电工基础实用教程范例6篇

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电工基础实用教程

电工基础实用教程范文1

一、传统实验教学模式存在的问题

1.电工基础与电子线路课程实验教学与理论教学存在脱节现象

实验教学与理论教学分开的教学方式,存在一些弊端,主要体现在以下几个方面:

(1)实验教学与理论教学处于分离状态,由不同的教师在不同的位置分开进行实验教学与理论教学,这样在很大程度上容易导致电工基础与电子线路课程实验教学内容与实践教学内容出现脱节状况。

(2)实验教学与理论教师分离之后,教师在开展实验教学的时候,要将与实验教学相关的理论知识重复讲述一遍,使电工基础与电子线路课程教学内容出现重复现象,无法有效地将理论与实验有机地结合在一起,导致实验难度增加,实验教学效果不理想。

2.电工基础与电子线路课程实验教学内容老套、方法单一

现阶段,教师讲解实验原理,在教学中进行操作示范,然后指导学生根据实验指导书中规定的流程完成实验,这种单一的教学方法在很大程度上影响了学生对于电工基础与电子线路课程的学习兴趣,没有将学生作为教学中的主体,即使学生认认真真地完成了实验,也无法使学生全面了解、掌握实验内容,从而降低实验教学效果。

3.电工基础与电子线路课程实验教学手段滞后

一些职业院校为了解决师资力量、实验设备以及实验教师不足等一系列问题,每一个班级中的人数通常规定在45~55人之间,由于学生的人数比较多,而且每一名学生在文化素质方面存在一定的差异,整体上缺乏良好的学习习惯,如果教师在实验教学过程中采用传统的实验教学手段,直接将学生带到相关实验室中开展实质性的教学实验,虽然教师在实验教学中对相关的实验内容进行了讲解、示范演示,但是还有很多学生需要在教师的指导下才能够有效地完成实验任务,这在很大程度上会影响学生学习电工基础与电子线路课程的积极性和主动性。

二、教学改善策略

1.计算机仿真技术融入课堂教学

教师在理论教学过程中,使电工基础与电子线路课堂教学变得更加生动、形象,然后让学生使用电脑对理论知识进行实验验证,将理论教学与实验教学有机地结合在一起,学生通过实验操作能够加深自身对于理论知识的理解,由被动状态转换为主动状态,充分调动学生在电工基础与电子线路课程学习中的积极主动性。

目前,Multisim10计算机电子仿真实验软件在电工基础与电子线路课程实验教学中的应用范围比较广泛;Multisim10计算机电子仿真实验软件所提供的虚拟仪器设备与电子元器件同实际的仪器设备相比较,在操作方法、外形等方面十分相似,学生在仿真实验中进行反复的观察与操作,不仅能够加深对电工基础与电子线路理论知识的理解,还能够了解与掌握相关仪器设备的使用方法,这样能够在很大程度上提高实验教学的效率与质量。

2.重视实验结构的优化,将实际实验与仿真实验结合在一起

电工基础实用教程范文2

【关键词】中职 电工基础 实践 理实一体化 教学改革

【中图分类号】G71 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2013)12-0243-02

当今社会科技的迅速发展给我国中职学校技术人才培养带来了新的发展机遇,也带来了新的挑战。如果仍旧用过去以传统传授知识为主的教学方式培养学生,就会使学生的能力与社会和企业的需求越来越远,很难适应现代社会所需求的技能型人才发展的需要。随着教育改革的不断深入,中职学校对专业基础和专业课进行理实一体化教学,让学生在做中学,在学中做;其目的是在课堂教学中把理论与实践教学有机地结合起来,充分发掘学生的潜能,提高学生解决实际问题的综合能力等,适应现代化社会的高速发展需要,满足社会对中等应用型技术人才的需求,是中职教育工作者一直在研究的课题。

一、《电工基础》施行教学改革的必要性

《电工基础》是中职学校工科的专业基础课,在专业(中职)的人才培养方案中处于承上启下的地位,是后继专业课程学习的坚实基础,在专业可实施性教学计划中占有十分重要的地位,所以加强理论知识教学、切实提高学生动手能力、树立一定的专业意识,是该课程教学的重要任务。基于以上情况和现行中职学校的实际情况,为提高课程的教学效果,提高学生的实际动手能力,改变电工基础传统的教学方法,引导学生认识实训实习过程,推行电工基础教学理论一体化建设和探讨很有必要。

