基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的河南省可持續(xù)發(fā)展能力評價(jià)

孟天醒 文倩 范慧平

摘要：以河南省為例，構(gòu)建了包含28項(xiàng)指標(biāo)的可持續(xù)發(fā)展評價(jià)指標(biāo)體系，涵蓋經(jīng)濟(jì)、資源環(huán)境和社會(huì)三個(gè)子系統(tǒng)?；?003-2012年河南省相關(guān)數(shù)據(jù)，運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和方法對河南省的可持續(xù)發(fā)展能力進(jìn)行評價(jià)分析。結(jié)果表明，河南省可持續(xù)發(fā)展能力呈逐步提升態(tài)勢，偶有波動(dòng)；河南省各子系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展水平也為整體上升趨勢，其中資源環(huán)境子系統(tǒng)20年間變化區(qū)間固定在4～8之間；經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)水平2003年之前變化較小，2004年開始明顯提升；社會(huì)子系統(tǒng)呈現(xiàn)穩(wěn)步上升態(tài)勢，狀態(tài)最為穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：可持續(xù)發(fā)展；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；河南省

中圖分類號：X22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）05-1333-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.05.061

Analysis on Sustainable Development Ability in Henan Province Based on

BP Neural Network

MENG Tian-xing，WEN Qian，F(xiàn)AN Hui-ping

（College of Resources and Environment， Henan Agricultural University， Zhengzhou 450002， China）

Abstract： Taking Henan province as an example， the sustainable development evaluation index system was built which consisted of 28 indicators and 3 subsystems of economic， resource environment and the society. Based on relevant data from 2003 to 2012 of Henan Province， using the theory and method of artificial neural network in Henan province sustainable development ability evaluation and analysis， the results showed that the ability of sustainable development in Henan province was gradually improved， but occasionally fluctuated； the same as the sustainable development level of three subsystems in Henan province， in which changes in resources and environment subsystem was always between 4～8. And the economy subsystem level changed little before 2003 and it elevated obviously since 2004. Moreover， social subsystem was gradually rising and the level was the most stable.

Key words： sustainable development； BP neural network； Henan province

區(qū)域可持續(xù)發(fā)展是一個(gè)由資源環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)三大子系統(tǒng)共同構(gòu)成的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，是三方面的協(xié)調(diào)發(fā)展[1]。由于各地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件及其自然環(huán)境差異，可持續(xù)發(fā)展評價(jià)指標(biāo)體系沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，方法也各異[2]。國內(nèi)外對可持續(xù)發(fā)展能力評價(jià)的研究多采用層次分析法[3]、生態(tài)足跡法[4]及DEA和因子分析法[5]。目前針對河南省進(jìn)行的區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力評價(jià)研究較少，喬家君[6]運(yùn)用改進(jìn)熵值法進(jìn)行定量分析，認(rèn)為經(jīng)濟(jì)因子最為重要；指出要大力發(fā)展生產(chǎn)力，保證生態(tài)環(huán)境不退化，另外要控制人口增長。王安周等[7]運(yùn)用生態(tài)足跡理論，結(jié)合人文發(fā)展指數(shù)、R/S分析方法，多角度探討了河南省可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r。結(jié)果表明，河南經(jīng)濟(jì)發(fā)展在很大程度上是以環(huán)境、資源犧牲為代價(jià)的；人均生態(tài)足跡的供需比例增長，供需矛盾突出；人文發(fā)展指數(shù)與人均生態(tài)足跡指標(biāo)協(xié)調(diào)度低。

在已有研究基礎(chǔ)上結(jié)合河南省實(shí)際，從經(jīng)濟(jì)、資源環(huán)境和社會(huì)三個(gè)維度建立可持續(xù)發(fā)展能力評價(jià)指標(biāo)體系，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對河南省2003 — 2012年的可持續(xù)發(fā)展能力進(jìn)行評價(jià)分析；同時(shí)就評價(jià)結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)分析，揭示了區(qū)域可持續(xù)發(fā)展規(guī)律，提出了區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的對策和措施，以期為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

