推理方法的文献综述应用于成本预测的人工智能技术有多种，其中案例推理是一种增量式学习，在长期使用时效果优于其他模型。案例推理系统是由耶鲁大学的Roger Schank于1982年首次提出。Schank在工作中提出了一个假设，即专家系统的推理过程可以通过使用专业实例和专家的知识和经验来实现。JL Kolodner（1985）在其文献中首次使用了案例推理（CBR）这个术语。基于已建工程的成本数据，使用案例推理进行投资估算被认为是可行的，大量学者对此展开了研究。冯为民等人在国内首次使用案例推理进行工程造价估算，结合模糊数学的相关理论，建立土木工程主要工料消耗估算的系统结构及数学模型。姜韶华等人开发实现了能够支持信息不完全情况下检索的基于案例推理的建设项目投资估算系统。李俊达、刘娜等将案例推理技术应用于公路造价估算，N.Kwon等人将其应用于老化民用建筑维护成本估算。作者对案例推理方法在工程成本估算中的应用进行了归纳，见表1。研究发现，案例推理技术比较成熟且在工程投资估算预测领域应用具备一定的优越性。然而，不同的工程项目采用的输入和输出指标体系具有明显的不同，这是由于建筑类别、功能、专业等特征对成本估算影响因素有直接影响。2.2成本预测指标体系案例推理模型需要依据输入指标进行案例检索，通过输出指标来预测结果。因此，明确影响工程造价的主要特征参数，建立合适的指标体系，对于使用案例推理技术进行投资估算预测是非常重要的。表1给出了国内外学者关于案例推理在成本估算应用中的工程数据、指标体系、研究方法。可以看出由于不同领域成本数据结构的差别，以及不同阶段预测目标的差别，学者们采用的成本预测指标体系有巨大的差异。本文对通风空调分部分项工程数据进行结构化分析并进行成本预测的探索。收集了25个已建工程的初步设计概算数据，工程类别包括医院、文化中心、体育馆、档案馆、足球场、监狱等。为了避免出现专家经验直接确定指标体系的主观性弱点，本文采用了数据相关性分析的方法进行影响因素分析，从而确定指标体系。第一步：定量化指标的相关分析。在定量化的复杂数据条件下，通过汇总合并通风空调数据，共选取和提取了15个工程特征参数的数据，分别是：平米造价、风道、风口、风阀、风机、风机盘管、新风机组、排气扇、散流器、排烟口、消声器、橡塑保温、建筑面积、室内机和室外机。将收集的25个已建工程中，其中24个工程项目历史数据，采用Z-score标准化方法对原始数据进行标准化处理，通过SPSS软件进行相关性分析，得到了各个特征参数之间的相关性矩阵表，如表2所示。第二步：定量指标的确定。首先将平米造价确定为输出指标。按照与输出指标关联性强且相对独立的原则，最终确定影响通风空调系统投资估算的六个输入指标为：风道、排气扇、风阀、风机、风机盘管、新风机第 44 卷第 S1 期79冯领香，等案例推理在通风空调工程投资估算中的应用研究组。表2相关性矩阵表中，风口、橡塑保温与风道间的相关性较大，散流器与风筏、风机盘管间的相关性较大，室内机、室外机与平米造价的相关性较小，舍弃了风口、橡塑保温、散流器、室内机和室外机等指标，综合考虑各特征参数对平米造价的影响，保留了一个输出指标和六个特征属性作为输入指标，分别是平米造价、风道、排气扇、风阀、风机、风机盘管和新风机组。第三步：定性指标的确定。对工程项目基础信息和成本数据进行比对，得出对成本有重要影响的定性指标：工程用途、工程类别、结构类别，基于第二步确定的表1国内外学者关于案例推理在成本估算应用中的工程数据、指标体系、研究方法学者数据来源及个数专业领域输入指标（个数）输出指标特征权重分配方法相似度计算方法冯为民等人2003全 国 各地 项目 15个住宅项目建筑面积、户均面积、开间、檐高、层数、进深、低级承载力、抗震烈度、墙厚（9个）人工日工、水泥、钢材、木材、砖专家测定勒贝格积分Kyong Ju Kim等人20102000-2005年韩国公路建设项目216个桥梁项目桥梁类型、所在位置、长度、车道数、宽度、桥面面积、位置（陆上/水上）、跨度数、跨度长度、桥墩长度、基础类型（11个）成本遗传算法加权欧氏距离Sae-Hyun Ji等人2011韩国 住 房 公司164个住宅项目户数、建筑面积、单位楼层户数、电梯数、楼层数、家庭数、单位电梯户数、层高、基础深度、屋面类型（平或斜）、走廊类型（大厅或走廊）、结构类型（12个）成本遗传算法加权欧氏距离叶青2011厦门2007-2009年55个综合（厂房、办公楼、宿舍、教学楼、商住楼）工程用途、工程类别、结构类型、地下层数、地上层数、基础、桩基础、砌筑、屋面防水保温、装修、造价指数、工期（11个）平米造价、平米人工消耗、平米钢筋消耗SPSS相关性分析加权欧氏距离Nahyun Kwon等人2020韩国土 地 和 住房公司1978年-2009年263个住宅维修项目楼宇覆盖率、容积率、建筑数量、楼层数、家庭数、停车场、管理区域、竣工年份（8个）维护成本（维护次数、使用寿命）遗传算法加权欧氏距离刘娜202223个公路项目总里程、路基宽、路基土石方量、设计时速、桥梁数、互通立交数、通道数、分离立交数、隧道数、路面材料、地形地貌、所处区域（12个）建安费粗糙集理论灰色关联分析法表215个通风空调工程特征参数的相关性矩阵表平米造价风道风口风阀风机风机盘管 新风机组 排气扇 