Ứng dụng trí tuệ nhân tạo để dự đoán tiến độ thi công nhà lắp ghép

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 1 41 ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO ĐỂ DỰ ĐOÁN TIẾN ĐỘ THI CÔNG NHÀ LẮP GHÉP USING ARTIFICIAL INTELLIGENT TECHNIQUES IN PRECAST CONSTRUCTION PROJECT PROGRESS/ SCHEDULE ESTIMATION Trần Đức Học1, Phạm Anh Đức2, Nguyễn Đăng Trình1, Huỳnh Ngọc Huệ1 1Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM; tdhoc@hcmut.edu.vn, ndtrinh@hcmut.edu.vn, huynhngochuexd@gmail.com 2Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; paduc@dut.udn.vn Tóm tắt - Xác định tiến độ thi công lắp ghép là một vấn đề quan trọng đối với chủ đầu tư lẫn nhà thầu thi công lắp ghép. Về đặc trưng công trình, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tiến độ thi công lắp ghép, nên các thuật toán CART (Classification and Regression Trees), ANN (Artificial Neural Networks), SVM (Support Vector Machine) và Ensemble được sử dụng để giải quyết vấn đề này. Trong nghiên cứu này, bốn mô hình đã được xây dựng để dự báo tiến độ thi công lắp ghép. Năm mươi dữ liệu công trình đã được thu thập, phương pháp Cross Validation được áp dụng để kết quả dự báo được khách quan. Với bốn mô hình được xây dựng, mô hình SVM cho kết quả tốt nhất với khả năng khái quát hóa và hội tụ để xác định tiến độ thi công lắp ghép. Abstract - Determining construction schedule of Prefabricated construction is an important issue for investors and Prefabricated Contractors. In terms of Construction characteristics, there are many factors that affect the progress of assembly, so Classification and Regression Trees (CARTs), ANN (Artificial Neural Networks), SVM (Support Vector Machine) and Ensemble are used to solve this problem. In this study, four models are constructed to forecast the progress of the assembly. Fifty data Constructions have been collected. The Cross Validation method is applied to predict the result. With four models built, the SVM model gives the best results with low error and convergence capability to determine the progress of assembly. Từ khóa - quản lý xây dựng; tiến độ; dự đoán; trí tuệ nhân tạo; thi công lắp ghép. Key words - construction management; progress/schedule; estimation; artificial intelligence; prefabricated construction. 1. Đặt vấn đề Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, thì việc cơ giới hóa thi công ngày càng diễn ra mạnh mẽ. Một trong số đó, thi công lắp ghép kết hợp bê tông ứng suất trước đang được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, cũng như cầu đường, để đáp ứng cho quá trình đô thị hóa nhanh chóng ở các thành phố lớn [1]. Với ưu thế của mình so với bê tông toàn khối, phương pháp lắp ghép có thể tiết kiệm cả về chi phí, tiến độ lẫn chất lượng thi công. Theo các chuyên gia xây dựng hàng đầu, việc áp dụng sàn bê tông lắp ghép có thể tiết kiệm tới 70% chi phí xây dựng áp dụng với các công trình có quy mô lớn. Trong điều kiện hiện nay tại Việt