一种资源型城市生态安全预警的方法及装置与流程

本发明涉及神经网络领域，特别涉及一种资源型城市生态安全预警的方法及装置。

背景技术：

资源型城市在促进国民经济的发展过程中做出了历史性贡献，但资源的开采与利用对环境产生了很大的负面影响，对资源型城市的生态安全构成了严重威胁，对资源型城市的长久发展构成了约束与限制，这是我国众多资源型城市面临的共同考验。生态安全问题不但会对区域内部产生剧烈的影响，而且会对周边地区的社会和谐带来负面影响，影响到国家的和谐稳定。所以，对资源型城市进行预警及响应机制的研究，对于提升资源型城市的生态安全状况，促进资源型城市可持续发展具有重要的意义。

国内外学者运用生态足迹法、生态l-v模型、模糊综合评价等方法对区域生态安全做了丰富的研究。国内方面，周彬等应用变权模型对舟山群岛生态安全预警做了研究，结果表明该地区的生态安全为“中警”状态。马世五等基于压力—状态—响应（p-s-r）框架构建土地生态安全预警指标体系，并对三峡库区土地生态安全预警进行研究。徐美等基于改进的topsis灰色gm(1,1)模型对张家界市旅游生态安全进行动态预警，得出张家界市的旅游生态安全贴近度将进一步上升。1990年，英国学者sleeser采用ecco模型对不同发展策略下，人口与资源环境承载力之间的一种弹性关系进行预测，最终确定了长远发展是最优发展方案。2001年，tilman等对农业引起的全球环境变化进行了预警研究，指出人口数量的快速增长是生态系统的潜在隐患。

人们在研究生态安全演变趋势的研究较多，但研究的模型以及方法只是对趋势演变较多，对于分析造成这样演变的原因分析较少。因此本发明针对贝叶斯网络模型的事前事后分析能力，利用渗流理论里吸收连通性结构在临界概率左右呈现出根本性不同的特性以及通径系数分析进行贝叶斯网络建立，进行生态安全演变趋势的预测，以及造成演变趋势的原因进行分析，以便于提出改进方案措施，如何加快演变趋势或抑制演变趋势。

贝叶斯网络又称信度网络，是bayes方法的扩展，是目前不确定知识表达和推理领域最有效的理论模型之一。从1988年由pearl提出后，已经成为近几年来研究的热点.。一个贝叶斯网络是一个有向无环图(directedacyclicgraph,dag),由代表变量结点及连接这些结点有向边构成。结点代表随机变量，结点间的有向边代表了结点间的互相关系(由父结点指向其子结点)，用条件概率进行表达关系强度，没有父结点的用先验概率进行信息表达。结点变量可以是任何问题的抽象，如：测试值，观测现象，意见征询等。适用于表达和分析不确定性和概率性的事件，应用于有条件地依赖多种控制因素的决策，可以从不完全、不精确或不确定的知识或信息中做出推理。

现有的资源型城市生态安全预警的方法一般基于专家评分，受主观影响较大，分析比较片面。

技术实现要素：

本发明的目的在于：提供了一种资源型城市生态安全预警的方法及装置，解决了现有的资源型城市生态安全预警的方法一般基于专家评分，受主观影响较大，分析比较片面的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种资源型城市生态安全预警的方法，包括以下步骤：

s1、确定贝叶斯网络的根节点为资源型城市生态安全预警c；确定贝叶斯网络的中间节点cj，包括：环境状态c1、生态安全胁迫c2和生态风险免疫能力c3；中间节点cj包括至少一个叶节点cji；

s2、分析cji对cj的通径系数及决定系数；

s3、根据步骤s2得到的通径系数及决定系数建立贝叶斯网络模型；

s4、判断步骤s3建立的贝叶斯网络模型是否达到预期效果，则根据得到的贝叶斯网络模型进行安全预警，否则调整各个节点的数据渗流力度后重新分析决定系数。

“状态—胁迫—免疫，state-danger-immunity，sdi”模型将研究地区的生态安全综合考量分解成为生态环境状态、生态安全胁迫和生态风险免疫功能3个层面。本发明的贝叶斯网络根节点为资源型城市生态安全预警c；确定贝叶斯网络的中间节点cj，包括：环境状态c1、生态安全胁迫c2和生态风险免疫能力c3。

