人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在灌溉發(fā)展需求預(yù)測(cè)中的應(yīng)用.doc

精品論文推薦人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在灌溉發(fā)展需求預(yù)測(cè)中的應(yīng)用于舒野 遼寧工程技術(shù)大學(xué)信息與計(jì)算科學(xué)系，遼寧阜新（123000） e-mail：摘要：本文將計(jì)算機(jī)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論引入灌溉宏觀發(fā)展戰(zhàn)略研究領(lǐng)域，以各“五年”計(jì)劃 期末全國(guó)糧食總產(chǎn)與影響因子集為訓(xùn)練樣本，建立了灌溉發(fā)展需求預(yù)測(cè)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型； 從建國(guó)以來(lái) 40 多年的時(shí)間序列中，任選 5 個(gè)年份的相應(yīng)參數(shù)作為校核樣本，以確保模型的 準(zhǔn)確性，對(duì)所建模型進(jìn)行了校核；根據(jù)今后我國(guó)人口增長(zhǎng)與糧食需求發(fā)展趨勢(shì)，利用模型對(duì) 未來(lái) 30 年全國(guó)的灌溉面積發(fā)展需求進(jìn)行了預(yù)測(cè)；并對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)發(fā)展 對(duì)策.其成果對(duì)制定全國(guó)灌溉宏觀發(fā)展戰(zhàn)略與政策措施，確保未來(lái) 30 年中國(guó)糧食與經(jīng)濟(jì)安全 具有十分重要的參考意義。關(guān)鍵詞：灌溉，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測(cè)1. 引言近年來(lái)國(guó)內(nèi)外興起的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究方法能對(duì)信息進(jìn)行大規(guī)模并行處理；具有很強(qiáng) 的魯棒性和容錯(cuò)性；善于聯(lián)想、概括、類比和推理；而且具有很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力，善于從 大量統(tǒng)計(jì)資料中分析提取宏觀統(tǒng)計(jì)規(guī)律1，很適合灌溉宏觀發(fā)展戰(zhàn)略的定量研究.因此， 本文引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理，來(lái)建立全國(guó)糧食總產(chǎn)與影響因子間的定量關(guān)系模型.2. 模型的建立在其它條件不變的情況下，糧食總產(chǎn)主要取決于播種面積、灌溉面積、農(nóng)田成災(zāi)面積、 漬澇鹽堿地面積、糧食價(jià)格、良種覆蓋率、化肥使用量、科技貢獻(xiàn)率 8 個(gè)主要因素2.為確 定糧食總產(chǎn)與影響因子間的定量關(guān)系，根據(jù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本原理，設(shè)計(jì)相應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)： 網(wǎng)絡(luò)共分四層，一個(gè)輸入層，二個(gè)隱含層，一個(gè)輸出層.輸入層 8 個(gè)節(jié)點(diǎn)，輸出層 1 個(gè)節(jié)點(diǎn).令 qm , hi ,wi , o 分別為第 1、2、3、4 層的輸出；ui ,vi , s 分別為第 2、3、4 層的輸入；aim , b ji , c j 分別為第 12 層，23 層和 34 層單元的連接權(quán)值；x i , yi , z 分別為第 2、3、4 層單元的偏置值； di , ji , g 分別為第 2、3、4 層的誤差信號(hào).-7-設(shè)有 l 個(gè)學(xué)習(xí)樣本 (q1 , t 1 ), (q2 , t 2 ),l定義誤差函數(shù)：, (q l ,t l )12le =(t k ok )2 k =1(1)式中t k , ok 分別表示樣本 k 時(shí)網(wǎng)絡(luò)的期望輸出和實(shí)際輸出值.根據(jù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) bp 算法基本原理，采用逐次修正法，用 fortain 5.0 編制模型源程序.