淺談水利工程的模糊邏輯環(huán)境評價法

　　1 前言

　　模糊邏輯在近幾十年的研究領(lǐng)域中得到了十分廣泛的關(guān)注，而其在智能相機(jī)自動對焦、地球物理異常活動識別、老人家庭監(jiān)護(hù)等先進(jìn)技術(shù)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(dá)國家已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境評價中，但國內(nèi)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(jīng)驗(yàn)）判斷，這就使相關(guān)工作者無法使用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)表達(dá)法來代替人腦勞動以提高工作效率，因?yàn)榻?jīng)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(tǒng)數(shù)學(xué)表達(dá)法主要是基于經(jīng)典集合，而經(jīng)典集合反映的是二進(jìn)制邏輯（0-1邏輯），即其只能表達(dá)明確的“對”（1）或者“錯”（0），而無法反映人類經(jīng)驗(yàn)判斷中大量而又極其常見的模糊詞匯，如“大”,“低”,“高”,“強(qiáng)”等。

　　例如，在對某灌渠工程進(jìn)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(jīng)典集合中的定義是絕對嚴(yán)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(dá)，因此在傳統(tǒng)數(shù)學(xué)表達(dá)法中“4.00000001×108m3”會被認(rèn)為是中型蓄水量而“3.999999999×108m3”則會被認(rèn)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(dá)人類思維語言方面更有優(yōu)勢，因?yàn)槠淇梢郧度攵�義的模糊性。不同于二進(jìn)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(jīng)驗(yàn)）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?yàn)槠洳僮飨鄬�簡單，同時它在前期與后期的數(shù)據(jù)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(shù)都與工程的環(huán)境影響密切相關(guān)，如設(shè)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(guān)的工程參數(shù)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(zhì)、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(shù)為確定性的具體數(shù)據(jù)，這一步則是將這些數(shù)據(jù)模糊化以使它們可以用來進(jìn)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?yàn)?[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(shù)，該指數(shù)可以對水利工程決策提供實(shí)際的指導(dǎo)，例如當(dāng)它較大時則說明該方案的負(fù)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(dá)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(shù)字化、程序化，從而通過計算機(jī)來執(zhí)行或重復(fù)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(dá)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(jié)果為模糊數(shù)據(jù)，但在實(shí)際水利工程環(huán)境評價中一個簡單的、確定性的結(jié)論更有實(shí)際指導(dǎo)意義，因此需要將模糊分析得到的模糊邏輯結(jié)果轉(zhuǎn)化為確定性的單個標(biāo)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(shù)為分析輸出量且其定義域?yàn)閇01],則經(jīng)過這一操作后，模糊邏輯系統(tǒng)將會把模糊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一個介于 0 和 1 之間的單個標(biāo)量，其值越偏向于 0 則表明該工程的負(fù)面影響越大，反之亦然。（7）分析數(shù)據(jù)。模糊邏輯分析的最后一步是分析得到的數(shù)據(jù)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(jié)論

　　模糊邏輯在許多前沿的科技領(lǐng)域中都發(fā)揮著重要的作用，而它同樣也可以應(yīng)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(jié)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(jīng)驗(yàn)）判斷過程，從而節(jié)省人力、提高評價效率。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 裴道武 . 關(guān)于模糊邏輯與模糊推理邏輯基礎(chǔ)問題的十年研究綜述 [J]. 工程數(shù)學(xué)學(xué)報 ,2004（2）：249-258.

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

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