二、《电工基础》教学改革实施过程

1.全面分析当前中职教育形势,把握学生

中职学校的老师很多都说学生难教。从中职学校学生的来源看,中职学校的学生多是在初中时学习不够好、基础差、表现一般的学生。这些学生在初中时,有些就已经开始厌弃学习,加之现在的农村学生的父母在外打工的多,“留守儿童”多;他们接受父母的教育、管束较少,自由懒散喜欢攀比经济也比较宽裕,学习的劲头不足,厌学情绪浓。这是现在必须面临的中职教育形势,中职学校的老师,应该把这个问题看得清清楚楚明明白白才能搞好职业教育。

《电工基础》是一门理论和实践操作紧密结合的课程。课程对初中物理有一定的要求,但又与初中物理成绩的好坏没有必然的关系。《电工基础》有较强的理论性和实践性,多年来,学生学习这门课程理论时总不如学习该课程实训课时积极性高。在学生就业以及后续发展上,教师既要搞好学生有兴趣的实践实训,又要提升学生的课程理论学习;既要把握学生的整体趋势,又要分析个别学生在这门课程上的个性差异等方面。

2.更新观念,进行课程教学方法探索

实施理实一体化教学,对教师的要求是高的,不仅要求教师更新观念,具有较扎实的专业理论功底,也要具有较熟练的实践技能,教师不仅是传统意义上的双师型人才,更要具有创新综合能力。专业教师必须到企业进行实践锻炼;在一定期限内,取得中级以上的技能等级证书。

中职学校的教学过程不同于普通中学的教学过程;它在教学目标上,有明确的专业性;在教学内容上,有一定的探索性;在教与学的关系上,学生的学习有相对的独立性。但是在教学过程中有些学校还是延用了以前教师在讲台上讲授为主,学生在座位上听讲为主的教学方法;而这种教学方式带来的劣势比优势多。如学生的自主思考能力变弱,学生创新能力受到抑制,专业知识只掌握在表面层次上,没有过硬的实际应用能力等。因此,必须创新电工基础课程的教学理念,如在“电工基础”教学方法上,不但要发挥老师“教”的作用,更要注重学生“学”的主动作用;在教学过程中注意引导学生学会融会贯通知识,正确应用知识,形成自己的学习方法,具备一定的自学能力等。由于现阶段学生对感性认知接受能力比理性强,在教学过程中就要根据学生的特点,安排多媒体教学;应用多媒体动画来演示,使学生有感性认识。如交流电有些抽象部分内容,对学生来讲很难想象,教师通过多媒体动画演示使学生加深印象。进行探讨式的学习方法,在中小学进行学习时,都是“填鸭式”的教学,学生只能是机械式的被动接受知识;学生养成了听教师讲解的单一学习习惯,而对知识的理解和解决问题的能力就十分有限。中职阶段的学习主要是提高学生的动手能力和解决实际问题的能力,为将来成为一线高等技术工人奠定基础。因此,在课堂上我们应该让学生知道如何发现问题,引导学生自己来解决问题。如在教学过程中可以给学生问题,然后让学生到讲台上讲述自己的观点和看法,然后大家讨论、分析、总结;同时教师进行指导,这样就可以调动学生的积极性,建立起学生的学习信心;还可以让学生形成经常向他人学习的良好习惯。以培养学生提出问题、收集信息、明确问题、设计方案、选择方案、组织实施、具体检验问题、解决实际问题的能力。

随着计算机网络、多媒体技术的不断发展,将这些高新技术引入到教学中,以提高课堂教学效率。在电工基础教学中,采用相关软件(Proteus、Multisim、Protel2004等)进行演示和仿真,这样既加大了课堂教学范围,又使教学过程变得直观、形象。如:在电工基础教学中,对基本电路原理或定律进行演示和验证实验时,采用Proteus电路仿真软件进行教学是再合适不过了。实践证明:设计一些仿真电路图,并用于教学加以演示和仿真实验,可以大大提高课堂教学效率,激发学生的学习兴趣,取得良好的教学效果。

3.优化课程教材体系,进行理实一体化建设

电工基础课程教材内容基本上按直流电路、磁场和磁路、变压器、单相交流电路、三相交流电路等部分组成;通过多年的教学,教材进行了几次修订,增加了许多实验的部分,比较通俗,使学生尽快进入实际应用。另一方面,在教材中适当增加了新技术内容,每个学生可以通过实验来对教材的内容进行理解。但有些内容没有必要进行讲解;例如:戴维南定理就可以进行删减。许多新版本教材较旧教材要求教师在课堂中进行演示,还要让学生来做,这样就可以大大地激发学生的学习兴趣,使学生在很短的时间内获得较深的感性认识与体会,并大大拓宽了他们的思维空间。只要不断优化电工课程教材体系,教师才能有的放矢,大胆创新,重点讲解实践和有实际运用价值的知识和技能,为理论实践一体化建设做好充分准备。