进一步的，步骤s2分析cji对cj的通径系数及决定系数前，对各个节点的数据进行预处理。

进一步的，对各个节点的数据进行预处理的方法包括：

数据的清洗、空值填充以及数据0-1标准化；

初始化参数和预处理之后的数据,先将渗透阈值设为0.5。

假设欲填充的数据为xi，其左右相邻的四个值分别为xi-2，xi-1，xi+1，xi+2；则空值填充利用下面的公式进行填充：

其中为自然常数，为数学中一个常数，是一个无限不循环小数，且为超越数，其值约为2.71828。

进一步的，步骤s2中通径系数的分析包括以下步骤：

s201、建立正规方程组；

s202、根据正规方程组计算通径系数；

s203、根据步骤s202得到的通径系数绘制通径图，根据通径图计算间接通径系数；

s204、根据通径系数和间接通径系数判断cji对cj的影响力。

进一步的，步骤s3中决定系数的分析包括以下步骤：

s205、计算单个自变量cji对cj的决定系数；

s206、计算两个自变量cji1、cji2对cj的决定系数；

s207、根据的值完成决定系数分析，如果，则表示通径分析已包括主要相关性状，分析结果能表达各性状间的关系，进入步骤s3，否则重新完善各节点的数据后转入步骤s201。

进一步的，步骤s3中建立贝叶斯网络模型的方法包括以下步骤：

s301、对决定系数进行分析，然后选出cji对cj综合影响力前80%的cji加入贝叶斯网络作为叶节点；

s302、判断cji对cj影响力的正负，根据cji对cj影响力的正负确定cji的先验概率；

s303、从未加入贝叶斯网络的指标中选出能渗流到目标层的指标加入贝叶斯网络；

s304、将决定系数转化为条件概率得到贝叶斯网络模型。

进一步的，步骤s4中判断步骤s3建立的贝叶斯网络模型是否达到预期效果的方法包括以下步骤：

s401、使用步骤s3建立的贝叶斯网络模型得到目标层的各个指标的后验概率，利用贝叶斯网络模型依次得到准则层的条件概率，目标层资源型城市生态安全预警的条件概率；

s402、根据各个指标的后验概率和目标层资源型城市生态安全预警的条件概率判断是否达到预期的效果。

一种资源型城市生态安全预警的装置，包括：

存储器，用于存储可执行指令；

处理器，用于执行所述存储器中存储的可执行指令，实现上述的一种资源型城市生态安全预警的方法。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明一种资源型城市生态安全预警的方法及装置，不基于专家打分，减少人为主观因素的影响，提高模型的稳定性；

2.本发明一种资源型城市生态安全预警的方法及装置，经过通径系数分析之后，可以检查是否漏掉重要数据，可以再去寻找重要数据，以便于分析时的信息收集足够完整；

3.本发明一种资源型城市生态安全预警的方法及装置，可以将不重要的数据去除，减少数据量，简化贝叶斯网络结构；

4.本发明一种资源型城市生态安全预警的方法及装置，建立贝叶斯网络后，不仅可以用于打分和风险评估，还可以根据目标层去估计各准则层的影响；

5.本发明一种资源型城市生态安全预警的方法及装置，可以从准则出发，去基于后验概率去估计目标层的作用，提出一些方案措施；

6.本发明一种资源型城市生态安全预警的方法及装置，使用图形的方法描述数据间的相互关系，语义清晰，易于理解，也易于分析；

7.本发明一种资源型城市生态安全预警的方法及装置，概率分布表来表示依赖关系的强弱，将先验信息与样本知识有机结合起来，促进了先验知识和数据的集成，这在样本数据稀疏或数据较难获得的时候特别有效；

8.本发明一种资源型城市生态安全预警的方法及装置，该设计方法反映的是整个数据库中数据间的概率关系模型，缺少某一数据变量仍然可以建立精确的模型

9.本发明一种资源型城市生态安全预警的方法及装置，基于渗流理论建立的贝叶斯网络，当有一些没有加入贝叶斯网络的信息元素但概率大于临界值时，会加入贝叶斯网络，这样可以增强贝叶斯网络模型的准确性，以防忽略此时起重要作用的信息元素，当它们的概率小于临界值，不纳入贝叶斯模型，也可简化贝叶斯模型，以便于简单分析。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，其中：

图1是本发明的流程示意图；

图2是本发明的通径图简图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合图1、图2对本发明作进一步地详细描述，所描述的实施例不应视为对本发明的限制，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本发明实施例的目的，不是旨在限制本发明。

