城市水资源可持续利用评价的改进BPNN模型——以湖北省为例.pdf

2 0 - 4 年 第 2 期 s i 。 。 d T e i 。 m 。 R 。 h d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 7 6 9 5 2 0 1 4 1 2 0 l 1 城市水资源可持续利用评价的改进 B P N N模型 以湖北省为例 石 黎 ，史玉珍 ( 1 湖北经济学院信息管理学院，湖北武汉4 3 0 2 0 5 ； 2 平顶山学院软件学院，河南平顶山4 6 7 0 0 2 ) 摘要：针对水资源评价的复杂非线性 ，提 出城市水资源可持续利用评价的改进 B P N N模型。利用基于依赖度和 属性重要度的粗集约简算法提取城市水资源评价关键指标，再利用多层 B P模式识别网络对数据进行训练实现智 能推理和评价，对 2 0 1 2年湖北省内武汉等七大城 市水资源可持续利用评价横向比较 ，用 Ma t l a b 7仿真结果验证 该模型的合理性和有效性 。 关键词 ：城 市水资 源；可持 续利 用评 价；B P模型 ；湖 北省 中图分类号：T V 2 1 3 ；F 1 2 0 4 文献标志码：A 文章编号：1 0 0 07 6 9 5( 2 0 1 4 )1 2 0 0 4 60 4 I m p r o v e d BP Ne ur a l Ne t wo r k M o de l of Ur b an W at e r Re s o ur c e s S us t a i na bl e Ut i l i z a t i o n Ev a l ua t i o n Hu be i Pr o v i nc e a s a Ca s e St udy S HI L i ，S HI Yu z h e n ( 1 S c h o o l o f h ff o r m a t i o n M a n a g e m e n t ， H u b e i U n i v e r s i t y o f e c o n o m i e s ，Wu h a n 4 3 0 2 0 5 ， C h i n a ； 2 C o l l e g e o f S o f t w a r e ，P i n g d i n g s h a n U n i v e rs i t y ，P i n g d i n g s h a n 4 6 7 0 0 2 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n v i e w o f t h e c o mp l i c a t e d n o n l i n e a r p r o b l e ms i n wa t e r r e s o u r c e s e v a l u a t i o n，t h e i mp r o v e d B P NN mo d e l o f u r b a n w a t e r r e s o u r c e s s u s t mn a b l e u t i l i z a t i o n e v a l u a t i o n i S p r o p o s e d B a s e d o n d e p e n d e n c y a n d a t t ri b u t e i mp o r t a n c e o f a t t r i b u t e r e d u c t i o n a l g o rit h mt h e k e y i n d i e a t o rs o f t h e u r b a n w a t e r r e s o u r c e s e v a l u a t i o n a r e e x t r a c t e dt h e n mu h i l a y e r B P n e t w o r k p a t t e r n r e c o g n i t i o n i s u s e d t o e v a l u a t e t r a i n i n g i nt e l l i g e nt r e a s o ni n g a n d d a t a Ma t l a b 7 s i mu l a t i o n r e s u l t s on s us t a i n a b l e u t i l i z a t i o n o f w a t e r r e s o u r c e s i n s e v e n ma i o r c i t i e s a b o u t Wu h a n e t c o f Hu b e i P r o v i n c e i n 2 0 1 2 v a l i d a t e t h e r a t i o n a l i t y a n d v a 1 i d i t y o f t h e mo d e 1 Ke y wo r d s ：u r b a n w a t e r r e s o u r c e ； s u s t a i n a b l e u t i l i z a t i o n e v a l u a t i o n；BP n e u r a l n e t wo r k；Hu b e i p r o v i n c e 水资源可持续利用评 价是 国际国内一个十分重 要的课题。