针对《电工基础》课程的特点,在优化课程内容的基础上,可以采用项目式教学:把每一章看作是一个项目,该章的每一节看作是一个个的单元,该节的每一个知识点看作是一个个任务。在具体教学活动中,教师将需要解决的问题或需要完成的任务也可以以一个个项目的形式交给学生;在教师指导下,以个人或小组工作方式,由学生自己按照实际完整项目,共同制定计划、共同或分工完成整个项目。同时注重实际应用及学生操作能力的培养,弱化理论分析及数学计算等内容,充分考虑中职学校教学实验、实训设施的情况,使整个内容实现教学理实一体化。

4.改革学生评价方式,为理实一体化建设服务

中职学校有效教学评价的特点:(1)发展性――不仅对学生现有的水平进行评价,同时还要考虑过去的水平,以及其发展的趋势。(2)指向性――进行评价指向学生达成教学目标的方向发展。(3)全程性(过程性)――评价是为了促进学生的全面发展,采用多元的评价方式。电工基础课程应用性、实践性较强,而一次性卷面考核方式很难全面客观地评价学生的真正学习成绩,改为不仅关注评价结果,更加关注学生成长发展过程,促进学生发展;不仅期末给学生发一个学期的“成绩报告单”,还要使评价日常化,通俗化,一个口头表扬,一个作业评语,都可以表现出教师对学生发展的鼓励与肯定。对中职学生来说,更应体现他们的实践操作能力,要评价学生处理各类实际问题的经验、技能和技巧能力;评价学生在实践中是否具有创造性和创新意识等方面内容。

通过以上的分析和实践,证明理实一体化教学模式有助于改善目前单调的教学方法,改善课堂的教学环境,改变目前中职学校学生普遍厌学的现象。它能激发学生的学习兴趣、提高课程的教学质量,从而大大提高学生的专业技能,拓宽学生的就业面,促进中职学校的建设和发展。电工基础等课程改革任重道远,在教学改革路上会遇到很多困难和问题。例如教师对教学改革的认识不到位;学生数量多,设备配置不能完全满足相关专业的教学要求等;但只要我们能够以满腔的热情投入进去,不断探索、不断克服、不断完善,相信一定会有所收获,理实一体化建设将会取得更大进展,中职学校将会培养更多社会所需求的高技能型人才。

参考文献:

[1]于福、于建福主编《教育观念的转变与更新》,中国和平出版社,2000年3月

[2]刘志平主编《电工基础》,高等教育出版社,2001年7月

[3]《电工基础》,中国劳动社会保障出版社出版,2010年4月

[4]周润景,张丽娜,刘印群等编著《PROTEUS入门实用教程》,机械工业出版社,2007年9月

电工基础实用教程范文3

关键词:Auto CAD;工程绘图;课程改革

一、问题的提出

(一)企业需求。

机电设备维修与管理(以下简称机电维修)是一个面向生产型企业的大维修专业。在生产实际中,企业既需要能解决生产设备的机械系统、液压系统、电气系统以及计算机控制系统故障的维修人员,也需要能承担专用设备设计和传统设备升级改造的设计人员。由于维修工作涉及面大,造就维修人员见多识广,技术素养全面,一些企业的产品开发部门尤其喜欢从维修技术队伍中选择合适人才来加强自身建设。

(二)教学现状。

读懂和快速绘制机械、电气和液压等工程图是机电维修专业的一个重要教学内容。然而在当前的教育系统中,不同的作者根据Auto CAD在绘制不同类型工程图中的作用,分别编著出版机械CAD、电气CAD、建筑CAD等不同的教材。无论是哪一类CAD教材,一般都包括如下内容:一是CAD自身的绘图功能,二是这些功能在某个专业或几个相近专业的应用及技巧。由于在“2+1或2.5+0.5”的高职教学模式下校内教学课时偏紧,更为了减少课程内容的重复,因此一般的高职院校不在机电维修专业中开设机械CAD和电气CAD两门课程,这就造成机电复合型人才培养链在绘制机械和电气两种工程图的教学环节中出现技能缺失。