Nam, thi công bằng phương pháp lắp ghép dần có xu thế phát triển. Phương pháp thi công này dựa vào việc các cấu kiện được sản xuất trước tại nhà máy, với chất lượng đảm bảo và lắp dựng trên công trường được triển khai chính xác, nhanh chóng. Vì thế, phương pháp này có thể là giải pháp phù hợp cho các công trình dành cho người thu nhập thấp tại các đô thị lớn trong thời gian sắp tới. Ví dụ, công trình Eco Dream Nguyễn Xiển (Quận 9, TP.HCM) vượt tiến độ 1 tháng, với tốc độ thi công 5 ngày/sàn lắp ghép, qua đó cho ta thấy ưu thế ưu việt về tốc độ của bêtông lắp ghép. Xác định được tiến độ thi công lắp ghép là cơ sở để nhà thầu thi công xác định được tổng tiến độ thi công trong giai đoạn đấu thầu. Và dựa vào các yếu tố ảnh hưởng tới tiến độ thi công, đơn vị thi công có những chủ động trong việc lên kế hoạch thi công và có biện pháp ứng phó với những rủi ro về thời gian trong quá trình thi công. Trên cơ sở vấn đề nghiên cứu, bài báo này tiến hành nhằm mục tiêu sau: (1) Xác định tiến độ thi công lắp dựng cấu kiện bê tông cốt thép dự ứng lực căng trước tiền chế; (2) So sánh các thuật toán trí tuệ nhân tạo về khai phá dữ liệu để tìm được thuật toán tối ưu cho phương pháp dự báo tiến độ thi công; (3) Xác định các yếu tố quan trọng có tính tương quan đáng kể với kết quả dự báo, từ đó đề ra giải pháp tối ưu tiến độ thi công. 2. Nhà lắp ghép Kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước hoặc bê tông dự ứng lực, khác với kết cấu bê tông cốt thép thông thường. Thay vì sử dụng cốt thép cường độ trung bình, cấu kiện này sử dụng cốt thép được ứng suất trước có lực căng rất cao, cường độ chịu kéo tốt kết hợp với sức chịu nén của bê tông để tạo nên trong kết cấu biến dạng ngược với biến dạng khi cấu kiện làm việc. Thông qua việc này, kết cấu bê tông dự ứng lực có khả năng chịu tải trọng giới hạn lớn hơn kết cấu bê tông thông thường, cũng như vượt nhịp lớn nhờ vào trọng lượng bản thân nhỏ cũng như vật liệu cường độ cao [2]. Với công nghệ thi công lắp ghép, các cấu kiện đã được chế tạo hoàn chỉnh hoặc bán phần ở nhà máy dựa vào bản vẽ kỹ thuật, sau đó các cấu kiện được vận chuyển đến công trường. Các cấu kiện được liên kết với nhau bằng các mối nối kỹ thuật, đảm bảo khả năng chịu lực. Các cấu kiện đúc sẵn có thể là dầm, cột, panel sàn, panel tường, cầu thang, dàn vì kèo và các cấu kiện cầu đường như móng cốc, đoạn đường ống (tunnel), đốt cọc [3]. Các tấm sàn được thiết kế có hệ sườn và lớp đệm, lõi cứng của công trình được thi công tại chỗ hoặc trượt lõi. Sau khi cột, dầm, tấm sàn được lắp thì đổ một lớp bê tông cốt thép toàn khối trên toàn bộ mặt sàn từng tầng, tấm sàn là tấm ba lớp [4]. 