劉忠民

（遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114039）

投影尋蹤聚類法在農(nóng)村水利現(xiàn)代化評(píng)估中的應(yīng)用

劉忠民

（遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114039）

為客觀評(píng)估我國(guó)農(nóng)村水利現(xiàn)代化建設(shè)水平，文章在揭示農(nóng)村水利現(xiàn)代化內(nèi)涵基礎(chǔ)上，探索構(gòu)建農(nóng)村水利現(xiàn)代化指標(biāo)評(píng)估體系。同時(shí)，基于遺傳算法及投影尋蹤聚類原理，通過(guò)構(gòu)建投影指標(biāo)函數(shù)求得最佳投影向量與投影值。應(yīng)用實(shí)例表明，投影尋蹤聚類法在農(nóng)村水利現(xiàn)代化建設(shè)評(píng)估中具有較強(qiáng)適用性，研究可為農(nóng)村水利現(xiàn)代化建設(shè)評(píng)估及優(yōu)化提供決策依據(jù)。

遺傳算法；投影尋蹤；農(nóng)村水利；現(xiàn)代化評(píng)估

農(nóng)村水利現(xiàn)代化建設(shè)是保障農(nóng)民生活、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)村經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境安全等各方面需求的重要基礎(chǔ)工作［1］。近年來(lái)，隨著我國(guó)農(nóng)村水利工程持續(xù)建設(shè)實(shí)施，影響農(nóng)村地區(qū)水利建設(shè)現(xiàn)代化水平指標(biāo)要素隨之增多，正確把握農(nóng)村水利現(xiàn)代化建設(shè)方向，科學(xué)評(píng)估當(dāng)前我國(guó)農(nóng)村水利現(xiàn)代化建設(shè)水平具有重要現(xiàn)實(shí)意義［2］。投影尋蹤聚類作為一種將高維計(jì)算轉(zhuǎn)化為低維的數(shù)據(jù)處理方法，可將高維數(shù)據(jù)向低維子空間投影，尋求能夠反映高維結(jié)構(gòu)的低維投影，適用于農(nóng)村水利現(xiàn)代化多層指標(biāo)評(píng)估分析［3］。本文結(jié)合農(nóng)村水利現(xiàn)代化的內(nèi)涵，采用投影尋蹤聚類法與遺傳算法，通過(guò)確定評(píng)估指標(biāo)及其閾值，闡明農(nóng)村水利建設(shè)現(xiàn)代化指標(biāo)評(píng)估體系，以期針對(duì)農(nóng)村水利建設(shè)現(xiàn)代化水平實(shí)施客觀評(píng)估。

1 農(nóng)村水利現(xiàn)代化評(píng)估指標(biāo)體系

1.1 農(nóng)村水利現(xiàn)代化的理論內(nèi)涵

我國(guó)農(nóng)村水利現(xiàn)代化本著以人為本、全面發(fā)展的基本理念，將現(xiàn)代化的工業(yè)設(shè)備及管理方法應(yīng)用于農(nóng)村水利，是一個(gè)相對(duì)動(dòng)態(tài)的發(fā)展過(guò)程，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)現(xiàn)代化思維方式，其目的主要是改善農(nóng)民生活條件、提高農(nóng)民生活水平和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平［4］，推動(dòng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保護(hù)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)“人水和諧”的最終目標(biāo)。

1.2 構(gòu)建農(nóng)村水利現(xiàn)代化指標(biāo)評(píng)估體系

農(nóng)村水利現(xiàn)代化各項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)主要依據(jù)當(dāng)前我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀以及各地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、科技水平現(xiàn)狀選取，最終確定的6項(xiàng)建設(shè)內(nèi)容包括村鎮(zhèn)給排水工程、農(nóng)村防震減災(zāi)、農(nóng)田灌排工程、農(nóng)村水利管理、水資源開發(fā)利用和農(nóng)村水環(huán)境保護(hù)。6項(xiàng)指標(biāo)綜合詮釋農(nóng)村水利現(xiàn)代化建設(shè)包括的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、政策法律以及生態(tài)環(huán)境等多領(lǐng)域特征。本文基于農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)區(qū)域水利建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，探索構(gòu)建農(nóng)村水利現(xiàn)代化指標(biāo)評(píng)估體系，見表1。

1.3 評(píng)估指標(biāo)閾值及等級(jí)劃分

農(nóng)村水利現(xiàn)代化發(fā)展水平受經(jīng)濟(jì)環(huán)境因素和地域自然環(huán)境因素共同作用。鑒于此，應(yīng)以農(nóng)村水利建設(shè)現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)農(nóng)村水利現(xiàn)代化發(fā)展水平的預(yù)測(cè)，確定其評(píng)估指標(biāo)閾值。以評(píng)估指標(biāo)閾值為標(biāo)準(zhǔn)，判別閾值是否符合現(xiàn)代水利發(fā)展要求，綜合反映農(nóng)村水利現(xiàn)代化建設(shè)發(fā)展趨勢(shì)及現(xiàn)狀。本文將采用定性與定量相結(jié)合的預(yù)測(cè)方法確定閾值［5］。調(diào)查對(duì)象缺乏歷史資料時(shí)采用定性預(yù)測(cè)法，通過(guò)專家咨詢法確定閾值，采用定量預(yù)估法并基于相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)施趨勢(shì)外推法與對(duì)比分析。本文對(duì)2020年農(nóng)村水利現(xiàn)代化建設(shè)水平的預(yù)測(cè)通過(guò)閾值來(lái)反映，所確定的各閾值如表1所示。各評(píng)估指標(biāo)閾值所得評(píng)估結(jié)果為介于0至1間數(shù)值，無(wú)量綱且無(wú)物理意義。

