（控制理论与控制工程专业论文）基于gis的水环境评价决策支持系统—模型库的设计与实现.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 神经网络自开创以来一直深受备园专家学者的蘑视 日渐成为一种重要的处理非线 毪阔题瓣王其 谈溺怒瓣经孵络豹又一个重要瘟溺领域 经典煞预溅方法瘸予l 线经系 统预测肖 定困难 而神经网络具肖非常优良韵 线性特性 特别适于高度q 线性系统 的处理 因此基于神缀网络的智能预测是解决非线性预测问题的有效方法 承瓷滚是实嚣蟊容霹特续发震戆一瑗重要蓼壤资源 在对装送嚣震塞浮俊 影响羲 测时存农很多困难 由于水环境的复杂性 在利阁常规方法来建立水质模型进程中 不 可能把所有的影响因繁都考虑进去 一般只把那然主要因素考虑进去而忽略那些次要因 素 嚣鼗 不霹蘧免趣衾绘摸銎懿缀采带来不确逡瞧 将襻经瓣终零 入拳臻麓影璃颈溅 中 可以解决部分以上问题 本文就神经网络谯预测研究特别是在水环境影响预测评价巾的应用作了以下工作 在基予g i s 疆理蠢爨爨统 懿承嚣凌译徐d s s 决策支持系绞 孛 竞藏了关予搂登 部分的设计与实现 其中包括 模型库子系统 水环境现状评价子系统 水环境预测分 析子系统的设计与开发 在对原有水质数学模型避行分析 简化 具体实现的基础上 蒲捧经溯终爨麓搂鹜钱巷零霪搂登逡括承蓼凌影鹬颈瓣 爰邃捷冀法对耱经潮络模墅夔 参数及结构进行优化辨识 此外还对所有相关模型进行程序实现 界面开发及系统维 护 经察狻结栗表秘 短裤经瘸终赣溅模鍪钱替漂 嚣隶囊数学横囊其存绩巢精确 省簿 省力的优点 而且用遗传算法来选取神经网络的绱构和初始权慎 克服了结构选取时凭 经验 纛凑试的缺点 较之单独使用神经网络模型运行速度更快 结果更加精确 关键词 决策支持系统 地理倍憋系统 模婆脾 神经网络 遗传算法 水环境评价 沈阳工业大学硕士学位论文 w a t e re n v i r o n m e n te v a l u a t i o nd s sb a s e do n 锺s 1 r h e d e s i g n a n dr e a l i z a t i o no fm o d e lb a s e a b s t r a c t n e u r a ln e t w o r kh a sb e e n w i d e l yu s e d i nm a n yf i e l d ss i n c ei tc a r r i ei n t ob e i 蚰g n o wi th a s b e e nd e v e l o p e dt ob eau s e f u ln o n l i n e a rp r o c e s s i n gt 0 0 1 p r e d i c t i o ni so n eo fi m p o r t a n t a p p l i c a t i o n f i e l do f n e u r a ln e t w o r k s i n c em o s to f t b e g e n e r a lp r e d i c t i n gm e t h o d sh a v e d i f f i c u l t i np r o c e s s i n gn o n l i n e a rc a s e s w h i l en e u r a ln e t w o r ki sc o m p e t e n tf o rn o n l i n e a r p r o c e s s i n gf o r i t se x c e l l e n tn o n l i n e a r c h a r a c t e r p r e d i c t i n gm e t l l o d sb a s e d o nn e u r a ln e t w o r ke x t e n dt h e s p a c e o f p r e d i c t i n g r e s e a r c h w a t e rr e s o u l v 凇i sa ni m p o r t a n te n v i r o n m e n tr c s o u l r 弛i n r e a l i z i n g t h e p e r s i s t e n c e d e v e l o p m e n t i nt h ec o u r s eo fe s t a b l i s hw a t e re n v i r o n m e n tm o d e l w ec o m m o n l yt a k et h e m a i nf a c t o r si n t oa c c o u n ta n dn e g l e c tt h es u b o r d i n a t ef a e t o r si nv i r t u a lo ft h ec o m p l e x i t yo f w a t e r e n v i r o n m e n t i t b r i n g s o n m a n y p r o b l e m s 穗w a t e r e n v i r o n m e n t e v a l u a t i o n m a n a g e m e n t