瑞安市清潔小流域治理智能決策系統(tǒng)設計

張松策，潘琍真

（瑞安市水利局，浙江 瑞安 325000）

瑞安市清潔小流域治理智能決策系統(tǒng)設計

張松策，潘琍真

（瑞安市水利局，浙江 瑞安 325000）

智能決策系統(tǒng)的核心技術由專家知識庫、多目標可拓評價模型、智能推理決策組件等組成。該系統(tǒng)在瑞安市清潔小流域治理中進行實踐和應用，在清潔小流域治理的理論研究和應用實踐之間架起一座智能化和信息化的橋梁，具有很好的借鑒價值。

清潔小流域；智能決策；軟件；瑞安市；可拓評價模型

近年來，在清潔小流域的管理體系、治理技術和效益評價等方面，國內(nèi)外諸多學者做了大量的研究和實踐工作，但仍然存在很多問題需要迫切地解決。筆者以清潔小流域治理的三道防線理論為基礎［1］，對典型小流域的治理方案和技術所涉及的生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟效益等進行抽象和歸類，建立了效益影響指標體系、專家知識庫和經(jīng)驗庫，同時采用可拓學，建立了動態(tài)可拓評價模型，最后采用大數(shù)據(jù)技術、互聯(lián)網(wǎng)絡技術、人工智能技術等進行編程，結(jié)合GIS圖形化的可視界面，開發(fā)智能決策系統(tǒng)，并在實際中應用，對提高清潔小流域的治理技術水平和工作效率，具有重要的實踐意義和應用價值。

1 總體研究方案

本系統(tǒng)通過組件采集流域治理指標、流域環(huán)境特性、流域治理目標等數(shù)據(jù)，輸入到多維特性數(shù)據(jù)庫，包括流域?qū)＜遥üこ?、環(huán)保、管理、政府部門等）的數(shù)據(jù)，通過知識抽象和優(yōu)化，形成專家知識庫和經(jīng)驗庫，可為多個清潔小流域開展智能評估和決策服務。其次，通過數(shù)據(jù)挖掘機、I/O智能觸發(fā)器、智能評價組件、推理機等中間組件，分析和推理出流域治理效益評價結(jié)果，并將結(jié)果存儲到多維特性數(shù)據(jù)庫和治理專家知識庫，為后續(xù)用戶提供決策的意見和建議。最后，以GIS圖形化界面，直觀展示決策結(jié)果。本系統(tǒng)通過移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術，還將實現(xiàn)決策成果的分享和共享。

2 核心技術設計

2.1 專家知識庫

2.1.1 知識來源［2］

（1）當?shù)氐牧饔蛑卫硐嚓P文獻。包括當?shù)氐牧饔驅(qū)I(yè)管理書、水資源管理公告或報告、流域工程的建設文獻、規(guī)劃和設計方案及經(jīng)驗總結(jié)等，通過模糊數(shù)據(jù)的匹配、知識的演繹、公式的表達式化等方式，進行數(shù)據(jù)化處理。

（2）流域治理領域的專家經(jīng)驗集粹。包括專家在實踐過程中的知識結(jié)構(gòu)、知識因果、知識行為等，通過專家訪談、問卷、座談等方式獲取，并進行數(shù)據(jù)化表達。

（3）標準知識庫錄入。通過政府部門的政務系統(tǒng)，登錄統(tǒng)一平臺，進行購買服務、知識共享、下達任務等方式獲取。

（4）通過實地的調(diào)研獲取第一手資料。

（5）與相關的水文、水資源等部門的合作，通過調(diào)查問卷方式獲取。

2.1.2 標準數(shù)據(jù)庫

知識和數(shù)據(jù)存放于標準數(shù)據(jù)庫中，如表1。

表1 標準事實庫格式

表1中將所有的條件和結(jié)論都存儲于該數(shù)據(jù)庫中，減少了數(shù)據(jù)冗余，以便在推理過程中產(chǎn)生不必要的操作。所有的規(guī)則條件和結(jié)論都將從數(shù)據(jù)庫中取得，事實記錄的增加、刪除、修改可以影響到規(guī)則的增加、刪除和修改，但反過來，規(guī)則的增加、刪除、修改不會影響到數(shù)據(jù)庫，這是一個單向的數(shù)據(jù)傳輸和處理過程。

