水源保護(hù)區(qū)清潔小流域治理智能決策系統(tǒng)

邵紅艷，張仁貢

(1. 浙江省金華市農(nóng)村水利管理處，浙江 金華 321000；2.浙江禹貢信息科技有限公司，杭州 310009)

2010-2012年中央1號(hào)文件連續(xù)三年提到要建設(shè)生態(tài)清潔型流域，在水源保護(hù)區(qū)開展監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)是生態(tài)清潔小流域治理的一項(xiàng)重要內(nèi)容。近些年來，國(guó)內(nèi)外諸多機(jī)構(gòu)和學(xué)者在生態(tài)清潔小流域的治理理論、指標(biāo)體系構(gòu)架、評(píng)價(jià)技術(shù)等方面做了大量的研究工作， 尤其是2006年基于“三道防線”[1]的流域綜合治理新理念的提出，將小流域劃分為“生態(tài)修復(fù)區(qū)、生態(tài)治理區(qū)、生態(tài)保護(hù)區(qū)”三道防線進(jìn)行研究治理。從研究進(jìn)展可知，目前迫切需要解決的問題有：①小流域治理內(nèi)容復(fù)雜、影響因素多，需要結(jié)合現(xiàn)代的、系統(tǒng)的理論和方法，開展全面的科學(xué)的系統(tǒng)指標(biāo)體系梳理和研究。②小流域治理評(píng)價(jià)指標(biāo)體系具有多變性、關(guān)聯(lián)性和模糊性，傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法很難適應(yīng)評(píng)估的要求。③清潔小流域治理工程數(shù)量多，有待結(jié)合大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能技術(shù)，開發(fā)智能決策系統(tǒng)。

本文將以清潔小流域治理三道防線理論為指導(dǎo)，以浙江省安吉縣杭垓、永康市舟山溪、諸暨市孝四溪3個(gè)試點(diǎn)生態(tài)清潔小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，構(gòu)建動(dòng)態(tài)可拓的治理效益評(píng)價(jià)模型[2]，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)等高新技術(shù)進(jìn)行編程，提供基于GIS圖形化的可視效果界面，開發(fā)一款水源保護(hù)區(qū)清潔小流域治理智能決策系統(tǒng)。

1 總體框架構(gòu)建

對(duì)一個(gè)信息系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常重要，這里包括總體框架設(shè)計(jì)、建模、模型求解方法、組件設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)等方面。

總體框架如圖1所示，從圖1可知，可以為單個(gè)或者多個(gè)生態(tài)清潔小流域治理開展智能評(píng)價(jià)和決策，通過B/S的互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式和現(xiàn)地物聯(lián)網(wǎng)采集裝置，由小流域治理多維特性數(shù)據(jù)庫(kù)采集組件觸發(fā)采集流域治理指標(biāo)、流域環(huán)境特性、流域治理目標(biāo)等數(shù)據(jù)，形成生態(tài)清潔小流域治理評(píng)價(jià)多維特性數(shù)據(jù)庫(kù)，流域?qū)＜?如工程建設(shè)、管理、環(huán)保、行業(yè)主管部門等)的知識(shí)通過優(yōu)化抽象和存儲(chǔ)，生成小流域治理的專家?guī)旌椭R(shí)庫(kù)。通過數(shù)據(jù)挖掘機(jī)、多目標(biāo)可拓評(píng)價(jià)下指標(biāo)權(quán)重動(dòng)態(tài)修正I/O智能觸發(fā)器、智能評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)組件、智能推理機(jī)等模塊，利用多維特性數(shù)據(jù)庫(kù)和治理專家知識(shí)庫(kù)分析推理出流域治理效益評(píng)價(jià)結(jié)果和決策方案，以GIS圖形化直觀展示，通過局域網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、公域互聯(lián)網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)特性數(shù)據(jù)、專家知識(shí)和決策成果的共享。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案圖

2 流域治理評(píng)價(jià)多維特性數(shù)據(jù)庫(kù)