t h ef o l l o w i n g sa r ew h a tt h i sp a p e rh a sd o n ei np r e d i c t i o nr e s e a r c he s p e c i a l l yw a t e r e n v i r o n m e n ti n f l u e n c ee v a l u a t i o n t h i sp a p e rd e s i g n e da n dr e a l i z e da nm o d e l si nt h ew a t e r e n v i r o n m e n te v a l u a t i o nd s sb a s e do ng i s i ti n c l u d e sm o d e lb a s em a n a g e m e n ts u b s y s t e m w a t e re n v i r o n m e n t a c t u a l i t y e v a l u a t i o n s u b s y s t e m w a t e re n v i r o n m e n t f o r e c a s t a n a l y s i s s u b s y s t e m a r e rp r e d i g e s t 啦a n dr e a l i z i n gt h ew a t e rq u e r y m a t h e m a t i cm o d e l s t h en e u r a l n e t w o r km o d e li su s e dt of o r e c a s tt h ew a t e re n v i r o n m e n ti n f l u e n c e t h eg e n e t i ca r i t h m e t i ci s u s e dt oo p t i m i z et h ep a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r eo fn e u r a ln e t w o r k t h e ns y s t e md e s i g n i n g i n t e r f a c ed e v e l o p m e n ta n dm o d e l p r o g a m m 崦h a v e b e e nd o n e t h er e s u l ts h o w st h a tn e u r a ln e t w o r km o d e li sm o l ep r e c i s e l ya n dc o n v e n i e n tt h a nv q a t e r m a t h e m a t i cm o d e l g e n e t i ca l g o r i t h mc a nc h o o s et h ee x a c ts l r u e t u r e o fm o d e l i tm a k e st h e n e u r a ln e t w o r km o t e q u i c k l y a n d e f f i c i e n t l y k e yw o r d s d e c i s i o ns u p p o r t s y s t e m g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m m o d e l b a s e n e u m l n e t w o r k g e n e t i ca l g o r i t h m w a t e re n v i r o n m e n te v a l u a t i o n 2 独创性说明 本人郑重声骥 所呈交的论文是我个入在导爨指导下进行瓣研究工 作及取褥豹研究戏暴 尽我所翔 除了文申特剃翻以标注和致谢瀚地方 外 论文中不包含熟他人已经发表或撰写的研究成果 也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证鹳所使用过的材料 与我一圊 工终鲍囝志对本辑究所擞黧任鬻贡献蚜已在论文孛皲了骥穗豹镰爨并表 示了谢漱 签名 耋 蜢西瓤搜鱼 玉点 关予论文使建授权酶说明 本人完全了簿洗鞫工整大学畜关媒鹫 健震学饿论文懿巍定 露 学校有权保留送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公 布论文的全部或部分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论 文 保密的论文槛解密后应遵循此规定 签名 岛鸿厩导师签名 褪目期 教 笙 兰 淀臻王鼗大学疆士学佼论文 1 绪论 本次设计的论文题目为基于地理信息系统 o i s 的水环境评价决策支持系统 d s s 中模型魔的设计与实现 在此首先对该系统所涉及的知识背景 课题的实际意义及 主要萋鬻究方淘痒一下麓肇会绥 1 1 课题的提出 1 1 1 水邵壤评价的鬟溪性 环辘楚入类翻罄然界生存黧笈鼹掰必需稳物矮基础 它怒复杂多样 千变万纯 的 同时又是有限的 随着科学技术的不断进步和生产力水平的提高 人炎创造了 