显然,当前的这种教学状态不能满足企业对高技能人才的要求,更不利于学生的求职和未来的发展,必须进行教学改革。

二、教学改革思路

针对上述情况,我们在充分讨论、广泛征求相关企业专家、学者意见的基础上,对机电设备维修与管理专业人才培养方案进行了重大修订,即在以机械为主体的原课程方案基础上增设了电工电子基础、电机与电气控制、传感器与检测技术以及PLC控制与应用课程。但在如何培养学生快速绘制机械电气图的技能上,有着不同的意见,其简单方法是开设机械CAD和电气CAD两门课程。但由前述知,这样做会造成教学内容大量重复,并形成课时浪费、学生厌倦的状况。

一般地要掌握用Auto CAD快速绘制一份机械电气图的技能,只需掌握如下知识:(1)熟悉电气控制原理和机械电气图的基本知识;(2)掌握Auto CAD的绘图技能;(3)掌握国家标准中关于绘制工控电气图的规范,熟悉电气元件图形符号。

为了使学生尽早掌握电气控制原理和机械电气图的基本知识,我们对新的人才培养方案教学内容和顺序进行调整,其有关电类课程的教学安排如下:

(一)学校在第二学期开设了“电机与电气控制”课程。该课程电气控制部分的主干线是电气元件――典型控制回路――电气控制系统图,讲授电气控制原理、读识电气图的基本知识,为学生读图、绘图打下了一定的基础,

(二)学校在第二学期为机械系各专业开设“Auto CAD机械绘图”,通过对CAD基本功能及其绘图应用的学习和实训,学生已掌握了快速正确绘制机械图的技能。

根据这些条件,我们把融合CAD绘图课程作为更好地培养高技能人才的一个教改项目。

三、课程融合的内容和方式

(一)课程内容融合。

根据上述情况,以培养机电复合人才为目标,通过对机械CAD和电气CAD绘图两门课程内容进行全面分析,基于“机械CAD”课程,将电气制图基本知识、国家标准及CAD绘图相关知识有机融合,以“适用、管用、够用”为指导,编写“CAD电气制图简明讲义”。

(二)教学方式融合。

机械电气图的种类有电气原理图、电气元件布置图和接线图,主要构图元素是电气元件图形符号和连线。当一个电气控制方案形成后,表达方案的主要工作就是通过绘制许多图形符号和连线,再经过编辑、修改形成图。在绘制电气图时,为减少劳动强度,提高工作效率,人们一般先利用CAD的块功能将图形符号绘制成“图块”并存入图库,待绘制完线路结构图,再用“插入”命令将相应的图块插入图中。在教学实施中,围绕快速绘制机械电气图的课程目标,我们以块功能为节点,将“CAD电气制图简明讲义”嵌入到“机械CAD”课程的教学中。

嵌入内容及时间见下表:

电气原理图的图框需要按照各条电气回路控制功能和元件的功能类别对图幅进行分区。分区采用行与列两组编号组合的方式来表示。编号从图纸的左上角开始,水平方向用阿拉伯数字编号,垂直方向用大写英文字母编号,图区代号为字母+数字。由于这些知识对读图和绘图都非常重要,在教学中对其进行专题讲授。

四、结语

本教改项目在校内机电维修专业实施了3轮教学,取得了如下效果:

(一)通过一门课的教学,学生仅用8课时就增加了快速绘制电气图的技能。提高了教学效率,扩大了学生求职和发展的空间,满足了企业对机电复合型高技能人才的要求。

(二)在实施中本教改项目与“电机与电气控制”课程安排在同一学期教学,使两者相互作用,教学效果明显提高。尤其在绘制电气原理图图框的实训中,学生通过按线路功能和元件功能类别对图幅分区,加深了对电气原理图的理解,进一步提高了读图识图能力。

【本文系广州科技职业技术学院教改课题“加强课程融合,探索机电复合型人才培养模式”(编号:2011004)的研究成果。】

(作者单位:广州科技职业技术学院)

参考文献:

电工基础实用教程范文4

关键词:红外焦平面阵列;非均匀性校正;ASIC;两点法

中图分类号:TP274 文献标识码:B 文章编号:1004-373X(2008)02-142-03

Design of IRFPA Nonuniformity Correction Algorithm Using ASIC

DU Honghua,ZHANG Meng,XIAO Peng

(National ASIC System Research Center,Southeast University,Nanjing,210096,China)[HJ1*3][HJ]

[HJ*2]Abstract:The key quality point which effect IR image is nonunifomity of Infrared Focal Plane Array(IRFPA).Here think about the requirement of real-time,to make Application Specific Integrated Circuit(ASIC) based on two-point nonuniform correction algorithm.This article introduces chip′s structure and mode′s functions.ASIC design has advantages of good real-time,small size and high quality with low cost.It is suit for processing image at high speed real-time in IR imaging system.The algorithm has been verified at Garifield4 which is designed by national ASIC system research center of Southeast University.