目前雖然小流域的數(shù)據(jù)比較齊全，但是小流域的一些指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不夠完善，隨著清潔流域治理智能決策系統(tǒng)緊鑼密鼓的進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了小流域治理工程管理的網(wǎng)絡(luò)化和信息化[9]，這為建立多維約束特性匹配數(shù)據(jù)表創(chuàng)造了條件。由于小流域治理后的社會(huì)特性、經(jīng)濟(jì)特性、生態(tài)特性等數(shù)據(jù)不完善，無法直接從WEB型清潔小流域治理工程管理系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取，故無法匹配多維約束特性的確切關(guān)系，但可以通過外部數(shù)據(jù)庫(kù)等，建立不確定模糊匹配特性模型，如圖2所示。

圖2 多維約束特性匹配數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)方案圖

從圖2可知，小流域治理效益評(píng)價(jià)多維特性數(shù)據(jù)庫(kù)的基本數(shù)據(jù)表將主要存儲(chǔ)由WEB型智能系統(tǒng)獲取的先驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定型特性數(shù)據(jù)表將存儲(chǔ)小流域工程特性、治理特性、自然氣候特性等確定型數(shù)據(jù)，不確定型特性數(shù)據(jù)表將存儲(chǔ)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)特性、社會(huì)指標(biāo)特性、生態(tài)指標(biāo)特性等模糊不確定型數(shù)據(jù)，維護(hù)計(jì)劃表存儲(chǔ)小流域治理工程維護(hù)月計(jì)劃和年計(jì)劃信息，而多維約束特性匹配數(shù)據(jù)表將存儲(chǔ)確定型數(shù)據(jù)和不確定型數(shù)據(jù)的匹配模型。確定型特性數(shù)據(jù)由工作站工作通過數(shù)據(jù)挖掘自動(dòng)輸入，也可以通過操作員手工輸入。由于不確定型特性數(shù)據(jù)表是記錄動(dòng)態(tài)不確定數(shù)據(jù)，其共同的特征是每項(xiàng)數(shù)據(jù)記錄都具有時(shí)域特性，以便時(shí)窗驅(qū)動(dòng)器通過I/O匹配觸發(fā)器調(diào)動(dòng)時(shí)窗驅(qū)動(dòng)周期內(nèi)的時(shí)域數(shù)據(jù)。I/O匹配觸發(fā)器將負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的輸入與輸出，輸入數(shù)據(jù)由WEB型智能配置系統(tǒng)中的同步時(shí)鐘結(jié)合時(shí)域數(shù)據(jù)后存儲(chǔ)到相應(yīng)數(shù)據(jù)表中，輸出數(shù)據(jù)通過反饋校正器用于時(shí)窗優(yōu)化模塊的初始化，數(shù)據(jù)輸出頻率由時(shí)窗驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)周期確定。

3 智能化組建研發(fā)

水源保護(hù)區(qū)清潔小流域治理智能決策系統(tǒng)的組件有智能I/O觸發(fā)器、多目標(biāo)生態(tài)清潔流域可拓評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)組件、智能推理機(jī)、數(shù)據(jù)挖掘機(jī)、專家知識(shí)抽象優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)組件、多維特性指標(biāo)數(shù)據(jù)采集組件等，由于限于篇幅，本文著重介紹智能I/O觸發(fā)器、多維特性指標(biāo)數(shù)據(jù)采集組件、多目標(biāo)生態(tài)清潔流域可拓評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)組件等核心組件的開發(fā)。

3.1 智能I/O觸發(fā)器

I/O匹配觸發(fā)器是WEB型清潔小流域治理智能決策系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)庫(kù)和流域治理效益評(píng)價(jià)多維特性數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)橋梁，WEB型清潔小流域治理智能決策系統(tǒng)設(shè)置臨時(shí)表，當(dāng)有瞬時(shí)特性數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)特性數(shù)據(jù)和維護(hù)計(jì)劃數(shù)據(jù)等不確定數(shù)據(jù)改變臨時(shí)表時(shí)，一方面將通過數(shù)據(jù)挖掘函數(shù)作用于存儲(chǔ)過程，更新流域治理效益評(píng)價(jià)多維特性數(shù)據(jù)庫(kù)的特性數(shù)據(jù)表。另一方面通過I/O數(shù)據(jù)接口，相應(yīng)匹配瞬時(shí)特性數(shù)據(jù)變化事件和維護(hù)計(jì)劃變化事件，通過事件觸發(fā)器，作用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程在執(zhí)行過程中，通過I/O數(shù)據(jù)接口調(diào)用環(huán)境預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)系圖、函數(shù)、視圖、規(guī)則等數(shù)據(jù)模塊，不斷通過I/O數(shù)據(jù)接口更新修正環(huán)境預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的匹配表。I/O匹配觸發(fā)器設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