42 Trần Đức Học, Phạm Anh Đức, Nguyễn Đăng Trình, Huỳnh Ngọc Huệ 3. Khai phá dữ liệu và trí tuệ nhân tạo 3.1. Khai phá dữ liệu Khái niệm khai phá dữ liệu (Data Mining) được ra đời vào cuối thập kỷ 80. Mục đích của nó là phát hiện ra các thông tin có giá trị tiềm ẩn trong các tập dữ liệu lớn. Khai phá dữ liệu liên quan đến việc phân tích các tập dữ liệu và sử dụng các kỹ thuật, công cụ để tìm ra các đặc điểm mẫu trong tập dữ liệu [5]. Có thể hiểu rằng, khai phá dữ liệu là một quá trình tìm kiếm, phát hiện các tri thức mới được tiềm ẩn ở trong các cơ sở dữ liệu lớn. Khai phá tri thức là mục tiêu quan trọng của khai phá dữ liệu, do đó, có thể nói rằng hai khái niệm này được xem là hai lĩnh vực tương đương nhau. Nếu phân chia một cách rõ ràng thì khai phá dữ liệu là một bước chính trong quá trình khai phá tri thức. 3.2. Trí tuệ nhân tạo a. Thuật toán support vector machine (SVM) Mô hình máy véc tơ hỗ trợ là thuật toán được dựa trên nền tảng của lý thuyết thống kê của Vapnik, vì thế thuật toán này có một nền tảng toán học chặt chẽ để đảm bảo rằng kết quả tìm được là chính xác. Thuật toán học giám sát (supervied learning) được sử dụng cho việc phân lớp dữ liệu. SVM được sử dụng rất phổ biến hiện nay, bởi các ưu điểm như xử lý trên không gian số chiều cao, tính linh hoạt và tiết kiệm bộ nhớ. SVM được công nhận là một trong những phương pháp mạnh và chính xác nhất trong số các thuật toán nổi tiếng về phân lớp dữ liệu. Vì có tính tổng quát cao, nên SVM được áp dụng cho nhiều loại bài toán nhận dạng và phân loại như trong nhận dạng hình ảnh, cũng như dự báo [6]. b. Mô hình cây quyết định (CART) Là một một mô hình trong lĩnh vực học máy (Machine Learning), CART là một kiểu mô hình dự báo, có thể được định nghĩa là một ánh xạ từ các quan sát về một sự vật/ hiện tượng tới các kết luận về giá trị mục tiêu của sự vật/ hiện tượng đó. Mỗi một nút trong tương ứng với một biến; đường nối giữa nó với nút con của nó thể hiện một giá trị cụ thể cho biến đó. Mỗi nút lá (nút phân nhánh cuối cùng) đại diện cho giá trị dự đoán của biến mục tiêu, các giá trị cho trước của các biến được biểu diễn bởi đường đi từ nút gốc tới nút lá đó. Kỹ thuật học máy dùng trong cây quyết định được gọi là học bằng cây quyết định, cũng dựa vào xác suất thống kê, tùy theo từng giai đoạn của cây [7]. c. Mạng nơ ron nhân tạo (ANN) Là mô hình xử lý thông tin dựa vào cấu tạo hệ thần kinh của sinh vật gồm nhiều nơ ron kết hợp với nhau bằng các trọng số của biến, độ mạnh của các liên kết này có thể hiệu chỉnh. Cấu trúc của hệ thống nơ ron gồm có 3 phân lớp: lớp đầu vào, lớp ẩn và lớp đầu ra. Lớp đầu vào là lớp có kết nối với dữ liệu bên ngoài. Lớp ẩn không có kết nối với dữ liệu, lớp này chỉ kết nối với lớp đầu vào và lớp đầu ra thông qua một số tiêu chí của mạng. Lớp đầu ra sẽ cung cấp kết quả của mạng ANN sau khi dữ liệu đầu vào được mạng xử lý. d. Kết hợp các phương pháp (Ensemble method) Là một phương pháp kết hợp các thuật toán con được chọn như là CART, Naives bayes, mạng nơ-ron, SVM... Khi một dữ liệu mới được phân loại hoặc dự đoán, dữ liệu này được xử lý bởi các bộ phân loại con của bộ kết hợp và kết quả của chúng được kết hợp theo một cách nào đó để đưa ra dự đoán cuối cùng của bộ kết hợp đối với tập đó. Có thể sử dụng phương pháp trọng số (weighted), bagging hoặc cơ sở tuần tự (boosting) để kết hợp các thuật toán. Để có có kết quả dự đoán tốt, bộ kết hợp thường tổ hợp các thuật toán con có khả năng dự báo/ phân loại tốt và kết quả của các thuật toán con không có độ tương quan cao với nhau [8]. 