基于德爾菲法和云模型的水利信息化測度研究

劉英杰，薛智文，丁靜媛

(華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，鄭州 450045)

0 引 言

信息和通信技術(shù)的普及和使用方面的進(jìn)展一直是近幾十年來商業(yè)和社會變革的推動力，在現(xiàn)時代，很多經(jīng)濟(jì)和社會轉(zhuǎn)型都和信息技術(shù)緊密相關(guān)[1]。水利信息化是利用現(xiàn)代通信、互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)，探索與管理水資源信息，提高水資源的調(diào)度配置效率，完善水資源保護(hù)與治理措施，提高水資源管理的決策能力，全面提高水利行業(yè)的科學(xué)管理水平。水利部非常重視水利信息化規(guī)劃工作，經(jīng)過數(shù)年來的努力，水利信息化工作已取得相當(dāng)?shù)某删?。為了能更好地指?dǎo)水利信息化工作的深入開展，促進(jìn)水利信息化可持續(xù)發(fā)展，國家水行政主管部門在2005年至2015年間，對各省級及以上水利部門信息化發(fā)展情況進(jìn)行了調(diào)查分析。水利信息化年度報告在有效保障和持續(xù)推進(jìn)全國水利信息化科學(xué)持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，但信息化發(fā)展程度評估理論體系尚未完善，加之水利事業(yè)以及現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展迅速，如何客觀、科學(xué)的評價各地的水利信息化發(fā)展水平在一定程度上成為了影響水利信息化發(fā)展的難題[2]。在水利信息化年度發(fā)展報告中，水利信息化年度發(fā)展?fàn)顩r調(diào)查分析工作，在各年度間根據(jù)變化所采取的方法和采用的指標(biāo)有一定的側(cè)重和調(diào)整，但總的來說，它延續(xù)了水利信息化綜合體系和五個管理分類的基礎(chǔ)架構(gòu)，為進(jìn)一步開展全國水利信息化的研究工作奠定了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。過去的十幾年里很多學(xué)者對于水利信息化評估的研究做過不少工作，但是水利信息化評估尚存在以下不足：評價指標(biāo)數(shù)量少，深度不足；評價標(biāo)準(zhǔn)通用性不夠；評價定分機制主觀性較強，因此須對水利信息化測度工作做進(jìn)一步的研究[3]。

中國于2001年7月公布了國家信息化指標(biāo)構(gòu)成方案，該方案綜合了波拉特法和指數(shù)法等國際上主要的指標(biāo)體系的優(yōu)點，并結(jié)合中國的國情對關(guān)系到社會經(jīng)濟(jì)和生活的各個指標(biāo)進(jìn)行了充分的分析篩選，把國家確定的信息化六要素(信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，信息網(wǎng)絡(luò)，信息技術(shù)應(yīng)用，信息資源，信息化法規(guī)、政策和標(biāo)準(zhǔn)，信息化人才)分解為共20項具體指標(biāo)[4][5]。本文參考國家信息化指標(biāo)的選取和2006年—2015年年度中國水利信息化發(fā)展報告確立了水利信息化測度指標(biāo)體系，并借鑒已有的研究工作提出了基于德爾菲法和云模型法的測度方法，既充分利用了評價信息，又實現(xiàn)了定量定性之間的有效轉(zhuǎn)換[6]，本研究可為中國水利信息化管理機構(gòu)提供現(xiàn)狀分析和決策參考。

1 云模型基礎(chǔ)理論

模糊數(shù)學(xué)和概率論在解決不確定性問題中存在一定的局限性，對此，我國工程院院士李德毅教授在模糊數(shù)學(xué)和概率論的基礎(chǔ)上提出了云的概念。自李德毅院士等人提出云模型至今，云模型已成功的應(yīng)用到?jīng)Q策分析、智能控制和圖像處理等眾多領(lǐng)域[7]。云模型既能體現(xiàn)評價指標(biāo)的模糊性又能體現(xiàn)其隨機性，使用特定的語言來構(gòu)造“隸屬云”，由此形成了一種科學(xué)合理且強有力的計算工具，可得出具有較高可信度的評價結(jié)果[8]。

1.1 云的定義

設(shè)U為定量論域，C為U上的定性概念，如果存在C的一次隨機實現(xiàn)的定量值x，μ(x)∈[0,1]是x對C的確定度且是有穩(wěn)定傾向的隨機數(shù)，即：

μ:U→[0,1] ?x∈Ux→μ(x)

