基于粗糙集理论的水利工程现代化管理评价

吉鹏飞

(洛阳市水土保持监督监测站，河南 洛阳 471000)

0 引 言

水利工程在促进经济社会发展、保障行洪排涝安全以及水资源供给等方面具有重要作用，当前水利现代化的根本目标为实现水资源与经济社会、生态环境系统之间的协调发展，全面兼顾工程设施功能效益促进人水和谐相关。水利现代化不仅是促进经济社会发展和建设水利设施现代化的必然要求，而且在全面建设小康社会和加快实现农业现代化进程中占据着重要地位，同时是解决当前面临的水资源问题和保障防洪排涝安全的有效方法[1]。水利管理体系是具有行业性、区域性特征且内涵丰富、复杂庞大的综合系统，涉及管理人才、手段、体制机制及工程效益等各个方面，客观评价其实现水平可为促进区域发展、保障防洪与生态环境安全提供重要依据[2,3]。鉴于此，文章基于粗糙集理论消除冗余信息，在保持决策能力和初始数据聚合分类能力不变的情况下导出问题的决策或分类规则，通过知识简约获取简洁的知识表达。

1 粗糙集理论

1.1 理论分析

1)根据粗糙集理论基本内涵，建立水利现代化管理知识库。由此形成论域上的划分，将其定义为知识，即：

e={X1,X2,…,Xn}

(1)

式中：U为有限非空论域，U中的一个范畴或概念为子集Xi⊆U。

根据粗糙集理论定义评价系统，由此建立水利现代化评价体系。该理论将概念族简称为知识，其研究对象为可以划分的知识结构。

2)形成信息表。将一个知识系统(U，A)可作为一个信息系统S，非空有限集和非空子集分别为U={u1,u2,…,u|U|}、A={a1，a2，…，a|A|}，A和U中的元素分别为属性与对象；采用一个信息表反映一个信息系统，见表1。

表1 系统信息表

信息系统(U，A)在满足条件A=C∪D、C∩D≠φ的条件下，可表示为一个决策表。

3)属性的约简。属性约简就是在所有属性组成的集合中去除知识表达系统中存在的冗余信息，在不改变系统特性的条件下通过简化分类器找出一个能够最大限度的包含属性全集分类信息的属性子集，从而提高分类器的泛化性能和噪声数据对分类知识发现的影响，为工程决策规则提供数据依据。采用逻辑运算和布尔算法，可找到辨识矩阵的核与约简，其中约简的交际即为核。但是，该方法在对象和属性较多的评价体系中，计算过程较为复杂。由此，设等价关系族为R，且符合条件P∈R，若存在不可分辨关系ind(R)=ind(R-{P})，则R的冗余即为P；否则，R的必要条件为P。设定P⊆R，若存在ind(R)=ind(P)关系且P满足独立条件，则R的一个约简即为P。

4)从数据库中挖掘有价值的、潜在的规律即为规则获取，规则可作为属性值之间的关系在知识表达系统中的数据模式，在粗糙集理论中数据的规则或模式主要是依据无法分辨关系隐含的数据粒度结构来发掘，由此获取不确定和确定的决策规则。将决策规则按照属性简化表可表示为IF…，THEN…的形式，即在满足一定的条件下确定相应的决策规则。

5)重要度和属性依赖度。属性关于信息表的重要性利用重要度来描述，它体现了属性在整个系统中的重要地位。属性重要度大小按照分类变化的程度确定，去除一些属性则产生较大的分类变化，则该属性具有较高的重要度，采用信息量多少可表述变化程度及分类变化[4,5]。设信息系统为A=[U，R]，P⊆R对于等价关系存在分类U/ind(P)={X1,X2,…,Xn}，则P的信息量可表示为如下形式：

(2)

根据下式计算属性(attr)的重要度，其表达式为：

(3)

