一种基于云模型的水利现代化指标体系评价方法与流程

本发明涉及一种基于云模型的水利现代化指标体系评价方法，属于水利现代化评价技术领域。

背景技术：

水利现代化是指由传统水利向现代化水利以及可持续水利的转变，以达到强化水利保障体系的能力，推进人与自然和谐相处并保持生态文明发展进步的目的，往往兼具时代性特征与地域性特色。目前传统水利仍然是通过水利工程的建造来满足人类各种需求，使人类社会经济不断发展进步，而现代水利往往是通过加强水资源的优化配置，来达到水资源的循环高效利用，促进社会进步。

水利现代化建设是现代经济社会发展不可或缺的基础性支撑，更是改善生态环境不可替代的保障系统，具有鲜明的公益、基础和战略性质。水利现代化进程同时也是我国经济社会实现现代化发展的重要组成部分，根据国内外水利发展阶段，水利现代化将是水利发展的必经之路。喻君杰提出了江苏省水利现代化的目标内涵同时构建了6大体系共22项指标系数的江苏水利现代化指标体系(喻君杰，欧建锋.江苏水利现代化目标内涵及指标体系研究[j].水利发展研究，2013，(3):15-18.)；严玲对苏南水利现代化和指标体系构建进行研究并以此开发了水利现代化软件(严玲.苏南县域水利现代化指标体系及评价方法研究[d].2013，扬州大学.)。目前针对指标体系评价常用方法有多指标综合评判、层次分析法、模糊综合评价、topsis等。这些方法中有的定性成分过多、主观性强，有的权重较难确定。水利现代化指标体系中指标数量较多，需要考虑其综合影响；而各指标等级隶属度又具有一定的模糊性。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于云模型的水利现代化指标体系评价方法，将云模型应用于水利现代化评价。

云模型(cloudmodel)兼具模糊性和随机性，比较客观精确，能够较好实现定性与定量之间的转化。但目前还没有学者采用云模型方法进行水利现代化评价研究。

云模型由三个特征值(期望ex、熵en、超熵he)通过云发生器来实现样本定性和定量之间的转换。期望ex：与统计学中样本的期望概念相同，是所有云滴的平均值，也是最具样本特色的值；熵en：由样本本身随机性、模糊性定义，是样本的不确定性度量，也反映云滴之间的离散和模糊程度；超熵he：由熵随机性、模糊性定义，故可以称为熵的熵，反映熵的不确定性度量。云发生器一般包括正向云发生器、逆向云发生器和条件云发生器，其具体流程形式分别参见图2-图4。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于云模型的水利现代化指标体系评价方法，具体步骤如下：

步骤一：获取待研究区域水利现代化指标值，构建水利现代化指标体系；

步骤二：根据地区发展情况制定目标值，将各指标值与目标值进行标准化处理以提高系统普适性，确定水利现代化评价等级，并对各指标确定不同等级所对应的上下限；

步骤三：通过逆向云发生器从指标中求得云模型三个特征值，再用正向云发生器根据三个特征值补充云滴，获得指标权重；

步骤四：通过条件云发生器计算指标隶属度，计算各指标级别特征值确定指标评价等级，得出综合评价结果。

进一步的，在步骤一中，所述水利现代化指标体系包括防洪除涝减灾、水资源保障、水环境与河湖生态保护、农村水利保障、供排水工程、水管理服务以及水利发展保障七个子体系。

具体地，该七个子体系共包含27个指标：流域防洪达标率、区域防洪除涝达标率、城市防洪除涝达标率、供水保证率、万元gdp用水量、万元工业增加值用水量、城市污水处理回用率、水功能区水质达标率、集中式饮用水源地水质达标率、水域面积率、水土流失治理率、旱涝保收田面积率、灌溉水利用系数农村河道有效治理率、城市供水水质综合合格率、区域供水覆盖率、城市雨水排水达标率、城市污水集中处理达标率、水资源管理达标率、骨干河湖管理达标率、水利工程设施完好率、防汛防旱管理与应急能力、基层管理服务水平、重要水管理事项有效实施率、水利投入政策到位率、人才结构达标率、水利科技信息化水平。