散流器 排烟口 消声器 橡塑保温 建筑面积 室内机 室外机平米造价10.085 0.024 0.0220.1050.0490.0720.0780.0470.0510.0230.0510.170.0020.031风道0.08510.944 0.7890.8980.6440.6210.5480.7120.8250.5610.9340.9450.5410.541风口0.0240.94410.7420.8690.5270.5690.4820.6540.8540.5660.940.9140.6490.64风阀0.0220.7890.74210.6730.7790.7030.4830.930.8480.6360.7840.830.7060.564风机0.1050.898 0.869 0.67310.4780.5820.2450.590.790.5740.8050.9010.5110.621风机盘管0.0490.644 0.5270.7790.47810.5380.6860.8740.7010.5310.6610.6090.2120.063新风机组0.0720.6210.5690.7030.5820.53810.2890.5610.680.4290.6230.6030.4490.336排气扇0.0780.548 0.482 0.483 0.2450.6860.28910.5130.4260.2910.5510.4920.1710.069散流器0.0470.7120.6540.930.590.8740.5610.51310.8250.5540.7550.7470.590.419排烟口0.0510.825 0.854 0.8480.790.7010.680.4260.82510.5560.8540.8520.6440.552消声器0.0230.561 0.566 0.6360.5740.5310.4290.2910.5540.55610.5440.5860.5510.472橡塑保温0.0510.9340.940.784 0.8050.6610.6230.5510.7550.8540.54410.8730.5880.458建筑面积0.170.9450.9140.830.9010.6090.6030.4920.7470.8520.5860.87310.6470.668室内机0.0020.541 0.649 0.7060.5110.2120.4490.1710.590.6440.5510.5880.64710.873室外机0.0310.5410.640.564 0.6210.0630.3360.0690.4190.5520.4720.4580.6680.8731建 筑 经 济2023年80通风空调系统定量特征指标，统一确定九个特征属性，如表3所示。其具体内容以文字形式表示，无法直接用于数字深层次分析，需要进行数据转换，对其进行量化，建立量化的数据库。3通风空调投资估算系统构建案例推理的基本步骤包括案例描述、案例检索、案例调整、案例学习。ACCESS是office旗下的数据库管理系统，可以用于储存案例形成案例数据库，并进行一些数据处理分析操作，同时也可以用于编程设计软件。本文使用ACCESS软件建立基于案例推理的通风空调投资估算系统，结构如图1所示。3.1案例检索程序本模型设计的案例检索程序包括初级检索和高级检索两个步骤，均通过ACCESS数据库系统中的VBA语句实现。1）初级检索初级检索采用知识引导策略。控制属性相同是判定案例之间相似的前提条件，在此基础上，比较属性的整体差异越小，则案例间的相似度越高。初级检索的目的是通过比较控制属性，将同类案例聚为一类。2）高级检索高级检索采用最近相邻策略，帮助找到最具参考价值相似案例。选用加权欧式距离法进行相似度计算。基于欧氏距离的相似度计算方法能够通过两个对象间的距离反映二者的相似程度，距离越小，相似程度越高。设x=x1，x2，xk，xn为初始案例库，每一个案例有p个特征值来表示，即x=（xk1，xk2，xkh，xkp），其中k=1，2，3，；h=1，2，p。相似度计算公式如下。sim（xi，yj）=1-?pk=1wk（vik-vjk）212其中w为特征权重，引用权重系数来表示各特征属性的重要程度。本模型根据表2中相关性矩阵数据确定各特征属性权重值。如表4所示。3.2投资估算案例分析将收集的25个已建工程中，其中某一医院项目作为投资估算目标案例。该项目为一类工程，框架结构。其通风空调工程中风机类型为轴流式送风机、排风机、排烟风机组合，风道为镀锌薄钢板矩形风管，新风机组为普通新风机组，风机盘管为卧式暗装风机盘管，使用排气表3通风空调工程估算指标体系的九个特征属性特征属性12345工程用途医疗教育/体育文化科技监狱公共设施工程类别一类二类三类四类结构类型框架框剪框架+砖混砖混风机箱型风机轴流式风机离心风机离心+轴流式送风机+排风机+排烟风机+轴流式风道镀锌薄钢板矩形风管耐火风管镀锌薄钢板矩形风管+耐火风管镀锌薄钢板矩形风管+复合型风管排气扇排气扇换气扇通风器换气扇+通风器新风机组普通新风机组直膨式+能量回收机组能量回收机组直膨式+普通新风机组能量回收+普通新风机组风机盘管普通风机盘管卧式暗装风机盘管天花板暗装式超薄静压风管风阀防火阀调节阀防火阀+调节阀图1基于案例推理的ACCESS通风空调系统投资估算系统表4各特征属性的权重特征属性相关系数权重风道0.0850.21排气扇0.0780.19风阀0.0220.05风机0.1050.25风机盘管0.0490.12新风机组0.0720.18总和0.4111.00第 44 卷第 S1 期81扇、调节阀。