則稱x在U上的分布為云，稱每個x都為一個云滴，多個x反映C的整體特征[9]。

1.2 云的數(shù)字特征

在云模型中，是由期望Ex、熵En和超熵He來反映評判對象的關(guān)聯(lián)性和隨機性，期望Ex表示論域的中心，云滴的離散程度用En表示，超熵He為熵的熵，反映云層的離散程度和厚度[10]。

1.3 隸屬云發(fā)生器(MCG)

隸屬云發(fā)生器有正向和逆向兩種，它是云模型的基礎(chǔ)[8]。

(1)正向云發(fā)生器可將定性轉(zhuǎn)換為定量，算法如下。

首次生成正態(tài)隨機數(shù)：

En′～N(En,He2)

式中：En表示期望；He2表示方差。

再次生成正態(tài)隨機數(shù)：

x～N(Ex,En′2)

式中：Ex表示期望；En′2表示方差。

隸屬度計算：

(1)

式中：μ(x)為具有確定度μ的x為一個云滴[11]。

(2)逆向云發(fā)生器可將定量轉(zhuǎn)換為定性，算法如下：

樣本均值計算：

(2)

樣本方差計算：

通過上述幾個范疇的分析，我們可以看出魯迅在《野草》中一系列的哲學(xué)思想并不是單獨存在的，而毋寧說是互為因果、相互交融的。它們都指向了魯迅生命中的一個永恒的悖反，那就是為著人的解放與自由而對自我進(jìn)行深深地剖析，在反抗絕望的不懈努力中完成自身的人格塑造，如野草于不幸中尋求生存意義一般既腐朽無矣又無可腐朽。人的一生或許都在回答那些一開始就在困擾我們的問題，魯迅也選擇了這樣的命運。《野草》既是一個終結(jié)，又是一個開始，詩人對于人生的探索并沒有就此停止。面對虛妄的世界，魯迅選擇的個體生存準(zhǔn)則就是獨立自強的自我、執(zhí)著現(xiàn)在的真實、承擔(dān)痛苦的能力、拯救世界的大愛以及直面人生的勇氣……

(3)

熵和超熵的計算：

(4)

2 水利信息化測度模型的建立

2.1 指標(biāo)體系的確立及指標(biāo)權(quán)重的確定

本文參考國家信息化指標(biāo)的選取和2006-2015年年度中國水利信息化發(fā)展報告，選取最能反映水利信息化發(fā)展程度的數(shù)項指標(biāo)，剔除不適當(dāng)指標(biāo)，得出包含22個指標(biāo)的水利信息化測度指標(biāo)體系。選取這22個指標(biāo)對應(yīng)的上級指標(biāo)作為水利信息化測度指標(biāo)體系的準(zhǔn)則層。

指標(biāo)加權(quán)有多種確定方法，河海大學(xué)艾萍教授所寫的《中國水利信息化評估研究與實踐》一書中，對中國水利信息化評估工作中指標(biāo)權(quán)重的確定方法，使用了包括層次分析法、主成分分析法、熵值法和專家咨詢法以及均權(quán)法、頂層和全部加權(quán)法等方式，并進(jìn)行了綜合對比實驗，得出了各類權(quán)重確定和加權(quán)方法在表征水利信息化發(fā)展?fàn)顩r方面并無顯著差異的結(jié)論[12]。 由水利信息化的實際發(fā)展情況可知，截至目前還不能科學(xué)合理地對水利信息化各方面在整個信息化發(fā)展程度中的貢獻(xiàn)率做出準(zhǔn)確判斷。因此，為方便計算，易于應(yīng)用，本文采用均權(quán)[13]。指標(biāo)體系見表1。

2.2 評價云算法

(1)基礎(chǔ)評價云生成：為了確定評估等級云圖，需要先建立基礎(chǔ)評價云。本文根據(jù)等級分類，選取要素層指標(biāo)作為制定出水利信息化發(fā)展程度等級量化標(biāo)準(zhǔn)的因子。通過德爾菲法，并借鑒其他政策評價的度量標(biāo)準(zhǔn)，將水利信息化發(fā)展程度指標(biāo)因子進(jìn)行分級，根據(jù)水利信息化的長期目標(biāo)，本文將指標(biāo)的區(qū)間值定為[0, 100](所選指標(biāo)均為分值性指標(biāo))，根據(jù)專家意見結(jié)合其他相關(guān)度量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級，將評價區(qū)間確定為：[85, 100]優(yōu)，(70, 85]良，(55,70]中，(40,55]低，(0, 40]差，基礎(chǔ)評價云算法如下：