在步骤二中，所述水利现代化评价等级为：起步期、初等现代化、基本现代化和全面现代化。

在步骤三中，所述指标权重的具体计算步骤如下：

(1)收集一定数量专家各自的初始权重评价；

(2)通过逆向云发生器求解ex、en、he；

根据样本值xi和样本数n求ex与样本方差s²

根据样本均值求熵en

根据样本方差和熵求超熵he

(3)根据所求的ex、en、he，用正向云发生器补充云滴，并根据最大隶属度原则求得权重，假设重复生成的云滴数n＝1000；

先求正态随机数en’

en'＝randn(1)×he+en

再求正态随机数exi’

exi'＝randn(1)×en'+ex

最后确定度μi

重复1000次，得到1000个云滴(exi’，μi)，再求均值即可得到各个指标的权重，最后进行归一化处理。

在步骤四中，所述各指标等级隶属度和各指标级别特征值确定指标评价等级的具体计算步骤如下：

(1)确定评价目标指标值x与评价指标等级标准s；

(2)计算三个特征值并根据正反向指标求解各个指标在各等级下的隶属度

式中sij，max，sij，min分别是第i个指标在第j个等级中的上下限；exij，enij表示第i项指标在j评价等级中的期望和熵；he表示超熵，一般情况由实验或经验取值，反映变量不确定程度，本发明取he值为0.01，取云滴数m＝1000；

求正态随机数enij’

enij'＝randn(1)×he+enij

1)正向指标：

当exin≤xi≤exi1时：

当xi>exi1时：

当xi<exin时：

2)反向指标：

当exi1≤xi≤exin时：

当xi<exi1时：

当xi>exin时：

对每个样本重复1000次求出u＝(μij1，μij2……μij1000)最后的确定度

通过级别特征值的方法进行评价等级评判，为方便理解将最终评价等级以百分制形式计算表示

式中k为各等级特征值；

整体评价等级评判：

式中μi为该体系的权重。

实施本发明，将云模型引入水利现代化指标体系评价中来，相对于现有技术具有如下优点：

(1)运用云模型可以体现现实评价中不可忽视的随机性与模糊性，能够综合体现评价体系的特点，使评价结果更加真实有效；

(2)通过正向云发生器与逆向云发生器的结合，能够扩大样本数量，减少评价误差，通过各指标权重云滴图，将评价过程可视化，更加直观，同时增加评价结果可靠性；

(3)基于云模型的水利现代化指标体系评价方法思路清晰，操作简便，根据地区发展水平来标准化得到的指标，可生成各指标隶属于不同现代化级别的云模型，为水利现代化方评价方法的研究提供更优化的模型或新的思路。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种基于云模型的水利现代化指标体系评价方法的技术路线图；

图2为正向云发生器流程图；

图3为逆向云发生器流程图；

图4为条件云发生器流程图；

图5为本发明提供的水利现代化指标体系图；

图6为本发明实例的防洪除涝减灾体系指标权重云模型图；

图7为本发明实例的水资源保障体系指标权重云模型图；

图8为本发明实例的水环境与河湖生态保护体系指标权重云模型图；

图9为本发明实例的农村水利保障体系指标权重云模型图；

图10为本发明实例的城市供排水工程体系指标权重云模型图；

图11为本发明实例的水管理服务体系指标权重云模型图；

图12为本发明实例的水利发展保障体系指标权重云模型图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种基于云模型的水利现代化指标体系评价方法，综合考虑水利现代化评价系统中随机性与模糊性，将定性定量指标相结合，根据逆向云发生器与正向云发生器求出指标权重，并用条件云发生器确定指标隶属度，求出综合评价等级，判断地区水利现代化等级。