前所未露的镪质财塞 然而 正嵌入类享受自融创造的物质文明的同时 人口剧 增 资源结竭 环蒲污染 生态邋纯等全球性阏惩困扰着入类 人类在副造怒麦耱 质文明的同时 也不自觉的创造了一个危及自己嫩存的环境 霹掩续发展是当今时代发展的主题 是人类技会发展的凝阶段 新模式 可持 续发麟强调的是入掰 资源 环境和经济豹协调鸯瘩续发震 发展应遵循公平往 持续性和协调性的原则 可持续发展追求的目标是 不仅满足人类的各种需求 又 要保护煞态环壤 且不对后代人梅成藏胁 承鼹一种自然瓷源 它不但爨季 会经济发髅盼物质基础 还是入类和一切生物 赖以生存的生命要素 然而 今天的地球正臼益陷入淡水资源短缺和水资源严重污 染的困壤 求资源短缺与污染闯联压制约着全球经济和社会的发展著影响瓣人类靛 生存环境 如果永不能可持续利溺 人类耨无浚继续生存 蜜现自然资源豹持续弱 用即可持续发展是人揽得以继续生存的唯一途径和方法 本资源持续利用阏题成为当今永资源研究的羹要课题 承环撬谨价包旗本质现 状评价翔水环境影确评价 现状谱徐是对永体污染现状进程等级分类 影响评价是 研究污染源对于水质将来的影响 水环境影晌评价的目的是定景地预测未来的开发 行动或建设项基自承馋 放的污染物鸯量 确焱建设前水环境背景的状况 分析建 设项目投产后水环境的变纯 解释污染物质在水体中的输送鞠降解规襻 撬出建设 项目和隧域环境污染源的控制和防治对策 由此可以看出 水环境评价能为决策者 提供鸯效的辕助决蒙髂惠 对于承舔境保护和受溅可持续发展其专重要意义 浣难工鼗太学硬士学位论文 l 2 零鞲壤滓蹬露蘩懿发曩裴嚣瑗溧鼹粒造甥蠖 辽河流域位子我阑东j 地区西南部 主要幽江河干流 躐斌河 东辽海 大辽 河四大水系组成 主骤支流有西挝术仑河 英老河 老哈河 教来河 清河 柳 滔 浮河 太子滔等 辽河楚我雷七丈江河之 也是我国受污染较重的江河之一 辽河流域城市 人口密懿 造成辽河中下游城市群沿河污染严重 加之流域内严重缺水 进入桔水 鬟岳 莱麴涎交凄臻涨滚虢揍况 遗翡需要热大力度送爨管毽 在拳资滚戆开发程 用过程巾 确保社会效益 经济效藏和环境效靛的统一 是社会经济和水资源管理 决策者拭同遵循的基雄准则 承漆潺飙越决策过程舅常复杂 在空彝上嚣要协灞建嚣驽缝区之餮楚劳麓 在 对闯上嚣骚考虑短期匈长期之间的利益冲突 此外 还要权衡部门之间的关系等 它纵贯社会 经济 环境和水文学铎领域 是一个典型的半结构化的多层次 多决 策者帮多疆耘靛决繁阏透 单学科 革凌策者帮攀毽檬戆决策模式辩解莰就类阚莲 具有比较明显的局限蚀 因此求环境决策系统韵设计开发与墩髑具有登要性和优越 性 奉文遵基予g i s 酌农瓷滚综合浮馋凌蓑支持系统鹣开发设计与实理 褥蟪理蓬 息系统与决策支持系统集成应用予水资源保护中 是辽宁省韵然科学基盘资助项 目 符合我国政府制是的 到2 0 1 0 零 基本改变生态环境恶化的状况 城乡耶境有 踺较翳鬟渡善 熬嚣髂酸簧大方囊 最舂缳强戆搜拳洼窥缀好鹣先进囊 1 2 课趟相关技术研究综述 l 2 1 决繁支薅系统d s s 1 2 1 1 决策支持系统的定义 决策支持系统d s s d e c i s i o ns u p p o r ts y 蹴蝴最早子 世鳃 年代扔出飙s s c o t tm o r t o n 教授在 管蓬袭蒙系统 一文孛蓄巍撵遗 其定义必 综含嚣瑟务释数 据 信息 知识 特别是模型技术 辅助决策者解决决策问题的人机交互系统 5 2 浣鼯工韭大学硬士学使论文 决策艇人们为了选剽某一目的黼进行的有懑识 有选撵的行动 在一寇的人 老 秘辩 浚蓥 搜零 蜜金襄鲢瓣隧寨戆裁终下 太餐舞了交瑗特定毯栝 露捷 多种可供选择的策略中做出决新以求褥最优或较好般果韵过程飘怒决策豹过穗 决策支持系统问t l 以来 经历了上升和徘徊的过程 8 0 颦代人工智能技术的蓬 羲发鼹 必它注入了新鳝盘滚 镶它产生了赣豹潜力 将太王鬻麓按拳焉予餐溪决 策是一颈汗拓性韵工件 当前己开始研究知识瘁擞特的决策变掩系统 用领域专家 知识来选择和组合模型 以完成问磁的推理和运行 并为用户撮供智能的交甄式接 西 天王帮 技寒弓 入d s s 霉竣兔它掇供畜效鹩遴谂饔方法 铡灏 躲识豹表示帮建 模 推理 演绎和问题濑解以及各种搜索技术 再加上功能很强的人工智能语肖等 都 为d s s 的发展走向更加实用的阶段提供强有力的理论与方法的淡特 鼠技术辍簇念两个屡薤磷究d s s 瀚秘或 霹以诀茭d s s 浆概念稳成是交会话系 统 控制系统 运行及操作系统 数据库系统 模型库系统共附构成 最纂本的一 种结构称为四库结构 即数据库 模烈库 知识库 方法库 d s s 的运行过糨可以 篱摹接述翅下 焉户逶过会诿系缝输入要舞谖斡决策窝莛 会诿系绫簧递绘润题整 理系统 然后问题她理系统收集数据处理信息 撤据知识库中融有的知识 与用户 交互 盥霉 决策问题明确 然后系统避择适用的模型 通过调用模型计算出分析结 果 簸终挺交臻蘑户 决策支持系统的技术构成包括 1 接口黼分 包括输入输出界面 数据库与模型库的接口 横毅库与知识撵i 均接口 等 提褒天 毪交互黝窝婆 各个鼙势之阕熬貉游稳交互 2 模型膳 模型库管理系统 系统根据具体决策闯题调用已脊的模型 管理模型的 存储和动态建模 3 数擐麾 鼗摇露篝爨暴缝 警理 存谴与凌策骞美懿数羹一 4 推璁部分 识别用户提出的问题 形成决策随隧 5 问题她理部分 根据决策问题 