基于多目標(biāo)粒子群的水庫移民安置區(qū)選址決策方法

唐維陽

(江蘇省工程勘測研究院有限責(zé)任公司，江蘇 揚(yáng)州 225002)

隨著各地區(qū)經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，水電行業(yè)迅速發(fā)展壯大，各地區(qū)大興水利，解決了國民水資源緊缺的問題。許多水利建設(shè)工程，因?yàn)樗畮斓母采w區(qū)域廣闊、淹沒面大的特征，給周邊群眾的生活造成了諸多不利影響，從而產(chǎn)生了大批的水庫移民，水庫移民的安置問題也因此出現(xiàn)。水庫移民安置區(qū)的選址必須以人作為首要的考慮因素，以人為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，選擇適合水庫移民生產(chǎn)生活的地點(diǎn)作為水庫移民的安置區(qū)。怎樣合理地安排水庫移民，確定水庫移民安置區(qū)的選址是亟待解決的問題。

傳統(tǒng)的選址決策方法采用單一方式對水庫移民安置區(qū)進(jìn)行選址，計算出的水庫移民安置區(qū)的效用值較低，往往制約著水利或水電工程的開發(fā)步伐。

為了解決這一問題，本文提出基于多目標(biāo)粒子群的決策方法，對水庫移民安置區(qū)選址進(jìn)行設(shè)計和研究。

1 水庫移民安置區(qū)選址決策方法設(shè)計

1.1 確定選址決策的可量化目標(biāo)

通過分析水庫移民安置區(qū)選址決策的影響因素，了解到應(yīng)該通過具體數(shù)據(jù)計算來進(jìn)行水庫移民安置區(qū)選址決策方法的實(shí)際應(yīng)用。決策影響因素分析的基礎(chǔ)上對決策影響因素進(jìn)行優(yōu)化轉(zhuǎn)化，將定性的決策影響因素轉(zhuǎn)化為可以定量計算的決策目標(biāo)，來確保文本研究方法的客觀性。

考慮到水庫移民安置區(qū)的距離問題，將安置區(qū)的距離量化為最近距離最小化目標(biāo)，水庫移民安置區(qū)的距離不應(yīng)該離民眾本身的居住地較遠(yuǎn)，還要考慮到安置區(qū)周邊的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活環(huán)境等問題?？刂坪盟畮煲泼癜仓脜^(qū)的成本，選擇最合適的地點(diǎn)作為水庫移民的安置區(qū)。由于水庫移民安置區(qū)的多方面成本在各個地點(diǎn)之間差異不大，本文不考慮每個水庫移民安置區(qū)的成本差異，所以將成本因素量化為水庫移民安置區(qū)數(shù)量最小化目標(biāo)。一個安置區(qū)在合理規(guī)劃下最多可以容納的水庫移民人數(shù)，在符合規(guī)范的情況下對安置區(qū)進(jìn)行最大化的利用，將安置區(qū)的容納人數(shù)量化為覆蓋最大化目標(biāo)。水庫移民應(yīng)當(dāng)?shù)玫骄徒仓?，綜合各方面考慮選擇最優(yōu)地點(diǎn)作為水庫移民的安置區(qū)，將最優(yōu)地點(diǎn)量化為總路程最小化目標(biāo)。對可量化水庫移民安置區(qū)選址問題的分析與總結(jié)見表1。

表1 可量化目標(biāo)選址問題分析

1.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

水庫移民安置區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息根據(jù)準(zhǔn)則量化為完全連續(xù)的變量后，用因子表示待考察的水庫移民安置區(qū)選址周邊的生活環(huán)境。由于每個待考察的安置區(qū)選址的占地面積不同，經(jīng)濟(jì)發(fā)展都不盡相同，對安置區(qū)進(jìn)行選址決策方法設(shè)計會受到相應(yīng)影響，不能直接進(jìn)行安置區(qū)選址計算，所以將待考察的安置區(qū)選址表達(dá)為一個特定的數(shù)字區(qū)間(如從0到1，從0到10，從0到100等)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，指標(biāo)的量化和標(biāo)準(zhǔn)化將直接影響選址的精度合理性[1]。

本文使用極值標(biāo)準(zhǔn)化法的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將水庫移民安置區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)控制在最大滿足條件與最小滿足條件之間，然后根據(jù)規(guī)則對安置區(qū)的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行線性處理，通過簡單的線性變換把因子的范圍值重新調(diào)整到公共的數(shù)值區(qū)間，標(biāo)準(zhǔn)化處理的公式為：

