淺談水利工程的模糊邏輯環(huán)境評價法

時間：2024-07-14 19:05:25 工程力學畢業(yè)論文我要投稿

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　　1 前言

淺談水利工程的模糊邏輯環(huán)境評價法

　　模糊邏輯在近幾十年的研究領域中得到了十分廣泛的關注，而其在智能相機自動對焦、地球物理異常活動識別、老人家庭監(jiān)護等先進技術創(chuàng)新中更是發(fā)揮了不可代替的作用。模糊邏輯在發(fā)達國家已被廣泛應用于環(huán)境評價中，但國內在這方面的研究則相對落后，而基于模糊邏輯的水利工程評價則幾乎沒有被提到過。本文主要介紹模糊邏輯的基本原理與優(yōu)勢、提出水利工程的模糊邏輯環(huán)境評價法，從而對提高水利工程環(huán)境評價效率提供參考。

　　2 原理

　　在水利工程環(huán)境評價中，很大一部分的分析是基于評價者的個人（經驗）判斷，這就使相關工作者無法使用傳統的數學表達法來代替人腦勞動以提高工作效率，因為經典集合是確定性的而個人思維語言卻往往是模糊的。具體來說，傳統數學表達法主要是基于經典集合，而經典集合反映的是二進制邏輯（0-1邏輯），即其只能表達明確的“對”（1）或者“錯”（0），而無法反映人類經驗判斷中大量而又極其常見的模糊詞匯，如“大”,“低”,“高”,“強”等。

　　例如，在對某灌渠工程進行環(huán)境評價時評價者需要判斷“水庫蓄水量”是“大”、“中”還是“小”.如果評價者定義“約為 4×108m3到 6×108m3”的水庫蓄水量為“中”,則評價者基本上會將“3.99999999×108m3”也歸類為“中”.然而，經典集合中的定義是絕對嚴格的、確定性的，“約”字這樣的人類思維常見詞匯無法得到表達，因此在傳統數學表達法中“4.00000001×108m3”會被認為是中型蓄水量而“3.999999999×108m3”則會被認為是“小”,盡管兩者的差距幾乎可以忽略不計。

　　模糊邏輯則在表達人類思維語言方面更有優(yōu)勢，因為其可以嵌入定義的模糊性。不同于二進制邏輯只可識別 0 和 1 兩個單值，模糊邏輯則在 [01] 之間定義了元素的連續(xù)隸屬度。

　　例如，“5×108m3”在“中型蓄水量”集合中的隸屬度為 1,4.00000001×108m3的隸屬度則略大于 3.9999999×108m3（圖 1）, 這就完全符合人類的思維語言，從而表明模糊邏輯可以用于代替水利工程環(huán)境評價中的個人（經驗）判斷從而極大地提高評價效率。

　　3 方法

　　模糊邏輯的執(zhí)行軟件或模型有很多，而本文推薦使用MATLAB 的 Fuzzy Logic Toolbox,一是因為其操作相對簡單，同時它在前期與后期的數據分析方面優(yōu)勢明顯。本文提出的水利工程模糊邏輯環(huán)境評價法主要基于 MATLAB,在其它軟件或模型中該方法也基本適用只是具體步驟會略有差異。該方法主要可分為七步 :

　　（1）分析或者提出水利工程方案。水利工程中的許多參數都與工程的環(huán)境影響密切相關，如設計流量、取水口位置、修建時間等。這一步是要確定與環(huán)境影響有關的工程參數并過濾不需分析的因素；（2）選取受影響的環(huán)境因素。不同的水利工程對環(huán)境會造成不同方面的影響，而這一步則是判斷水利工程可能影響的環(huán)境因素，如灌溉水質、土壤侵蝕、植物群落等；（3）模糊化輸入量。收集到的水利工程參數為確定性的具體數據，這一步則是將這些數據模糊化以使它們可以用來進行模糊邏輯計算。這里主要包括兩部分：一是定義論域，如定義蓄水量的論域為 [1×105,1×109]m3;二是選取模糊邏輯隸屬方程來確定不同值在某一集合中的隸屬度，如較常用的高斯式方程；（4）定義輸出量。模糊邏輯計算可以提供不同的輸出量，針對水利工程環(huán)境評價，本文建議定義計算輸出量為單一的環(huán)境影響優(yōu)度指數，該指數可以對水利工程決策提供實際的指導，例如當它較大時則說明該方案的負面環(huán)境影響越小；（5）建立計算規(guī)則。建立計算規(guī)則是模糊邏輯法的核心，它主要用于表達和代替人類的判斷思維過程，即這一步是將水利工程環(huán)境評價者的分析思路數字化、程序化，從而通過計算機來執(zhí)行或重復同樣的評價過程。較為常用的模糊邏輯規(guī)則為“IF-THEN”規(guī)則，使用該規(guī)則可以表達諸如“如果蓄水量大或者耕地面積小，則灌溉水量充足”之類的評價思維；（6）去模糊化。模糊邏輯計算得到的結果為模糊數據，但在實際水利工程環(huán)境評價中一個簡單的、確定性的結論更有實際指導意義，因此需要將模糊分析得到的模糊邏輯結果轉化為確定性的單個標量。例如，如果之前定義某水利工程的環(huán)境影響優(yōu)度指數為分析輸出量且其定義域為[01],則經過這一操作后，模糊邏輯系統將會把模糊數據轉化為一個介于 0 和 1 之間的單個標量，其值越偏向于 0 則表明該工程的負面影響越大，反之亦然。（7）分析數據。模糊邏輯分析的最后一步是分析得到的數據以便最終確定某水利工程對環(huán)境的影響程度或者比較不同方案在環(huán)境影響方面的優(yōu)劣性。

　　4 結論

　　模糊邏輯在許多前沿的科技領域中都發(fā)揮著重要的作用，而它同樣也可以應用于水利工程的環(huán)境評價中。本文提出的水利工程模糊邏輯環(huán)境評價法主要可分為七步，計算結果用于判斷水利工程對環(huán)境的影響程度或者比較不同方案間在環(huán)境影響方面的優(yōu)劣。該方法可以在一定程度上代替?zhèn)€人（經驗）判斷過程，從而節(jié)省人力、提高評價效率。

　　參考文獻：

　　[1] 裴道武 . 關于模糊邏輯與模糊推理邏輯基礎問題的十年研究綜述 [J]. 工程數學學報 ,2004（2）：249-258.

　　[2]Bede, B.Mathematics of Fuzzy Sets and Fuzzy Logic. New York:Springer,2013.

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