Keywords:IRFPA;non-uniformity correction;ASIC;two-point method

1 引 言

红外焦平面阵列(IRFPA)探测元具有敏感度高、探测能力强等优点,用他构成的成像系统具有结构简单、可靠性高以及系统工作帧频较高。IRFPA各阵列元响应率的非均匀性,读出电路自身及读出电路与探测器偶合的非均匀性和暗电流的非均匀性等因素统称为IRFPA的非均匀性[1,2]。其极大地影响红外成像系统的图像质量,成为IRFPA应用的瓶颈,所以必须对IRFPA的探测信号进行校正。

根据获得非均匀性校正参数原理的不同,可将非均匀性校正算法分为基于温度定标的方法和基于场景的方法。基于温度定标法采用简化的数学模型,包括两点法和多点法,其中两点法是研究较早的一种算法,由于其数学模型相对简单,易于硬件实现,其成为红外成像系统中应用较广泛的一种校正方法[3]。本文考虑到实时处理的需要,基于温度定标两点校正法,进行ASIC设计。

2 温度定标两点法的基本原理

在前述的影响IRFPA的非均匀性的因数中,假设:

(1) 在感兴趣的范围内各阵列元的响应是线性的;

(2) 各阵列元的响应率在时间上稳定;

(3) 其他噪声如暗电流等的影响较小。

基于温度定标两点校正法的硬件实现通常包括乘加运算单元和校正系数存储和读取单元。结构相对简单,易于ASIC设计,是当前系统实现的主流算法。

3 基于温度定标两点法的ASIC设计

根据温度定标两点校正法进行高速乘加运算的特点,需要预先对校正系数进行存储同时保证校正系数非易失性。而校正系数读取速率是整个芯片工作频率瓶颈,因此采用NORFLASH和SRAM的双存储器结构,将校正系数保存在NORFLASH中,上电复位处于工作模式时通过内部控制单元将NORFLASH中数据搬运到SRAM中,由于目前SRAM数据存取时间都小于10 ns[7],可以很好地满足需求。

3.1 ASIC设计的结构

本设计分为数据通路、运算执行和控制3大模块,分别完成校正系数载入及存储、两点校正法的乘加运算和数据载入、搬运、读取、输出处理的控制。结构的框图如图2所示。

3.1.1 数据通路模块

数据通路模块由通用串口通讯模块(UART)、外部存储器接口(EMI)组成,增益校正系数和偏移量校正系数可通过UART,EMI储存在外部NORFLASH中。

UART模块用来与PC串口进行通讯,支持RS 232协议标准非归零的编码格式,标准的九针串口。校正系数可以通过PC的软件界面进行载入。考虑到电路的专用性及稳定性,固定模块的波特率和每次传送字符的个数,分别为57 600 b/s和8个字符。UART模块主要包括接收模块和发送模块,分别含有16级深度的FIFO用于数据缓存。此外还包括中断产生模块,当数据传输出错以及FIFO的空、满状态产生中断信号通知发送模块和接收模块停止传送或接收数据。

EMI模块是控制单元对数据进行存储和读取的接口。本设计的EMI支持SRAM和NORFLASH的读写。考虑到2种存储器具有基本相同的读写时序,且不会同时占用读写数据通道,故仅用一个SRAM接口接管2片存储器的读写操作。图3为SRAM的读写时序图。

根据SRAM读写时序的特点,设计的EMI模块主状态机如图4所示,分为读和写2个状态组。以读状态组为例,分为READ-S,READ-CS,READ,READ-HOE,READ-H5个状态,分别表示位屏蔽信号DQM有效、DQM和片选信号CS都有效、DQM和CS及输出使能信号OE都有效(此时执行读的动作)、OE信号无效但DQM和CS有效、OE和CS均无效但DQM有效。由于图4中的cs-wait,oe-wait,oe-en等时间长度的可配的,也就是说在需要时可以直接由IDLE状态跳到READ状态。故状态图如图4所示。

NORFLASH编程(写入数据 )通常需要4个周期,包括2个解锁写周期、1个编程建立周期和1个写入数据周期。在前3个周期中都需要对特定的地址写入特定的数据,目前各家厂商在地址和数据的定义上各不相同。所以在对NORFLASH进行编程操作时采用软件的方法实现。