模型計(jì)算步驟如下：2.1 網(wǎng)絡(luò)初始化取學(xué)習(xí)步長(zhǎng) = 0.1 ，沖量因子 = 0.1 ，最大學(xué)習(xí)誤差 e = 0.00012 ，令權(quán)值 aim = b ji = c j = 0.65(i = 1, 2,l, 8; j = 1, 2,l, 8; m = 1, 2,l, 8;)置偏值 x i = yi = z = 0.35(i = 1, 2,l, 8; j = 1, 2,l, 8;)令樣本輸入值=輸入層輸出值 qm(m = 1, 2,l, 8) ,2.2 計(jì)算各層輸入與輸出第二層:8ui = aim qm + x ii =1(i = 1, 2,l, 8) (2)hi =上式中： f 為 sigmoid 函數(shù)第三層：f (ui )(3)8v j = b ji hi + yji =1( j = 1, 2,l, 8) (4)第四層：wi =f (vi )(5)8s = c jw j + zi =1( j = 1, 2,l, 8) (6)oi =f (s )(7 )2.3 計(jì)算各層誤差信號(hào)g = (o t ) o (1 o )(8)fi = g ci wi (1 wi )(9)8di = fj b ji hi (1 hi )(10)i =12.4 修改各層權(quán)值c j = c j + g w jb ji = b ji + fj hiaim = aim + di dm(11) (12) (13)2.5 修改各層偏置值e = e + g y1 = y1 + f1x1 = x1 + d1(14) (15) (16)2.6 輸入下一樣本2.7 學(xué)習(xí)樣本結(jié)束，更新學(xué)習(xí)次數(shù)2.8 如果 e0.00012，學(xué)習(xí)結(jié)束。3. 模型的訓(xùn)練分別以建國(guó)以來(lái)各“五年”計(jì)劃期末糧食總產(chǎn)與對(duì)應(yīng)的 8 個(gè)影響因素值為訓(xùn)練樣本的期望 輸出和樣本輸入來(lái)訓(xùn)練模型5.根據(jù)有關(guān)農(nóng)業(yè)、水利統(tǒng)計(jì)資料，查得相關(guān)年參數(shù)如表 1 所示.表 1 模型訓(xùn)練參數(shù)table 1 model training parameters年代糧食產(chǎn)量?jī)|噸播種面積億畝灌溉面積億畝良種覆蓋率%農(nóng)田受災(zāi)萬(wàn)畝漬澇鹽堿地億畝糧食價(jià)格元/噸化肥用量萬(wàn)噸科技貢獻(xiàn)率%19521.63918.5972.904100.624138.47.8519571.95120.0454.109202.2474.116237.3619621.618.2434.455302.5014.119063719651.94517.9444.806401.6834.21229.2194.2819702.417.895.4500.4944.21270351.2919752.84518.1596.918601.5064.371310536.21019803.20617.5857.331803.3484.584360.61269.41519853.79116.3277.19623.4064.785416.11775.82019904.46217.027.26802.6734.86802590.32519954.66616.5097.368854.954.914803592.230為消除量綱影響，對(duì)表 1 中原始數(shù)據(jù)做如下標(biāo)準(zhǔn)化處理：3.1 影響因子數(shù)據(jù)處理設(shè)影響因子值為 x ij(i = 1, 2,l, 8; j = 1, 2,l,10;)i, j 分別為影響因子數(shù)及樣本數(shù)，則標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程為：br =101 x ij(17 )10 j =11 102brri =( x ij bri )(18)9 j =1brrri =brri(19)x ij = ( x ij bri )brrri(20)3.2 糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)處理設(shè)yj 為第 j 個(gè)樣本的糧食產(chǎn)量，則處理公式為：yj = yj 7(21)將處理好的 10 組樣本參數(shù)5輸入模型訓(xùn)練，當(dāng)訓(xùn)練至 e 0.00012 時(shí)，得出模型訓(xùn)練 結(jié)果如表 2 所示表 2 灌溉面積預(yù)測(cè)模型訓(xùn)練結(jié)果table 2 irrigation results of the training mode年代模擬產(chǎn)量/億噸實(shí)際產(chǎn)量/億噸絕對(duì)誤差/億噸相對(duì)誤差/%19521.64651.63870.00780.4719571.91761.9509-0.0333-1.7119621.65111.60020.05093.1819651.96681.94530.02151.1119702.33922.4003-0.0611-2.5519752.88112.84480.03631.2819803.18913.206-0.0169-0.5319853.76543.7912-0.0258-0.6819904.49994.46180.03810.8519954.65744.6662-0.0088-0.19從表中看出，10 個(gè)訓(xùn)練樣本的模擬輸出與期望輸出的相對(duì)誤差均在3.2%的范圍內(nèi)，模型的收斂效果很好.經(jīng)過(guò)上述訓(xùn)練所得到的權(quán)重體系及偏置值所確定的網(wǎng)絡(luò)就是所要建立的灌溉發(fā)展需求 預(yù)測(cè)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型.4. 