一种区域水-能源-食品纽带系统的效率评估方法及装置

本技术涉及计算机，尤其涉及一种区域水-能源-食品纽带系统的效率评估方法及装置。

背景技术：

1、水资源、能源和食品是经济发展和人民生活的关键基础资源。三种资源之间存在着复杂的相互作用关系。能源和食品生产依赖于可靠稳定的水资源供给。水资源的开发、取用和回收处理都离不开能源的支撑，粮食生产和食品加工都依赖于农药、化肥、电力等能源驱动，资源间的依存关系紧密。

2、数据包络分析(dea)方法是以数学规划模型为基础，对由决策单元构成的生产可能集进行相对效率评价的方法。该方法在水资源利用率、农业生态效率和能源利用率评价等方面取得了丰富的研究成果。随着水-能源-食品(water-energy-food,wef)纽带系统研究的兴起，dea系列方法在wef纽带系统效率评价研究中逐渐得到关注。利用传统的dea方法，往往将wef系统概化为一个黑箱，仅考虑系统外部的投入和产出，即忽略了内部各子系统及其关联关系。此外，传统dea模型大多是基于径向假设，即假设投入和产出指标的增减都是按照相同的比例，但这与不同参数具有不同的调控比例的现实情景存在较大差异。

3、网络dea方法能够打开黑箱，能够按照生产流程对“黑箱”系统进行解构，从而更加准确地描述系统内部结构及其联系，在wef效率评价中得到关注。sbm模型可以解决传统dea模型的局限，允许任意指标可以按照各自的比例变化。然而，网络sbm-dea方法还存在以下两点需要解决的问题。其一，尽管以往研究将网络结构引入到wef效率研究，但是各子系统还是相互独立的，这些研究假设某一个子系统产出的中间变量完全等于另一个子系统的投入。然而，由于水、能源和食品子系统都是独立运行的，子系统之间投入和产出完全一致的情况难以实现。往往是要求子系统的供给要大于或者等于另一个子系统的需求。但是网络dea无法处理这样的问题。其二，网络dea模型难以处理不确定性信息。由于自然因素的随机性和主观判断的模糊性，不确定性广泛存在，并且难以利用确定性数据表示。

技术实现思路

1、为解决上述问题至少之一，本技术实施例提出一种区域水-能源-食品纽带系统的效率评估方法及装置，旨在实现高效准确的效率估计。

2、为实现上述目的，本技术实施例的一方面提出了一种区域水-能源-食品纽带系统的效率评估方法，所述方法包括：

3、结合三个子系统之间的关联关系，建立水-能源-食品纽带系统的效率评价指标体系；其中，三个所述子系统为水资源子系统、能源子系统和食品子系统；

4、获取区域内的所述子系统各自的外部投入数据和外部产出数据，以及所述子系统之间的内部投入数据和内部产出数据，得到输入数据；其中，具有不确定性的评价指标对应的数据采用模糊值表示；

5、根据所述效率评价体系建立模糊关系型网络数据包分析模型，得到第一模型；其中，所述第一模型以所述子系统各自的外部投入产出关系以及所述子系统之间的内部关联关系进行约束；

6、将所述输入数据输入到所述第一模型中进行求解，得到区域水-能源-食品纽带系统效率评估结。

7、在一些实施例中，所述结合三个子系统之间的关联关系，建立水-能源-食品纽带系统的效率评价指标体系，包括以下步骤：

8、构建外部投入指标；其中，所述外部投入指标包括各个子系统的资本投入指标、劳动力投入指标；所述外部投入指标还包括水资源子系统的水资源用量指标、能源子系统的能源消费总量指标，以及食品子系统的灌溉面积指标；

9、构建外部产出指标；其中，所述外部产出指标包括所述水资源子系统中与水相关的第二产业产值指标和第三产业产值指标；所述外部产出指标还包括所述能源子系统中与能源相关的第二产业产值指标和第三产业产值指标；所述外部产出指标还包括所述食品子系统中的第一产业总产值指标；

10、构建内部投入产出指标；其中，所述内部投入产出指标包括所述水资源系统向所述能源子系统和所述食品子系统提供的能源用水指标和农业用水指标；所述内部投入产出指标还包括所述能源子系统向所述水资源子系统和所述食品子系统提供水资源生产用能和农业生产用能的指标。