(5)

表1 水利信息化測度指標(biāo)體系

式中：βmax為區(qū)間的上限；βmin為區(qū)間的下限；k為常數(shù)，可根據(jù)模糊程度進(jìn)行調(diào)整[14,15]，本文取1.1。

(6)

3 實例分析

從2006-2015年年度中國水利信息化發(fā)展報告中選取最近四年即2012-2015的年度發(fā)展報告，統(tǒng)計出這四年年度發(fā)展報告中和本文確立的水利信息化測度指標(biāo)體系中指標(biāo)層22項指標(biāo)每年的具體數(shù)目，見表2。

3.1 基礎(chǔ)評價云生成

由基礎(chǔ)評價云算法結(jié)合公式(5)得出基礎(chǔ)評價云的數(shù)字特征，見表3。用MATLAB軟件生成基礎(chǔ)評價云圖，如圖1。

3.2 綜合評價云生成

表2 2012-2015年度指標(biāo)數(shù)目統(tǒng)計

表3 基礎(chǔ)評價云數(shù)字特征

圖1 基礎(chǔ)評價云圖

邀請十位研究水利信息化的資深專家采用德爾菲法根據(jù)表2及2012-2015年年度中國水利信息化發(fā)展報告內(nèi)容結(jié)合本文所用等級標(biāo)準(zhǔn)和實際情況對2015年22項指標(biāo)分別進(jìn)行評價打分，并計算出分?jǐn)?shù)均值，然后通過逆向云發(fā)生器得出要素層云數(shù)字特征，見表4，由要素層云數(shù)字特征可得其評價云圖，見圖2。

由要素層云數(shù)字特征結(jié)合公式(6)，得出綜合評價云數(shù)字特征值：Ex=82.99，En=0.784，He=1.091，得水利信息化發(fā)展程度綜合評價云圖，見圖3。

表4 要素層云數(shù)字特征

圖2 要素層評價云圖

圖3 綜合評價云圖

由圖2可知，指標(biāo)體系中各要素層的發(fā)展程度評價均在良及以上，其中信息采集與工程監(jiān)控評價已達(dá)到優(yōu)的狀態(tài)，說明全國水利信息化“十二五”期間信息采集能力提高迅速，也表明采集系統(tǒng)的自動化和信息化程度有了明顯提高。資源共享服務(wù)和水利信息化保障環(huán)境評價處于優(yōu)和良之間，從云圖可以看出與優(yōu)的重合度很高，因此應(yīng)繼續(xù)保持，穩(wěn)定進(jìn)步，從而達(dá)到優(yōu)的水平。綜合業(yè)務(wù)應(yīng)用和水利信息運行環(huán)境評價較低，從云圖可以看出與良的重合度非常高，基本與優(yōu)無重疊，要想得到改善，一方面要加大投資力度，及時更新信息化設(shè)備，另一方面相關(guān)部門應(yīng)出臺相應(yīng)規(guī)章制度并嚴(yán)格按照規(guī)章制度進(jìn)行綜合業(yè)務(wù)應(yīng)用和水利信息環(huán)境改善工作。從圖3可以看出水利信息化發(fā)展程度整體評價處于優(yōu)和良之間，且與良的重合度更高，屬于良的水平。

4 結(jié) 語

本文基于德爾菲法和云模型建立了一套水利信息化測度模型并對2015年水利信息化發(fā)展?fàn)顩r作出了合理評價。建立的指標(biāo)體系不僅克服了以往評價指標(biāo)體系中存在的定性指標(biāo)較多，量化測評難以實行的缺點，還解決了客觀性指標(biāo)較為缺失，難以反映實際情況的問題。評價模型將云模型理論對定性語言和定量數(shù)值相互轉(zhuǎn)換的特點和優(yōu)勢運用到評價模型中來，在一定程度上改善了以往水利信息化發(fā)展程度評價的諸多問題，有助于更好地把握水利信息化發(fā)展?fàn)顩r，找到短板，突出重點，有的放矢，便于對接下來的工作作出準(zhǔn)確指導(dǎo)。因此，本研究可為中國水利信息化管理機構(gòu)提供一套體系比較全面完整、可量化、可操作的科學(xué)有效的評價體系，提升水利信息化發(fā)展程度評價的科學(xué)客觀性，為實現(xiàn)水利信息化階段目標(biāo)提供現(xiàn)狀分析和決策參考，也可據(jù)此展開下一步研究。