模型的校核在各“五年”計(jì)劃期間任選五個(gè)年份4，如 1973、1978、1983、1988、1993 年，從有 關(guān)農(nóng)業(yè)、水利統(tǒng)計(jì)資料查得各年糧食產(chǎn)量及影響參數(shù)如表 3 所示。表 3 模型校核參數(shù)table 3 model checking parameters年代糧食產(chǎn)量 億噸播種面積 億畝灌溉面積 億畝良種覆蓋率%農(nóng)田受災(zāi) 萬(wàn)畝漬澇鹽堿地 億畝糧食價(jià)格 元/噸化肥用量 萬(wàn)噸科技貢獻(xiàn)率%19732.64918.1736.572551.1434.315200511.1919783.04818.0887.208653.7874.47263.48841019833.87317.1077.28357.7532.434.7144001659.81519883.94116.5187.187703.5914.8036002141.52019934.56516.5767.3823.474.98003150.125將表中原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后輸入訓(xùn)練好的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行核算，核算如表4 所示.。表 4 灌溉面積預(yù)測(cè)模型校核結(jié)果table 4 irrigated area forecast model check the results of年代模擬產(chǎn)量/億噸實(shí)際產(chǎn)量/億噸絕對(duì)誤差/億噸相對(duì)誤差/%19732.78542.64880.13665.1619782.77943.0478-0.2684-8.8119833.95033.87310.07721.9919883.95033.9410.00930.2419934.71184.56470.14713.22結(jié)果表明，5 個(gè)校核樣本的模擬輸出與期望輸出的相對(duì)誤差有 3 個(gè)小于 3.3%，另 2 個(gè)小于9%，比較令人滿意.表明模型具有較好的適用性.5. 灌溉發(fā)展需求預(yù)測(cè)根據(jù) 1996 年 11 月中國(guó)政府在羅馬世界糧食首腦會(huì)議上提交的中國(guó)的糧食安全狀況 報(bào)告，未來(lái) 30 年中國(guó)的糧食需求狀況見(jiàn)表 5.(為確保國(guó)家糧食供給安全，糧食自給率按 95% 計(jì)算)表 5 未來(lái) 30 年中國(guó)的人口增長(zhǎng)與糧食需求table 5 over the next 30 years chinas population growth and demand for food年代人口總量人均糧食消費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)/(公斤/人)糧食需求總量/億噸國(guó)內(nèi)糧食產(chǎn)量需求/億噸2009133955.0054.752019144005.55.222029154005.9255.632039164106.46.08為此，中國(guó)政府應(yīng)該在未來(lái)幾十年將從以下幾方面采取措施4，提高糧食產(chǎn)量.1）.將糧食播種面積穩(wěn)定在 16 億畝.2）.努力擴(kuò)大灌溉面積.3）.提高農(nóng)業(yè)抗災(zāi)能力.預(yù)計(jì)農(nóng)田年成災(zāi)面積 2009 年前后可控制在 80 年代初 3 億畝的水 平，2019 年以后穩(wěn)定在 2 億畝左右.4）.將全國(guó)漬澇鹽堿地面積長(zhǎng)期穩(wěn)定在 4.5 億畝，扼制其發(fā)展趨勢(shì).5）.提高良種覆蓋率. 2009 年達(dá)到 95%，2019 年以后基本實(shí)現(xiàn)良種化.6）.穩(wěn)定糧食收購(gòu)價(jià)格.按目前水平，考慮 5%的物價(jià)上漲指數(shù)，噸糧價(jià)格 2009 年為 1500元，2019 年為 2443 元，2029 年為 3900 元，2039 年為 6483 元.7）.增加化肥使用量.2009 年達(dá)到 4000 萬(wàn)噸，2029 年達(dá)到 4500 萬(wàn)噸，2039 年達(dá)到 5000萬(wàn)噸峰值.8）.推廣農(nóng)業(yè)先進(jìn)技術(shù)，提高科技對(duì)農(nóng)業(yè)的貢獻(xiàn)率.2009 年達(dá)到 50%，2039 年達(dá)到 70%. 據(jù)此，未來(lái) 30 年不同時(shí)期糧食增產(chǎn)目標(biāo)及相應(yīng) 7 個(gè)影響因素為定值，見(jiàn)表 6，灌溉面 積為未知數(shù).任設(shè)一組灌溉面積發(fā)展參數(shù)，與表 6 中數(shù)據(jù)一起組成原始樣本參數(shù)，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化 處理后代入前面訓(xùn)練好的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型運(yùn)算，將算出的模擬產(chǎn)量與表 6 中的期望產(chǎn)量對(duì) 比，若誤差不滿足要求，則改變灌溉面積設(shè)定值，重復(fù)以上步驟.