表1 農(nóng)村水利現(xiàn)代化各項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)及閾值

為衡量某一地區(qū)的農(nóng)村水利現(xiàn)代化建設(shè)水平，需對(duì)評(píng)估結(jié)果值進(jìn)行等級(jí)劃分，確定其所屬等級(jí)，而評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)是評(píng)估等級(jí)的分割點(diǎn)，因此，評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的合理性對(duì)評(píng)估農(nóng)村水利現(xiàn)代化建設(shè)水平至關(guān)重要。根據(jù)農(nóng)村水利現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，并經(jīng)數(shù)學(xué)檢驗(yàn)方法中的卡方檢驗(yàn)，確定四類評(píng)估等級(jí)；①≤0.60，屬現(xiàn)代化初等水平；②0.60～0.85，屬現(xiàn)代化中等水平；③0.85～1.00，屬現(xiàn)代化高等水平；④1.00，全面實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化。

2 投影尋蹤聚類評(píng)估法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)估指標(biāo)

農(nóng)村水利包括現(xiàn)代化6項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)量綱均不同，因此無(wú)法直接實(shí)施加權(quán)組合，為克服樣本數(shù)據(jù)的量綱差異，本文采用相對(duì)比值數(shù)據(jù)替代原數(shù)據(jù)［6］。

正向指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化利用公式（1）進(jìn)行處理：

對(duì)于逆向指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化，則更關(guān)注現(xiàn)實(shí)值與目標(biāo)值之間的差距，評(píng)估指標(biāo)可改善程度用實(shí)際差距對(duì)目標(biāo)值的倍數(shù)來(lái)表示，因此將相關(guān)參數(shù)改成實(shí)際差距xij-x0j相對(duì)于目標(biāo)值 x0j的倍數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)如式（2）所示：

當(dāng)xij≤x0j時(shí)，表示該指標(biāo)達(dá)到目標(biāo)值；當(dāng)xij≥x0j時(shí)，表示該指標(biāo)難以達(dá)到目標(biāo)；xij→+∞，x0j→0表示評(píng)估指標(biāo)過(guò)大，難以達(dá)到目標(biāo)；xij越接近于值越大，改善空間越小，難度越大。

2.2 投影指標(biāo)函數(shù)的構(gòu)造

投影尋蹤聚類理論實(shí)施高維問(wèn)題分析，應(yīng)進(jìn)行投影要素函數(shù)的構(gòu)造與優(yōu)化。因此，將能夠反映農(nóng)村水利現(xiàn)代化數(shù)據(jù)聚集水平的某項(xiàng)指標(biāo)極大化處理，尋求最優(yōu)投影方向［7］。

設(shè)多項(xiàng)投影指標(biāo)樣本集為｛x（i， j） ｜i=1， 2，…，n；j=1，2，…，m｝，其中，n為樣本個(gè)數(shù)，m為指標(biāo)個(gè)數(shù)。投影向量用q（j）表示，則該方向上樣本i的投影值用式（3）表示：

式中，x*（i，j）-歸一化后的指標(biāo)值。

投影指標(biāo)函數(shù)：

其中：

Q-｛Q（i）｜i=1， 2， …， n｝的均值； rij-樣本點(diǎn)間距，即樣本i與樣本j的投影值間的距離；R-數(shù)據(jù)特征確定的局部寬度參數(shù)，取值一般為0.1Az；I（R-rij）-單位階躍函數(shù)，其值一般為

2.3 最優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)

投影指標(biāo)函數(shù)P（q）隨投影方向 q而變化，在不同投影方向體現(xiàn)差異性數(shù)據(jù)特征結(jié)構(gòu)，可暴露高維數(shù)據(jù)特征即為最佳投影方向。最佳投影方向可通過(guò)使投影要素函數(shù)實(shí)施最大化求得，所得最佳投影向量為構(gòu)造目標(biāo)max P（q）函數(shù)， 約束條件為，該高維計(jì)算優(yōu)化問(wèn)題以｛q（j）｜j=1～21｝為變量， 難以用傳統(tǒng)方法解決，本文將利用遺傳算法以求解目標(biāo)函數(shù)［8］。

投影尋蹤聚類法是利用遺傳算法得到投影向量和投影值，從而通過(guò)投影值來(lái)反映農(nóng)村水利現(xiàn)代化各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)劣順序，但投影值的取值范圍不一定是［0，1］，投影向量則反映了樣本中各項(xiàng)指標(biāo)的貢獻(xiàn)程度，歸一化處理后可作為各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重，利用各項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重加權(quán)合成綜合評(píng)估值，對(duì)該值進(jìn)行排序，通過(guò)揭示該地區(qū)農(nóng)村水利發(fā)展不足，對(duì)比等級(jí)評(píng)估劃分標(biāo)準(zhǔn)，從而闡明區(qū)域農(nóng)村水利建設(shè)現(xiàn)代化水準(zhǔn)。