3.1.2 运算执行模块

运算执行模块由1个12位定点乘法器和1个20位加法器组成,采用流水线设计,可在一个周期内完成校正计算,并校正后的数据的有效位进行截取。

3.1.3 控制模块

主控单元给数据通路模块和运算执行模块提供控制信号,由状态机实现,具体流程如图5所示。

为管理系数载入和校正运算,这里设置调试和工作2种模式。当芯片上电复位后,主控模块自动检测控制模式,在调试模式下载入校正系数,在工作模式下将NORFLASH中12位增益校正系数和12位偏移校正系数拼接成24位写入SRAM的相应地址。同时主控单元根据显示设备的要求对校正结果进行处理。

3.2 实验结果及本设计特点

在具有自主知识产权的SoC芯片Garfield4上进行算法实验,其结果如图6所示。图6(a)为校正前图像,图6(b)为校正后图像。测试结果表明此算法可以满足设计要求。

本设计主要特点如下:

(1) 运算速度快,实时性强。采用双存储器结构和内部流水线技术使得在处理320×240象素图像时达到120 f/s的速率。

(2) 体积小、可靠性高、性价比高。由单个芯片完成校正运算及数据处理,具有良好的可靠性,与采用DSP或FPGA实现的方案相比在量产时具有很强的价格优势。

(3) 具有较强的灵活性,支持可编程功能。

4 结 语

本文提出一种基于温度定标两点法的ASIC设计,介绍该设计的内部结构以及所支持的双存储器策略,并给出其在自主设计的SoC芯片Garifield4上算法的实验结果。

参 考 文 献

[1]周慧鑫,程玉宝,刘上乾,等.红外焦平面阵列器件非均匀性分析[J].光电器件,2003,24(6):406-408.

[2]周慧鑫,王炳健,刘上乾,等.红外焦平面器件非均匀性校正数字实现[J].系统工程与电子技术,2004,26(1):130-132.

[3]孔令彬,易新建.王典洪,等.利用FPGA实现红外焦平面阵列实时非均匀性校正[J].光电工程,2002,29(6):39-42.

[4]沈晓燕,皮德富,赵琦.红外焦平面阵列两点线性校正法的研究[J].光电子技术,2002,22(3):164-167.

[5]闫文成,沈晓燕,皮德富.FPGA实现红外焦平面的非均匀性校正[J].光电子技术,2003,23(2):117-120.

[6]王炳健,刘上乾,程玉宝.基于FPGA的红外焦平面实时图像处理系统[J].红外与激光工程,2006,35(6):655-658.

[7]Ashok K.Sharma.先进半导体存储器结构、设计与应用[M].曾莹,译.北京:电子工业出版社,2005.

[8]刘会通,马红伟.红外焦平面非均匀性校正若干方案的设计与分析[J].激光与红外,2003,33(4):277-279.

[9]刘宇,吴志明,蒋亚东.非制冷红外探测器非均匀性的校正方法[J].传感器技术,2004,23(5):59-62.

电工基础实用教程范文5

Abstract: Because of the uncertainty of the risk evaluation process and the complex inefficiency of evaluation method which due to the large number and nature of different projects in large-scale construction enterprise, this paper establishes the risk evaluation model of multi-project based on analytic hierarchy process (ANP) and decision tree classification. Based on the characteristic project risk assessment index system of construction, through ANP which determines the possibility of risk factors and weights, combining with KNIME software to deal with decision tree classification, finally this paper builds multi-project risk assessment model which will be applied to multiple new multi-project risk assessment fast and efficient. The numerical example results show that the model has a stronger practicability in assess of multi-project risk factors accurately and determining the risk level of multi-project quickly, which will provide a scientific basis for large-scale construction enterprises and government departments.

关键词:多项目风险评价模型;网络层次分析法;决策树分类;KNIME

Key words: risk evaluation model of multi-project;ANP;decision tree classification;KNIME