该方法包括如下步骤：

步骤一：获取待研究区域水利现代化指标值，构建水利现代化指标体系。该水利现代化指标体系包括防洪除涝减灾、水资源保障、水环境与河湖生态保护、农村水利保障、供排水工程、水管理服务以及水利发展保障七个子体系。

具体地，该七个子体系包括如下27个指标：流域防洪达标率、区域防洪除涝达标率、城市防洪除涝达标率、供水保证率、万元gdp用水量、万元工业增加值用水量、城市污水处理回用率、水功能区水质达标率、集中式饮用水源地水质达标率、水域面积率、水土流失治理率、旱涝保收田面积率、灌溉水利用系数农村河道有效治理率、城市供水水质综合合格率、区域供水覆盖率、城市雨水排水达标率、城市污水集中处理达标率、水资源管理达标率、骨干河湖管理达标率、水利工程设施完好率、防汛防旱管理与应急能力、基层管理服务水平、重要水管理事项有效实施率、水利投入政策到位率、人才结构达标率、水利科技信息化水平，具体分类如图5所示。

步骤二：根据地区发展情况制定目标值，将各指标值与目标值进行标准化处理以提高系统普适性，确定水利现代化评价等级，并对各指标确定不同等级所对应的上下限；

步骤三：将逆向云发生器与正向云发生器结合，首先通过逆向云发生器从指标中求得云模型三个特征值，再用正向云发生器根据三个特征值补充云滴，获得指标权重；通过逆向云发生器与正向云发生器的结合来计算指标权重，以条件云发生器来计算各指标隶属度，综合考虑评价体系中的定性与定量指标，生成各指标在各评价等级下的隶属度，并计算最终评价等级，使评价结果兼具模糊性与随机性，更客观科学。

步骤四：通过条件云发生器计算指标隶属度，计算各指标级别特征值确定指标评价等级，得出综合评价结果。

下面以具体实施例：新沂市的水利现代化指标体系对本发明加以说明。

1.1获取待研究区域(新沂市)水利现代化指标值，构建评价体系

根据新沂市水利现代化发展情况，将新沂市水利现代化评价等级划分为四个等级，分别是起步期、初等现代化、基本现代化、全面现代化，确定各指标等级的评价标准，具体如表1所示。

表1水利现代化评价等级与标准

1.2云模型求解指标权重

由于各评价指标对水利现代化评价的影响不同，因此权重也不相同。本发明首先收集10位专家的对于各指标权重的意见，构建判断矩阵，并把通过层次分析法计算出专家的权重评价作为初始权重(见表2)，然后再通过云模型的逆向云发生器、正向云发生器模拟1000位专家的权重评价，通过求均值确定各指标的最终权重。

表2层次分析法确定各系统初始权重

图6～图12所示为水利现代化指标体系各子系统云滴图，

其中，图6为本发明实例的防洪除涝减灾体系指标权重云模型图；

图7为本发明实例的水资源保障体系指标权重云模型图；

图8为本发明实例的水环境与河湖生态保护体系指标权重云模型图；

图9为本发明实例的农村水利保障体系指标权重云模型图；

图10为本发明实例的城市供排水工程体系指标权重云模型图；

图11为本发明实例的水管理服务体系指标权重云模型图；

图12为本发明实例的水利发展保障体系指标权重云模型图。

其具体计算步骤如下：

(1)收集一定数量专家各自的初始权重评价；

(2)通过逆向云发生器求解ex、en、he；

根据样本值xi和样本数n求ex与样本方差s²

根据样本均值求熵en

根据样本方差和熵求超熵he

(3)根据所求的ex、en、he，用正向云发生器补充云滴，并根据最大隶属度原则求得权重，假设重复生成的云滴数n＝1000；

先求正态随机数en’

en'＝randn(1)×he+en

再求正态随机数exi’

exi'＝randn(1)×en'+ex

最后确定度μi

重复1000次，得到1000个云滴(exi’，μi)，再求均值即可得到各个指标的权重，最后进行归一化处理。

所求得的各指标体系的模拟权重呈正态分布，通过求均值来求出对应的权重分别为0.1801、0.1603、0.1395、0.1205、0.1198、0.1596、0.1202。重复上述步骤可以得到各指标对应的权重，结果见表3。