2.1.3 規(guī)則庫

推理實現(xiàn)的前提條件是規(guī)則庫，規(guī)則的結(jié)構(gòu)是否合理直接影響到推理的效率，如表2。

表2 規(guī)則庫結(jié)構(gòu)

規(guī)則的條件和結(jié)論字段都存儲連接于編碼，其目的是便于存儲，節(jié)省空間。

2.1.4 修正庫

修正庫用來存放修正性的建議或結(jié)論，是推理產(chǎn)生的結(jié)果表現(xiàn)，如表3。

表3 維修庫結(jié)構(gòu)

修正庫內(nèi)容不參與推理的過程，只對最終的結(jié)果進行解釋。

知識庫的約束機制除了通用的數(shù)據(jù)庫約束規(guī)則之外，還具有以下的約束：①標準數(shù)據(jù)庫。記錄不能為空且任兩條記錄不能雷同。②規(guī)則庫。任意一條記錄的條件記錄號和結(jié)論記錄號不能相同，任意兩條記錄不能互為條件和結(jié)論，任意一條記錄的“結(jié)論規(guī)則”字段值只能與標準數(shù)據(jù)庫中的“最終結(jié)論”字段值相同。

2.2 可拓評價模型設計

2.2.1 基于可拓學的總體評價模型設計

在流域治理效益評價過程中，必須考慮以下3類指標［3］，如圖1。

圖1 可拓效益?zhèn)鲗u價模型圖

2.2.2 基于基元的傳導矛盾鏈模型

由于小流域治理與周圍的生態(tài)環(huán)境有著密切的關系，是一個典型的矛盾傳導環(huán)問題，如圖2。對于環(huán)①中一個與流域治理相關的基元R0和目標基元R1構(gòu)成了一對矛盾問題P，對于P的傳導變換，構(gòu)成了一個反向閉合環(huán)，如環(huán)②；若制約因素僅有一個，則不需要構(gòu)成反向閉合環(huán)；反之，需要構(gòu)成幾個反向閉合環(huán)，且要使構(gòu)成的新環(huán)之間沒有任何沖突。

圖2 傳導變換機制

其中，環(huán)①為基本環(huán)，由于環(huán)②的變換方向與環(huán)①相同，最終并沒有解決任何問題，所以該變換是無效的；而環(huán)③的變換對環(huán)①是反向的，則該變換有效；如果同時進行②、③兩個變換，則稱該變換的效應為零效應或無效應。

對于流域治理過程中的矛盾傳導鏈問題［4］，通過提出鏈中的一個與流域治理相關的基元進行傳導變換，變成一個閉環(huán)問題，進而消解①達到的矛盾問題。

2.2.3 流域治理效益?zhèn)鲗瘮?shù)建立

例如，若流域中土壤有機質(zhì)平均含量5%，最大含量25%，最好含量15%，正常水平8%～20%，即最優(yōu)值v0=10，x0=［8，20］，x=［5，25］，當x0?x時，建立關聯(lián)函數(shù)為：

當v=26%，k（v1）=0.2＞0，該指標雖然超過了最大標準值，但依然在允許的范圍內(nèi)；v=4%，k（v2）=-0.04＜0，則表示該值過低，對于整體流域治理的效益評價影響很小。

2.2.4 可拓評價

可拓評價是建立在可拓集論基礎上的評價方法，其特點是能論述事件的可變化性。能夠把對象的評價數(shù)量化在負無窮到正無窮上的分布區(qū)間內(nèi)，同時在正域、負域和零界內(nèi)，為描述量變到質(zhì)變所確定的關聯(lián)函數(shù)值提供了科學有效的數(shù)學工具。

