基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人口數(shù)量預(yù)測(cè)模型研究

陳嘉寧　徐伊　韓崢

摘??要：眾所周知，人口和資源之間的沖突是現(xiàn)今社會(huì)的最突出的矛盾之一。本文主要針對(duì)人口和資源需求和有限的資源和遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人生增長(zhǎng)率的資源再生率之間的矛盾已經(jīng)是世界性的社會(huì)問(wèn)題，現(xiàn)在世界公認(rèn)的解決途徑都聚焦到開(kāi)源節(jié)流，提高資源利用率，進(jìn)行了控制人口增長(zhǎng)率趨向零增長(zhǎng)甚至負(fù)增長(zhǎng)的研究。利用這類(lèi)預(yù)測(cè)問(wèn)題，我們選取了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型做了訓(xùn)練學(xué)習(xí)，通過(guò)學(xué)習(xí)后的模型進(jìn)行預(yù)測(cè)判斷。首先模型的建立有著充分的數(shù)學(xué)理論支持，并且在訓(xùn)練過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的預(yù)處理及通過(guò)加入動(dòng)量因子實(shí)現(xiàn)誤差優(yōu)化時(shí)的梯度引導(dǎo)都使模型更具普適性，提高了模型判斷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率。其次利用python作為實(shí)現(xiàn)算法和模型搭建的工具，使計(jì)算準(zhǔn)確高效，更利于模型的分析和調(diào)整，也更利于對(duì)問(wèn)題的分析和解決。最后模型的優(yōu)缺點(diǎn)和可推廣的方向及應(yīng)用做了闡述，希望能實(shí)現(xiàn)技術(shù)的再利用和再優(yōu)化。如果比正常歷史的增長(zhǎng)速度一致或者更短，那就說(shuō)明該方案不具有長(zhǎng)期意義，只能在短期內(nèi)緩解問(wèn)題的發(fā)展。若能夠延長(zhǎng)這個(gè)時(shí)間周期，甚至和資源再生的速率相匹配，那么就能證明滅霸策略的正確性，但是如果前一假設(shè)成立，該假設(shè)則沒(méi)有比較的意義。

關(guān)鍵詞：人口資源矛盾;人口增長(zhǎng)周期;BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型;數(shù)據(jù)預(yù)處理;動(dòng)量因子

引言

在科幻電影《復(fù)仇者聯(lián)盟》中，“大反派”滅霸為了維護(hù)所謂的“宇宙平衡”，在集齊所有的寶石之后打了一個(gè)響指，讓宇宙中的生命瞬間減少了一半，他打響指的原因是人口數(shù)量急劇增加，資源人口分配不均，宇宙不能持續(xù)發(fā)展。電影中，在地球少了一半人之后，生態(tài)環(huán)境得到了改善。人類(lèi)自從誕生以來(lái)，進(jìn)步一直很快，發(fā)展出了輝煌的人類(lèi)文明。從一二百年前到這幾年的時(shí)間里，因?yàn)楣I(yè)革命、能源革命，人類(lèi)改造自然的速度明顯加快了很多。但是，對(duì)自然不合適的改造的惡果也開(kāi)始顯現(xiàn)，資源匱乏、能源危機(jī)，環(huán)境也越來(lái)越差……而減少一半的人口之后，這些問(wèn)題至少在短期內(nèi)，就可以得到一定的改善。滅霸認(rèn)為如果地球上減少一半的人，生態(tài)、環(huán)境、資源等情況都可以獲得改善，地球就可以可持續(xù)發(fā)展。我們要做的就是單純從數(shù)學(xué)的角度進(jìn)行量化分析，論證或者推翻這個(gè)觀點(diǎn)。

1、問(wèn)題分析

針對(duì)提出的問(wèn)題，我們需要計(jì)算1.2中兩種情況下分別需要花費(fèi)的時(shí)間，第一種情況可以應(yīng)用模型進(jìn)行求解，第二種問(wèn)題可以直接在現(xiàn)有數(shù)據(jù)中找到答案。

建立bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以2018年世界人口數(shù)量的1/2和各種必需的資源量為輸入量，求出之后的100年里的人口增長(zhǎng)率和合理的人口容量，然后，觀察得出達(dá)到現(xiàn)在的人口數(shù)目所需要的時(shí)間。然后根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，得到在正常歷史當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)這1/2的增長(zhǎng)所需要的時(shí)間，二者比較，判斷滅霸此舉動(dòng)是否合理。以《復(fù)仇者聯(lián)盟3》中滅霸打響指的時(shí)間2018年為基準(zhǔn)，分別計(jì)算以2018年人口數(shù)量的一半n/2為起點(diǎn)，到達(dá)到現(xiàn)有的人口數(shù)目的時(shí)間，并和歷史上增長(zhǎng)相同人口區(qū)間所需要的時(shí)間做比較，以此來(lái)判定是否支持滅霸減少一半人口的行為。

