(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

在社會經(jīng)濟(jì)、水資源以及生態(tài)系統(tǒng)這個大體系探討水資源價值對于規(guī)避水資源需求過度膨脹、城市水價科學(xué)管理具有重要意義。為最大限度地提高水資源綜合效益，提高利用效率并準(zhǔn)確定量地分析城市水資源的提升空間，探討水資源潛在的應(yīng)用價值，國內(nèi)外學(xué)者分別從多個角度提出了不同的評價方法并在各個社會領(lǐng)域、水利行業(yè)，以及水資源價值評價等方面得到了廣泛的應(yīng)用和推廣。目前所運(yùn)用的主要理論有專家測度原理、運(yùn)籌學(xué)理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論、模糊數(shù)學(xué)理論以及智能理論等，如姜文來[1]等基于水資源價值評價方法和理論構(gòu)建了相應(yīng)的評價模型；韋林均[2]等對各評價指標(biāo)的權(quán)重利用模糊層次分析法進(jìn)行確定，從而構(gòu)建了基于模糊層次分析理論的灰色評價模型并將其應(yīng)用于水資源價值評價；張國珍[3]等以蘭州市為例利用模糊評價法評價了研究區(qū)域水資源價值；董勝男[4]等結(jié)合區(qū)域地理特征和水資源系統(tǒng)內(nèi)涵構(gòu)建了指標(biāo)體系并利用模糊可變模型進(jìn)行了綜合的研究分析。然而，在水資源價值評價過程中利用可變模糊集法其核心內(nèi)容是科學(xué)、合理、客觀地確定指標(biāo)權(quán)重，不同的確定方法可顯著影響評價結(jié)果的有效性與精確度。因此，針對目前在可變模糊綜合評價中指標(biāo)權(quán)重、距離參數(shù)以及平方準(zhǔn)則確定過程中存在主觀性判斷的問題，為減少人為因素對評價結(jié)果的不利影響，本文在詳細(xì)分析了模糊優(yōu)選理論及求解過程的基礎(chǔ)上進(jìn)行了深入的探討分析，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)功能將網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整以替代傳統(tǒng)的專家打分法確定指標(biāo)權(quán)重，然后以鐵嶺市為例利用模型評價了其水資源價值，通過對比分析可變模糊集法評價結(jié)果驗(yàn)證了模型的適應(yīng)性與準(zhǔn)確性。

1 構(gòu)建模糊優(yōu)選神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

1.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊優(yōu)選模型

隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因具有自適應(yīng)學(xué)習(xí)和非線性映射等特性得到快速的發(fā)展和應(yīng)用，它是一種屬于工程性系統(tǒng)可通過識別理解并模擬大腦組織結(jié)構(gòu)而形成的一種智能模擬方法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法建立在數(shù)學(xué)(數(shù)值分析、線性規(guī)劃)、統(tǒng)計(jì)學(xué)(編碼、統(tǒng)計(jì)計(jì)算)以及信息處理(壓縮、編碼、密碼)等學(xué)科領(lǐng)域的基礎(chǔ)上，具有記憶、學(xué)習(xí)、計(jì)算以及智能處理功能，可利用神經(jīng)元逼近至任意分線性作用函數(shù)并被廣泛應(yīng)用于模式識別、經(jīng)濟(jì)管理以及優(yōu)化控制等領(lǐng)域[5]。

考慮到多數(shù)情況下客觀事物本身尚不存在統(tǒng)一的、公認(rèn)的判定標(biāo)準(zhǔn)，為便于計(jì)算并提高決策效果相關(guān)專家給出了模糊優(yōu)選模型，對于模型參數(shù)為α=2、p=1時其激勵函數(shù)模型表達(dá)式如下：

(1)