实施例1

一种资源型城市生态安全预警的方法，包括以下步骤：

s1、确定贝叶斯网络的根节点为资源型城市生态安全预警c；确定贝叶斯网络的中间节点cj，包括：环境状态c1、生态安全胁迫c2和生态风险免疫能力c3；中间节点cj包括至少一个叶节点cji；

s2、分析cji对cj的通径系数及决定系数；

s3、根据步骤s2得到的通径系数及决定系数建立贝叶斯网络模型；

s4、判断步骤s3建立的贝叶斯网络模型是否达到预期效果，则根据得到的贝叶斯网络模型进行安全预警，否则调整各个节点的数据渗流力度后重新分析决定系数。

“状态—胁迫—免疫，state-danger-immunity，sdi”模型将研究地区的生态安全综合考量分解成为生态环境状态、生态安全胁迫和生态风险免疫功能3个层面。本发明的贝叶斯网络根节点为资源型城市生态安全预警c；确定贝叶斯网络的中间节点cj，包括：环境状态c1、生态安全胁迫c2和生态风险免疫能力c3。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上进一步的，步骤s2分析cji对cj的通径系数及决定系数前，对各个节点的数据进行预处理。

进一步的，对各个节点的数据进行预处理的方法包括：

数据的清洗、空值填充以及数据0-1标准化；

初始化参数和预处理之后的数据,先将渗透阈值设为0.5。

假设欲填充的数据为xi，其左右相邻的四个值分别为xi-2，xi-1，xi+1，xi+2；则空值填充利用下面的公式进行填充：

其中为自然常数，为数学中一个常数，是一个无限不循环小数，且为超越数，其值约为2.71828。

实施例3

本实施例在实施例1的基础上进一步的，步骤s2中通径系数的分析包括以下步骤：

s201、建立正规方程组；

s202、根据正规方程组计算通径系数；

s203、根据步骤s202得到的通径系数绘制通径图，根据通径图计算间接通径系数；

s204、根据通径系数和间接通径系数判断cji对cj的影响力。

进一步的，步骤s3中决定系数的分析包括以下步骤：

s205、计算单个自变量cji对cj的决定系数；

s206、计算两个自变量cji1、cji2对cj的决定系数；

s207、根据的值完成决定系数分析，如果，则表示通径分析已包括主要相关性状，分析结果能表达各性状间的关系，进入步骤s3，否则重新完善各节点的数据后转入步骤s201。

进一步的，步骤s3中建立贝叶斯网络模型的方法包括以下步骤：

s301、对决定系数进行分析，然后选出cji对cj综合影响力前80%的cji加入贝叶斯网络作为叶节点；

s302、判断cji对cj影响力的正负，根据cji对cj影响力的正负确定cji的先验概率；

s303、从未加入贝叶斯网络的指标中选出能渗流到目标层的指标加入贝叶斯网络；

s304、将决定系数转化为条件概率得到贝叶斯网络模型。

进一步的，步骤s4中判断步骤s3建立的贝叶斯网络模型是否达到预期效果的方法包括以下步骤：

s401、使用步骤s3建立的贝叶斯网络模型得到目标层的各个指标的后验概率，利用贝叶斯网络模型依次得到准则层的条件概率，目标层资源型城市生态安全预警的条件概率；

s402、根据各个指标的后验概率和目标层资源型城市生态安全预警的条件概率判断是否达到预期的效果。

实施例5

一种资源型城市生态安全预警的装置，包括：

存储器，用于存储可执行指令；

处理器，用于执行所述存储器中存储的可执行指令，实现上述的一种资源型城市生态安全预警的方法。

实施例6

本实施例为采用本方案的一个实例：

采用sdi模型将研究地区的生态安全综合考量分解成为生态环境状态、生态安全胁迫和生态风险免疫功能3个层面。本发明的贝叶斯网络根节点为资源型城市生态安全预警c；中间节点cj包括：环境状态c1、生态安全胁迫c2和生态风险免疫能力c3；中间节点cj包括至少一个叶节点cji；

影响中间节点c1（环境状态）的叶节点有c1i(1≤i≤n1)其中n1为影响环境状态的因素个数。例如c11表示第一个影响因素人均水资源量、c12表示第二个影响因素人均耕地面积、…、c1n1表示第n1个影响因素。

中间节点c2（生态安全胁迫）的叶节点有c2i(1≤i≤n2)其中n2为影响生态安全胁迫的因素个数。例如c21表示第一个影响因素工业烟尘排放量、c22表示第二个影响因素工业废水排放量、…、c2n2表示第n2个影响因素。

中间节点c3（生态风险免疫能力）的叶节点有c3i(1≤i≤n3)其中n3为影响生态风险免疫能力的因素个数。c31表示第一个影响因素工业固体废物综合利用率、c32表示第二个影响因素城市生活污水集中处理率、…、c3n3表示第n3个影响因素。该方法的具体步骤如下：

s01、数据的准备：

s01.1、数据的预处理，空值填充以及数据0-1标准化，假设欲填充的数据xi，其左右相邻的四个值分别为xi-2，xi-1，xi+1，xi+2；则空值填充利用下面的公式进行填充：

