瑞安市清洁小流域治理智能决策系统设计

张松策，潘琍真

（瑞安市水利局，浙江 瑞安 325000）

瑞安市清洁小流域治理智能决策系统设计

张松策，潘琍真

（瑞安市水利局，浙江 瑞安 325000）

智能决策系统的核心技术由专家知识库、多目标可拓评价模型、智能推理决策组件等组成。该系统在瑞安市清洁小流域治理中进行实践和应用，在清洁小流域治理的理论研究和应用实践之间架起一座智能化和信息化的桥梁，具有很好的借鉴价值。

清洁小流域；智能决策；软件；瑞安市；可拓评价模型

近年来，在清洁小流域的管理体系、治理技术和效益评价等方面，国内外诸多学者做了大量的研究和实践工作，但仍然存在很多问题需要迫切地解决。笔者以清洁小流域治理的三道防线理论为基础［1］，对典型小流域的治理方案和技术所涉及的生态效益、社会效益和经济效益等进行抽象和归类，建立了效益影响指标体系、专家知识库和经验库，同时采用可拓学，建立了动态可拓评价模型，最后采用大数据技术、互联网络技术、人工智能技术等进行编程，结合GIS图形化的可视界面，开发智能决策系统，并在实际中应用，对提高清洁小流域的治理技术水平和工作效率，具有重要的实践意义和应用价值。

1 总体研究方案

本系统通过组件采集流域治理指标、流域环境特性、流域治理目标等数据，输入到多维特性数据库，包括流域专家（工程、环保、管理、政府部门等）的数据，通过知识抽象和优化，形成专家知识库和经验库，可为多个清洁小流域开展智能评估和决策服务。其次，通过数据挖掘机、I/O智能触发器、智能评价组件、推理机等中间组件，分析和推理出流域治理效益评价结果，并将结果存储到多维特性数据库和治理专家知识库，为后续用户提供决策的意见和建议。最后，以GIS图形化界面，直观展示决策结果。本系统通过移动互联网、物联网、大数据等技术，还将实现决策成果的分享和共享。

2 核心技术设计

2.1 专家知识库

2.1.1 知识来源［2］

（1）当地的流域治理相关文献。包括当地的流域专业管理书、水资源管理公告或报告、流域工程的建设文献、规划和设计方案及经验总结等，通过模糊数据的匹配、知识的演绎、公式的表达式化等方式，进行数据化处理。

（2）流域治理领域的专家经验集粹。包括专家在实践过程中的知识结构、知识因果、知识行为等，通过专家访谈、问卷、座谈等方式获取，并进行数据化表达。

（3）标准知识库录入。通过政府部门的政务系统，登录统一平台，进行购买服务、知识共享、下达任务等方式获取。

（4）通过实地的调研获取第一手资料。

（5）与相关的水文、水资源等部门的合作，通过调查问卷方式获取。

2.1.2 标准数据库

知识和数据存放于标准数据库中，如表1。

表1 标准事实库格式

表1中将所有的条件和结论都存储于该数据库中，减少了数据冗余，以便在推理过程中产生不必要的操作。所有的规则条件和结论都将从数据库中取得，事实记录的增加、删除、修改可以影响到规则的增加、删除和修改，但反过来，规则的增加、删除、修改不会影响到数据库，这是一个单向的数据传输和处理过程。

2.1.3 规则库

推理实现的前提条件是规则库，规则的结构是否合理直接影响到推理的效率，如表2。

表2 规则库结构

规则的条件和结论字段都存储连接于编码，其目的是便于存储，节省空间。

2.1.4 修正库

修正库用来存放修正性的建议或结论，是推理产生的结果表现，如表3。

表3 维修库结构

修正库内容不参与推理的过程，只对最终的结果进行解释。

知识库的约束机制除了通用的数据库约束规则之外，还具有以下的约束：①标准数据库。记录不能为空且任两条记录不能雷同。②规则库。任意一条记录的条件记录号和结论记录号不能相同，任意两条记录不能互为条件和结论，任意一条记录的“结论规则”字段值只能与标准数据库中的“最终结论”字段值相同。

