基于粗糙集理論的水利工程現(xiàn)代化管理評價

吉鵬飛

(洛陽市水土保持監(jiān)督監(jiān)測站，河南 洛陽 471000)

0 引 言

水利工程在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、保障行洪排澇安全以及水資源供給等方面具有重要作用，當(dāng)前水利現(xiàn)代化的根本目標(biāo)為實現(xiàn)水資源與經(jīng)濟(jì)社會、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)發(fā)展，全面兼顧工程設(shè)施功能效益促進(jìn)人水和諧相關(guān)。水利現(xiàn)代化不僅是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和建設(shè)水利設(shè)施現(xiàn)代化的必然要求，而且在全面建設(shè)小康社會和加快實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中占據(jù)著重要地位，同時是解決當(dāng)前面臨的水資源問題和保障防洪排澇安全的有效方法[1]。水利管理體系是具有行業(yè)性、區(qū)域性特征且內(nèi)涵豐富、復(fù)雜龐大的綜合系統(tǒng)，涉及管理人才、手段、體制機(jī)制及工程效益等各個方面，客觀評價其實現(xiàn)水平可為促進(jìn)區(qū)域發(fā)展、保障防洪與生態(tài)環(huán)境安全提供重要依據(jù)[2,3]。鑒于此，文章基于粗糙集理論消除冗余信息，在保持決策能力和初始數(shù)據(jù)聚合分類能力不變的情況下導(dǎo)出問題的決策或分類規(guī)則，通過知識簡約獲取簡潔的知識表達(dá)。

1 粗糙集理論

1.1 理論分析

1)根據(jù)粗糙集理論基本內(nèi)涵，建立水利現(xiàn)代化管理知識庫。由此形成論域上的劃分，將其定義為知識，即：

e={X1,X2,…,Xn}

(1)

式中：U為有限非空論域，U中的一個范疇或概念為子集Xi?U。

根據(jù)粗糙集理論定義評價系統(tǒng)，由此建立水利現(xiàn)代化評價體系。該理論將概念族簡稱為知識，其研究對象為可以劃分的知識結(jié)構(gòu)。

2)形成信息表。將一個知識系統(tǒng)(U，A)可作為一個信息系統(tǒng)S，非空有限集和非空子集分別為U={u1,u2,…,u|U|}、A={a1，a2，…，a|A|}，A和U中的元素分別為屬性與對象；采用一個信息表反映一個信息系統(tǒng)，見表1。

表1 系統(tǒng)信息表

信息系統(tǒng)(U，A)在滿足條件A=C∪D、C∩D≠φ的條件下，可表示為一個決策表。

3)屬性的約簡。屬性約簡就是在所有屬性組成的集合中去除知識表達(dá)系統(tǒng)中存在的冗余信息，在不改變系統(tǒng)特性的條件下通過簡化分類器找出一個能夠最大限度的包含屬性全集分類信息的屬性子集，從而提高分類器的泛化性能和噪聲數(shù)據(jù)對分類知識發(fā)現(xiàn)的影響，為工程決策規(guī)則提供數(shù)據(jù)依據(jù)。采用邏輯運(yùn)算和布爾算法，可找到辨識矩陣的核與約簡，其中約簡的交際即為核。但是，該方法在對象和屬性較多的評價體系中，計算過程較為復(fù)雜。由此，設(shè)等價關(guān)系族為R，且符合條件P∈R，若存在不可分辨關(guān)系ind(R)=ind(R-{P})，則R的冗余即為P；否則，R的必要條件為P。設(shè)定P?R，若存在ind(R)=ind(P)關(guān)系且P滿足獨(dú)立條件，則R的一個約簡即為P。

4)從數(shù)據(jù)庫中挖掘有價值的、潛在的規(guī)律即為規(guī)則獲取，規(guī)則可作為屬性值之間的關(guān)系在知識表達(dá)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)模式，在粗糙集理論中數(shù)據(jù)的規(guī)則或模式主要是依據(jù)無法分辨關(guān)系隱含的數(shù)據(jù)粒度結(jié)構(gòu)來發(fā)掘，由此獲取不確定和確定的決策規(guī)則。將決策規(guī)則按照屬性簡化表可表示為IF…，THEN…的形式，即在滿足一定的條件下確定相應(yīng)的決策規(guī)則。

5)重要度和屬性依賴度。屬性關(guān)于信息表的重要性利用重要度來描述，它體現(xiàn)了屬性在整個系統(tǒng)中的重要地位。屬性重要度大小按照分類變化的程度確定，去除一些屬性則產(chǎn)生較大的分類變化，則該屬性具有較高的重要度，采用信息量多少可表述變化程度及分類變化[4,5]。設(shè)信息系統(tǒng)為A=[U，R]，P?R對于等價關(guān)系存在分類U/ind(P)={X1,X2,…,Xn}，則P的信息量可表示為如下形式：

(2)

根據(jù)下式計算屬性(attr)的重要度，其表達(dá)式為：

(3)

1.2 粗糙集求解權(quán)重

將水利管理各評價因子權(quán)重利用粗糙集法進(jìn)行求解，其主要流程如下：

1)根據(jù)待評價樣本的工程特征、運(yùn)行現(xiàn)狀和歷史數(shù)據(jù)資料，按照水利現(xiàn)代化管理目標(biāo)要求構(gòu)建評價指標(biāo)集。