河南省位于中國中東部，黃河中下游，自然條件優(yōu)越；全省土地面積16.7 km2，平原面積占55.7%，耕地面積81 568 m2。地處北亞熱帶和暖溫帶地區(qū)，氣候溫和，日照充足，降水豐沛，適宜于農(nóng)、林、牧、漁各業(yè)發(fā)展。河南是農(nóng)業(yè)大省，是中國主要的糧棉生產(chǎn)基地，小麥、煙草和芝麻的產(chǎn)量居中國第一位。2013年河南省生產(chǎn)總值32 155.86億元，比2012年增長9.0%。其中，第一產(chǎn)業(yè)增加值4 058.98億元，增長4.3%；第二產(chǎn)業(yè)增加值17 806.39億元，增長10.0%；第三產(chǎn)業(yè)增加值10 290.49億元，增長8.8%。三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)為12.6∶55.4∶32.0。

2 研究方法

BP（Back propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種，克服了人工智能的缺陷，模仿動(dòng)物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為進(jìn)行分布式并行信息處理的數(shù)學(xué)算法模型，具有自適應(yīng)、自組織能力[7]。BP算法通過輸入、輸出數(shù)據(jù)樣本集，根據(jù)誤差反向傳遞的原理對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，其學(xué)習(xí)過程包括信息的正向傳播以及誤差的反向傳播兩個(gè)過程，對其反復(fù)訓(xùn)練，連續(xù)不斷地在相對誤差函數(shù)梯度下降的方向上對網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和偏差的變化進(jìn)行計(jì)算，逐漸逼近目標(biāo)[8]。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于BP算法的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法簡單、易行、計(jì)算量小、并行性強(qiáng)、適用范圍廣，并具有良好的魯棒性和容錯(cuò)性。對于一個(gè)大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)來說，個(gè)別神經(jīng)元和連接的損壞不會(huì)影響整體的結(jié)果，它具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，網(wǎng)絡(luò)可在學(xué)習(xí)過程中不斷自行完善。

河南省土地可持續(xù)利用評價(jià)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型采用由輸入層、隱含層和輸出層構(gòu)成的3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根據(jù)河南省可持續(xù)發(fā)展能力評價(jià)指標(biāo)體系，確定輸入層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)為28個(gè)，輸出層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)為1個(gè)[9]。經(jīng)多次模擬學(xué)習(xí)，證明隱含層神經(jīng)元數(shù)目是合適的。這樣就確定了河南省可持續(xù)發(fā)展能力評價(jià)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（圖1）。

3 指標(biāo)體系構(gòu)建及數(shù)據(jù)來源

可持續(xù)發(fā)展是人與物的協(xié)調(diào)發(fā)展，是人類社會(huì)與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。在借鑒已有研究的基礎(chǔ)上，將可持續(xù)發(fā)展能力分為三個(gè)子系統(tǒng)：經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、社會(huì)子系統(tǒng)、資源環(huán)境子系統(tǒng)。依據(jù)評價(jià)指標(biāo)選取的原則，結(jié)合可持續(xù)發(fā)展能力的內(nèi)涵，選取28項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建河南省區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力評價(jià)指標(biāo)體系（表1）。相關(guān)數(shù)據(jù)資料來源于2003 — 2012年《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》。

4 實(shí)證研究

4.1 河南省可持續(xù)發(fā)展能力綜合指數(shù)測度

根據(jù)計(jì)算工作的特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練數(shù)據(jù)通常是由各種研究對象的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成，但人均固定資產(chǎn)投資和人均公共綠地面積等，區(qū)域可持續(xù)發(fā)展評價(jià)研究方面尚沒用統(tǒng)一的判斷標(biāo)準(zhǔn)。參照有關(guān)文獻(xiàn)的選取方法，使用線性內(nèi)插法，通過構(gòu)建所有指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)的最大值和最小值區(qū)間，線性設(shè)定影響等級。設(shè)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展綜合指數(shù)為10分，梯度為0.2，由0到10分別表示可持續(xù)發(fā)展能力由低到高：[0，2]表示不可持續(xù)發(fā)展，[2，4]表示可持續(xù)發(fā)展能力較低，[4，6]表示可持續(xù)發(fā)展能力一般，[6，8]表示可持續(xù)發(fā)展能力較高，[8，10]表示高度可持續(xù)發(fā)展能力。

將梯度為0.2的51個(gè)得分值作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出數(shù)據(jù)，并將評價(jià)指標(biāo)通過線性內(nèi)插法處理為51個(gè)等級，最后得到28組共1 428個(gè)訓(xùn)練用的樣本數(shù)據(jù)，作為輸入數(shù)據(jù)。按照BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算流程，設(shè)置隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為57個(gè)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為28-57-1。隱含層和輸出層網(wǎng)絡(luò)分別采用Sigmoid型激活函數(shù)和Purelin型激活函數(shù)，學(xué)習(xí)速率Lr設(shè)置為0.01，最大循環(huán)次數(shù)設(shè)置為2 000，均方誤差MSE為10-4。