3 應(yīng)用實(shí)例

以我國(guó)華北平原北部A省B縣為例，該省地勢(shì)平坦，經(jīng)濟(jì)發(fā)展以農(nóng)業(yè)為主，主要糧食作物有玉米、小麥等，通過(guò)調(diào)查并參照相關(guān)研究資料獲得初始資料后，對(duì)正向與逆向指標(biāo)實(shí)施歸一化處理，從而獲取標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)集。

堤防設(shè)施達(dá)標(biāo)率視作正向要素指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)顯示該縣達(dá)標(biāo)率為60.00%，則指標(biāo)閾值達(dá)100%，由公式（1）求得標(biāo)準(zhǔn)化值為0.600，地下水超采面積所占比例設(shè)為逆向指標(biāo)，經(jīng)調(diào)研，該縣值為7.4%，該指標(biāo)閾值為2%，根據(jù)公式（2）求得標(biāo)準(zhǔn)化值為0.120，同理將各項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值見表2。

表2 某縣農(nóng)村水利現(xiàn)代化水平評(píng)估指標(biāo)值

利用Matlab中的遺傳算法工具箱對(duì)表2中的各項(xiàng)指標(biāo)實(shí)施遺傳算法后，得到最佳投影向量q=（0.236， 0.174， 0.200， 0.108， 0.226， 0.146，0.141， 0.185， 0.209， 0.378， 0.234， 0.180，0.164， 0.217， 0.08， 0.131， 0.193， 0.233，0.192，0.244，0.215），投影向量中各數(shù)值反映了樣本中各項(xiàng)指標(biāo)的貢獻(xiàn)程度，依據(jù)投影尋蹤聚類法，得到該縣的投影值等于2.642，將最佳投影向量進(jìn)行歸一化后得到 q*=（0.058，0.043，0.049， 0.026， 0.055， 0.036， 0.035， 0.045，0.051， 0.093， 0.057， 0.044， 0.040， 0.053，0.020， 0.032， 0.047， 0.057， 0.047， 0.060，0.053），歸一化后得到的向量可作為權(quán)重，對(duì)各評(píng)估指標(biāo)加權(quán)合成，得到該縣的綜合評(píng)估值為0.645。根據(jù)綜合評(píng)估值可知，該縣農(nóng)村水利現(xiàn)代化建設(shè)整體處于中等水平，與實(shí)際情況相符。各項(xiàng)指標(biāo)綜合評(píng)估值見表3，根據(jù)表3做出的雷達(dá)圖如圖1所示。

表3 指標(biāo)綜合評(píng)估值

圖1 各指標(biāo)評(píng)估綜合值雷達(dá)圖

由表3及圖1可知，該縣農(nóng)村水利現(xiàn)代化建設(shè)中較欠缺的方面為地下水超采面積所占比例、溝渠工程設(shè)施配套率以及水土流失面積比例等。該結(jié)果與實(shí)際調(diào)查情況相符，如工程襯砌水平較高，但配套設(shè)施不到位，群眾監(jiān)管組織覆蓋率及技術(shù)人員占比較低，工程管理維護(hù)資金欠缺。結(jié)果表明該縣水利工程管理模式為粗放型，基礎(chǔ)設(shè)施費(fèi)投入不足，專業(yè)型人才匱乏。因此，今后該區(qū)域農(nóng)村水利現(xiàn)代化建設(shè)應(yīng)以水環(huán)境治理與水利工程管理兩方面為重點(diǎn)，著力引進(jìn)專業(yè)人才，從而促進(jìn)農(nóng)村水利現(xiàn)代化的健康持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于農(nóng)村水利現(xiàn)代化的理論內(nèi)涵，依據(jù)相關(guān)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建了農(nóng)村水利現(xiàn)代化指標(biāo)評(píng)估體系并劃分評(píng)估等級(jí)，通過(guò)閾值反映當(dāng)前農(nóng)村水利現(xiàn)代化建設(shè)水平。在投影尋蹤聚類法和遺傳算法的基礎(chǔ)上，將各評(píng)估指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化，求得投影向量和投影值，構(gòu)建投影指標(biāo)函數(shù)并使之最大化，尋找最佳投影向量，依據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)劣順序評(píng)估實(shí)例地區(qū)農(nóng)村水利現(xiàn)代化發(fā)展水平，實(shí)際調(diào)查情況與評(píng)估結(jié)果基本一致，該方法可用于評(píng)估農(nóng)村水利現(xiàn)代化水平，本研究對(duì)農(nóng)村水利現(xiàn)代化建設(shè)評(píng)估及實(shí)施進(jìn)程優(yōu)化可提供有益借鑒。

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TV211.3

A

1672-2469（2017）10-0083-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.10.022

2016-07-29

劉忠民（1964年-），男，高級(jí)工程師。