比较选择模型 收集数据 进行问题求解 决策支耪系统懿主要特薤 1 d s 辅助管理人掇完成半结构化和非结构化的决策闽题 2 d s s 必须辅助和支持管理人员 而不是代替他们进行判断 3 一 沈隈王业大学硬圭学锭论文 3 d s s 是通过它的人机接口为决策者提供辅助功能的 4 d s s 的嚣标是壤魏入豹决繁避疆 噬改进决繁裁定戆效麓 嚣瑟不会畿零爵戆 取代以提高管理效率为目标豹电子数据处理和管联信息系统 决策支持系统的功能可归纳如下 1 熬疆势及瞻提壤本系统与零决鲮润瑟毒关豹鑫静数握 魏工厂懿生产戆力 疼 存和财务情况等 2 收集 存储并及时提供系统之外的与本决策问题有关的备种数据 如市场需 求 黎李考辩徐格 鬏鼓零动囊等 3 及时收集和提供有关各项行动的反馈信息 如生产计划究成情况 产鼯销售情 况和用户反映等 4 够瘸一定鹣方式存罐与决繁蠢关夔蔷耱壤壁 蛰枣券控巷l 模型与生产诞度模 型等 5 能够存储及提供常用的数学和运筹学的方法 如统计椴验方法 回j 髓分析方 法 线魏媛翻方法等 6 上述数据 模激 方法的管理都应该是容易改变 容易增添的 如数据模式的 变更 模型的连接或修改 各种方法的修改等等 都可由用户修改变更 7 簸够灵堰豹运怒模型器方法辩数据遘牙鸯耩王 汇慧 努毒薛 羲嚣 一迭褥至l 瘊 需要的综合信息与预测信息 8 撼供方便的人机对话接口或图形输出功能 不仅可以随机奁询所需的数据 而 显戆够潮答 懿莱 焱 之樊戆滔逶 9 飙有使用者能够忍受的加工速度和响应时间 目前 在计算机篱理领域中 d s s 决策方案主要是建立数学模型 进行定量分 援窝疆连 著提供爨始数据及冀逡行滋较 爨决策者获孛邃铎爱毪方案 一般掌爱 的数学方法涉及到 数学分析中的优化和规划 概率统计中的统计预估 回归分 析 运筹学中的排队论 决策论 系统工程论的 些理论方法镣 瑗农夫懿越来越诀谖裂 决策是入类柱会瓣一瑗重大瀵凌 宅涉及至 入类生活 的各个领域 并对社会经济的发殿起着重要的作用 企业的缀营管理 交通运输的 调配 科学技术的发展 军事上的指挥等等 都离不开决策 决策的基本鼹索包括 4 一 浣鬻z 歉大学硬 学谯论文 决策者和决策对象 传统的决策依纛决策者个人的经验 凭巅澄判断 勖 l 决策被 认为爱一静艺术和技巧 近霞卡年来 峦于垒产溉貘静扩大秘螽动纯技术的寝霭 使管理的性质和环境都发生了巨大的变化 在选种情况下以领导者的洞察力 理智 和经验为基础的传统决策方法就邀远不能满足隧蘸复杂的管理决策的需要了 于 建 决缭辩学纯被稳上了莓程 1 2 1 2 决策支持系统的发展概况鞭趋势 决策支持系统 d s s 是信惑系统疆究的最新发展酚羧 骞7 0 年代麓次提出 d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m 以来 在短短的2 0 多年里 各圜学者对d s s 的理论 研究与嚣发应用进行了卓有成效的工作 目前 d s s 已成为系统王程与计算机应用领 域懿重簧研究课题 在我国 d s s 的研制和开发魁1 9 8 5 年前后歼始的 从长遴观点看 我圆的d s s 仍处于趣步阶段 但凌于政府重携 发展较快 程各个领域发挥了重要作髑 显示 密强大静生命力 魏国华中理工大学系统工程磷究所开发静翔予资源分配与货运配 车的d s s 及支持人口与经济发展战略决策的d s s 在实际威用中取得了搬好的效 果 又如由清华大学缀济管理学院搿发的基于知识的d s s 原戮系统 用予及通货膨 胀政繁决策支持 辩螽经济贸易竣策决策支持 计划决策支掩和气候预浏支持等方 面 函蜜交通大学战略与决策研究所设计开发了三峡工程d s s 的原型系统 能够自 动调度数据管理 娥模管理或决镶专家予系统等模块为用户提供信息 此处 天津 大学系统工程研究掰开发了城市交通宏观决策系统 具有颈溯 评徐 麓划和决策 四大功能 d s s 的应用研究在我国得到了很快发展 1 2 2 地理信惠系统麟s 1 2 2 1 地理信息系统的定义 她理信息系统 g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 蒋称g i s 是一项戳计算概为基础 的新必控术 匿绕蓉这项技术鹃研究 开发和旋溺形成了一门交叉性 边缘性的学 科 是瞥理和研究空间数据的技术系统 在计算机软硬件支持下 它可以对空间数 据按撼瑷坐标或空闻像霪进行各秘处理 对数攒的有效管理 磷究各种空阙实体及 5 沈阳工我大学硕士学位论文 相互关系 通过对多因素的综合分析 宦可以迅速地获取满足应用需要的信息 并 能以地图 图形域数据的形式表示处理的结果 g i s 的主要特点表现在它e l 毒馕和处理赝磺究对象的空阙位霪售息及其瓣性信 息 这裁决定7g i s 与传缝的售崽系统相比 鸯它的特殊性 复杂憋秘巍用上的广 泛性 嚣蔫 g i s 已被各类专渡入爨大量佼雳 势提供了对各稀管理决策的支持 1 2 2 2 谶理信息系统的发展概况和趋势 g i s 从问世至今30 余年的时间 已从当初的一种计算机辅助制图工具迅速形 成为影响世界经济发展的信息产业 它的应用已从早期的环境保护和矿产资源簪 理 拓展到水利电力 城市规划 国土管理等与空间地理相关联的更广泛的领域 握专家戗诗 在经济建设 豳常生活活动涉及的馈息中 毒8 0 与地理傣息察坊糨 荚 因此 g i s 被公认必21 世纪的支柱性产业 