据统计，世界上有 8 0个国家约 l 5亿人 口面临淡水不足的威胁 ，而 2 0 2 5年世界上将有近 1 4 亿人生活在严重缺水的环境中 ，近 1 O亿人面临极度 缺水 。当前我国城市水资源形势十分严 峻，正确 评价城市水资源供需状况 ，是进行水资源规划 、合 理利用城市水资源 、实现城市水 资源可持续利 用的 前提 。 目前 国内外许 多学者已经在 水资源可持续 利用 评价等方 面展 开 了研究工 作。He l l s t r o m ( 2 0 0 0)根 据城市卫生健康、社会文化、环境、经济和技术等 方面的可持续性标准 ，提出 了可持续性城市水 资源 管理的系统分析框 架 ；左 东启等 提 出了包 括 自然 、 人文、经济、管理等4 7 个指标；卞建民等建立了包 含水资源的可供 给性 、开发技术水 平和管理水平及 综合效益的可持续利用评价的指标体系 ；朱玉仙 等建立的指标体系由总量指标、比例指标、强度指 标三部分组成 。评价方法方面 ，经常使用 的方法 主要 有模 糊 综合 评 价、层 次分 析 法 、属 性识 别 法 等 。 目前针对水资源可持续利用评价及预测已 经有 了一些研究成果 ，但仍存在 以下 不足 ：研究视 角上关注城市水资源管 理的 比较少 ，更多学者 的视 角集中在水 资源短缺上 ；评 价方法上 ，常用方法各 有弊端 ，比如层次分析法 由于评价指标受人为确定 权重或混用边界值 和均值 问题 的影 响，评价结果 的 客观性和可 比性较差 ；基 于灰色理论 的选择模型 中 评价指标权 系数 的确定 ，或者计算 过于复杂 ，或者 有很强的主观性等。 收稿 日期 ：2 0 1 30 93 O，修回 日期 ：2 0 1 40 11 5 基金项 目：湖北省人文社科 重点研究 基地湖 北水事 研究 中心课 题 “ 城市 水 资源可持 续利 用评价 体系及 预测模 型研 究 以湖北 省为 例” ( 2 O 1 3 B o 0 9 ) 石黎等：城市水资源可持续利用评价的改进 B P N N模型以湖北省为例 4 7 针对城 市水资源 可持续利 用评价 因素 的复杂、 非线性特点 ，具有独特非 线性信息处理能力 的人工 神经网络被认 为是一种非常好 的评价工具 ，但 由于 B P神经网络收敛速度慢 、易陷入局部最优 ，获得 的 结果仍难以令 人满意 ，原 因是 由于过多且存在冗余 的评价指标全部作 为神经 网络 的输入层时 ，易造成 网络训练效率低 、评价精 度不高 等问题。鉴 于此 ， 本文采用基于依赖度和属性重要度的粗集约简算法 提取关键评价指标 ，再利用 B P模式识别网络对城市 水资源可持续利用评价数据学 习训练 ，得 到最终 的 评价结果。M a tl a b 7编程对 2 0 1 2 年湖北省武汉市等 七大城市水资源可持续利用情况进行横向比较评价 ， 验证 了该混合评价模型的有效和科学性。 1 城市水资源可持续利用评价指标体 系构建 参考水资源可持续评价相关文献 卜 ，遵循尽 量采用已有国家或国际标准、节水城市考核标准等 原则 ，深入 比较影响水 资源可持续利用评价 的相关 因素，综合考虑城市生态 良性循环 、经济可持续增 长 、排除城市重 复信息指标 ，确定 了城市水资源评 价指标体系如图 1所示。该评价体系 中，一级评价 指标有水资源子系统 、社 会经济子 系统 和生态环境 子系统 ，各子系统下又分别有细致 的指标划分 ，一 共有 l 6个二级评价指标 。其 中，在水资源子系统 因 素里 ，产水系数是指水资源量与区域总面积的比值 ， 供水 系数是指供水量与 区域总面积 的比值 ；生态环 境子系统的生态用水率是指生态环境用水量与水资 源总量的比值 。 城市术资繇可持续利H 1 平 价揣标体系 图 1 城市水资源可持续利用评价指标体 系 2 城市水资源可持续利用评价的改进 B P N N模型 2 1 基 于依赖度和属性重要度的约简算法提取关键 指标 基于依赖度和属性重要度 的属性约简算法能够 快速提取关键属性指标 ，达到减少 B P神经网络的输 入神经元个数的 目的，加速 B P网络的训练过程。 算法简介 ：设 C为一个属性 ， C为一个属 性子集 ； 对任何一个对象子集 ， R( )= XUl X 删 ) C_X 为 关于 的下近似 。P O S ( )=R ( ) 为 的正域。定义 D对 C的依赖度为 ( D)= P O S ( D) I I I ， 由依赖度可得到 对于 的属性重 要度为 s 喀 ( )=r c ( D) 一r ( D) 。