圖3 基于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)修正機(jī)理的I/O智能觸發(fā)器原理圖

3.2 多維特性指標(biāo)數(shù)據(jù)采集組件

該組件所采集的數(shù)據(jù)構(gòu)建遵循《水土保持綜合治理效益計(jì)算方法》(GB/ T15774-2008)、《生態(tài)小流域治理建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》(SL534-2013)等規(guī)范，采用理論推導(dǎo)法、專家選取法、文獻(xiàn)頻數(shù)法、主成份分析法等[3]，在諸多機(jī)構(gòu)和學(xué)者研究基礎(chǔ)上，采集了19個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)構(gòu)架了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[4]，如表1所示。

表1 水源保護(hù)區(qū)生態(tài)清潔小流域治理評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(R)

3.3 多目標(biāo)生態(tài)清潔流域可拓評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)組件

多目標(biāo)生態(tài)清潔流域可拓評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)組件的核心計(jì)算模塊為可拓評(píng)價(jià)模型和計(jì)算，包括可拓關(guān)系物元模型、關(guān)聯(lián)度法權(quán)重確定模型、評(píng)價(jià)計(jì)算流程等。

(1)可拓關(guān)系物元模型?？赏仃P(guān)系物元建模方法是近年來可拓學(xué)的最新成果[5]。綜合了物理論的形式化表達(dá)方法，并著力探討不同物元模型之間的耦合關(guān)系，因此在模型表達(dá)、模型分解和模型解耦方面，相比于傳統(tǒng)評(píng)價(jià)模型方法，具有動(dòng)態(tài)性、拓展性、抽象性等優(yōu)點(diǎn)。

(2)關(guān)聯(lián)度法權(quán)重確定模型。物元模型確定后，下一步就要進(jìn)行關(guān)聯(lián)因子及權(quán)重的確定，權(quán)重的確定有標(biāo)準(zhǔn)差法、滿意度度法、專家打分法等[6]。本研究結(jié)合可拓權(quán)的理論，采用關(guān)聯(lián)度法。

①可拓距。設(shè)x0為實(shí)數(shù)域中的任一點(diǎn)，X0∈為實(shí)數(shù)域上的任一區(qū)間，稱：

ρ(x,X0)=|x-(a+b)/2|-(b-a)/2

(1)

為點(diǎn)x0與X0∈區(qū)間之可拓距。其中既可是開區(qū)間，也可以是閉區(qū)間，還可以是半開半閉區(qū)間。

一般地，設(shè)X0∈，X∈，且X0∈X，則點(diǎn)x關(guān)于區(qū)間X0和X組成的區(qū)間套的位置規(guī)定為：

D(x,x0,X0) =ρ(x,X)-ρ(x,X0)

(2)

D(x,X0,X)就描述了點(diǎn)x0與X0和X組成地區(qū)間套的位置關(guān)系。

②關(guān)聯(lián)函數(shù)。在可拓距的基礎(chǔ)上，建立了如下的關(guān)聯(lián)函數(shù)：

k(x) =ρ(x,X0)/D(x,x0,X0)

(3)

其中X0∈X，且無公共點(diǎn)用于計(jì)算點(diǎn)和區(qū)間套的關(guān)聯(lián)程度[7]。

式(3)的關(guān)聯(lián)度k(x)取值在(-∞，+∞)之間。當(dāng) 和 取相同的區(qū)間時(shí)，k(x)在(0，1)間取值，這時(shí)的關(guān)聯(lián)度表征著 與標(biāo)準(zhǔn)取值區(qū)間 的關(guān)聯(lián)程度。這樣，就可以將k(x)的值作為綜合評(píng)判的權(quán)重。