當(dāng)灌溉面積設(shè)定為表 7 所 示規(guī)模時(shí).各年份糧食總產(chǎn)模擬值與期望值間的相對(duì)誤差均小于 0.1%，滿足要求.因此，在其 它糧食增產(chǎn)措施按表 6 給定的情況下，要保障未來(lái)糧食供給安全，2009 年，2019 年，2029 年，2039 年全國(guó)有效灌溉面積必須達(dá)到 7.83 億畝、9.05 億畝、10.35 億畝和 13.14 億畝.灌溉面積發(fā)展最大需求額約為目前全國(guó)實(shí)有耕地面積的 63%.表 6 模型應(yīng)用參數(shù)table 6 model parameters年代糧食產(chǎn)量?jī)|噸播種面積億畝良種覆蓋率%農(nóng)田受災(zāi)萬(wàn)畝漬澇鹽堿地億畝糧食價(jià)格元/噸化肥用量萬(wàn)噸科技貢獻(xiàn)率%20094.75169534.5150040005020195.2251610024.5244340006020295.63151610024.5398045006520396.081610024.56483500070表 7 灌溉面積發(fā)展需求預(yù)測(cè)結(jié)果table 7 irrigation development needs results年代灌溉面積億畝模擬產(chǎn)量?jī)|噸實(shí)際產(chǎn)量?jī)|噸絕對(duì)誤差億噸相對(duì)誤差%20097.82794.75344.75020.00320.0720199.05315.22535.2480.00050.01202910.355.63155.62860.00280.01203913.13746.08156.08020.00130.026. 結(jié)論本文根據(jù)未來(lái) 30 年中國(guó)的人口增長(zhǎng)與糧食需求發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)測(cè) 2009 年，2019 年，2029年，2039 年中國(guó)的糧食總產(chǎn)目標(biāo)為 4.75 億噸、5.22 億噸，5.63 億噸，6.08 億噸；利用過(guò)去40 多年全國(guó)糧食總產(chǎn)與影響因素的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立了灌溉面積發(fā)展預(yù)測(cè)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型； 用此模型預(yù)測(cè)出 2009 年、2019 年、2029 年、2039 年全國(guó)有效灌溉面積的發(fā)展需求分別為7.83 億畝、9.05 億畝、10.35 億畝、13.14 億畝；根據(jù)當(dāng)前全國(guó)灌溉發(fā)展?fàn)顩r及面臨的問(wèn)題， 提出灌溉長(zhǎng)期發(fā)展對(duì)策是：全面普及節(jié)水灌溉，改善灌溉投資環(huán)境，建立灌溉市場(chǎng)運(yùn)行機(jī)制， 加強(qiáng)政府宏觀調(diào)控.參考文獻(xiàn)1 郭嗣琮 陳剛信息科學(xué)中的軟計(jì)算方法沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社，20011481542 黎志成，等.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中權(quán)值分布的研究.決策與決策支持系統(tǒng)，1993.3(2)3 水利部灌溉排水發(fā)展研究課題組.20002010 年農(nóng)田灌溉排水發(fā)展方向及主要目標(biāo)研究，19954 國(guó)務(wù)院.中國(guó)的糧食安全狀況.19965 hoptield j j,tank d w.neural compulation of decisions optimization problems.biol.cybern,1985.5054artificial neural network model in the development of irrigation demand forecastyu shuyedepartment of information and computing science,liaoning engineering technology university, fuxin，liaoning(123000)abstractin this paper, the computer artificial neural network theory to introduce macro-irrigation development strategy research in the field to the five-year plan at the end of the national total grain output and impact factor for the training set samples, set up the development of irrigation demand forecast artificial neu