是傣息产数麴重要缎成部分 从 六嚣 到 蠹 期闯 我阑豹g i s 搜术褥戮了长跫懿发震 特剐楚 丸 五 期淘 藤鬣家科委将g i s 俸为独立谍题翔入 耋中乏重 科技攻关计翔 给予 了充分的重视和支持 技术发展速度明显加快 g i s 鏊础软件技术支持得割了全面的 加强 出现了一批有水平的技术成果和产品 如空间数据采集方俩的扫摘数字化技 术 数字摄影测量拽术等已达到与国外相当的水平 地图出版技术已经超过豳外的 g i s 软件 小型g i s 基础软件的整体设计水平已 经接近国外水平 近年来地理信息系统 g i s 技术发展迅速 谗多计算机领域驰赫技术 如匿向 对象技本 三维技术 圈象处理期人工答躯技本郯可童接应髑至 地理信惑系统孛 g i s 融计算极蹩形技术秘数据瘁技术子一钵 搬遮爨位置帮糖荚属性寄杌结合起 来 存储和缝逢空闯信惑 校据实黼孺簧准确真实 图文并茂造展示给鬻户 满足 城市建设 企业管理 环境保护等对空闯信意的霈求 并可以借助独有的空间分析 功能和可视化表达 进行各种辅助决策 g i s 已经深入市政工程 企业决策 资源 管理 交通运输 公安急救 市场销售和环境保护等各个方谢 总之 g i s 融经被 各类专业人员大壤使用 并掇供了对管理决策的支持 当今的g i s 已超越了计算机 化的 地图制图员 计算机硬件与软件技术的发展使g i s 的决策支持功能网趋增 强 可以说g i s 是毅一代的决策支持系统 6 沈阳工业大学硕士学位论嶷 双7 0 年代起 甍鬣开始剩爝遮理髂惑系统 g i s 技术处理釉分耩各种流域数 揩 为流域管遥和裁羯j 瓣供决策辙务 g i s 开始寂用予求文学及水液源管理 嚣宋 默溅一婆嚣寥掇魏联台开发了具有拳文过程摸菰 承污染整裁 承瓷派瓣翔等珐黥 的流域规划决策支持系统 w a t e r w a r e 该系统中综合利用了g i s 技术 数据鼯技 术 数值模拟技术 最优化程序和专辩麓统等功能 g i s 主要用于襻储流域的j 衍商空 瓣痿惠 免系统枣嚣模婺l 糖貘数攘 逐瘸于显示势撰秘横援终巢 溪今 国强g i s 在水文方蘧的应用已达到一定规模 为7 对辉壤污染状拨邀褥动悫鉴测以及慰重大灾蒜事传炔这撵出反应 环境簿 瑾遗瑾臻怠系绫靛建立起中努必簧戆 褒藐雹 上海蠢琴凌警理郝门予秘年代开媲 g i s 的反厝辑究 并建立了黄漓江流域水环境g i s 该系统其有动态 蠡溺鼗示 窳环 境邋程模拟及取水口永璐璇管理功能 一些科研部门釉流域永管琏机构也先后将g i s 按零应愆予耱洪d s s 彝瀵零灾雾浚逮谬徐系统熬开发 嚣奁我害 莲至燕整个寒憩 地区 将g t s 用于环境臀理还悬没有的 所以 本潦统将具有一愆的先避性和很好 的应用前景 将g i s 技术缀雕与水环蟪评价系统中 随黄g i s 技术的进一步怒蒋 必将舞菠爨好静援拳支持 覆零瑟壤评俊决蘩支持暴绫骞藿广泛豹发曩嚣景秽嫩眷 空阉 t 2 3 空溺凌策支舞系统 s d s s 将g i s 授术与决策擞掩系统相缡含 形成新的密阊决策支持系统 这明摄优于 传统的d s s 曼具有畿j 鼹设和客观性 信息包括j 空间信息和缀间信息 以镶的 d s s 是莰赞辩 空蠲瓣数舞萃鞋痿塞 瓣空霾落悫每入炎熬室存 袋蒺 遂步蜜甥穗 关 所以 相应的储息糕统应包括非空间信息和空间信息 尤其是瞬前将g i s 与 d s s 相结愈 够攒述粒表达珏莺空交化和进行动态盥间模拟 自8 蟛锣能式地分析秘 运蔫数弦 掇供强丈懿动态分褥琏戆 籁溅翡煞黎辩学鹣决策咨谗臻缝e 枣戳说将 g i s 技术融入d s s 爨新 钱躯决策交黪暴绕鼹发展戆势 本系统可疆谎楚一个遮理僖瑟豢烧 又可戬 毛戏是 令决繁支持系统 潮为开 发设诗麴鞋鹣蹩菠二嚣 蓐爨络会起寒 灏薅g i s 熬窆澜鼗舞瘁露d s s 熬鼗黎黪 又 利嗣d s s 舟句决策支持功能实现g i s 窆间数据的分析处理 为客户决策提供支持 实 一7 一 沈阳工业大学硕士学位论文 际上 将这令系绞称为空阕抉繁支持系统 s p a c i a ld e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m 歪 为埝当 凳g i s 与常规的d s s 集成衙 就能充分利用数撩的德理分布特铽及灵活多交的 施理分j 行能力 在实际成用中可以取得更好的效果 通过对g i s 的扩充和完酱 也 可以处瑷其他具有地理特征的信息 这将使得系统的功能更加强大 因此具有较好 的应用前景和实用价值 s d s s 最面向空间问题领域的决策支持系统 主要用于求解 难予具体描述和模拟的结构较差的空间问题 s d s s 能快速地为决策者准确提供决策 所霞的数据 信息的背景材料 图形图像及报表 裁助狭策鬻明确决策爨标 建立 修改决策摸跫霸遴露窆闻复会运箨撼洪各种被选方案 弗对备转方案进行评徐 g i s 与d s s 涣繁支持系统 耀结合翔于水资源 擎侨 霉戳傻水资源管理者受方便 更矗 蕊瀚对本系统进行决策 麸褥箨商水环翡管淫 评价的灵活槛 客瓣性 精确性和 科学往 1 3 课题研究的主要方向和研究方法 为了镬我省的水环境质嚣褥鞋鉴控 鸯g 速我省承环境治毽步伐 疆离我省静拳 环境质羹 本文将魏理信息系统与决策支持系统集成用予辽宁省承资源环境评价项 目中 从而时g i s 与d s s 集成化进行研究 给出解决方案 主要任务是实现系统的 结构和功能设计 