1.2 粗糙集求解权重

将水利管理各评价因子权重利用粗糙集法进行求解，其主要流程如下：

1)根据待评价样本的工程特征、运行现状和历史数据资料，按照水利现代化管理目标要求构建评价指标集。

2)在数据分类能力不发生改变的情况下，各属性值的离散化处理可采用BP网络法和模糊聚类法等。

3)构建决策表。C、D中的属性为条件与决策属性，根据相关数据将论域划分为不同的评判标准。考虑到现代化管理涉及到的范围广、因素多的实际情况，可设定阈值作简化处理，同一要素在两个评价样本中均达到阈值时，两者存在等价关系。

4)通过约简处理和参数包含的信息量分析，对水利现代化评价多余参数删减。

5)归一化处理各条件属性的重要度，科学合理的确定各指标最终权重。

2 实例分析

水利管理现代化覆盖的范围较广、因素较多，不同地区的江河湖泊水文情势不同，管理现代化水平也存在较大差异。因此，关于水利管理现代化的系统特征一般无法采用少数的几个参数信息反映，在工程实践没必要也不可能考虑所有的因素。为了更加全面的反映水利管理现代化水平就要求从复杂的评价信息中选择代表性好、独立性强且存在主导作用的指标，选取的评价指标不仅要满足易获取性要求，而且能够客观、科学、准确的反映管理现代化特征[6-9]。

结合水利现代化管理的技术方法、内涵特征和工程实际情况，在遵循公认性、导向性、可行性、独立性、系统性、传统与创新等原则的基础上，经充分的论证、比较建立较为系统的评价体系[10]，见表2。

表2 水利管理现代化的评价体系及其内涵

续表2 水利管理现代化的评价体系及其内涵

然后以江西省境内的洋前坝水库、岭下水库、大口坞水库、东源坞水库、廖家坞水库、勤俭水库、石鸡水库、乐平市续湖联圩除险加固工程、乐平市城市应急实施段项目、上饶市城市防洪工程三江导托渠改扩建工程等10个水利工程项目为例，对现代化管理评价因子初始数据利用专家打分法确定，见表3。决策与条件属性集可表示为D={d}、C={c1，c2，…，c34}，水利工程项目构成的论域为U={n1,n2,…,n10}，对各因子属性重要度利用上述步骤计算确定。结合水利工程运行管理实际情况，离散化处理表3中各参数值，由此确定离散化处理后的信系统决策值。

表3 水利项目管理现代化评价值

续表3 水利项目管理现代化评价值

由于水利现代化管理评价设计到的因素较多，阈值设定为0.5，根据决策和条件数据将离散化后的数据论域分类，结果如下：

U/D={Y1,Y2,Y3}

(4)

式中：Y1={n10}、Y2={n1，n2，n3}，Y3={n4，n5，n6，n7，n8，n9}，然后对U/(C-{c1})、U/(C-{c2})、…、U/(C-{c34})进行分析。

各指标重要度和各分类信息量按照计算式(2)、(3)计算确定，结果如表4。根据属性重要度计算结果可确定冗余指标有c33、c30、c29、c26、c19、c18、c17、c12、，由此表明水利现代化管理最终评价结果受这些指标的影响程度较低。根据下式计算确定其他各项属性的权重值见表4，计算式为：

(5)

表4 各属性权重、重要度和信息量计算结果

3 结 论

水利现代化管理覆盖的范围较广、因素较多，且不同地区的江河湖泊水文情势不同，管理现代化水平存在较大差异，因此评价指标应尽可能的反映水利管理过程存在问题、现状水平和发展变化特点，文章从多个不同方面选取能够反映水利管理水平的典型指标并建立评价体系，得住的结论如下：

1)在水利现代化管理评价中引入粗糙集理论法，为获取各评价指标对水利管理现代化的影响计算分析了各参数实测数值，可为客观科学的反映水利工程安全运行状况、现代化水平及其实现程度提供科学依据。

2)水利管理水平和现代化建设目标要求受不同时期的经济条件、历史环境、科学技术等因素的影响，因此它属于动态的演变过程，其现代化标准和进程也有所不同，为仍需要进一步完善综合评价体系和等级划分标准。