2.2 可拓评价模型设计

2.2.1 基于可拓学的总体评价模型设计

在流域治理效益评价过程中，必须考虑以下3类指标［3］，如图1。

图1 可拓效益传导效应评价模型图

2.2.2 基于基元的传导矛盾链模型

由于小流域治理与周围的生态环境有着密切的关系，是一个典型的矛盾传导环问题，如图2。对于环①中一个与流域治理相关的基元R0和目标基元R1构成了一对矛盾问题P，对于P的传导变换，构成了一个反向闭合环，如环②；若制约因素仅有一个，则不需要构成反向闭合环；反之，需要构成几个反向闭合环，且要使构成的新环之间没有任何冲突。

图2 传导变换机制

其中，环①为基本环，由于环②的变换方向与环①相同，最终并没有解决任何问题，所以该变换是无效的；而环③的变换对环①是反向的，则该变换有效；如果同时进行②、③两个变换，则称该变换的效应为零效应或无效应。

对于流域治理过程中的矛盾传导链问题［4］，通过提出链中的一个与流域治理相关的基元进行传导变换，变成一个闭环问题，进而消解①达到的矛盾问题。

2.2.3 流域治理效益传导效应函数建立

例如，若流域中土壤有机质平均含量5%，最大含量25%，最好含量15%，正常水平8%～20%，即最优值v0=10，x0=［8，20］，x=［5，25］，当x0⊂x时，建立关联函数为：

当v=26%，k（v1）=0.2＞0，该指标虽然超过了最大标准值，但依然在允许的范围内；v=4%，k（v2）=-0.04＜0，则表示该值过低，对于整体流域治理的效益评价影响很小。

2.2.4 可拓评价

可拓评价是建立在可拓集论基础上的评价方法，其特点是能论述事件的可变化性。能够把对象的评价数量化在负无穷到正无穷上的分布区间内，同时在正域、负域和零界内，为描述量变到质变所确定的关联函数值提供了科学有效的数学工具。

可拓评价指标随着广义描述和约束条件而定，一般包括经济评价、技术评价和社会评价等3类指标。各评价指标权重ωi∈［0，1］，且∑ωi=1。

2.2.4.1 综合线性加权法

综合线性加权法即应用线性模型进行评价的综合方法，适合于各个评价指标的互相独立，突出指标值或指标权重较大者。

式中 f为综合评价值；fj为评价指标；ωi为权重；m为数目。

2.2.4.2 综合非线性加权法

所谓综合非线性加权法是指利用非线性模型进行评价的综合方法，适合于各个指标之间有较强关联性的地方，重点强调被选方案中的指标值大小一致性。

2.2.4.3 理想点评价法

首先，设定了一个理想点x*，被评价的点x与理想点之间越接近，则认为x越优。被评价点x与理想点x*之间的加权距离可表达为：

式中 f（xj，x*j）为x与x*的加权距离，即欧氏距离。

理想点法没有区分各个目标的重要程度，而实际工程中的各个指标并不是同等重要，故有很大的局限性。

2.2.5 可拓综合评价的特点

由于可拓集能描述可变性，在引入参数t后，可以权衡对象状态的具体数值。比如关联函数的值在零界上其发展趋势可能大于零或小于零，也可能在零界上。

在（-∞，+∞）将关联函数取值进行基于对象的评价量化是模糊数学方法所不具备的，而零界则是经典统计概率方法所不具备的。

在经典数学中，给定论域U及U中的一个经典子集，用0，1表征U中的某元素u属于A或不属于A，即

称此函数为特征函数，是描述事物确定性的数学工具。

在模糊数学中，定义域E=（x）上的模糊集合A来表现隶属函数uA（x），其中uA（x）在闭区间［0，1］中取值，uA（x）的大小反映了x对模糊集合A的隶属程度。即在全域E=（x）上的模糊数学集合A是指E中的具有某种性质元素的全体。对于E中任一元素，能够根据该元素的性质，用一个［0，1］间的数来表示这个元素隶属A的程度。