僅經(jīng)過4次訓(xùn)練后，網(wǎng)絡(luò)均方誤差達(dá)到設(shè)定的精度（圖2a），采用Scaled共軛梯度算法對BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，主要考察網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果和期望結(jié)果（圖2b），圖中縱軸為實(shí)際結(jié)果輸出，橫軸為期望結(jié)果，Output=0.99×Target+0.004 2。

4.2 結(jié)果與分析

將河南省區(qū)域可持續(xù)發(fā)展評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)導(dǎo)入訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)，得到1993 — 2012年河南省區(qū)域可持續(xù)發(fā)展綜合指數(shù)（表2）。由表2可以看出，1993 — 2012年河南省可持續(xù)發(fā)展能力經(jīng)歷了由不可持續(xù)發(fā)展階段、可持續(xù)發(fā)展能力較低階段、可持續(xù)發(fā)展能力一般階段、可持續(xù)發(fā)展能力較搞階段到高度可持續(xù)發(fā)展階段的連續(xù)提升。河南省可持續(xù)發(fā)展綜合指數(shù)總體呈上升趨勢，1996、2002 — 2005年出現(xiàn)波動(dòng)，說明可持續(xù)發(fā)展綜合能力為波動(dòng)上升。1993 — 1999年，河南省可持續(xù)發(fā)展能力處于整體較低階段，2000年后進(jìn)入可持續(xù)發(fā)展階段，在提升初期出現(xiàn)不穩(wěn)定起伏，2005年后穩(wěn)步上升。

社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和資源環(huán)境三個(gè)子系統(tǒng)對于可持續(xù)發(fā)展能力的變化作用各異，以年份為橫坐標(biāo)，以各子系統(tǒng)綜合指數(shù)為縱坐標(biāo)，得到相應(yīng)變化曲線（圖3）。由圖3可以看出，三個(gè)子系統(tǒng)指數(shù)整體變化都為上升趨勢，其中社會(huì)和經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)除一兩個(gè)特殊年份外均為穩(wěn)步上升，而資源環(huán)境子系統(tǒng)在2005年前起伏波動(dòng)，呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，2005年后較為穩(wěn)定，稍有提升。

5 小結(jié)

綜合分析可持續(xù)發(fā)展能力綜合指數(shù)與三個(gè)子系統(tǒng)評價(jià)結(jié)果可知，研究期內(nèi)河南省可持續(xù)發(fā)展能力呈現(xiàn)整體上升趨勢，偶有波動(dòng)；說明河南省近20年在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，也注重資源環(huán)境的開發(fā)保護(hù)和社會(huì)發(fā)展水平及人口素質(zhì)的培養(yǎng)，呈現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。河南省各子系統(tǒng)水平也為整體上升狀態(tài)，其中資源環(huán)境子系統(tǒng)變化區(qū)間較小，20年間在4～8之間起伏上升；經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)水平2003年之前變化較小，2004年開始明顯提升；社會(huì)子系統(tǒng)呈現(xiàn)穩(wěn)步上升，狀態(tài)最為穩(wěn)定。3個(gè)子系統(tǒng)與可持續(xù)發(fā)展能力綜合指數(shù)變化趨勢均不完全一致，由此可見，河南省可持續(xù)發(fā)展能力的變化是社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和資源環(huán)境3個(gè)子系統(tǒng)綜合作用的結(jié)果，而非單個(gè)系統(tǒng)決定，三者缺一不可。

河南省應(yīng)繼續(xù)保持經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步增長，同時(shí)加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式；努力突破近些年資源環(huán)境水平較低的狀態(tài)，加大環(huán)境保護(hù)和治理投入，同時(shí)加快實(shí)現(xiàn)新能源的開發(fā)利用，從根本上減少環(huán)境污染；加大政府對基礎(chǔ)設(shè)施、社會(huì)保障及福利事業(yè)投入，繼續(xù)提高人口素質(zhì)和社會(huì)發(fā)展水平，真正實(shí)現(xiàn)科學(xué)可持續(xù)發(fā)展。

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