基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的林區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展預(yù)警系統(tǒng)研究

王 剛，朱富華

（四川省敘永縣半邊山國營(yíng)林場(chǎng)，四川 瀘州 646005）

1 引言

近年來林區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)國民經(jīng)濟(jì)做出了巨大的貢獻(xiàn)，然而隨著林業(yè)可再生資源的逐漸枯竭，林區(qū)的一些經(jīng)濟(jì)問題也日趨嚴(yán)重[1]，對(duì)林區(qū)經(jīng)濟(jì)情況進(jìn)行檢測(cè)和預(yù)警，確保林區(qū)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定、健康、可持續(xù)的發(fā)展，是當(dāng)前工作中的首要問題。

林區(qū)經(jīng)濟(jì)作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，具有非線性復(fù)雜系統(tǒng)的特性。林區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，不僅涉及到經(jīng)濟(jì)問題，還與林區(qū)生態(tài)、環(huán)境、資源、人口等問題交織纏繞，難以使用傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)警。對(duì)林區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展預(yù)警，首先要根據(jù)林區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃，構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展警兆指標(biāo)體系，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用可動(dòng)態(tài)調(diào)整、自主學(xué)習(xí)的預(yù)測(cè)分析算法，使用過往數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，從而得到對(duì)未來發(fā)展的預(yù)測(cè)和預(yù)警。

2 林區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展預(yù)警指標(biāo)體系的構(gòu)建

2.1 指標(biāo)體系構(gòu)建的原則

林區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展預(yù)警系統(tǒng)是一種多警情并列式系統(tǒng)[2]，其指標(biāo)體系應(yīng)具備系統(tǒng)性、層次性、邏輯性、穩(wěn)定性和可操作性等特點(diǎn)。

系統(tǒng)性原則是指從整體上看，指標(biāo)體系的構(gòu)建應(yīng)具有支撐整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作的全方位特點(diǎn)，涵蓋林區(qū)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境、資源等多方面指標(biāo)，將林區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各方面因素有機(jī)結(jié)合起來。

層次性原則是指體系應(yīng)能全面反映警情、警源和警兆，體現(xiàn)各指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系、符合經(jīng)濟(jì)發(fā)展的邏輯規(guī)律。根據(jù)各指標(biāo)間的相關(guān)性將其分成不同類別和多個(gè)層次，從上到下逐漸細(xì)化指標(biāo)，以便研究分析。

林區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展是一個(gè)長(zhǎng)期漸進(jìn)的動(dòng)態(tài)過程，因此要對(duì)林區(qū)經(jīng)濟(jì)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和預(yù)警，需要選定可以保持相對(duì)穩(wěn)定，同時(shí)具有一定靈活性的預(yù)警指標(biāo)。

林區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建目的是為經(jīng)濟(jì)管理和規(guī)劃提供決策依據(jù)，同時(shí)為降低預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行的成本，指標(biāo)的選取應(yīng)簡(jiǎn)單明了，數(shù)據(jù)應(yīng)較容易獲取或采集，且以較為簡(jiǎn)單的形式體現(xiàn)[3]。

2.2 林區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)體系

根據(jù)學(xué)科領(lǐng)域的不同，可持續(xù)發(fā)展的指標(biāo)體系有多種不同的分類方法[4]。一個(gè)林區(qū)是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，包含多個(gè)相互作用、相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)上，層次化的思路將林區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的指標(biāo)分為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、生態(tài)環(huán)境指標(biāo)和社會(huì)指標(biāo)3個(gè)子系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行按預(yù)警指標(biāo)、警兆指標(biāo)進(jìn)行細(xì)化，如表1所示。

表1 林區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)體系

3 林區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展預(yù)警系統(tǒng)的組成要素

林區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展預(yù)警是一個(gè)復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)分析與預(yù)測(cè)過程，需要結(jié)合預(yù)警理論和林區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的指標(biāo)體系，合理的設(shè)計(jì)預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由警情、警源、警兆和警度等要素構(gòu)成。警情是在預(yù)警時(shí)需要檢測(cè)和預(yù)報(bào)的內(nèi)容。警源是警報(bào)情況產(chǎn)生的根源，在林區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展預(yù)警中，警源通常來自于自然因素（如林木蓄積量低于閾值）、外在因素（如國家林業(yè)經(jīng)濟(jì)政策變化）和內(nèi)部因素（如林區(qū)造林投資下降）。

警兆是指警情爆發(fā)前的先兆，對(duì)警兆進(jìn)行分析是預(yù)警過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通常來說，不同的警情對(duì)應(yīng)不同的警兆。警兆和警情之間存在直接或間接的相關(guān)關(guān)系。