4. Thu thập và phân tích dữ liệu Căn cứ vào các nghiên cứu trước đây, kết hợp với quy định và đặc thù các dự án tại Việt Nam, đồng thời thông qua phỏng vấn các chuyên gia, tác giả đã tham khảo, tổng hợp được 7 nhóm yếu tố ảnh hưởng đến biến động tiến độ hoàn thành dự án: (1) Tổng diện tích sàn thi công lắp ghép; (2) Số tầng thi công lắp ghép; (3) Tổng số cấu kiện cột; (4) Tổng số cấu kiện dầm; (5) Tổng số cấu kiện sàn; (6) Số lượng cẩu tháp, máy cẩu trên công trường; (7) Tốc độ thi công tầng điển hình. Bảng 1. Thông số của dự án Ký hiệu ĐẶC TRƯNG DỰ ÁN SỐ LƯỢNG ĐƠN VỊ X1 Tổng diện tích sàn thi công lắp ghép (phần khung) m2 X2 Số tầng thi công lắp ghép Tầng X3 Tổng số cấu kiện cột Cấu kiện X4 Tổng số cấu kiện dầm Cấu kiện X5 Tổng số cấu kiện sàn (panel) Cấu kiện X6 Số lượng cẩu tháp, máy cẩu trên công trường (Số lượng X Số ca /2) Công X7 Tốc độ thi công tầng điển hình Ngày/ 1 sàn Y1 Tổng thời gian thi công lắp ghép theo tiến độ đề ra Ngày Bảng 1 là dùng cho thu thập dữ liệu để gửi tới công trường xây dựng. 5. Xây dựng mô hình dự báo Quy trình dự báo được trình bày ở Hình 1. Bước 1: Giai đoạn đầu vào: Đưa dữ liệu vào mô hình, dùng thuật toán Cross Validation phân chia thành các bộ dữ liệu. Qua bộ lọc để xác định tập dữ liệu Train/Test. Bước 2: Mô hình huấn luyện: sử dụng node dự đoán để huấn luyện dữ liệu theo các thuật toán ANN, SVM, CART. Bước 3: Thử nghiệm mô hình: sử dụng nút Nugget để xác thực dữ liệu thử nghiệm. Bước 4: Kết hợp các mô hình thông qua Ensemble Node. Bước 5: Giai đoạn đầu ra: đánh giá kết quả phân tích thông qua các nút bảng và phân tích. ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 1 43 Hình 1. Sơ đồ các bước xây dựng mô hình dự báo bằng phần mềm SPSS Modeler Thông qua phương pháp thử nghiệm (trial and error) và các đề xuất từ nghiên cứu trước Jui-Sheng Chou and Pham Anh Duc (2013) [8], nghiên cứu này đề xuất các tham số cho các mô hình như trong Bảng 2. Bảng 2. Thiết lập thông số cho SPSS Modeler Mô hình Thông số Giá trị ANN Alpha Initial Eta High Eta Low Eta Eta decay Hidden layers Persistence 0,9 0,3 0,1 0,01 30 Three (20, 15, 10) 200 CART Levels below root Mode Maximum surrogates Minimum change in impurity Impurity measure for categorical targets Minimum records in parent branch (%) Minimum records in child branch (%) 5 Simple 5 0,0001 Gini 2 1 SVM Stopping criteria Regularization parameter (C) Regression precision (epsilon) Kernel type RBF gbamma 1,0E-3 10 0,1 RBF 0,1 5.1. Phương pháp đánh giá hiệu suất mô hình Các mô hình đơn và kết hợp sau khi được huấn luyện, cần có phương pháp đánh giá các mô hình, từ đó có cơ sở để xếp hạng mô hình dự báo. Các thông số đánh giá sau đây đã được áp dụng: a. Phương trình tương quan tuyến tính (R)/ Hệ số xác định R2 2 2 2 2 . ' ( )( ') ( ) ( ) ( ' ) ( ') n y y y y R n y y n y y − = − −        (1) Trong đó: y’ là giá trị dự đoán; y là giá trị thực tế; và n là số lượng dữ liệu mẫu. Tương tự như vậy, hệ số xác định, R2 là thước đo mức độ tốt của giá trị dự đoán và giá trị thực tế. b. Độ lệch phần trăm trị tuyệt đối trung bình (Mean Absolute Percentage Error-MAPE) 1 1 'n i y y MAPE n y= − =  (2) c. Sai số tuyệt đối trung bình (Mean Absolute Error- MAE) 1 1 ' n i MAE y y n = = − (3) d. Sai số bình phương trung bình quân phương (Root mean square Error-RMSE) 2 1 1 ( ' ) n i RMSE y y n = = − (4) Để có được một thước đo hiệu suất toàn diện, một chỉ số tổng hợp (SI) thông qua bốn biện pháp thống kê, 1/R, MAPE, MAE, và RMSE, được biểu diễn như sau: min, 1 max, min, 1 m i i i i i P P SI m P P=  − =   −   (5) Trong đó: m là số các phép đo hiệu suất (các kết quả công thức ở trên); và Pi là thước đo hiệu suất thứ i. Phạm vi SI là [0,1]; giá trị SI gần bằng 0 cho biết độ chính xác cao hơn của mô hình dự báo (độ sai số nhỏ nhất). Hiệu suất của mô hình dự đoán đã được xác nhận về mặt tương quan tuyến tính R, RMSE và MAPE. Giá trị R cao và giá trị RMSE và MAPE thấp cho thấy hiệu suất mô hình hiệu quả [9]. 5.2. Phân chia dữ liệu Hình 2. Phân chia tập dữ liệu với 5- fold Trước khi đưa dữ liệu vào mô hình, ta phải thực hiện việc chuẩn hóa dữ liệu đầu vào, tránh các số quá lớn, thường nên co giãn dữ liệu để chuyển về đoạn [-1,1] hoặc [0,1] [8]. Đối với bài nghiên cứu này, các dữ liệu đều 44 Trần Đức Học, Phạm Anh Đức, Nguyễn Đăng Trình, Huỳnh Ngọc Huệ dương nên ta đưa dữ liệu về [0,1]. Với tập gồm 50 dữ liệu công trình, áp dụng thuật toán k-fold, ta chia dữ liệu thành 5 fold như Hình 2, mỗi fold gồm 10 dữ liệu công trình. Ứng với cách chia này sẽ có 5 trường hợp dữ liệu được tạo ra (Data 1Data 5). Ta phân chia tập dữ liệu với tỷ lệ Traning/Testing là 80/20. 5.3. Xây dựng mô hình bằng SPSS Modeler Hình 3 dưới đây mô tả mô hình các tập dữ liệu với các node hoàn chỉnh cho việc phân tích, dự báo. Hình 3. Xây dựng mô hình đơn, mô hình kết hợp 6. Kết quả mô hình Từ các giá trị thông qua các bộ dữ liệu, ta tổng hợp được giá trị trung bình của các hệ số đánh giá và xếp hạng các mô hình như ở Bảng 3 Bảng 3. Kết quả dự đoán MÔ HÌNH R 1/R MAPE MAE RMSE SI RANK CART 0,890 1,123 0,174 0,069 0,098 0,148 2 SVM 0,913 1,094 0,204 0,073 0,090 0,071 1 ANN 0,853 1,171 0,298 0,102 0,129 0,859 4 ENSEM BLE 0,908 1,101 0,268 0,145 0,103 0,545 3 Ta thấy các mô hình có hệ số tương quan cao, tỷ lệ ≥85%, sai số phần trăm trung bình tuyệt đối MAPE chấp nhận được với mức trung bình 23%. Mô hình SVM tỏ ra vượt trội so với các mô hình còn lại (SI = 0,07). Mô hình ANN với hệ số tương quan thấp nhất và hệ số MAPE, RMSE cao nhất xếp thứ 4. Hình 4. Biểu đồ tổng hợp hệ số dự báo tầm quan trọng Hình 4 cho thấy, 2 yếu tố “Số tầng thi công lắp ghép” và “Tổng diện tích sàn thi công lắp ghép” là có ảnh hưởng lớn đến kết quả dự báo (lần lượt chiếm 32,5% và 