中图分类号:F284 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2017)02-0012-04

0 引言

建筑工程项目具有投资规模大、参与方众多、建设周期长等特征,大型施工企业一般具有多个参建项目。通常多项目的同时施工增大了实际管理者对每一个项目协调管理的难度,并且在其建设过程中经常会出现由各类风险引发的种种事故。因此,多项目或单一项目的风险管理、评价一直是学者关注研究的重心。如陈勇强,顾伟在对相关项目风险管理文献的统计总结基础上指出了目前工程项目风险管理研究的不足及未来发展方向[1];如王冬霞以灰色系统理论为主,结合德尔菲法、层次分析法以及项目管理、风险管理、工程项目评价等方面的理论,对水电工程项目风险评价管理进行研究[2]。但较多评价方法在运用过程中均存在较强的主观性,且仅对某单一项目展开评价分析,评价方法的扩展性差,不利于企业多个参建项目整体风险的把控。随着学者不断的深入研究,评价方法的扩展性得到一定提高,如网络层次分析法(ANP)结合误差反向传播(BP)神经网络模型能较为高效的解决有关风险评价的扩展问题。考虑到目前建筑工程领域中较多文献仅就单一项目进行风险评估,并且评估过程较为局限。为解决多项目风险因素评估的客观性差、风险等级评价模型欠缺等问题,本文以项目主要参与方作为风险来源,提出了项目风险评价指标体系,建立了基于ANP的项目风险评价模型,在此基础之上,应用“康斯坦茨信息挖掘工具”KNIME软件构造决策树分类模型,两者的有效结合使得多项目风险因素评价的客观性得到提高、多项目风险等级的评价更加高效。

1 基于ANP的项目风险评价体系

1.1 ANP的基本理论与解决方法

1.1.1 ANP的基本理论

网络层次分析法(ANP)是美国匹兹堡大学的Saaty教授于1996年在AHP基础上提出的一种适用于非独立的递阶层次结构的决策方法。相对于AHP,ANP更多的考虑了指标相互之间的影响与反馈性。ANP通过建立网络结构模型,将决策系统分为控制层和网络层:控制层一般由目标和准则组成,控制层允许没有准则,但至少有一个目标;网络层包含受控制层支配的元素组,组内元素相互影响与支配,形成网络结构。

1.1.2 ANP的解决方法

ANP不再单一考虑各指标的上下层次关系,而是综合考虑不同层次之间的信息反馈和同层次元素之间的相互依存关系。学者王莲芬曾提到,ANP的解决主要是通过超矩阵与加权超矩阵[3]。本文,笔者通过ANP,将计算获得的二级指标权重汇总得到超矩阵,继续对各相互影响的因素进行综合分析并应用Super Decision[4]及MATLAB软件得到极限超矩阵,获得各元素指标的极限权重。进一步处理,即可得到后续研究所需的各指标综合权重。

1.2 构建项目风险评价指标体系

笔者遵循系统全面性原则,综合分析了周荣喜[5]、唐小丽[6]等人关于项目风险评价指标体系的研究成果,在此基础之上,通过案例研究、访谈调查等方式全面搜集项目风险评价的资料,咨询相关建筑工程领域的专家获取经验,结合现行法律法规及相关项目实际管理者对项目风险的具体管理情况,获得数量众多的风险评价指标。如按照项目风险承担主体分类,可以划分为业主、承包商、设计方、监理方风险等评价指标;按照风险特征分类,可以划分为工期、质量、费用、安全性风险评价指标等。整体来说,任何项目风险因素都可能影响项目的目标,但并不是所有风险因素都能对项目产生显著影响。因此,笔者遵循指标的科学性筛选原则,突出各参与方对项目风险的影响、突出本文研究的重点,考虑到后续软件的应用,经仔细斟酌,最终确定项目风险评价的一级指标即施工方风险A1、业主方风险A2、设计方风险A3、监理方风险A4、环境风险A5五大类,并确定相应20个内部相互依存与反馈的二级指标。综合各评价指标,形成项目风险评价指标体系,如图1项目风险评价指标体系所示。

2 算例分析

2.1 基于ANP的各级指标判断矩阵

①一级指标判断矩阵:本文建立的判断矩阵均是通过集成多位专家的学识与经验,是在对各指标因素进行两两比较的基础之上,结合1~9标度方法[7]打分而成的。换言之,判断矩阵的原始数据是由多位专家根据经验给出,这样每一个指标对项目风险的影响程度都具有较强的表达性。本文集合五位权威专家的学识经验,由每位专家针对项目的5个一级指标包括施工方风险A1、业主方风险A2、设计方风险A3、监理方风险A4、环境风险A5进行两两比较,最终得到一级指标判断矩阵(后续五位专家对每个项目各二级指标的打分亦采用同样的方法进行处理)。再利用“特征根”法[7],结合MATLAB软件计算出判断矩阵的最大特征根,求出特征向量(后续二级指标判断矩阵亦采用相同方式求得相应指标权重),如表1一级指标的判断矩阵所示。