当属性 对于 不重要时 ， 嘞 ( )=0 ， 求解每个属性 的 s i g ( ) ， 将 s ( ) 0的属 性加入 到结果集 中， 最终 形成一个 约简 ” 。 2 2 B P网络训 练 实践中最常用的是三层 B P神经网络 ， 一个典型 的三层 B P网络的拓扑结构如图 2所示 ： r 一 。 - 入胺 一 雕臂展 ； 输出展 一- - 一 图 2 三层 B P网络拓扑结构 设有一 S i g m o i d型网络， 有 个样本 ( ， Y ) ( k = 1 ， 2 ， 3 ， ， ) ， 对某一输入 ， 网络输出为 Y ， 节点 i 的输 出为 O 扪节点 的输人 为 n e 2 , w ii O 误 差 l m 函 数 定义 为E = ( Y 一 o ) 。 二 l 若 为输出节点， 则 D = W = W + 0 5 0 = W + 厂 ( n e ) ( Y i o i ) o ； = W + O l 。 ( 1 一 )。 ( Y j )。 0 a E a E d o i n=一 一=一 一 一 c g n t e 8 o ， c g n e t =一 ( 1 ) =一 ( 一 0 i ) f ( n e ti ) 若 为隐层节点 ( 非输 出节点 ) ， 则 W ij W ij + ( )。 ( n e t ) o i = w q +o r ( w j k )。 ( 1一 ) 0 a E a E i n=一 一=一 一 J 0 n t e i 衲 i a t i 一8 E Hk r 旦 一0 n e t k 、 a 0 、 3 n e t i O n o ( Z w j o j ) 一= 一 a D d D 于是， =一 z _ ) =一 ( 一 ) f ( n e t )( 2 ) 假设有 J 7、 r 层 ， 且第 层仅含输 出节点 ， B P算法设 计如下 ： S t e p l ： 输人初始权值 W S t e p 2： 重复下述过程直至收敛 ： ( 1 )从第一层直到 N层 4 8 石 黎等 ：城市水资源可持续利用评价 的改进 B P N N模型 以湖北省为例 计算 ， n e t j k O ( 信号正传递过程) ； 对各 层从 到 2反 向计 算 ( 误差 反 向传 播 过 程 ) ； ( 2 )x N-Aj N， 由式( 1 ) 和( 2 ) 计算 S t e p 3 ： 修正权值 ； 3 模型仿真应用 3 1 原始数据的获得及标准化 收集相关统计资料 ( 湖北省 2 0 1 3年统计年鉴 以 及湖北省 2 0 1 2年水 资源公报 ) ，结合数据收集 的困 难程度及资料 的可 比性 ，整理获得 了湖北省 内武汉 市 、襄 阳市 、鄂州 市 、黄 石市 、十堰 市 、咸 宁市 、 随州市等七个城市 2 0 1 2年的水资源可持续利用情况 横向比较 的相关数据作 为模 型验证 的评价数据 ，如 表 1所示 。该表中 ，将评价指标体 系的 l 6个指标作 为条件属性，采用 C 1 一 C 1 6简化代替，将决策属性 D的结果分 为 “ 强” 、 “ 较强” 、 “ 较弱 ” 、 “ 弱” 、 “ 不可持续利用”五个级别 。 表 l 2 0 1 2年湖北省七大城市水资源可持续 利用 横 向比较评 价数 据集 由于各数据量纲不 同，接下来 必须对表 1中的 数据集进行标准化处理 。 日常最常见 的属性类型有 正 向指标和逆 向指标 两种 ，分别表示指标值越大越 好的指标 和指标值 越小越 好 的指 标。设 ( i =1 ， 2 )分别表示正向型指标 、逆向型指标的下标集 ，标 准化公式如下 ： m l no t ij r = _，( i ， 1 ) m Ja lJl “ ma x 一 r j ，( i e 1 2 ) 决策属性 D 中的 “ 强” 、 “ 较 强” 、 “ 较 弱”、 “ 弱” 、 “ 不可持续利用”分别采 用 5 、4 、3 、2 、1 表示。条件属性 c中，人均水 资源量 、产水 系数、 蓄水量 、G D P总值 、第三产业 占 G D P比重、污水集 中处理率等几个指标为正 向型指标 ，其他 为逆 向型 指标 。由标准化公式得到表 2所示的标准化数据集 。 表 2 标 准化数据集 3 2仿 真 实验 首先采用基于依赖度 和属性重要度 的粗集约简 算法对表 2离散化后 的数据进行约简 ，提取关键指 标作为 B P N N输入层 。由算法求得结果为 c 2 ，c 4 ， c 7 ， c 8 ，c 9 ，c l 1 ，e 1 2 ，e l 3 ，c 1 5 ，c 1 6 一共 1 0个 指标 ，因此 B P N N的输 入层神经元 为 1 0 。最终评价 必须是 “ 强” 、“ 较强” 、 “ 较弱 ” 、“ 弱” 、 “ 不可持 续利用” 中的某一种结果 ，所以 B P N N的输 出层神 经元为 1 。隐含层节 点数一般较难确定 ，通 过隐含 层单元数公式 ：h= +m+。 ，得到隐含层结点数 为 6 。 根据 以上分 析 ，采用 M a t l a b 7建 立 网络结 构为 1 0 61的三层 B P神经网络模型。