15,9%). Hai yếu tố này đều đại diện cho yếu tố là số tầng thi công lắp ghép. Trong khi đó, yếu tố “Tốc độ thi công tầng điển hình” lại không có ảnh hưởng nhiều đến kết quả, có thể do các thuật toán không “nhận biết” được tầm quan trọng của yếu tố tốc độ thi công ảnh hưởng đến tiến độ, nên ta mô phỏng biến tốc độ thi công tầng điển hình bằng một biến mới có liên quan mật thiết với biến tốc độ thi công. 7. Kết luận Nghiên cứu này đã sử dụng thuật toán SVM, CART, ANN kết hợp với phương pháp k-fold cross validation tạo nên các mô hình dự báo tiến độ thi công công trình lắp ghép dựa trên tập 50 dữ liệu với các thông số đầu vào là đặc trưng của dự án. Đây là cơ sở quan trọng để giúp Chủ đầu tư hoạch định được chiến lược, chủ động về tài chính, thời gian cho dự án. Dựa vào kết quả nghiên cứu và thực nghiệm, các tác giả đưa ra các kết luận sau: • Thông qua trao đổi với các chuyên gia, sàng lọc tài liệu đã xác định được những yếu tố cần thiết từ đặc trưng dự án có ảnh hưởng đến tiến độ thi công. • Giới thiệu một số thuật toán Data Mining như máy học vector hỗ trợ, cây quyết định, mạng nơron nhân tạo. • Nghiên cứu áp dụng phương pháp xác thực chéo k- fold để giảm thiểu sai lệch liên quan đến việc lấy mẫu ngẫu nhiên của dữ liệu training và testing, giúp cho kết quả được khách quan hơn. • Sử dụng công cụ SPSS Modeler xây dựng mô hình để tiến hành dự báo thời gian thi công lắp ghép. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] T.N.T.Hoàng, Xác định tốc độ thi công lắp dựng bê tông cốt thép dự ứng lực căng trước tiền chế. Luận văn Thạc sỹ, Đại học Bách khoa Tp.Hồ Chí Minh, 2013. [2] Elsharkawy, H.-e.A.-e., et al., “Behavior of post-tensioned fiber concrete beams”, HBRC Journal, 2013. 9(3): p. 216-226. [3] Dawood, N.N., “Scheduling in the precast concrete industry using the simulation modelling approach”, Building and Environment, 1995. 30(2): p. 197-207. [4] Vaghei, R., et al., “Evaluate Performance of Precast Concrete Wall to Wall Connection”, APCBEE Procedia, 2014. 9: p. 285-290. [5] Cường, T.H. and N.Đ. Vĩnh, “Tổng quan về phát hiện tri thức và khai phá dữ liệu”, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Trường Đại học công nghiệp Hà Nội, 2011. 5: p. 50-55. [6] Deris, A.M., A.M. Zain, and R. Sallehuddin, “Overview of Support Vector Machine in Modeling Machining Performances”, Procedia Engineering, 2011. 24: p. 308-312. [7] Rutkowski, L., et al., “The CART decision tree for mining data streams”, Information Sciences, 2014. 266: p. 1-15. [8] Chou, J.-S. and A.-D. Pham, “Enhanced artificial intelligence for ensemble approach to predicting high performance concrete compressive strength”, Construction and Building Materials, 2013. 49: p. 554-563. [9] Chou, J.-S. and A.-D. Pham, “Hybrid computational model for predicting bridge scour depth near piers and abutments”, Automation in Construction, 2014. 48: p. 88-96. (BBT nhận bài: 05/11/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 18/11/2018)