式中wi——各指標(biāo)的權(quán)向量；

rij——樣本j的第i個指標(biāo)特征值對識別模糊概念A(yù)的相對隸屬度；

djg、djb——待評價樣本j對應(yīng)于優(yōu)、劣廣義海明權(quán)的距離。

因未形成統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的主觀定權(quán)理論方法，因此，在指標(biāo)權(quán)重確定過程中很難避免因主觀意識不一致造成權(quán)重結(jié)果存在一定差異的現(xiàn)象，為提高指標(biāo)權(quán)重的客觀性文中利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的自學(xué)習(xí)能力進(jìn)行計(jì)算并建立模糊優(yōu)選神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。結(jié)合陳守煜等提出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)激勵函數(shù)相關(guān)參數(shù)及特征，以3層次結(jié)構(gòu)形式即輸入層、隱含層和輸出層為模糊優(yōu)選神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)類型，對綜合評價值V可利用所構(gòu)建模型進(jìn)行確定，在各評價等級上水資源價值的隸屬度即為評價結(jié)果。

為更加客觀、準(zhǔn)確地反映水資源綜合價值，在求得水資源綜合評價值V時利用下式進(jìn)行模糊綜合指數(shù)的轉(zhuǎn)化：

W=V·T

(2)

式中W——水資源價值模糊綜合評價指數(shù)；

V、T——水資源價值綜合評價值和評價等級向量。

水資源價值模糊綜合評價指數(shù)不僅可反映影響水資源價值的諸多因素，而且可將不同層次的各影響因素結(jié)合起來客觀反映水資源現(xiàn)狀，其取值范圍小于最大級別并大于1。綜合指數(shù)值的大小代表了水資源價值的高低，值越小則水資源價值越高；值越高相應(yīng)的水資源價值就越小。

1.2 建模方法及流程

以3層拓?fù)潴w系作為模糊優(yōu)選網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)，其中輸入層和輸出層分別為評價指標(biāo)以及水資源價值等級標(biāo)準(zhǔn)。引入評價對象X的指標(biāo)特征為m，相應(yīng)的特征值向量可表示為X=(x1,x2,…,xm)=xi。利用c個級別和m個指標(biāo)可構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間矩陣如下：

(3)

建模及評價過程如下：

a. 利用指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)相鄰兩側(cè)區(qū)間的上、下限值確定Icd，公式如下：

(4)

式中Icd——指標(biāo)區(qū)間值矩陣。

b. 結(jié)合各指標(biāo)的實(shí)際情況和上述公式可確定對應(yīng)于等級h時指標(biāo)i的M矩陣，公式如下：

(5)

(6)

c. 利用矩陣M、Icd、Iab以及相對差異函數(shù)公式可確定指標(biāo)相對隸屬度矩陣。假定吸引域X區(qū)間[a,b]中的一點(diǎn)為M，而x為落入?yún)^(qū)間范圍內(nèi)的任意點(diǎn)，則x落入M點(diǎn)左側(cè)和右側(cè)時DA(u)可分別采用下述公式：

(7)

(8)

式中，β值為1并符合差異函數(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。然后利用上述結(jié)果可確定相對隸屬度μA(u)，其表達(dá)式如下：

(9)

針對x值不落入?yún)^(qū)間[c,d]的情況，相應(yīng)的DA(u)為-1，μA(u)ih為0，其相對隸屬度矩陣μA(u)如下：

(10)

d. 模型神經(jīng)元個數(shù)的選取。結(jié)合評價指標(biāo)具體內(nèi)涵和特征可將輸入層神經(jīng)元確定為5個，然后根據(jù)水資源價值各等級標(biāo)準(zhǔn)確定模型輸出層單元個數(shù)為1個。可通過下述公式確定模型隱含層神經(jīng)元個數(shù)：

隱含層神經(jīng)元=(輸入層神經(jīng)元+輸出層神經(jīng)元)1/2

利用上述分析結(jié)果和公式最終可確定隱含層元素為3個，因此在3層次神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中輸入層、輸出層以及隱含層的神經(jīng)元個數(shù)分別為5個、1個、3個。原始數(shù)據(jù)作為輸出層初始數(shù)據(jù)，據(jù)此可利用模型進(jìn)行水資源價值估算。

(11)

(12)

模糊優(yōu)選網(wǎng)絡(luò)模型的權(quán)重調(diào)整系數(shù)計(jì)算利用相關(guān)文獻(xiàn)中的基本公式，對于隱含層與輸出層的節(jié)點(diǎn)k、p之間的權(quán)重調(diào)整量采用下式計(jì)算：