可拓評價指標隨著廣義描述和約束條件而定，一般包括經(jīng)濟評價、技術評價和社會評價等3類指標。各評價指標權重ωi∈［0，1］，且∑ωi=1。

2.2.4.1 綜合線性加權法

綜合線性加權法即應用線性模型進行評價的綜合方法，適合于各個評價指標的互相獨立，突出指標值或指標權重較大者。

式中 f為綜合評價值；fj為評價指標；ωi為權重；m為數(shù)目。

2.2.4.2 綜合非線性加權法

所謂綜合非線性加權法是指利用非線性模型進行評價的綜合方法，適合于各個指標之間有較強關聯(lián)性的地方，重點強調(diào)被選方案中的指標值大小一致性。

2.2.4.3 理想點評價法

首先，設定了一個理想點x*，被評價的點x與理想點之間越接近，則認為x越優(yōu)。被評價點x與理想點x*之間的加權距離可表達為：

式中 f（xj，x*j）為x與x*的加權距離，即歐氏距離。

理想點法沒有區(qū)分各個目標的重要程度，而實際工程中的各個指標并不是同等重要，故有很大的局限性。

2.2.5 可拓綜合評價的特點

由于可拓集能描述可變性，在引入?yún)?shù)t后，可以權衡對象狀態(tài)的具體數(shù)值。比如關聯(lián)函數(shù)的值在零界上其發(fā)展趨勢可能大于零或小于零，也可能在零界上。

在（-∞，+∞）將關聯(lián)函數(shù)取值進行基于對象的評價量化是模糊數(shù)學方法所不具備的，而零界則是經(jīng)典統(tǒng)計概率方法所不具備的。

在經(jīng)典數(shù)學中，給定論域U及U中的一個經(jīng)典子集，用0，1表征U中的某元素u屬于A或不屬于A，即

稱此函數(shù)為特征函數(shù)，是描述事物確定性的數(shù)學工具。

在模糊數(shù)學中，定義域E=（x）上的模糊集合A來表現(xiàn)隸屬函數(shù)uA（x），其中uA（x）在閉區(qū)間［0，1］中取值，uA（x）的大小反映了x對模糊集合A的隸屬程度。即在全域E=（x）上的模糊數(shù)學集合A是指E中的具有某種性質(zhì)元素的全體。對于E中任一元素，能夠根據(jù)該元素的性質(zhì)，用一個［0，1］間的數(shù)來表示這個元素隸屬A的程度。

2.3 智能推理決策組件的設計方案

智能推理決策任務［5］是由推理機來承擔的，推理機是根據(jù)待評價流域知識庫中的有關規(guī)則，動態(tài)刷新數(shù)據(jù)庫并保存推理軌跡，用于解釋診斷結(jié)果，即根據(jù)被測對象運行狀態(tài)的征兆，利用診斷知識庫的知識與歷史的數(shù)據(jù)進行比較、推理和診斷進行求解。

2.3.1 推理策略

推理策略可以分為正向推理、逆向推理和混合推理3種模式，本系統(tǒng)中將采用基于規(guī)則的正向推理，如圖3。

圖3 推理策略流程

2.3.2 沖突消解

沖突消解是解決已知的多個事實與知識庫中的知識匹配問題。要使推理能夠繼續(xù)進行，必須進行沖突消解，直至找到最優(yōu)方案。

2.3.2.1 計算前提可信度

CF（E）=min{1，CF（E1），CF（E2），…，CF（En）}式中E1，E2，…，En為匹配成功的一條規(guī)則的n條前提。

2.3.2.2 計算規(guī)則結(jié)論可信度

CF（H）=CF（H，E）max{0，CF（E）}結(jié)論的可信度CF（H）是一個［-1，1］之間的數(shù)，當可信度小于某一數(shù)值時，則認為這次診斷失敗，將轉(zhuǎn)為人工推理。

