基于支持向量机的水资源短缺风险评价模型及应用

2007年3月 水 利 学 报 SHUIUXUEBAO 第38卷第3期 文章编号：0559．9350(2007)03—0255．05 基于支持向量机的水资源短缺风险评价模型及应用 黄明聪1，解建仓1，阮本清2，汪雅梅1 (1．西安理7-大学水利水电学院，陕西西安710048；2．中国水利水电科学研究院，北京100044) 摘要：本文阐述了支持向量回归机的算法原理，将风险评价归纳为一个支持向量回归问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，建立了基于支持向量机 的水资源短缺风险评价模型和方法。采用风险率、脆弱性、可恢复性、事故周期和风险度等作为区域水资源短缺风 险程度的评价指标，建立了综合评价体系。本方法应用于闽东南地区的水资源短缺风险评价，评价结果显示：到 2010水平年，闽东南地区的水资源短缺风险较高，需要采取风险调控措施。 关键词：水资源；短缺风险；评价指标；支持向量机 中图分类号：TV213；X820．4 文献标识码：A 近年来，受气候变化和经济社会不断发展的影响，水资源短缺问题13趋严重，对水资源短缺风险的 研究已引起了广泛重视，取得了不少研究成果。薛年华等⋯将水资源系统风险定义为在特定的时空环 境条件下，水资源系统中所发生的非期望事件及其发生的概率以及由此产生的经济与非经济损失； Nazar等怛。较早定义了风险 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 征的量化指标；Hashimoto等b1提出了可靠性、可恢复性、脆弱性3个评价指 标，从数学意义上给出了定义；Duckstein等【4’比较全面的定义了水资源系统风险分析的性能指标和质量 指标；冯平b-把风险分析方法运用于干旱期水资源管理，结合潘家口水库给出了相应的风险、可靠性、可 恢复性和易损性等风险指标，并据此提出了干旱期供水系统的风险管理措施；邢大韦等哺1对关中地区水 资源工程的供水风险进行了分析。由于对自然气象规律认知的限制，人们不可能完全消除水资源短缺 风险，但能够尽量减少和规避风险，将危害发生的可能性和损失降到最低。以往，风险研究对单个风险 指标进行描述的较多，对区域水资源短缺风险的综合评判相对较少"J，常用的方法有模糊评判法、灰色 聚类评价、人工神经网络等。本文运用支持向量机理论，建立基于支持向量机的水资源短缺风险评价模 型和方法。支持向量机(SupportVectorMachine，SVM)是20世纪90年代初期Vapnik旧。根据统计学理论提 出的一种新的通用的机器学习方法，具有优于前面几种方法的特点。本文将风险评价归纳为一支持向 量回归问题，采用上述的水资源短缺风险程度评价指标，建立基于SVM的综合评价体系，并以闽东南地 区为例，进行水资源短缺风险评价实例研究，提出相应的规避措施建议。 1水资源短缺风险评价指标 区域水资源的短缺，从根本上取决于供水和需水两方面，而这两方面都是随机性的，都存在不确定 因素，因此，水资源短缺也具有随机性，即存在一定的水资源短缺风险。在进行风险评价过程中，要充分 考虑风险的特点以及水资源系统的复杂性，要把存在风险的概率、风险出现的时间、风险造成的损失有 多少、风险解除的时间、缺水量的分散程度等一系列因素考虑在内。因此难以用某一种指标对其进行全 面地描述和评价，必须从多方面的指标综合考虑。评价指标选择的原则是：(1)能集中反映缺水地区的 收稿日期：2006，08．09 基金项目：国家自然基金资助项目(50279041)；国家863计划项目(2005AAll3150)；陕西重点实验室资助项目(05JS378) 作者简介：黄明聪(1962一)，男，福建惠安人，博士生，高级工程师，主要从事水资源管理方面的研究。 ·-·——255·-—— 万方数据 万方数据 万方数据 个输出的支持向量机的函数回归问题。对于各因素指标落在同一风险范围内的标准样本，可以对照表 1快速查得风险等级但实际评估样本时往往是不同的评价因素落在不同的风险等级，因此采用标准样 本训练支持向量回归机(SVR)模型，再对实际待评样本进行预测评价。根据SVR模型的设计要求，输入 为5个评价因素，输出为水资源短缺风险值，因此要确定各评价因素和水资源短缺风险的等级边界值， 并选取标准样本值。 假设z：。是样本输入，其中i=1，2，⋯，5，代表5个风险等级，．7=1，2，⋯5代表在口i这个风险等级 上，随机均匀选取的5组指标值；假设矿是样本输出，则代表在秽i这个风险等级范围内选取的相应风险 等级值。这样就可以得到25组样本组成的评价标准样本，见表2。 (3)模型参数确定。采用上述SVM算法建立的e．SVR模型，通过对核函数的比较分析，选择Gauss 径向基作为水资源短缺风险评价模型的核函数，通过交叉验证和最速下降法，最终确定在不灵敏参数e 一0．001，核参数)，=20、惩罚因子C=5时为最优预测模型。 3实例应用 研究区范围设定为福州市闽江南港以南地区、泉州市的晋江下游供水区及莆田市的东南沿海地区 的闽东南地区。该地区属于海峡西岸经济区的核心地区，未来经济发展速度快，需水量增长也快，而本 地水资源贫乏，开发利用潜力小，采取节水措施和建设境内可开发供水工程后，可供水量仍无法满足需 水量增长要求，随着时间推移，缺水量日益加大，存在资源性缺水问题。据测算，到2010年，福州、泉州、 莆田、晋江合计枯水年缺水4．88亿m3，特枯水年缺水5．57亿m3。 