2.3 智能推理决策组件的设计方案

智能推理决策任务［5］是由推理机来承担的，推理机是根据待评价流域知识库中的有关规则，动态刷新数据库并保存推理轨迹，用于解释诊断结果，即根据被测对象运行状态的征兆，利用诊断知识库的知识与历史的数据进行比较、推理和诊断进行求解。

2.3.1 推理策略

推理策略可以分为正向推理、逆向推理和混合推理3种模式，本系统中将采用基于规则的正向推理，如图3。

图3 推理策略流程

2.3.2 冲突消解

冲突消解是解决已知的多个事实与知识库中的知识匹配问题。要使推理能够继续进行，必须进行冲突消解，直至找到最优方案。

2.3.2.1 计算前提可信度

CF（E）=min{1，CF（E1），CF（E2），…，CF（En）}式中E1，E2，…，En为匹配成功的一条规则的n条前提。

2.3.2.2 计算规则结论可信度

CF（H）=CF（H，E）max{0，CF（E）}结论的可信度CF（H）是一个［-1，1］之间的数，当可信度小于某一数值时，则认为这次诊断失败，将转为人工推理。

4 系统应用

将清洁小流域治理智能决策系统应用到瑞安市的清洁小流域治理，并以塘下镇八水浃河道生态建设示范区作为研究对象，主界面如图4。

图4 决策系统主界面

4.1 建立小流域治理模型

把可拓评价模型引入到清洁小流域治理，在多指标、多目标、不同权重的条件下，针对影响清洁小流域治理效益的经济、社会、生态等指标，进行优化组合形成最近效益治理的实际评价结果，解决以往评价模型的评价效率低、普适性差、评价结果偏离实际治理效果的问题。

4.2 探讨多目标可拓评价下指标权重的动态修正机理

计算获取多维特性关系模型，开发I/O智能触发器，跟踪清洁小流域的指标特性，如目标特性和环境特性对流域治理效益的影响，动态更新触发流域治理的效益评价指标和权重配置数据表触发器，探讨在多目标下的可拓评价动态修正机理。

4.3 设计多目标管理决策的智能推理组件

可拓评价下的多目标管理决策智能推理机包含了数据挖掘组件和推理组件。推理机主要由一致性执行器、调节器和协调器等组成。智能决策组件隶属于专家库系统，将专家库系统应用于清洁小流域的治理决策，有助于提高决策的科学性。

5 结语

（1）专家知识库和标准数据库、评价指标动态修正智能触发器、智能推理机具有创新性。

（2）清洁小流域治理资料和研究成果在系统中不断积累，改善了传统管理决策、监测评价、成果共享方面的不足，以提高清洁小流域治理科学技术水平和工作方法效率，加快了现有研究成果的实践与应用推广。

［1］娄会品，高甲荣，陈子珊.北京郊区河岸带自然性评价指标体系［J］.水土保持通报，2010，30（1）：161-165.

［2］张锦娟.基于水源保护的生态清洁小流域建设措施体系研究［J］.水土保持通报，2010（5）：238-240.

［3］肖玖金，谭周亮，李旭东.物元可拓法在湖泊水质评价中的运用［J］.长江流域资源与环境，2010，19（S2）：182-187.

［4］陈芳孝.构筑三道防线 确保水源安全［J］.中国水土保持，2007（2）.

［5］贾鎏，汪永涛.丹江口库区胡家山生态清洁小流域治理的探索和实践［J］.中国水土保持，2010（4）.

（责任编辑：王艳肖）

Design of intelligent decision-making system of Ruian clean small watershed governance

ZHANG Song-ce，PAN Li-zhen
（Ruian Water Authority of Zhejiang，Ruian 325000，China）

The core technology of the system include the watershed management expert knowledge base，Multi-target extension evaluation model and intelligent inference decision component.This system is practiced in the management of Ruian clean small watershed.The system made the theoretical research and practice of small watershed governance to a new level of informatization and intellectualization，it has a good reference for the similar project.

clean small watershed；intelligent decision-making；system；Ruian；extension evaluation model

TV222

B

1672-9900（2017）01-0046-05

2016-12-06

张松策（1975－），男（汉族），浙江瑞安人，工程师，主要从事水利水电工程建设与管理研究，（Tel）13868826678。