基于BP神经网络的河南省可持续发展能力评价

孟天醒 文倩 范慧平

摘要：以河南省为例，构建了包含28项指标的可持续发展评价指标体系，涵盖经济、资源环境和社会三个子系统。基于2003-2012年河南省相关数据，运用人工神经网络理论和方法对河南省的可持续发展能力进行评价分析。结果表明，河南省可持续发展能力呈逐步提升态势，偶有波动；河南省各子系统可持续发展水平也为整体上升趋势，其中资源环境子系统20年间变化区间固定在4～8之间；经济子系统水平2003年之前变化较小，2004年开始明显提升；社会子系统呈现稳步上升态势，状态最为稳定。

关键词：可持续发展；BP神经网络；河南省

中图分类号：X22 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）05-1333-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.05.061

Analysis on Sustainable Development Ability in Henan Province Based on

BP Neural Network

MENG Tian-xing，WEN Qian，FAN Hui-ping

（College of Resources and Environment， Henan Agricultural University， Zhengzhou 450002， China）

Abstract： Taking Henan province as an example， the sustainable development evaluation index system was built which consisted of 28 indicators and 3 subsystems of economic， resource environment and the society. Based on relevant data from 2003 to 2012 of Henan Province， using the theory and method of artificial neural network in Henan province sustainable development ability evaluation and analysis， the results showed that the ability of sustainable development in Henan province was gradually improved， but occasionally fluctuated； the same as the sustainable development level of three subsystems in Henan province， in which changes in resources and environment subsystem was always between 4～8. And the economy subsystem level changed little before 2003 and it elevated obviously since 2004. Moreover， social subsystem was gradually rising and the level was the most stable.

Key words： sustainable development； BP neural network； Henan province

区域可持续发展是一个由资源环境、经济和社会三大子系统共同构成的复合生态系统，是三方面的协调发展[1]。由于各地区社会经济条件及其自然环境差异，可持续发展评价指标体系没有一个统一的标准，方法也各异[2]。国内外对可持续发展能力评价的研究多采用层次分析法[3]、生态足迹法[4]及DEA和因子分析法[5]。目前针对河南省进行的区域可持续发展能力评价研究较少，乔家君[6]运用改进熵值法进行定量分析，认为经济因子最为重要；指出要大力发展生产力，保证生态环境不退化，另外要控制人口增长。王安周等[7]运用生态足迹理论，结合人文发展指数、R/S分析方法，多角度探讨了河南省可持续发展状况。结果表明，河南经济发展在很大程度上是以环境、资源牺牲为代价的；人均生态足迹的供需比例增长，供需矛盾突出；人文发展指数与人均生态足迹指标协调度低。

在已有研究基础上结合河南省实际，从经济、资源环境和社会三个维度建立可持续发展能力评价指标体系，采用BP神经网络对河南省2003 — 2012年的可持续发展能力进行评价分析；同时就评价结果进行了相关分析，揭示了区域可持续发展规律，提出了区域可持续发展的对策和措施，以期为可持续发展战略决策提供科学依据。

1 研究区概况

河南省位于中国中东部，黄河中下游，自然条件优越；全省土地面积16.7 km2，平原面积占55.7%，耕地面积81 568 m2。地处北亚热带和暖温带地区，气候温和，日照充足，降水丰沛，适宜于农、林、牧、渔各业发展。河南是农业大省，是中国主要的粮棉生产基地，小麦、烟草和芝麻的产量居中国第一位。2013年河南省生产总值32 155.86亿元，比2012年增长9.0%。其中，第一产业增加值4 058.98亿元，增长4.3%；第二产业增加值17 806.39亿元，增长10.0%；第三产业增加值10 290.49亿元，增长8.8%。三次产业结构为12.6∶55.4∶32.0。

2 研究方法

BP（Back propagation）神经网络是人工神经网络的一种，克服了人工智能的缺陷，模仿动物神经网络行为进行分布式并行信息处理的数学算法模型，具有自适应、自组织能力[7]。BP算法通过输入、输出数据样本集，根据误差反向传递的原理对网络进行训练，其学习过程包括信息的正向传播以及误差的反向传播两个过程，对其反复训练，连续不断地在相对误差函数梯度下降的方向上對网络权值和偏差的变化进行计算，逐渐逼近目标[8]。BP神经网络是基于BP算法的多层前馈神经网络，BP神经网络算法简单、易行、计算量小、并行性强、适用范围广，并具有良好的鲁棒性和容错性。对于一个大规模的网络来说，个别神经元和连接的损坏不会影响整体的结果，它具有很强的学习能力，网络可在学习过程中不断自行完善。

河南省土地可持续利用评价BP神经网络模型采用由输入层、隐含层和输出层构成的3层网络结构，根据河南省可持续发展能力评价指标体系，确定输入层的神经元个数为28个，输出层的神经元个数为1个[9]。经多次模拟学习，证明隐含层神经元数目是合适的。这样就确定了河南省可持续发展能力评价BP神经网络模型的拓扑结构（图1）。

3 指标体系构建及数据来源

可持续发展是人与物的协调发展，是人类社会与自然环境的协调发展。在借鉴已有研究的基础上，将可持续发展能力分为三个子系统：经济子系统、社会子系统、资源环境子系统。依据评价指标选取的原则，结合可持续发展能力的内涵，选取28项指标构建河南省区域可持续发展能力评价指标体系（表1）。相关数据资料来源于2003 — 2012年《河南省统计年鉴》。