其中e为自然常数，为数学中一个常数，是一个无限不循环小数，且为超越数，其值约为2.71828。

s01.2、初始化参数和预处理之后的数据，先将渗透阈值设为0.5。

s02、通径系数分析：

以对c1的通径系数分析为例，对c2，对c3，对cj的通径系数分析类似。具体步骤如下：

s02.1、建立正规方程组：

假设处理后第一个中间节点环境状态c1所对应的叶节点c11，c12，……，c1n1所标准化后的数据为，相对应c1的数据为y¹，则正规方程为：

；

通向环境状态c1的直接通径系数，、的计算如下：

s02.1.1、计算单相关系数：

或；

式中：为与的乘积和，为与的乘积和，为的平方和，为的平方和，为的平方和。

s02.1.2建立正规方程组：

将计算出来得到的和带入正规方程组：

；

s02.2、计算通径系数：解上述方程组得：

为人均水资源量c11通向环境状态c1的直接通径系数；

同理其他的为通向环境状态c1的直接通径系数；

s02.3、绘制通径图：

由于元素过多仅画一个简图，如图2；

s02.3、计算间接通径系数：

s02.3.1、人均水资源量c11通向环境状态c1的各间接通径系数的计算；

s02.3.1.1、人均水资源量c11通过人均耕地面积c12对环境状态c1的间接通径系数为：；

s02.3.1.2、同理人均水资源量c11通过对产量c1的间接通径系数：；

s02.3.2、同理可计算cij各间接通径系数的计算

s02.4、通径系数影响力大小的判断：

将直接通径系数和间接通径系数制成通径系数分析表列。

与c1的单相关系数可分解为该自变量对c1的直接通径系数和间接通径系数，即：；

s02.4.1、c1i对c1影响力的判断：

根据的大小进行影响力的判断。由于c1i间存在相关，r¹影响力大小的顺序并不能真实反映该自变量的影响力。

s02.4.2、从直接通径系数进行判断：

根据的大小进行判断，单相关系数与直接通径系数顺序可能不同。因此单相关系数和直接通径系数中c1i对c1影响力大小的顺序不能完全反映该自变量的影响力。

s02.4.3、综合判断：

我们可以将与进行综合判断，c1i对c1综合影响力为：

；

s02.5、决定系数分析：

s02.5.1计算决定系数：

s02.5.1.1、计算单个自变量c1i对c1的决定系数

单个自变量c1i对c1的决定系数以表示，计算式及计算方法为：；

s02.5.1.2、计算两自变量c1j、c1i对c1的决定系数：

两自变量对c1的决定系数以表示，计算式及计算方法为：；

s02.5.2、决定系数分析：

s02.5.2.1、对通径分析结果的评价：

如果，表示通径分析已包括主要相关性状，分析结果能表达各性状间的关系。如果与1相差较大，表明通径分析遗失了主要相关性状。因此需要重新寻找相关性状，即指标层元素，完善数据，完善数据之后，回到s1。

s03、其余cji对cj综合影响力（j=1,2,3…）可以类似计算，以及cj对c综合影响力（j=1,2,3…）也可以类似计算。

s04、建立贝叶斯网络模型：

s04.1、对决定系数进行分析，然后选出cji对cj综合影响力前80%的cji，并将他们加入贝叶斯网络作为叶节点；

s04.2、根据实际情况，cji对cj综合影响力可能有正有负；

假设cji以前出现的数据的最大值为，最小值为，cji的当前数据为；

；

；

如果cji影响为正则其先验概率为：

；

如果cji影响为负则其先验概率为：

；

s04.3、从剩余未加入贝叶斯网络的指标中选出能渗流到目标层的指标：

如果，则指标cji能渗流到准则层cj，然后计算能渗流到准则层中的所有指标cji的的大小，取前（取整）能渗流到目标层资源型城市生态安全预警。然后将它们加入贝叶斯网络。

s04.4、将决定系数转化为条件概率：

；

；

得到贝叶斯网络模型。

s05、贝叶斯网络模型的使用：

s05.1、事后决策分析：

s05.1.1、将目标层的数据输入，并将其转换为相应的概率：

；

其中x为当前数据，xmax，xmin为当前数据最大，最小值；

s05.1.2然后通过贝叶斯网络得到准则相应的概率，从而得到目标层的各个指标的后验概率，可以对各个指标的后验概率进行分析，基于后验概率提出方案措施。

s05.2用于预测：

s05.1.1判断能渗流到目标层的指标是否全在贝叶斯网络中，如果不在将其加入贝叶斯网络中。

s05.1.2利用贝叶斯网络模型依次得到准则层的条件概率，目标层资源型城市生态安全预警的条件概率。

s06判断是否达到预期的效果，如果没达到，则增大渗流力度，即减小渗流阈值的大小；如果达到了预期效果，则算法结束。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。