2)在數(shù)據(jù)分類能力不發(fā)生改變的情況下，各屬性值的離散化處理可采用BP網(wǎng)絡(luò)法和模糊聚類法等。

3)構(gòu)建決策表。C、D中的屬性為條件與決策屬性，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)將論域劃分為不同的評判標(biāo)準(zhǔn)。考慮到現(xiàn)代化管理涉及到的范圍廣、因素多的實際情況，可設(shè)定閾值作簡化處理，同一要素在兩個評價樣本中均達(dá)到閾值時，兩者存在等價關(guān)系。

4)通過約簡處理和參數(shù)包含的信息量分析，對水利現(xiàn)代化評價多余參數(shù)刪減。

5)歸一化處理各條件屬性的重要度，科學(xué)合理的確定各指標(biāo)最終權(quán)重。

2 實例分析

水利管理現(xiàn)代化覆蓋的范圍較廣、因素較多，不同地區(qū)的江河湖泊水文情勢不同，管理現(xiàn)代化水平也存在較大差異。因此，關(guān)于水利管理現(xiàn)代化的系統(tǒng)特征一般無法采用少數(shù)的幾個參數(shù)信息反映，在工程實踐沒必要也不可能考慮所有的因素。為了更加全面的反映水利管理現(xiàn)代化水平就要求從復(fù)雜的評價信息中選擇代表性好、獨(dú)立性強(qiáng)且存在主導(dǎo)作用的指標(biāo)，選取的評價指標(biāo)不僅要滿足易獲取性要求，而且能夠客觀、科學(xué)、準(zhǔn)確的反映管理現(xiàn)代化特征[6-9]。

結(jié)合水利現(xiàn)代化管理的技術(shù)方法、內(nèi)涵特征和工程實際情況，在遵循公認(rèn)性、導(dǎo)向性、可行性、獨(dú)立性、系統(tǒng)性、傳統(tǒng)與創(chuàng)新等原則的基礎(chǔ)上，經(jīng)充分的論證、比較建立較為系統(tǒng)的評價體系[10]，見表2。

表2 水利管理現(xiàn)代化的評價體系及其內(nèi)涵

續(xù)表2 水利管理現(xiàn)代化的評價體系及其內(nèi)涵

然后以江西省境內(nèi)的洋前壩水庫、嶺下水庫、大口塢水庫、東源塢水庫、廖家塢水庫、勤儉水庫、石雞水庫、樂平市續(xù)湖聯(lián)圩除險加固工程、樂平市城市應(yīng)急實施段項目、上饒市城市防洪工程三江導(dǎo)托渠改擴(kuò)建工程等10個水利工程項目為例，對現(xiàn)代化管理評價因子初始數(shù)據(jù)利用專家打分法確定，見表3。決策與條件屬性集可表示為D=j5i0abt0b、C={c1，c2，…，c34}，水利工程項目構(gòu)成的論域為U={n1,n2,…,n10}，對各因子屬性重要度利用上述步驟計算確定。結(jié)合水利工程運(yùn)行管理實際情況，離散化處理表3中各參數(shù)值，由此確定離散化處理后的信系統(tǒng)決策值。

表3 水利項目管理現(xiàn)代化評價值

續(xù)表3 水利項目管理現(xiàn)代化評價值

由于水利現(xiàn)代化管理評價設(shè)計到的因素較多，閾值設(shè)定為0.5，根據(jù)決策和條件數(shù)據(jù)將離散化后的數(shù)據(jù)論域分類，結(jié)果如下：

U/D={Y1,Y2,Y3}

(4)

式中：Y1={n10}、Y2={n1，n2，n3}，Y3={n4，n5，n6，n7，n8，n9}，然后對U/(C-{c1})、U/(C-{c2})、…、U/(C-{c34})進(jìn)行分析。

各指標(biāo)重要度和各分類信息量按照計算式(2)、(3)計算確定，結(jié)果如表4。根據(jù)屬性重要度計算結(jié)果可確定冗余指標(biāo)有c33、c30、c29、c26、c19、c18、c17、c12、，由此表明水利現(xiàn)代化管理最終評價結(jié)果受這些指標(biāo)的影響程度較低。根據(jù)下式計算確定其他各項屬性的權(quán)重值見表4，計算式為：

(5)

表4 各屬性權(quán)重、重要度和信息量計算結(jié)果

3 結(jié) 論

水利現(xiàn)代化管理覆蓋的范圍較廣、因素較多，且不同地區(qū)的江河湖泊水文情勢不同，管理現(xiàn)代化水平存在較大差異，因此評價指標(biāo)應(yīng)盡可能的反映水利管理過程存在問題、現(xiàn)狀水平和發(fā)展變化特點(diǎn)，文章從多個不同方面選取能夠反映水利管理水平的典型指標(biāo)并建立評價體系，得住的結(jié)論如下：

1)在水利現(xiàn)代化管理評價中引入粗糙集理論法，為獲取各評價指標(biāo)對水利管理現(xiàn)代化的影響計算分析了各參數(shù)實測數(shù)值，可為客觀科學(xué)的反映水利工程安全運(yùn)行狀況、現(xiàn)代化水平及其實現(xiàn)程度提供科學(xué)依據(jù)。

2)水利管理水平和現(xiàn)代化建設(shè)目標(biāo)要求受不同時期的經(jīng)濟(jì)條件、歷史環(huán)境、科學(xué)技術(shù)等因素的影響，因此它屬于動態(tài)的演變過程，其現(xiàn)代化標(biāo)準(zhǔn)和進(jìn)程也有所不同，為仍需要進(jìn)一步完善綜合評價體系和等級劃分標(biāo)準(zhǔn)。