4 实证研究

4.1 河南省可持续发展能力综合指数测度

根据计算工作的特点，网络训练数据通常是由各种研究对象的评价标准构成，但人均固定资产投资和人均公共绿地面积等，区域可持续发展评价研究方面尚没用统一的判断标准。参照有关文献的选取方法，使用线性内插法，通过构建所有指标的原始数据的最大值和最小值区间，线性设定影响等级。设区域可持续发展综合指数为10分，梯度为0.2，由0到10分别表示可持续发展能力由低到高：[0，2]表示不可持续发展，[2，4]表示可持续发展能力较低，[4，6]表示可持续发展能力一般，[6，8]表示可持续发展能力较高，[8，10]表示高度可持续发展能力。

将梯度为0.2的51个得分值作为BP神经网络的输出数据，并将评价指标通过线性内插法处理为51个等级，最后得到28组共1 428个训练用的样本数据，作为输入数据。按照BP神经网络计算流程，设置隐含层神经元个数为57个，神经网络的拓扑结构为28-57-1。隐含层和输出层网络分别采用Sigmoid型激活函数和Purelin型激活函数，学习速率Lr设置为0.01，最大循环次数设置为2 000，均方误差MSE为10-4。

仅经过4次训练后，网络均方误差达到设定的精度（图2a），采用Scaled共轭梯度算法对BP网络进行仿真验证，主要考察网络输出结果和期望结果（图2b），图中纵轴为实际结果输出，横轴为期望结果，Output=0.99×Target+0.004 2。

4.2 结果与分析

将河南省区域可持续发展评价指标标准化的数据导入训练好的网络，得到1993 — 2012年河南省区域可持续发展综合指数（表2）。由表2可以看出，1993 — 2012年河南省可持续发展能力经历了由不可持续发展阶段、可持续发展能力较低阶段、可持续发展能力一般阶段、可持续发展能力较搞阶段到高度可持续发展阶段的连续提升。河南省可持续发展综合指数总体呈上升趋势，1996、2002 — 2005年出现波动，说明可持续发展综合能力为波动上升。1993 — 1999年，河南省可持续发展能力处于整体较低阶段，2000年后进入可持续发展阶段，在提升初期出现不稳定起伏，2005年后稳步上升。

社会、经济和资源环境三个子系统对于可持续发展能力的变化作用各异，以年份为横坐标，以各子系统综合指数为纵坐标，得到相应变化曲线（图3）。由图3可以看出，三个子系统指数整体变化都为上升趋势，其中社会和经济子系统除一两个特殊年份外均为稳步上升，而资源环境子系统在2005年前起伏波动，呈现不稳定状态，2005年后较为稳定，稍有提升。

5 小结

综合分析可持续发展能力综合指数与三个子系统评价结果可知，研究期内河南省可持续发展能力呈现整体上升趋势，偶有波动；说明河南省近20年在发展经济的同时，也注重资源环境的开发保护和社会发展水平及人口素质的培养，呈现可持续发展状态。河南省各子系统水平也为整体上升状态，其中资源环境子系统变化区间较小，20年间在4～8之间起伏上升；经济子系统水平2003年之前变化较小，2004年开始明显提升；社会子系统呈现稳步上升，状态最为稳定。3个子系统与可持续发展能力综合指数变化趋势均不完全一致，由此可见，河南省可持续发展能力的变化是社会、经济和资源环境3个子系统综合作用的结果，而非单个系统决定，三者缺一不可。

河南省应继续保持经济稳步增长，同时加快转变经济增长方式；努力突破近些年资源环境水平较低的状态，加大环境保护和治理投入，同时加快实现新能源的开发利用，从根本上减少环境污染；加大政府对基础设施、社会保障及福利事业投入，继续提高人口素质和社会发展水平，真正实现科学可持续发展。

参考文献：

[1] 李 锋，刘旭升，胡 聃，等.城市可持续发展评价方法及其应用[J].生态学报，2007，27（11）：4793-4802.

[2] 牛振国，孙桂凤.近10年中国可持续发展研究进展与分析[J].中国人口·资源与环境，2007，13（3）：122-128.

[3] 曹淑艳，宋豫秦，程必定，等.淮河流域可持续发展状态评价[J].中国人口·资源与环境，2012，12（4）：81-84.

[4] 刘子刚，郑 瑜.基于生态足迹法的区域水生态承载力研究——以浙江省湖州市为例[J].资源科学，2011，33（6）：1083-1087.

[5] 辛亚光.基于DEA和因子分析的青岛市可持续发展评价[J].经济研究导刊，2013（7）：176-177.

[6] 乔家君.改进的熵值法在河南省可持续发展能力评估中的应用[J].资源科学，2004，26（1）：113-120.

[7] 王安周，耿秀丽，张桂宾.基于生态足迹和R/S分析的河南省可持续发展评價[J].地域研究与开发，2009，28（2）：104-107.

[8] 赵霈生，陈百明.在土地评价中应用人工神经网络专家系统的理论与实践[J].中国土地科学，1998，12（2）：28-34.

[9] 蒋宗礼.人工神经网络导论[M].北京：高等教育出版社，2001.