本次计算根据对闽东南地区2010年的水资源需求预测，在现有工程的基础上采用1956～2000年的 来水系列资料，以月为时段进行长系列一次供需平衡分析，可以得到2010水平年各月的缺水量系列和 年缺水量系列以及概率统计指标，在此基础上采用前面提出的水资源系统的风险性能指标对水资源短 缺风险进行描述，其结果见表3。 ． 采用上述SVM方法训练样本所得的优化参数，将闽东南4个地区的水资源短缺风险评价指标的实 际值作为输入，代入己建立的基于支持向量机的评判模型中进行运算，结果所得到的输出值，就是2010 年4个区域的综合评价风险值，对照表l，不难判断出各个地区的风险等级，结果见表4。 表3 闽东南2010年缺水量的风险性能指标描述 表4闽东南2010年区域水资源 短缺风险综合评分值 经基于支持向量机的模型预测，闽东南地区2010年的缺水风险大致为较高级，为不可接受的风险， 根据按照人口、人均GDP等预测的缺水量，说明这个结果是合理的，在2010年，水资源供需矛盾比较突 出，已经给经济发展带来了影响，有必要对水资源采取有效的风险管理措施，如节水、再生水利用等。 4结论与建议 支持向量回归是人工智能领域的最新研究成果，目前已与支持向量分类、基于核的主成份分析等核 心方法一起成为相关领域研究的前沿和热点，尽管该研究还有待于进一步的深人，但由于其优异的在非 线性数据的处理能力以及对未知样本的泛化能力，其应用也在迅速的扩展。将支持向量回归应用到区 域水资源短缺风险评价中，属于应用尝试，从支持向量回归理论自身具备的特性上讲，这一应用是完全 --——258·--—— 万方数据 万方数据 基于支持向量机的水资源短缺风险评价模型及应用 作者： 黄明聪， 解建仓， 阮本清， 汪雅梅， HUANG Ming-cong， XIE Jian-cang， RUAN Ben- qing， WANG Ya-mei 作者单位： 黄明聪,解建仓,汪雅梅,HUANG Ming-cong,XIE Jian-cang,WANG Ya-mei(西安理工大学,水利 水电学院,陕西,西安,710048)， 阮本清,RUAN Ben-qing(中国水利水电科学研究院,北京 ,100044) 刊名： 水利学报 英文刊名： JOURNAL OF HYDRAULIC ENGINEERING 年，卷(期)： 2007,38(3) 被引用次数： 9次 参考文献(12条) 1.佟春生;畅建霞;王义民 系统工程的理论与方法概论 2005 2.Vapnik V N The Nature of Statistical Theory 1995 3.阮本清;韩宇平 水资源短缺风险的模糊综合评价[期刊论文]-水利学报 2005(08) 4.邢大韦;张玉芳;刘明云 关中地区水资源工程供水风险性分析[期刊论文]-西北水资源与水工程 1999(01) 5.冯平 供水系统干旱期的水资源风险管理[期刊论文]-自然资源学报 1998(02) 6.德克斯坦;(德)E J波兰特;吴媚玲;王俊德 水资源工程可靠性与风险 1993 7.Hashimoto T;Stedinger J R;Loucks D P Reliability,resiliency,and vulnerability criteria for water resources system performance evaluation 1982(01) 8.王景雷;吴景社;孙景生;齐学斌 支持向量机在地下水位预报中的应用研究[期刊论文]-水利学报 2003(05) 9.熊建秋;李祚泳 基于支持向量机的水流挟沙力预测研究[期刊论文]-水利学报 2005(10) 10.Nazar A M;Hall W A;Albertson M L Risk avoidance objective in water resources 1981 11.Vapnik V;张学工 统计学习理论的本质 2000 12.薛年华;纪昌明 水资源系统风险分析动态 1993(02) 引证文献(10条) 1.刘登伟 京津冀大都市圈水资源短缺风险评价[期刊论文]-水利发展研究 2010(1) 2.王颖.马莉媛.郁尧.王红瑞.刘来福 关于水资源风险评价数学模型的讨论[期刊论文]-南水北调与水利科技 2010(2) 3.万毅 基于支持向量机的离心泵磨损特性分析方法[期刊论文]-水利学报 2010(4) 4.张学霞.武鹏飞.刘奇勇 基于空间聚类分析的松辽流域水资源利用风险评价[期刊论文]-地理科学进展 2010(9) 5.王红瑞.钱龙霞.许新宜.王岩 基于模糊概率的水资源短缺风险评价模型及其应用[期刊论文]-水利学报 2009(7) 6.李帅.刘冀.董晓华.杜发兴.李新哲.雷丹 可变模糊模型在水资源短缺风险评价中的应用[期刊论文]-水电能源科 学 2009(5) 7.贾仁甫.陈守伦.袁明.张焕林 区域水资源可持续利用预警的ANN模型[期刊论文]-水资源保护 2008(3) 8.王志军.顾冲时.娄一青 基于支持向量机的溃坝生命损失评估模型及应用[期刊论文]-水力发电 2008(1) 9.罗军刚.解建仓.阮本清 基于熵权的水资源短缺风险模糊综合评价模型及应用[期刊论文]-水利学报 2008(9) 10.张学霞.武鹏飞.刘奇勇 基于空间聚类分析的松辽流域水资源利用风险评价[期刊论文]-地理科学进展 2010(9) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_slxb200703001.aspx