基于粗糙集理論的水利工程現代化管理評價

吉鵬飛

(洛陽市水土保持監督監測站，河南 洛陽 471000)

0 引 言

水利工程在促進經濟社會發展、保障行洪排澇安全以及水資源供給等方面具有重要作用，當前水利現代化的根本目標為實現水資源與經濟社會、生態環境系統之間的協調發展，全面兼顧工程設施功能效益促進人水和諧相關。水利現代化不僅是促進經濟社會發展和建設水利設施現代化的必然要求，而且在全面建設小康社會和加快實現農業現代化進程中占據著重要地位，同時是解決當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性、區域性特征且內涵豐富、復雜龐大的綜合系統，涉及管理人才、手段、體制機制及工程效益等各個方面，客觀評價其實現水平可為促進區域發展、保障防洪與生態環境安全提供重要依據[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據聚合分類能力不變的情況下導出問題的決策或分類規則，通過知識簡約獲取簡潔的知識表達。

1 粗糙集理論

1.1 理論分析

1)根據粗糙集理論基本內涵，建立水利現代化管理知識庫。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。

根據粗糙集理論定義評價系統，由此建立水利現代化評價體系。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構。

2)形成信息表。將一個知識系統(U，A)可作為一個信息系統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，見表1。

表1 系統信息表

信息系統(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系統中存在的冗余信息，在不改變系統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據對分類知識發現的影響，為工程決策規則提供數據依據。采用邏輯運算和布爾算法，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，計算過程較為復雜。由此，設等價關系族為R，且符合條件P∈R，若存在不可分辨關系ind(R)=ind(R-{P})，則R的冗余即為P；否則，R的必要條件為P。設定P?R，若存在ind(R)=ind(P)關系且P滿足獨立條件，則R的一個約簡即為P。

4)從數據庫中挖掘有價值的、潛在的規律即為規則獲取，規則可作為屬性值之間的關系在知識表達系統中的數據模式，在粗糙集理論中數據的規則或模式主要是依據無法分辨關系隱含的數據粒度結構來發掘，由此獲取不確定和確定的決策規則。將決策規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的決策規則。

5)重要度和屬性依賴度。屬性關于信息表的重要性利用重要度來描述，它體現了屬性在整個系統中的重要地位。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]。設信息系統為A=[U，R]，P?R對于等價關系存在分類U/ind(P)={X1,X2,…,Xn}，則P的信息量可表示為如下形式：

(2)

根據下式計算屬性(attr)的重要度，其表達式為：

(3)

1.2 粗糙集求解權重

將水利管理各評價因子權重利用粗糙集法進行求解，其主要流程如下：

1)根據待評價樣本的工程特征、運行現狀和歷史數據資料，按照水利現代化管理目標要求構建評價指標集。

2)在數據分類能力不發生改變的情況下，各屬性值的離散化處理可采用BP網絡法和模糊聚類法等。

3)構建決策表。C、D中的屬性為條件與決策屬性，根據相關數據將論域劃分為不同的評判標準。考慮到現代化管理涉及到的范圍廣、因素多的實際情況，可設定閾值作簡化處理，同一要素在兩個評價樣本中均達到閾值時，兩者存在等價關系。

4)通過約簡處理和參數包含的信息量分析，對水利現代化評價多余參數刪減。

5)歸一化處理各條件屬性的重要度，科學合理的確定各指標最終權重。

2 實例分析

水利管理現代化覆蓋的范圍較廣、因素較多，不同地區的江河湖泊水文情勢不同，管理現代化水平也存在較大差異。因此，關于水利管理現代化的系統特征一般無法采用少數的幾個參數信息反映，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代化水平就要求從復雜的評價信息中選擇代表性好、獨立性強且存在主導作用的指標，選取的評價指標不僅要滿足易獲取性要求，而且能夠客觀、科學、準確的反映管理現代化特征[6-9]。

結合水利現代化管理的技術方法、內涵特征和工程實際情況，在遵循公認性、導向性、可行性、獨立性、系統性、傳統與創新等原則的基礎上，經充分的論證、比較建立較為系統的評價體系[10]，見表2。

表2 水利管理現代化的評價體系及其內涵

續表2 水利管理現代化的評價體系及其內涵

然后以江西省境內的洋前壩水庫、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、樂平市續湖聯圩除險加固工程、樂平市城市應急實施段項目、上饒市城市防洪工程三江導托渠改擴建工程等10個水利工程項目為例，對現代化管理評價因子初始數據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=g0gggggg、C={c1，c2，…，c34}，水利工程項目構成的論域為U={n1,n2,…,n10}，對各因子屬性重要度利用上述步驟計算確定。結合水利工程運行管理實際情況，離散化處理表3中各參數值，由此確定離散化處理后的信系統決策值。

表3 水利項目管理現代化評價值

續表3 水利項目管理現代化評價值

由于水利現代化管理評價設計到的因素較多，閾值設定為0.5，根據決策和條件數據將離散化后的數據論域分類，結果如下：

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})進行分析。

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

(5)

表4 各屬性權重、重要度和信息量計算結果

3 結 論

水利現代化管理覆蓋的范圍較廣、因素較多，且不同地區的江河湖泊水文情勢不同，管理現代化水平存在較大差異，因此評價指標應盡可能的反映水利管理過程存在問題、現狀水平和發展變化特點，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并建立評價體系，得住的結論如下：

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

2)水利管理水平和現代化建設目標要求受不同時期的經濟條件、歷史環境、科學技術等因素的影響，因此它屬于動態的演變過程，其現代化標準和進程也有所不同，為仍需要進一步完善綜合評價體系和等級劃分標準。