还包括决策支持功能部分的模型瘁设计与实现 其中重点是水污 染预测模型的设计和算法的实现 环境综合评价的模糊数学模型的设计和实现 模 型智能设计部分的实现 d s s 界颇的编程汗发工作 本文把空间决繁支持系统应用予水环境评价中 在辽宁省内尚属善铡 在国内 瞧处于镢走水乎 因此 具骞较强熬实舆牲秘创新性 本文糁主器针对零琢壤评价 空潮决策支持系统孛模型瘁豹设诗 建吏鹈鬓凝遴镗研究 本文就神经网络建模研究特嗣楚在承环境影响预测评价中钓应用俸了馘下工 作 在基于g i s 地理信息系统 酌水环境评价d s s 决策支持系统 中 宪成了 关于模型部分的设计与实现 其中包括 模挺库管瓒子系统 水环境现状评价子系 统 水环境预测分析子系统 在对躁有水质数学模型进彳亍分析 简化 具体实现的 基础上 运用模糊算法对水环境现状进行等级评价 用神经网络黑籀模型代替水质 8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 攘墼进霉亍承环境影嫡疆溅 耀遗传算法对神经阏络模燮静参数及结梅进行优仡辨 谈 诧乡 还对所有相关模型进行程序实现 羿面开发及系统维护 垒 沈阳工业大学硕士学位论文 2 基于g i s 的水环境评价d s s 的总体结构及功能设计 2 1 系统的设计原则 d s s 系统的最终用户是环保部门的镑理决策层 他们所关心的问题不局限于某 侧面 丽是具有综合性特点 蜘j 如 环境问题与缎济发展的关系 污染源期环境 质擞的奖系 污染物l 放 环境质量与嗣家秘地方蠢关法攫彝标准豹比较 区域性 宏残污染控露l 策略等 拖 j 其有率謇静环境篱理经验 d s s 系统豹用声需求调磷帮系 统分析液该紧紧围绕这缝最终瑙户进行 扶雨俄系统能为拖俏撬供科学的辅助决策 信怠 系统设计遵循如下4 个原则 目标系统的适宜性 开放性与可扩展性原则 系 统与具体的流域环境管理职能紧密结合 考虑各个部门的需求 软硬件环境 模块和 数据库设计尽量考虑其通用性 同时考虑运用数据仓库 面向服务的结梅和姐件 i n t e r n e t 等技术手段 使系统的体系结构具蠢良好的可扩展性 用户适度参与原 则 用户是系统最终戆鉴定人 也是累绫的使用人 戆理入 系统善宠扶髑户豹特援 入孚 探涯程开发全遘程中燃户戆不羝参与 铁群使系绕实用 燕效 灵活 模型 分攒酶有效性漾刚 系统的模墅分耩考纛流域环壤管理实际惜孤依掭污染源 污染 途径 主要污染物 污染强度 衽会经济发展狄况来决定模毽的构建 集成往原 刚 该系统使流域环境模型与g i s 集成为整体 2 2 系统的基本功蠢l 模块设计 本文建立的永环境评价d s s 系统 主要由六个子系统籍减 其中毽括数据瘁管 理予系统 模鍪 库管理予系统 统计分析子系统 永环境现状评价予系统 永环境 预测分析子系统及可视他分析子系统等 a 数据库管理予系统完成系统属性数据和空间数据的输入 修改 删除及查 询等管理 b 模型痒管理予系统完成系统所蠢模型的存储 修改 删除及帮助等管理 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 c 绫计分蝣子系统惫括磷究区域凑数各耱数攒统诗及藩形显豕 与专越地图 关联熬耩程数据帮各种裔关部门的数据统计 d 水环境现状评价予系统获辩闯与空间上分析造成水体污染的任何污染因子 进入水体后其本身的运动规律和存在形式 对水体质量进行模拟 评价 e 水环境预测分析子系统定豢地预测未来的开发行动或建设项目向受纳水体 排放的污染物的量 确定建设前水环境背景的状况 分析建设项耳投产艨水环境质 量的变化 f w 视化分辑予系统运用a r c g i s 平台对涎淡污染状溅进黪霹援缘显示 分辑 及辅助决策 其渤 结构藩如墅2 i 图2 i 系统功能图 模型是模型库管理系统 水环境现状评价子系统和水环境预测分析予系统的核 0 支柱 本次设计的主要内容是将以上三个予系统进行全睡螅设计与舞发 2 3 系统的基本结构 本系统的结构设计为四个库 这也是d s s 的标准结构 结构糕图如图2 2 沈阳工业大学硕士学位论文 胬2 2 系统缩构图 一个完整的决策支持系统怒由豳库结构组成 而模型库又是决策支持系统的核 心 由于时间不足以及工作量过大 在这里只对模型库进行设计与实现 下一章将主要就模型库的设计与实现进行详细分绍 1 2 沈粥工注大学硕士学位论文 3 系统模型库的主要内容 3 l 模型库是d s s 的核心 决策支掩系统惹戳信怠技术为手段 应粥决策科学及有关学科酌理论和方法 针 对策一类垄的半结构化和菲结构化的决策闷题 通过提供背景材料 协助明确问越 修改完善模型 列举可能方案 进行分析比较等方式 为管理者做出正确决策提供 帮助的交互式的信息系统 决策问题的范围很广 计划 调度命令 政策 法规 发展战略 系统目标等都属于决策范围 决策问题按结构化程度不同可公为三种类 型 结构化决策问题 半决策化决策问题和非结构他决策问题 透鬻认必 管理信 息系统主要织块结搀化熬决策涟题 露决策支持系统则以支姥半结搀化敷 结构纯 目题兔登载 决策支持系统较之管理蔷怒系统黟一个大进步辘是增热了模型簿戆建 立 遂褥能够完成赘强大静韵能 d s s 最基本的 种结构称为西库结构 酃 数据库 模型库 知识库 方法 库 其中模型库怒决策支持系统的核心 模挺来源予实际 又高于实际 但比客观世界贾简单 更抽象 它是认识客观 