4 系統(tǒng)應用

將清潔小流域治理智能決策系統(tǒng)應用到瑞安市的清潔小流域治理，并以塘下鎮(zhèn)八水浹河道生態(tài)建設示范區(qū)作為研究對象，主界面如圖4。

圖4 決策系統(tǒng)主界面

4.1 建立小流域治理模型

把可拓評價模型引入到清潔小流域治理，在多指標、多目標、不同權重的條件下，針對影響清潔小流域治理效益的經(jīng)濟、社會、生態(tài)等指標，進行優(yōu)化組合形成最近效益治理的實際評價結(jié)果，解決以往評價模型的評價效率低、普適性差、評價結(jié)果偏離實際治理效果的問題。

4.2 探討多目標可拓評價下指標權重的動態(tài)修正機理

計算獲取多維特性關系模型，開發(fā)I/O智能觸發(fā)器，跟蹤清潔小流域的指標特性，如目標特性和環(huán)境特性對流域治理效益的影響，動態(tài)更新觸發(fā)流域治理的效益評價指標和權重配置數(shù)據(jù)表觸發(fā)器，探討在多目標下的可拓評價動態(tài)修正機理。

4.3 設計多目標管理決策的智能推理組件

可拓評價下的多目標管理決策智能推理機包含了數(shù)據(jù)挖掘組件和推理組件。推理機主要由一致性執(zhí)行器、調(diào)節(jié)器和協(xié)調(diào)器等組成。智能決策組件隸屬于專家?guī)煜到y(tǒng)，將專家?guī)煜到y(tǒng)應用于清潔小流域的治理決策，有助于提高決策的科學性。

5 結(jié)語

（1）專家知識庫和標準數(shù)據(jù)庫、評價指標動態(tài)修正智能觸發(fā)器、智能推理機具有創(chuàng)新性。

（2）清潔小流域治理資料和研究成果在系統(tǒng)中不斷積累，改善了傳統(tǒng)管理決策、監(jiān)測評價、成果共享方面的不足，以提高清潔小流域治理科學技術水平和工作方法效率，加快了現(xiàn)有研究成果的實踐與應用推廣。

［1］婁會品，高甲榮，陳子珊.北京郊區(qū)河岸帶自然性評價指標體系［J］.水土保持通報，2010，30（1）：161-165.

［2］張錦娟.基于水源保護的生態(tài)清潔小流域建設措施體系研究［J］.水土保持通報，2010（5）：238-240.

［3］肖玖金，譚周亮，李旭東.物元可拓法在湖泊水質(zhì)評價中的運用［J］.長江流域資源與環(huán)境，2010，19（S2）：182-187.

［4］陳芳孝.構(gòu)筑三道防線 確保水源安全［J］.中國水土保持，2007（2）.

［5］賈鎏，汪永濤.丹江口庫區(qū)胡家山生態(tài)清潔小流域治理的探索和實踐［J］.中國水土保持，2010（4）.

（責任編輯：王艷肖）

Design of intelligent decision-making system of Ruian clean small watershed governance

ZHANG Song-ce，PAN Li-zhen
（Ruian Water Authority of Zhejiang，Ruian 325000，China）

The core technology of the system include the watershed management expert knowledge base，Multi-target extension evaluation model and intelligent inference decision component.This system is practiced in the management of Ruian clean small watershed.The system made the theoretical research and practice of small watershed governance to a new level of informatization and intellectualization，it has a good reference for the similar project.

clean small watershed；intelligent decision-making；system；Ruian；extension evaluation model

TV222

B

1672-9900（2017）01-0046-05

2016-12-06

張松策（1975－），男（漢族），浙江瑞安人，工程師，主要從事水利水電工程建設與管理研究，（Tel）13868826678。