(1)

式中，Xi—最優(yōu)的水庫移民安置區(qū)選址；xi—因子i的初值(待選址的容納人數(shù)的初始值)；mini—因子i的最小值(待選址的最少容納人數(shù))；maxi—因子i的最大值(待選址的最多容納人數(shù))。

1.3 基于多目標(biāo)粒子群的權(quán)重計算

多目標(biāo)粒子群算法是一種基于群智能的進(jìn)化算法。在眾多可供選擇的水庫移民安置區(qū)中，將每個安置區(qū)個體當(dāng)作一個沒有質(zhì)量、體積的粒子。粒子依靠其適應(yīng)函數(shù)值判定與最佳安置區(qū)的距離，粒子最終位置的確定根據(jù)選址的周邊環(huán)境等因素確定[2]。在眾多因素的影響下，不能簡單地將目標(biāo)進(jìn)行處理，應(yīng)當(dāng)對周邊環(huán)境等影響因素分析后，再根據(jù)安置區(qū)安置條件的具體要求進(jìn)行目標(biāo)求解，理想的求解過程如圖1所示。

圖1 理想的多目標(biāo)求解過程

首先確定每個安置區(qū)中重要性最高與最低的兩項(xiàng)指標(biāo)要求，隨后將其他每個安置區(qū)分別與最優(yōu)與最劣安置區(qū)選址進(jìn)行對比，得到2個比較向量，通過這2個比較向量最終確定安置區(qū)指標(biāo)權(quán)重[3]。設(shè)j為任意安置區(qū)的選址指標(biāo)，則其最優(yōu)權(quán)重表示為：

(2)

式中，wg—最優(yōu)的移民安置區(qū)選址；wj—最優(yōu)權(quán)重；ww—最差的移民安置區(qū)選址；agj—最佳移民安置區(qū)選址相對于移民安置區(qū)的重要程度，若其等于1，則二者重要程度相同，若其等于9，則前者的重要程度高于后者；ajw—最差的移民安置區(qū)選址相對于移民安置區(qū)的重要程度，其在數(shù)值表示上與agj相同[4]。然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)化選擇規(guī)劃，具體規(guī)劃過程如下所示：

(3)

通過上述式子對最優(yōu)權(quán)重的加工計算后，再通過一致性比率的概念來衡量某一比較的一致性程度。根據(jù)下面的公式進(jìn)行計算：

(4)

上述式子中ξ表示的是：移民安置區(qū)選址的一致性指標(biāo)。然后進(jìn)行一致性比率計算，計算公式為：

(5)

式中，φ—移民安置區(qū)選址比較的一致性比率；CI—一致性指數(shù)，其代表比較向量具有最大不一致性時的一致性指標(biāo)值，其取值見表2。

表2 一致性指數(shù)表

一致性比率的范圍在0到1之間，當(dāng)其數(shù)值較小時，則此時的比較向量具有較高的一致性。

1.4 構(gòu)建水庫移民安置區(qū)選址決策模型

根據(jù)離散整數(shù)規(guī)劃的數(shù)學(xué)思想，確定好各個決策目標(biāo)的約束條件，然后各個決策目標(biāo)模型應(yīng)用的約束條件整合在一起，構(gòu)建一個綜合考慮多個決策目標(biāo)的模型[5]。整合各個目標(biāo)的約束條件，其中每個水庫移民只能選擇一個安置區(qū)進(jìn)行安置，本文構(gòu)建的水庫移民安置區(qū)選址決策模型如下所示：

(6)

本文利用線性加權(quán)法進(jìn)行計算，構(gòu)建水庫移民安置區(qū)選址決策模型。使用函數(shù)對目標(biāo)進(jìn)行簡單的線性變換，對導(dǎo)函數(shù)和冪函數(shù)的求解[6]。這一模型的設(shè)計解決了水庫移民安置區(qū)選址決策方法設(shè)計過程中，數(shù)據(jù)的計算目標(biāo)較多的問題，降低了算法的復(fù)雜度，并且使水庫移民安置區(qū)的選址更加地科學(xué)合理。

2 實(shí)驗(yàn)