(13)

式中η——指標(biāo)學(xué)習(xí)效率系數(shù)；

M(upj)——樣本j所期望的輸出結(jié)果。

輸入層與隱含層的節(jié)點(diǎn)i、k之間的權(quán)重調(diào)整量采用下式計(jì)算：

(14)

(15)

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 評價指標(biāo)的選取

本文結(jié)合已有研究成果和鐵嶺市水資源價值實(shí)際狀況，在遵循科學(xué)性、代表性、可獲取性、合理性的基礎(chǔ)上篩選出5項(xiàng)典型的指標(biāo)，即X1～X5，分別代表水質(zhì)、人均水資源量、人均GDP、萬元GDP用水量以及人口密度。根據(jù)鐵嶺市水資源公報提供的有關(guān)數(shù)據(jù)對水質(zhì)綜合指數(shù)進(jìn)行計(jì)算和求解，結(jié)合人均GDP調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)果得到人均國民生產(chǎn)總值標(biāo)準(zhǔn)；利用相關(guān)學(xué)者提出的水緊缺指標(biāo)確定人均水資源量標(biāo)準(zhǔn)；根據(jù)全國人口統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)等級劃分結(jié)果確定人口密度標(biāo)準(zhǔn)值[6]。鐵嶺市水資源價值各項(xiàng)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值及評價標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 鐵嶺市水資源價值指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值及評價標(biāo)準(zhǔn)

2.2 評價結(jié)果分析

根據(jù)待評價樣本的特征值向量進(jìn)行歸一化處理，并按照文中所述公式可得到相對隸屬度矩陣，對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)利用生成的樣本進(jìn)行訓(xùn)練(結(jié)果見表2)。然后通過運(yùn)行求解得到模型輸出層結(jié)果為2.54。對鐵嶺市水資源價值利用可變模糊集進(jìn)行評價(結(jié)果見表3)。研究表明：對鐵嶺市水資源價值分別采用可變模糊集方法和模糊優(yōu)選神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評價，其評價結(jié)果保持良好的一致性，水資源價值等級處于中等與較高水平區(qū)間，由此表明鐵嶺市仍具有一定的水資源價值提升空間[7-8]。

表2 網(wǎng)絡(luò)模型對各等級區(qū)間的權(quán)重訓(xùn)練結(jié)果

表3 鐵嶺市水資源價值不同模型評價結(jié)果

3 結(jié) 論

綜合考慮各種影響因素對水資源價值進(jìn)行評價，不僅可以綜合評定水資源的實(shí)際狀況，而且可為城市水價的科學(xué)管理提供一定決策依據(jù)和參考。本文以鐵嶺市為例，利用模糊優(yōu)選神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)例研究，并將其評價結(jié)果與可變模糊集進(jìn)行對比分析，得出的主要結(jié)論如下：

a.結(jié)合鐵嶺市水資源特點(diǎn)構(gòu)建了包含水質(zhì)、人均GDP、萬元GDP用水量、人均水資源量、人口密度5項(xiàng)指標(biāo)的指標(biāo)體系，所選取的評價指標(biāo)具有典型的代表性，能夠涵蓋研究區(qū)域水資源價值的各個方面。

b.對評價模型的各層指標(biāo)權(quán)重利用客觀權(quán)重法進(jìn)行計(jì)算，可有效避免由于主觀隨意性判斷對評價結(jié)果造成的誤差。對鐵嶺市水資源價值利用模型進(jìn)行了評價分析，結(jié)果表明評價結(jié)果能較好地反映研究區(qū)域水資源價值真實(shí)狀況。

c. 在詳細(xì)分析了模糊優(yōu)選和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論方法、計(jì)算流程的基礎(chǔ)上構(gòu)建了評價模型，以鐵嶺市為例采用兩種不同模型進(jìn)行評價，并對比分析了評價結(jié)果。其評價結(jié)果保持良好的一致性，水資源價值等級處于中等與較高水平區(qū)間，鐵嶺市仍具有一定的水資源價值提升空間。