11、根据所述外部投入指标、所述外部产出指标和所述内部投入产出指标，建立水-能源-食品纽带系统的效率评价指标体系。

12、在一些实施例中，所述获取区域内的所述子系统各自的外部投入数据和外部产出数据，以及所述子系统之间的内部投入数据和内部产出数据，得到输入数据，包括：

13、获取每个所述子系统的资本投入数据和劳动力数据、所述水资源子系统的水资源用量数据、所述能源子系统的能源消费总量数据，以及所述食品子系统的灌溉面积数据，得到外部投入数据；

14、获取第一产业总产值、与水相关的第二产业产值和第三产业产值，以及与能源相关的第二产业产值和第三产业产值，得到外部产出数据；

15、获取所述水资源子系统向所述能源子系统提供的能源用水量、所述水资源系统向所述食品子系统提供的农业用水量、所述能源子系统向所述水资源子系统提供的水资源生产用能量，以及所述能源子系统向所述食品子系统提供的农业生产用能量，得到内部投入产出数据；

16、将所述外部投入数据、所述外部产出数据和所述内部投入产出数据作为输入数据。

17、在一些实施例中，所述根据效率评价体系建立模糊关系型网络数据包分析模型，得到第一模型，包括以下步骤：

18、根据所述水资源子系统、所述能源子系统和所述食品子系统各自的外部投入无效性和外部产出无效性的比值，确定目标函数；

19、根据所述子系统各自的外部投入产出关系和所述子系统的内部关联关系，确定约束条件；

20、根据所述目标函数、所述约束条件和所述关联关系，建立模糊关系网络数据包分析模型，得到第一模型。

21、在一些实施例中，所述将所述输入数据输入到所述第一模型中进行求解，得到区域水-能源-食品纽带系统的效率评估结果，包括以下步骤：

22、采用charnes-cooper变换，将所述第一模型转化为目标函数线性化的模型，得到第二模型；

23、基于模糊理论，将所述输入数据中的所述模糊值转换为确定性数据，得到中间数据；

24、根据水-能源-食品纽带系统的上限条件和下限条件，将所述第二模型转化为上限子模型和下限子模型；其中，所述上限条件为投入最小并且产出最大；所述下限条件为投入最大并且产出最小；

25、根据所述中间数据求解所述上限子模型和所述下限子模型的最优解，得到区域水-能源-食品纽带系统的效率评估结果。

26、在一些实施例中，所述目标函数的表达式为：

27、

28、其中，表示dmuo的模糊效率，dmu为区域水-能源-食品纽带系统；ik表示子系统k有ik个外部投入数据；rk表示子系统k有rk个外部产出数据；为子系统k外部投入数据的模糊值；为子系统k外部产出数据的模糊值；表示子系统k外部投入数据i的松弛变量；表示子系统k外部产出数据r的剩余变量；各个变量中，k＝1时表示水资源子系统的变量，k＝2时表示能源子系统的变量，k＝3时表示食品子系统的变量。

29、为实现上目的，本技术实施例的另一方面提出了一种区域水-能源-食品纽带系统的效率评估装置，所述装置包括：

30、第一模块，用于结合三个子系统之间的关联关系，建立水-能源-食品纽带系统的效率评价指标体系；其中，三个所述子系统为水资源子系统、能源子系统和食品子系统；

31、第二模块，用于获取区域内的所述子系统各自的外部投入数据和外部产出数据，以及所述子系统之间的内部投入数据和内部产出数据，得到输入数据；其中，具有不确定性的评价指标对应的数据采用模糊值表示；

32、第三模块，用于根据所述效率评价体系建立模糊关系型网络数据包分析模型，得到第一模型；其中，所述第一模型以所述子系统各自的外部投入产出关系以及所述子系统之间的内部关联关系进行约束；

33、第四模块，用于将所述输入数据输入到所述第一模型中进行求解，得到区域水-能源-食品纽带系统效率评估结果。

34、为实现上述目的，本技术实施例的另一方面提出了一种电子设备，所述电子设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现前面所述的方法。

35、为实现上述目的，本技术实施例的另一方面提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前面所述的方法。

36、本技术实施例至少包括以下有益效果：本技术实施例结合了区域水-能源-食品纽带系统中各个子系统之间的关联性，建立模糊关系的网络模型，可以量化区域水-能源-食品纽带系统中子系统之间的关联关系，提升了处理各个子系统之间关联关系的能力，从而对该纽带系统的效率进行真实准确的评估。本技术实施例还能够处理表示为模糊集的不确定性，从而提升了系统效率评估的真实性和准确性。