可以定量地分析出不同物元間的關(guān)聯(lián)函數(shù)值，進(jìn)而根據(jù)關(guān)聯(lián)權(quán)重值k決定該物元與理想物元的相容程度。k<0，表示兩物元處于相斥關(guān)系；k=0，表示兩物元處于相容關(guān)系；k>0，表示兩物元處于關(guān)聯(lián)關(guān)系。

在圖4關(guān)系物元的網(wǎng)狀模型[8]中，圖4中的字母含義參見表1。圖中處于同一層級(jí)的物元表示其重要性賦值依據(jù)專家的打分而定，權(quán)重離散化后，以上19個(gè)指標(biāo)的扁平化(既不考慮各個(gè)物元間的關(guān)系屬性)權(quán)重和為1。采用關(guān)系物元間的關(guān)聯(lián)權(quán)重定義方法，從不同物元間屬性的關(guān)聯(lián)函數(shù)著眼，建立不同物元屬性下(也就是量綱可以不同)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖4 基于物元的關(guān)聯(lián)度法權(quán)重確定模型

綜合考慮賦分值c和關(guān)聯(lián)權(quán)重值k，即將二者進(jìn)行和積計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果歸一化后，按照分?jǐn)?shù)判斷該工程所處等級(jí)L。

L=sum(c×k)

(4)

(3)評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)流程。建立了小流域生態(tài)指標(biāo)的關(guān)系物元模型后，既可對(duì)候選區(qū)域生態(tài)指標(biāo)進(jìn)行可拓綜合評(píng)價(jià)，其具體計(jì)算機(jī)流程如圖5所示。

圖5 可拓評(píng)價(jià)關(guān)系物元模型評(píng)價(jià)流程

4 案例研究

本文取浙江省安吉縣杭垓清潔小流域治理工程、諸暨市孝四溪清潔小流域治理工程、永康市舟山溪清潔小流域治理工程開展研究工作，筆者在開展不同程度的生態(tài)指標(biāo)搜集工作基礎(chǔ)上，建立可拓評(píng)價(jià)模型，并通過決策系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)價(jià)和決策。

4.1 工程介紹

安吉縣杭垓清潔小流域治理工程(N1)位于杭垓鎮(zhèn)南側(cè)，小流域內(nèi)溪流主要河道為唐舍港，下游為賦石水庫(kù)，總面積49.55 km2，現(xiàn)有水土流失面積5.94 km2。2009年作為生態(tài)清潔小流域建設(shè)試點(diǎn)項(xiàng)目開展治理。治理工程主要包括水土流失綜合治理、生態(tài)修復(fù)工程、河道綜合整理工程、人居環(huán)境綜合整治工程、生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)工程、植物緩沖帶建設(shè)工程、生態(tài)移民工程、監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)工程等。

諸暨市孝四溪清潔小流域治理工程(N2)位于諸暨市以東的東白山麓，地處陳蔡水庫(kù)上游，流域面積 39.26 km2。孝四溪小流域?qū)儆谒η治g為主的類型區(qū)。水土流失面積16.66 km2，占土地總面積的 42.44%。治理措施包括小流域治理、生態(tài)修復(fù)工程、河道綜合治理工程、人居環(huán)境綜合整治工程、生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)工程、面源污染治理工程等。

永康市舟山溪清潔小流域治理工程(N3)位于永康市東南的舟山鎮(zhèn)境內(nèi)，地處楊溪水庫(kù)上游，流域面積 50.71 km2。小流域?qū)儆谒η治g為主的類型區(qū)。水土流失面積14.28 km2，占土地總面積的 28.16%。治理措施主要分生態(tài)修復(fù)區(qū)采取封育治理和管護(hù)兩項(xiàng)措施；生態(tài)治理區(qū)采取低丘紅壤治理、退耕還林還草、廢棄礦山開采裸露面治理、節(jié)水灌溉與坡面水系調(diào)整工程、垃圾處置、污水處理、農(nóng)村人居環(huán)境整治、生態(tài)農(nóng)業(yè)等八項(xiàng)措施；生態(tài)保護(hù)區(qū)采取河道生態(tài)護(hù)岸、修建攔沙曝氣壩、清污清淤等措施；建設(shè)人工濕地等措施。