网络训练采用 2 0 1 2年 河南 省 郑 州市 、开 封 市 等 1 8个 城 市 以及 2 0 1 2 年湖北省除表 1 外剩余的9个城市的实际样本 2 7例 ，原始数据由湖北省和河南省 2 0 1 3年统计年鉴 以及湖北省 和河南省 2 0 1 2年水资源公报整理所得 ， 将 c 2 ，c 4 ，c 7 ，c 8 ，c 9 ，c l 1 ，c 1 2 ，c 1 3 ，c 1 5， c 1 6 这 1 O个指标对应的评价数据输入 B P神经网络 进行训练 ，经过 了 4 8 1步训 练 ，性能达 到要求 ，训 练误差如图 3所示 ，该城市水资源可持续利用评价 的改进 B P N N模型至此构建完成 。 将表 2中的湖北省襄 阳市 、武汉市等七大城市 2 0 1 2年的横向标准化数据作 为测试样本 ，输入 以上 构建完成的改进 B P N N模 型进行仿真实 验 ，验证模 型的精度。 由图 4可看出训练数据预测效果 良好 ，实际值 与预测值之间的误差较小 ，误 差平方控 制在期 望误 差之下 ，性能能够满足实际应用 的需求。 石黎等 ：城市水资源可持续利用评价 的改进 B P N N模 型 以湖北 省为例 4 9 4结论 图 3 训练误差变化 曲线 图 4 结果拟合 图 本文基 于城 市水资源可持续利 用因素 的分析 ， 构建了城市水资源可持续利用评 价指标体 系，并 将 属性约简与 B P模式识别网络结合，通过样本数据的 训练 ，设计构建 了城市水 资源可持续利用评价的改 进 B P N N模型。通过对湖北省 内的武汉市等七 大城 市 2 0 1 2年水资源数据的横向评价仿真验证 ，结果表 明运用本文设计 的改进 B P N N评价模 型，对城 市水 资源可持续利用情况进行评价具有合理性和可行性。 参考文献 ： 1 S I MON T P T h e u s e o f b i o l o g i c a l c r i t e r i a a s a t o o l f o r wa t e r r e s o u r c e ma n a g e me n t J E n v i r o n me n t a l S c i e n c eP o l i c y 2 0 0 0 ( 3 ) ：4 3 4 9 2 O KU N D AWa t e r r e c l a m a t i o n a n d u n r e s t r i c t e d n o np o t a b l e r e u s e ： A N e w T o o l i n U r b a n Wa t e r Ma n a g e m e n t J A n n u a l R e v i e w s o f P u b l i c H e a l t h ，2 0 0 0 ( 2 1 ) ： 2 2 3 2 4 5 3 卞建民，杨建新水资源可持续利用评价的指标体系研究 J 水土保持通 报，2 0 0 0，2 0 ( 4 ) ：4 3 4 5 4 朱玉仙，黄义星，王丽杰水资源可持续开发利用综合评价方 法 J 吉林 大 学学 报 ：地 球科 学 版 ，2 0 0 2 ，3 2 ( 1 ) ：5 5 5 76 3 5 s A WU N YA MA T，S E N Z A N J E A，MHI Z H A AE s t i m a t i o n o f s mal 1 r e s e r v o i r s t o r a g e c a p a c it i e s i n Li mp o p o Ri v e r B a s i n u s i n g g e o g r a p h i c a l i n f o r ma t i o n s y s t e ms( G I S )a n d r e mo t e l y s e n s e d S U r f a e e a r e a s ： C a s e o f Mz i n g w a n e c a t c h m e n t s J P h y s i c s a n d C h e mi s t r y of t h e E a r t h ， 2 0 0 8， 3 1 ( 1 51 6 ) ：9 3 59 4 3 6 阮本 清，韩 宇平 ，王浩水资源短缺风险的模糊综合评 价 J 水利学报 ，2 0 0 5，3 6 ( 8 ) ： 9 0 69 1 2 7 门宝辉 ，梁川 ，刘庆 华基于属 性识别方 法的区域水 资源 开发 利用程 度综合评价 J 西北农林 科技 大学学报 ： 自然 科学 顺， 2 0 0 2 ，3 0 ( 6 ) ：2 0 7 2 0 1 8 楼文高 ，刘 遂庆区域水资源 可持续利 用评价 的神经 网络 方法 J 农业系统科学与综合研究 ，2 0 0 4，2 0 ( 2 ) ：1 1 31 l 6 9 赵吉武，邹长武基于粒子群算法的神经网络在水资源评价 j 的