本文結(jié)合水利工程的實(shí)際情況，將移民安置區(qū)分為本村就近、出村本鎮(zhèn)和出鎮(zhèn)外遷3種。本村安置在就近區(qū)域內(nèi)距水庫岸邊100m以內(nèi)的安全區(qū)域內(nèi)；出村本鄉(xiāng)安置在本鎮(zhèn)，但是非本村的安全區(qū)域內(nèi)；出鎮(zhèn)外遷安置在本鎮(zhèn)以外的安全區(qū)域內(nèi)，這3類安置區(qū)以移民搬遷距離作為劃分依據(jù)。使用本文的多目標(biāo)粒子群的方法和傳統(tǒng)的選址決策方法對水庫移民的安置區(qū)進(jìn)行選址研究。

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

影響移民安置區(qū)的因素眾多，涵蓋許多不同領(lǐng)域，指標(biāo)類型和性質(zhì)也不盡相同，且一些指標(biāo)不便于進(jìn)行定量計算，因此在實(shí)際操作中，為保證計算的可行性和效率性，指標(biāo)體系不宜太過復(fù)雜，要充分考慮數(shù)據(jù)的可獲取性和可操作性。根據(jù)水庫樞紐工程的實(shí)際情況，本文選取經(jīng)濟(jì)環(huán)境這個指標(biāo)作為一級指標(biāo)，再選擇4個二級指標(biāo)，然后將他們作為整個實(shí)驗(yàn)過程中的指標(biāo)體系。本文實(shí)驗(yàn)研究的水庫移民安置區(qū)優(yōu)選的指標(biāo)結(jié)構(gòu)見表3。

表3 指標(biāo)結(jié)構(gòu)體系

綜合實(shí)際情況，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，本文構(gòu)建100m×100m的網(wǎng)格模擬真實(shí)情況的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)區(qū)。根據(jù)生成的網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件和網(wǎng)格中心點(diǎn)文件，確定實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)各指標(biāo)因子的空間分布情況，模擬水庫移民安置區(qū)選址的地理空間環(huán)境。以網(wǎng)格中心點(diǎn)作為水庫移民安置區(qū)選址的中心，對周邊的經(jīng)濟(jì)環(huán)境和自然環(huán)境進(jìn)行空間搜索[7]。計算網(wǎng)格中心點(diǎn)環(huán)境設(shè)施的距離，計算原理如圖2所示。

圖2 設(shè)施服務(wù)可達(dá)性計算原理圖

本文研究的水庫移民安置點(diǎn)共計50個，其中包含了本村就近安置點(diǎn)23個、出村本鎮(zhèn)安置點(diǎn)10個、出鎮(zhèn)外遷安置點(diǎn)19個，其選址涉及多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。本文從上述三種類型的水庫移民安置點(diǎn)中，選擇4個典型的安置點(diǎn)作為本次實(shí)驗(yàn)研究的對象，然后做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)水庫移民安置區(qū)選址工程的資料與數(shù)據(jù)，整理得到各移民安置點(diǎn)的基本資料，建立了標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣和加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣，表4顯示的是在各個等級指標(biāo)體系下，相應(yīng)的二級指標(biāo)體系中對總體目標(biāo)的權(quán)重。

利用表4中的水庫移民安置點(diǎn)各指標(biāo)權(quán)重，再進(jìn)行規(guī)范化處理，得到加權(quán)規(guī)范化決策矩陣，然后進(jìn)行結(jié)果的計算和分析。

表4 水庫移民安置點(diǎn)的指標(biāo)權(quán)重

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上表的矩陣分別計算各個水庫移民安置區(qū)的效用值，得出本次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。再將使用兩種不同的決策方法得出的水庫移民安置區(qū)的效用值進(jìn)行對比，見表5。

從表5可以看出，水庫移民安置點(diǎn)Ⅰ的效用值，比Ⅲ的效用值高了0.133，水庫移民安置點(diǎn)Ⅲ比Ⅱ的效用值高了0.740，水庫移民安置點(diǎn)Ⅱ比Ⅳ的效用值高了0.102，所以水庫移民安置點(diǎn)Ⅰ的經(jīng)濟(jì)環(huán)境優(yōu)勢最大。使用本文的決策方法得到的水庫移民安置區(qū)選址，整體的效用值大于傳統(tǒng)的決策選址方法。

表5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語

使用多目標(biāo)粒子群的方法為水庫移民安置區(qū)的選址提供了一個可建設(shè)性的研究方向，本文通過應(yīng)用多目標(biāo)粒子群的方法決策出的水庫移民安置區(qū)，相比于傳統(tǒng)的決策方法的效用值更高。本文研究的決策選址方法對水庫移民安置區(qū)的選址具有重要意義，為水庫移民的生產(chǎn)生活提供了較大的幫助。