2、模型的建立

由題干提取信息可知，該題的求解點(diǎn)在于當(dāng)前資源在長(zhǎng)短期中是否能支撐現(xiàn)有的人口的消耗。因?yàn)榭茖W(xué)技術(shù)水平有限，我們無(wú)法以全宇宙的人類(lèi)作為問(wèn)題主體，因此我們退而求其次將目光放到地球的人類(lèi)人口上，以部分推斷全部的思想解決問(wèn)題。將目光聚焦到題中提到的地球人口與資源的日益緊張的關(guān)系，因此我們的第一步就是要將人口數(shù)目與資源之間的關(guān)系抽象出來(lái)，以該模型得到合理人口容量，以此與現(xiàn)階段人口數(shù)量進(jìn)行比較，得出短期結(jié)論。而長(zhǎng)期結(jié)論，則通過(guò)對(duì)人口增長(zhǎng)率的計(jì)算進(jìn)行比較判斷。問(wèn)題分析完畢之后，將思路轉(zhuǎn)移到如何實(shí)現(xiàn)上。初步判斷這是一個(gè)通過(guò)資源數(shù)據(jù)得到人口數(shù)目的數(shù)學(xué)模型，現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型中能實(shí)現(xiàn)這類(lèi)功能的模型很多，其中效果較為突出的有線性回歸模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型。簡(jiǎn)單比較，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型較線性回歸模型有著非線性限定和高精度的優(yōu)勢(shì)，有著更精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)效果。輸入層神經(jīng)元以資源數(shù)據(jù)為屬性，在本題中，分別引用了淡水資源、糧食生產(chǎn)率、人均能源量、人均二氧化碳排放量這四個(gè)類(lèi)別作為影響人口的主要因素。因此輸入層神經(jīng)元設(shè)定為3個(gè)。

3、模型的求解

因此按照該模型需要的時(shí)間是39年，而按照現(xiàn)在的數(shù)據(jù)觀察可得，1972年的3，851，545，181到2018年的7，632，819，325花費(fèi)46年，從增長(zhǎng)速度上看，在縮減1/2后，只會(huì)增加人口的增長(zhǎng)速度，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于資源的再生效率，因此從該理由可以判斷滅霸的該做法不合理，只能在短期緩解人口與資源的矛盾，在長(zhǎng)期并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的意義。要緩解二者之間的關(guān)系，唯有開(kāi)源節(jié)流，控制人口增長(zhǎng)率是正途，短暫的和諧是僅僅是不和諧的暫停而已。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)輸入到輸出的映射方式，它的數(shù)學(xué)理論已經(jīng)證明了其具有對(duì)非線性模型的映射能力，并且適用于大部分內(nèi)部機(jī)制復(fù)雜的we難題。具有自學(xué)習(xí)自優(yōu)化能力，并且有一定的容錯(cuò)率，小樣本量的不正確不會(huì)影響整體模型的走向，整體樣本才會(huì)最終影響模型。模型的建立思路簡(jiǎn)單清晰，適用性強(qiáng)，靈活性高，假設(shè)合理，計(jì)算精確，算法成熟。在模型的求解，算法的搭建中，使用Python以及C++編譯工具，大大減少了計(jì)算時(shí)間，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

結(jié)論

人口過(guò)多，資源短缺仍是當(dāng)今中國(guó)乃至世界最具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，本模型在減緩這一問(wèn)題上有很強(qiáng)的適用性。通過(guò)我們的模型，可以預(yù)測(cè)未來(lái)較長(zhǎng)有一段時(shí)間內(nèi)人口數(shù)目的變化以及資源的變化情況，并給出合理的建議。還可以在日常生活中使用，比如應(yīng)用于城市人口的調(diào)度，綠色生態(tài)的建設(shè)，資源的合理分配等等。

在科技，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，人口，資源問(wèn)題是關(guān)系到世界可持續(xù)發(fā)展的重要因素，因此，合理準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)人口增長(zhǎng)情況對(duì)研究世界的經(jīng)濟(jì)生態(tài)發(fā)展具有重大的意義。然而，人口的變化收到眾多因素的牽制，因此對(duì)人口的預(yù)測(cè)與控制也就十分復(fù)雜。拋開(kāi)人道，滅霸的響指雖然改善了生態(tài)環(huán)境，但它只是暫時(shí)的，并沒(méi)有從根本上改善問(wèn)題，甚至加快了物種的增長(zhǎng)率。因此，解決這一問(wèn)題還開(kāi)源節(jié)流，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，普及計(jì)劃生育，控制人口增長(zhǎng)率。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳勁軍.《基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人口預(yù)測(cè)模型研究》[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004，3

[2] BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及Python實(shí)現(xiàn)?https：//blog.csdn.net/qq_42633819/article/details/82903871？tdsourcetag=s_pctim_aiomsg