表3云模型确定指标权重

1.3云模型求解指标等级隶属度

根据待研究地区的水利现代化指标与目标值，通过条件云发生器求解各指标等级隶属度，其具体计算步骤如下：

(1)确定评价目标指标值x与评价指标等级标准s；

(2)计算三个特征值并根据正反向指标求解各个指标在各等级下的隶属度

式中sij，max，sij，min分别是第i个指标在第j个等级中的上下限；exij，enij表示第i项指标在j评价等级中的期望和熵；he表示超熵，一般情况由实验或经验取值，反映变量不确定程度，本发明取he值为0.01，取云滴数m＝1000。

求正态随机数enij’

enij'＝randn(1)×he+enij

3)正向指标：

当exin≤xi≤exi1时：

当xi>exi1时：

当xi<exin时：

4)反向指标：

当exi1≤xi≤exin时：

当xi<exi1时：

当xi>exin时：

对每个样本重复1000次求出u＝(μij1，μij2……μij1000)最后的确定度

通过级别特征值的方法进行评价等级评判，为方便理解将最终评价等级以百分制形式计算表示

式中k为各等级特征值。

整体评价等级评判：

式中μi为该体系的权重。

最终求得的各指标等级隶属度见表4。

表4云模型确定2015年及2020年指标等级

根据级别特征值求得综合水利现代化评价等级见表5。

表5云模型评价2015年与2020年现代化等级

1.4参照方法

为进一步验证云模型方法的有效性，本发明采用集对分析来进行对比分析，求得的结果见表6。

表6集对分析评价2015年与2020年现代化等级

1.5结果分析

由上表可得根据集对分析计算求得的新沂市现状值整体等级为84.56，属于基本现代化，2020年未来值整体等级为91.38，属于全面现代化等级，与云模型计算求得的结果一致。

云模型对比集对分析除了具有模糊性以外同时还具有一定的随机性，文中求出的现代化评价等级两者的差距不大，云模型在计算过程中模拟的数据较多，

更加精确可靠，同时正态分布是及其重要的概率分布，正态云模型的适用性和确定度较好。而在计算各个指标的隶属度过程中，由于集对分析在计算过程中通常通过vk＝(1+uk)/2来求解隶属度，其最高隶属度只能到0.5，不能十分精确地反映指标等级，而云模型可以更准确地反映该指标在某个等级中，而且云模型可以更好地处理边界等级隶属度问题。

云模型计算求得的新沂市2015年水利现代化评价等级为85.53，由集对分析计算求得的是84.56，两者差别较小，均属于基本现代化阶段，且进一步向全面现代化发展。由各指标的等级隶属度可以看出，流域防洪达标率、集中式饮用水源地水质达标率、城市供水水质综合合格率均达到全面现代化的标准，其余部分指标也已经达到基本现代化阶段。但仍有多项指标现代化程度较低，相关部门应加强城市排水设施的建设，加快工业化工厂的转型，提高水资源利用率，同时也要注重污水处理与水利管理方面的加强，引进更多专业型人才并加强现代化建设。通过各方面的共同努力，尽快实现水利的全面现代化，争取达到2020年的期望值。根据集对分析计算的新沂市2020年预测水利现代化评价等级为91.38，云模型计算的新沂市2020年预测水利现代化评价等级为93.71，均已实现全面现代化。

综上，本发明现状评价结果与新沂市水利现代化现状相适应，2020年的评价结果与新沂市水利现代化规划和水利发展“十三五”规划目标一致，评价结果具有合理性，验证了本发明水利现代化云模型评价方法的有效性和适用性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。