②元素组内部判断矩阵:元素组内部的指标相互影响相互依存,因此对于矩阵的构造,原理与上述方法类似。基于ANP,五位专家们利用1~9标度方法[7]以A1为准则,其中的元素P1为次准则为例,将P2、P3、P4、P5进行两两比较[3],形成五组判断矩阵。经过对类似上述一级指标的五组判断矩阵数据的一致性验证处理,形成如表2 P1下的判断矩阵所示。相应我们可以得到在A1准则之下,分别以P2、P3、P4、P5为次准则,两两比较其他的元素关系,建立判断矩阵,通过对数据的处理保证矩阵数据的一致性,利用特征根法[14]、MATLAB软件计算得到各二级指标权重(其他元素组内部的判断矩阵建立方法相同)。

2.2 项目风险评价指标的超矩阵

将各二级指标变换次准则相互比较,经计算验证获得的各二级指标权重,整理得到评价指标的超矩阵。如表3项目风险评价指标的部分超矩阵所示。

2.3 综合权重的确定

综合权重的确定是依据ANP的超矩阵和加权矩阵[3]获得的,通过建立判断矩阵、运用特征根法[7]获得各指标权重,综合后应用Super Decision[4]及MATLAB软件得到极限超矩阵即可获得各二级指标极限权重,与相应一级指标对应相乘,即得综合权重。上述评价指标超矩阵,每一列已经过归一化处理,继续运用MATLAB软件编写程序求得极限超矩阵,得到各二级指标的极限权重。将一级指标权重与二级指标权重对应相乘,即得综合权重。如表4评价指标的综合权重所示。

3 应用KNIME软件的多项目风险决策树分类模型

“康斯坦茨信息挖掘工具”KNIME软件是基于Eclipse环境的模块化智能工具,用户通过工作流来控制数据的集成、清洗、转换、过滤,再到统计、数据挖掘。大多基于ANP所得到的各指标权重的评价方法,对新项目的深入评估没有较高的扩展性。为将ANP方法进一步扩大应用,笔者通过五位专家进行打分(10分制),再结合二级指标综合权重,对应相乘求和得到项目风险评价的综合评分。为使多项目的风险等级具有一定的可比性,基于同样的方法体系,专家继续给出不同项目各指标的分数,最终结合综合权重,得到不同项目的综合评分。进一步应用KNIME软件的决策树分类功能,训练项目风险评价等级模型,便于高效的对后续多项目进行更为完善的项目风险评价。

3.1 数据采集及处理

为提高软件的训练精度,本文选取20家大型建筑施工企业各10个项目作为模拟对象,通过ANP得到项目的综合评分进行风险等级的分类模拟。原始数据处理的过程是基于ANP开展而来,200个项目的基本建设情况不同,但面临的风险是类似的。因此,基于本文建立的项目风险评价指标体系,专家组根据实际情况对每一个项目的二级指标进行打分,经过一致性检验,归一化后,结合二级指标综合权重,对应相乘求和,即可作为软件运行的原始数据。原始数据的具体确定过程以某项目为例,如下所示:

3.3 结果分析及建议

①基于ANP确定得出的各指标权重,以项目各主要参与方为风险来源,帮助实际管理者了解每个指标对项目风险影响的程度。根据表1中的权重,一级指标施工方风险A1对项目风险影响程度最为显著,在项目的建设过程中,要加强对施工方的管理,落实安全生产责任制。其他指标对项目风险影响程度的排序依次是业主方风险A2、环境风险A5、设计方风险A3、监理方风险A4,鉴于此,项目管理者对不同项目参与方的管理协调应予以重视,从实际出发。

②应用KNIME软件的决策树分类,如图3 Scorer结果显示,决策树分类模型的正确率达到97.561%,错误率为2.439%,分类精度达到0.966,表明分类效果较好。本训练模型精度较高,适用于后续多项目风险等级评价。

4 结束语

笔者将网络层次分析法应用到项目风险评价领域中,以建筑工程项目为例,以项目建设过程的主要参与方作为风险来源,科学的建立评价体系。通过超矩阵结合实际专家意见得到项目的综合评分。为提高大型施工企业、政务部门的实际管理者对多项目风险级别划分的效率,更有效的管理参建的多项目,本文将ANP模型进一步扩大,引入KNIME软件的应用。基于ANP获得的各项目综合评分,应用KNIME中的决策树分类功能,一方面经过算例分析、软件的运行,结果表明两者的有效结合可以解决大规模数据问题,减少人为因素的评价偏差,提高工作效率;另一方面经过科学的验证,即评价模型的高效、评价结果的准确,使得多项目风险等级评价、风险因素评估有了依据,该模型较为新颖,对后续多项目风险的全面评价具有更为完善的指导意义。

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