4.2 物元量域區(qū)間的確定

將3個(gè)案例工程，按照表1中的指標(biāo)體系整理成各個(gè)指標(biāo)量值域的計(jì)算區(qū)間，如表2所示，根據(jù)不同指標(biāo)定性定量關(guān)系的不同，選用標(biāo)準(zhǔn)差法和關(guān)聯(lián)度法，建立關(guān)聯(lián)函數(shù)。

溝口水質(zhì)分類的評(píng)價(jià)流程與總的指標(biāo)流程相同，即首先按照專家打分的權(quán)重進(jìn)行劃分。本課題中，溝口水質(zhì)指標(biāo)未出現(xiàn)較大的容差值，因此可以采用專家打分的方法，確定3個(gè)工程的水質(zhì)等級(jí)為Ⅳ、Ⅲ、Ⅲ(見表3)。若出現(xiàn)容差值大于5%的情況，進(jìn)行多權(quán)重判斷，決定其歸類。對(duì)于評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)采用就低的原則，即6個(gè)指標(biāo)中最低的評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。最后將該指標(biāo)按滿意度權(quán)重劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。具體地說，就是將溝口水質(zhì)指標(biāo)劃分為4個(gè)等級(jí)：不合格，良好，中等和優(yōu)秀，如表4所示。

表2 3個(gè)案例工程的評(píng)價(jià)指標(biāo)物元的量域區(qū)間

注：①居民生態(tài)滿意度指標(biāo)R21將按照基于可拓距的關(guān)聯(lián)度法進(jìn)行計(jì)算；②溝口水質(zhì)指標(biāo)將按照表3進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表3 溝口水質(zhì)分類

表4 溝口水質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)

4.3 關(guān)聯(lián)度法權(quán)重確定

為了對(duì)小流域生態(tài)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，應(yīng)先確定在各個(gè)指標(biāo)上對(duì)管理模式的期望要求。例如，水土流失治理程度C32是取值為有限區(qū)間的增益型指標(biāo)，用戶要求值為[60%，100%]，而候選段為[60%，75%]，因此土地利用率的經(jīng)典域X0為[60%，75%]，節(jié)域X為[60%，100%]。

建立不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的經(jīng)典域和節(jié)域如表5所示。

表5 指標(biāo)經(jīng)典域和節(jié)域

利用公式(5)通過節(jié)點(diǎn)域的上下許用邊界和期望值，得到每個(gè)指標(biāo)變量的最優(yōu)值如表6所示。綜合權(quán)重為0.520，0.292，0.188。

表6 被測(cè)流域評(píng)價(jià)指標(biāo)分布情況

4.4 決策系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)價(jià)結(jié)果

自動(dòng)計(jì)算結(jié)果界面如圖6所示。由此可得，安吉縣杭垓清潔小流域工程綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)最優(yōu)，可作為推薦的示范工程。

圖6 智能決策系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果界面

5 結(jié) 語(yǔ)

通過浙江省安吉縣杭垓清潔小流域治理工程、諸暨市孝四溪清潔小流域治理工程、永康市舟山溪清潔小流域治理工程的實(shí)踐計(jì)算表明，計(jì)算結(jié)果符合工程實(shí)際，評(píng)價(jià)結(jié)果可信度較高。因此，在小流域生態(tài)評(píng)價(jià)中引入關(guān)系物元、關(guān)聯(lián)函數(shù)權(quán)重，以及多權(quán)重分析方法，是一種處理小流域生態(tài)多目標(biāo)評(píng)價(jià)中一種行之有效的方法，結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)的決策系統(tǒng)，提高了決策效率和應(yīng)用效益。水源保護(hù)區(qū)清潔小流域治理可拓評(píng)價(jià)模型及智能決策系統(tǒng)還有很多不完善的地方，例如評(píng)價(jià)指標(biāo)體系需要進(jìn)一步完善、模型中未涉及到模糊不確定因素、試點(diǎn)案例樣本數(shù)目尚且不夠多等缺點(diǎn)，筆者將在以后的工作中不斷升級(jí)評(píng)價(jià)模型及智能決策系統(tǒng)，并在區(qū)域內(nèi)加強(qiáng)試點(diǎn)驗(yàn)證應(yīng)用，以便向全國(guó)推廣應(yīng)用。