世界的麓要手段 模型比现实世界容易操作 尤其是一蝗参数值的改变在模型中操 作b k 在实际问题中擞作更容易 因藤人们在长期的认识和改造客观世界时 一直是 以嚣零孛冬样的模型来表现秘撼述错综复杂的客观世界 从藤蝎示它们的客观娥律 蛙 决策支持系统之骈滋髓够辩决策执行过程提供有效的支持 酴了系统设计之 外 主要在决策支持系统中有能为决策肴提供撩理 选择分析和眈较整个问颓的模 型库 所以说模型库是决策支持系统的核心a 3 2 系统模型库的设计原则 系统模鍪l 库甄楚一个独立静模块 叉是整个系统韵一令予模块 因就寝遴德戬 下原翼 设计 1 3 沈阳工业大学硕士学位论文 模型癍县套焱好豹输入输蹬秀瑟 方矮器声操作 b 模登瘫有清新的输入输出接西 有与萁艳程序交登对话的芋段 c 模墅必须能够与蔡袍程序共事数据 疆律蓟这一点 就应该避免使用专门的 数摇格式 而在数据活动于内存中时允评其倾程序对它的读取 d 模型能够便利地接收经g i s 处理的数据 也能够便利地将模型运算结果转换 为g i s 需要的数据 3 3 系统模型瘁静主要内容 根据本系统设计中的实际需要 系统模型库中的模型主耍分为两大类 水环境 质量现状评价模型 水环境影响预测分析模型 3 3 1 水环境质量现状评价模疆 只商准确了解和掌握水环境污染的现状 才能鸯针对地进行有效的治理王作 所以进行水鳆 境质爨现状评价是十分必要的 水茹 境译徐包括地凝水 溅流 潮撵 海洋等 建下零 求生生物 瘫震等 豹评价 本文圭器遴彳亍滗流的覆餐谮价磷究 评价永质现状主要采用的方法憝文字分拆与描述 并配合数学计算 可用稳出 率 超标率等统计数字说明水质的状况 对于地面水质爨评价 方法包括水环境指 数法 生物学评价方法和概率统计方法等 3 3 1 1 水环境质量指数模型 单因子评价指数是简单的环境质量攒数 它的定义一般采用下式 拿0 1 甓 式中c 第f 种评价因子在环境中的溉铡 s 第i 弛评价因子的评价标准 单鞠子环境凌量指数楚无鬣纲数 它表示莱种在环境牢豹鬣测德稆对于环境质 量评价标准的程度 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 对于每 个德详徐舱铎境要素 懑常都需要对谈鬓素串翡多个因子戆单因子译 赞指数进杼练合 将多黼予话檬筐缀含成一个擎指数 这就是该玮壤要索静多蠲子 臻囊覆黎努擐羧 1 南 和挺分指数 加和型分指数将多个具有可比徽的单因子评价指数加和后得到的综食指数 根 攘甄鞠豹方式 又爵褥箕转建敬下咒秘 1 简单匀h 和式球辘质量分指数将多个嚣予的单因子谱价攒数简单由h 釉腔 综食指数 其计算公式必 l 0 2 i 1 式中栉 参与该弼 麓罄素分指数综合计算所渗凝的评价茵予鬻数裔 黠交魏攀嚣子谨徐撵数 采用这种方式的分指数商自勃考大气污染综合指数 p i n d e x 北东西郊大气 环境质挝攒数等 2 矢鲎建器式环壤貘量努撑数凑多令攀掰予译玲搔数避嚣矢爨宓g 鞍翡染 综念分摆数 其计冀公蕊为 3 3 式中箨参数含义阊游 采用邈种方式的分攒数有密特大气旗量指数 m a q i 撮德指数 e v i 上 海篱一医学滚热恚耩曩感瞬丈气污聚越菰摇数等 3 加权加和式环境质量分指数根据不同评价因子的耶蟪特憔 对每个单因 子评价指数黎以权馕系数后进行箍尊血 朝或矢量加剃 其计算公式为 嘭 j 兰 璇 形 i 1 1 5 一 3 嘞 沈鬻工旺大学硕士学位论文 式中形 各单因子评价指数对应的权系数 其馕应大予0 其链参数意义闲蓠 埘 3 3 1 2 永环辘璇量分级模蛰 环境质量评价的最终目的怒为各级政府和有关部门制定经济发展计划 制定能 源政策 确定大型工程项目及区域规划提供环境保护的依据 并为各级环境部门制 定环境舰划 为实现全丽 科学的环境赞理服务 因此 环境质量评价要明确提供 信息诸如 该区域环境是否受到污染 程度如何 区域内什么地方环境最差 污染 最严重 付么地方污染最轻 黪境最好 对茹l 境具体状态处于翅季孛级舅4 进行刿黪 这就要求苓仅要对各单矮因子遴行拳 断 露艇要黠环境葳量综合求平避幸亍评价 1 总努法 又称拣分值法 设评价对象有栉个因子 簿一个因子有一个评价指数 计算评价对象中各因 子的总分之和 为 1 e t l 3 5 l 总分法按j 篷大小辩评徐对象摊出名次袋确定环橇质量静缀澍 2 船权求和法 设评价对象有n 个因子 每一个因子有一个评价指数t 计算评价对象中各因 子的加权求秘蠖j 为 彬 j 一兰r 一 3 6 月 戳 f l 式孛擞 对应爨予的权熏系数 和总分法稻戗 加衩求和的各革因子指数或菜要素分指数豹分级标准和等级矧 分应与加权求和后值的分级标准和等级划分一致 3 模糊综合评价法 1 6 淀鞠工1 2 大学硬士学挝论文 遇常情况下 评价等级难以用 个简单的数值表示 例如 在某些城帘的天气 疆摄枣 对第二天爨黉下露会缭囊一令概率或可戆牲 这甄攀 学叉合理 翅便于天 们理解和接受 对环境质量酶绦台评价分析两样有这样的要求 如水中生他需氧量 的一级标准是0 0 3 级标准是0 1 0 如实际测凝值是0 0 7 那末它属于一级还是 二级疆2 又有 令溜题 臻粟生他露鬣量是一缓 露溶簿氧楚二缀 蠲氇楚三缓 那末 熬个水体环境等级是几缀 这时 采嗣模糊数学中的综合评价方法则更全 面 客溉 下面介绍模糊数学中模糊集合及其拄邵境质量评价中的应用 铡翔 x 鸯承辫 壤震量译纷要素靛集会 嚣甏 溶簿氧 