警度即警告級(jí)別，是根據(jù)警兆的變化對(duì)警情嚴(yán)重程度的描述。警度確定的關(guān)鍵是根據(jù)據(jù)歷史分析、專家調(diào)查、國際對(duì)比、數(shù)學(xué)方法等綜合因素確定警線。本文借鑒文獻(xiàn)[5]中的方法，將警度劃分為無警、弱警、中警和重警等4個(gè)警線。

4 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的警兆分析

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用一定的簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型來對(duì)生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，能在某種程度上模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所具有的智能行為，解決傳統(tǒng)算法不能勝任的智能信息處理問題[6]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有平行分散式的處理模式，具有強(qiáng)大的函數(shù)擬合能力和自主學(xué)習(xí)能力，可以根據(jù)新的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行自我學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。因此特別適合對(duì)復(fù)雜多變的經(jīng)濟(jì)發(fā)展警兆指標(biāo)進(jìn)行處理，擬合警兆和警情間的非線性映射關(guān)系，從而預(yù)報(bào)未來林區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展警情。

在多種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理論研究和實(shí)踐應(yīng)用較為成熟。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種單向傳播的多層前向網(wǎng)絡(luò)。除輸入節(jié)點(diǎn)外，有一層或多層的隱層節(jié)點(diǎn)，同一層的節(jié)點(diǎn)間沒有任何耦合。輸入信號(hào)從輸入層節(jié)點(diǎn)輸入，依次傳過各隱層節(jié)點(diǎn)，最終傳遞到輸出接點(diǎn)。實(shí)際上，BP網(wǎng)絡(luò)是一種輸入到輸出的高度非線性映射，通過對(duì)非線性函數(shù)進(jìn)行多次復(fù)合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜函數(shù)的擬合。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用有導(dǎo)師學(xué)習(xí)模式，其訓(xùn)練過程就是一個(gè)根據(jù)已有樣本，對(duì)復(fù)雜函數(shù)進(jìn)行擬合的過程，通常分為信號(hào)前向傳輸、誤差反向傳輸以及權(quán)值和偏置值調(diào)整三個(gè)步驟。通過不斷地修正權(quán)值和偏置值，擬合的誤差會(huì)逐步縮小直至滿足要求。

對(duì)于傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)預(yù)警方法而言，由于存在對(duì)警兆資料數(shù)據(jù)要求高、自身容錯(cuò)性差、不能自主學(xué)習(xí)等缺陷，因此采用模式識(shí)別或人工智能等非線性的分析方法進(jìn)行警兆分析[7]，是各種經(jīng)濟(jì)預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有的非線性、自組織自學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，可以很好的適應(yīng)警兆指標(biāo)和警情關(guān)系的頻繁變化。對(duì)于過往經(jīng)濟(jì)情況的分析，可以將歷年警兆指標(biāo)值和警情警度錯(cuò)位地組成樣本進(jìn)行訓(xùn)練，得出警兆指標(biāo)和未來某一年林區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的映射關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，通過輸入當(dāng)前的警兆指標(biāo)數(shù)據(jù)，即可預(yù)報(bào)未來特定時(shí)間的警情和警度。

5 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的林區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)前述討論設(shè)計(jì)的林區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展預(yù)警系統(tǒng)如圖1所示。在政府經(jīng)濟(jì)管理部門、林業(yè)部門等聯(lián)合對(duì)林區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展做出規(guī)劃后，可根據(jù)林區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)體系采集預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行所需的警兆數(shù)據(jù)。對(duì)警兆數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果發(fā)布警報(bào)。其中，警兆數(shù)據(jù)作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層，警兆分析和預(yù)測(cè)在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱藏層運(yùn)行，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出即為系統(tǒng)警報(bào)。

圖1 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的林區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

[1]王 剛，陳建成.基于人口承載力的國有林區(qū)可持續(xù)發(fā)展研究[J].中國林業(yè)經(jīng)濟(jì)，2010（3）：6～9.

[2]尹 豪，方子節(jié).可持續(xù)發(fā)展預(yù)警的指標(biāo)構(gòu)建和預(yù)警方法[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2000（11）：332～336.

[3]王 海.吉林省國有林區(qū)可持續(xù)發(fā)展綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究[J].林業(yè)經(jīng)濟(jì)，2000（6）：32～36.

[4]謝洪禮.關(guān)于可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)體系的述評(píng)（三）[J].統(tǒng)計(jì)研究，1999（2）：61～64.

[5]王漢斌，李志鐸.礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展預(yù)警機(jī)制構(gòu)建及方法[J].工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2011（04）：7～12.

[6]汪 鐳.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論在控制領(lǐng)域中的應(yīng)用綜述[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001（3）：357～362.

[7]曾 又.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的西安市房地產(chǎn)預(yù)警系統(tǒng)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2008.