将目标案例特征参数进行量化后输入系统，通过初级检索筛选出与目标案例控制属性相同的案例。通过高级检索计算出案例库中案例与目标案例相似度，并按照相似度由大到小顺序检索出最相似的三个案例。与目标案例最相似的三个案例为A7、A3、A12（图2）。以这三个相似案例的相似度为基础，计算每个案例的平米造价和权重做加权平均，得出目标案例的预测平米造价，与实际值对比，相对误差为6.90%，误差较小（表5）。验证了本模型能够较好地对该医院项目通风空调工程投资估算进行预测。4结论以通风空调工程为例，应用已建工程项目初步设计概算历史样本数据和案例推理技术，进行了投资估算预测研究。运用SPSS软件相关性分析确定了影响通风空调工程造价的特征属性和相应的权重值。确定了输出指标为平米造价，输入指标体系包括工程用途、工程类别、结构类别、风道、排气扇、风阀、风机、风机盘管和新风机组等9项特征属性。运用ACCESS数据库系统建立案例库，并用ACCESS软件的VBA语言编程工具设计了案例检索的程序，建立了投资估算预测模型。通过对目标案例进行实例验证，得到了目标案例的预测值，且预测值与实际值之间的误差为6.9%，误差较小，验证了模型能够较好地对通风空调工程投资估算进行预测。对于工程项目通风空调以及其他机电安装工程的其他专业分部分项工程投资估算，有一定的实用价值。但同时，该模型依赖于案例库的丰富程度，并且在权重分配方法方面，还可以进行进一步的研究和优化。工程项目的单件性和复杂性特征，与成本估算的准确性要求，在编制成本计划时是一对矛盾的存在，工程造价案例库大数据和先进的人工智能技术有望解决这一难题。由于工程项目特征属性的多样性，以相对独立的专业分部分项工程为单位进行预测，是提高预测精度的途径之一。随着样本库数量的增加，时间、地点等项目信息应纳入特征属性进行相似度检测。另外随着案例库的增加和社会发展变化，专业工程成本预测指标体系可及时更新，例如通风空调工程指标体系中，本文未考虑医院项目中采用的负压单项通风系统，未来的研究中可继续完善之。参考文献1 李锋刚.基于优化案例推理的智能决策技术研究D.合肥：合肥工业大学，2007.2 Janet L Kolodner，Robert L Simpson，Katia Sycara-Cyranski.A process model of case-based reasoning in problem solvingA.In Proceedings of the International Joint Conference on Artificial IntelligenceC.Los Angeles，California，1985：284-290.3 冯为民，曹跃进，任宏.基于案例模糊推理的土木工程造价估算方法研究J.土木工程学报，2003（3）：51-56.4 姜韶华，邱兆红.基于案例推理的建设项目投资估算系统研究J.建筑经济，2011（S1）：66-70.5 李俊达，李远富，何志敏，等.基于案例推理的公路工程造价快速估算模型J.交通科技，2017（6）：87-90+98.6 刘娜.基于案例推理的高速公路工程造价估算J.交通世界，2022（18）：173-176.7 Nahyun Kwon，Kwonsik Song，Yonghan Ahn，etal.Maintenance cost prediction for aging residential buildings based on case-based reasoning and genetic algorithmJ.Journal of Building Engineering，2020，28：101006.8 Kyong Ju Kim，Kyoungmin Kim.Preliminary Cost Estimation Model Using Case-Based Reasoning and Genetic AlgorithmsJ.Journal of Computing in Civil Engineering，2010（11）：499-505.9 Sae-Hyun Ji，Moonseo Park，Hyun-Soo Lee.Cost estimation model for building projects using case-based reasoningJ.Canadian Journal of Civil Engineering，2011，38：570-581.10 叶青.人工智能方法在估价领域的研究与应用D.厦门：华侨大学，2011.11 王雪青.国际工程投标报价决策系统研究D.天津：天津大学，2004.图2ACCESS数据库系统相似度检索界面表5模型输出值与实际值对比表实际值（平米造价/元）预测值（平米造价/元）相对误差233.51249.586.90%冯领香，等案例推理在通风空调工程投资估算中的应用研究