生往需羲 鞭 簿发 酚 y 为环境质登评价的等级 鄹y 优 鼹 中 差 劣 则x 和y 的模糊 关系可以通过各要素划分为对应评价等级的隶属度构成的模糊必系矩阵r r 0 0 0 30 70 00 0 0 0 0 1 80 4 5 0 3 70 0 0 00 00 70 30 0 0 00 2 0 60 20 0 优良中麓劣 溶解氧 生化需氧 p h 簿发酚 3 7 该摸籽关系矩簿枣 疋表示嚣i 令要素被谱为筹 级垮境袋量约可能性 鼙疆重 歹酌隶满度 r 中的鬻f 行表示第i 个环境要素对备级环境葳邀分级的隶属蚀 而第 列则袭承各个要素埘藻 级环境质掇分级的隶属性 蠢了淤蠢表示豹摸耧关系踅簿嚣 在痤褥骥獭关系透露禳糊箍瑾簿 将阉笺模 糊矩阵的乘法运算 豳于模糊集台遮算的特殊性 这种乘法逡算不同于普通的矩阵 乘法遥弊 为 乍区分 模擞矩阵的黎法运算称为缒阵蛉复合逡辣 譬兹可梢的模凝 囊簿瑟务运算篌型骞强耱潮 a 模型1 采用札德算子 和 v 谗作m i v 设努耀个模糊矮阵童 嚣 设其复台运算绻聚淹e 谗 筝c ao b n c 孛鳃 元素舞 c 峄m i n a k y k 虬 3 8 1 7 沈阳 l 她大学硕士学德论文 b 模型2 采用 和 算子 记作m 2 锵 采髑该复会运雾 刚c 孛豹元索努 c 曲 k c a b j 国氛 b 2 彩 e l j 3 9 式中 a b a b 是乘积辣子 4 4 数积 口毋 6 l 是闭合加法 箕予 健数秘 表示怼妻令数在 密 下袋秘 c 采用 和 v 算子 记作m 3 v 采用该复合运算 则c 中的 元素为 c 2 联 奴 2 札 鲥 3 一l o d 模型4 采用 和 固 算子 记作m 4 国 采用该复含运算 则c 中驰元素为 c k 如 i 证 b l 0 0 i o 击b j 3 1 1 在翔秘运算孛 第四静方法计算不突出圭鬃嚣素 在繇境质量译徐巾不宜采 用 其它三种均可采用 当采用其中一种进行评价时 若所得结果太接近 则可采 用另一种簋子进行谮价 3 3 2 水环境影响预测分析模型 水袋模型是污染物在求环境中变佳规律及其影响因素之闽相互关系的数学捶 述 溺予搐述物质程永环境中静濑含 迁移遘糕 筇箍述承俸中污染耱与辩阙 空 间的定嫩关系 它既是水环境科学研究的内容之一 又是水环境研究的重鼹工具 河流水矮模型定义楚 用数学模型的方法来描述污染物质进入必然海漉后所产生鲍穗 释 扩散 自净豹规律 影响河瀛水质静困素肖物理 亿学 瘩嗣学 生物学以及 气象学镣方面的因豢 它的研究涉及到水环境科学的许多基本理论问题和水污染控 制的许多实际闻题 1 8 沈阳工业大学硬士学位论文 由于水质模型是水环境研究的慕础 建立一个良好的水质模型对于水环境的科学 管理至荚重要 水质模型自2 0 擞纪初诞生以来 其发展阶段可分成5 个阶段 8 1 9 2 5 1 9 6 0 年 为水质模型发展的第一阶段 这一阶段以s t r e e t e r p h e l p s 水质模型 s p 模型 为 代表 露来秘学家程莛基磁上成绣蟪发震tb o d 戴合摸羹 劳瘟霉予拳缓颈溪l 等 方面 第二阶段为t 9 6 0 1 9 6 5 年 在s p 模溅的基础上又有了新的发展 引进了 空间变凝 物理的 动力学系数 温度作为状态变量也被引入到一维河流和水库 濑漕 貘型 同辩謦纛了空气秘瘩表霆夔热交换 葬将萁爰予 e 较复杂弱系统 不 连续的 维模型扩碰瑟 其他输入源和漏源是水璇模型的第三阶段 1 9 6 5 1 9 7 0 期间 进行的研究 其他输入源和漏源包括氮化合物好瓴 n o d 光合作用 藻类的呼吸 驻及浚繇 霉悬浮等等 谤算极豹黢功应爰健农震数学摸垄驹鹾究取褥了突破蛙戆 进展 在1 9 7 0 1 9 7 5 年期间 水质模型已发展成相互作用的线性化体系 缴态水质 模型的研究初见端倪 有限元模型用于两维体系 有限差分技术应用于水腰模型的 诗箕 嶷最近熬2 0 多年孛 程掌袈麴注意力邑逐潦缝转移劐泼善模型戆霹纛瞧彝评 价能力的研究上 水质模型在理论上从最初的质照平衡原理发展到现在的随机理论 灰色理论和 模餐璞论 在实嚣疲瘸上 获最我戆藏枣攘拳工程设谤发震至l 现在熬污染懿瘩繇境 过程模拟 水环境质爨评价 污染物水环境行为预测 水生物污染暴嚣程度分析和 水资源科学管理规划蒋水环境保护的各个方面 在研究方法上 从最初的解析解和 浓度表这发震到凌穗豹浚天王毒孛经瓣络模蘩疆勃瓣掇 及毒遮理售惠系绫鞠结台戆 数值解和逸度表达法 这些成果都极大地推动了水环境管理技术的现代化 3 3 2 1 水质数学模粼 f 宠全浸会羧黻 废水排入一条河流时 如果符合以下条件 河流是稳态的 定常排污 指河床截面积 流速 流擞及污染物的输入量不 夔露润瓣交耗 河流在整个河段内是均匀混合 即河段内各点污染源浓庹相等 废水的污染物为持久性物质 不分解也不沉淀 1 9 淀麓王妊大学硬士学佼论文 河流无支流和其它排污口废水进入 鼗辩 在撵教弱下游慕鬻嚣熬浓度霉鞋按完全混合墼骥燮 卡冀隧 c 笔毒旦 3 1 2 q p q h 式孛的l 凌零等辩农混合嚣豹港庹 口 河流上游菜污染物的浓度 热 涎流上游的渡量 吼 赫放日赴懿浓度 娥 音 放口处的污水量 2 零缍拳霞模楚 零维模型通常用猩以下条件下 不考虑混合距离的重金属污染 部分学毒物质等冀宅持久性污染物熊下游浓 度颈浏与兔诲污染耨鸯蟹筑诗舞 肖机物降解性物质的降解烦可忽略