基于面向對象描述的擴展NFA災害鏈數(shù)據(jù)抽象模型研究

1、畢業(yè)設計（論文）開題報告題目： 基于面向對象描述的擴展nfa災害鏈數(shù)據(jù)抽象模型研究專 業(yè) 計算機科學與技術班 級 071041a2學 號 0710411434姓 名 葛吉強指 導 教 師 郭文宏2011年 02 月 16 日計算機科學與信息工程系 畢業(yè)設計（論文）開題報告1 本課題的目的和意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢1.1 課題的目的和意義 災害是指一切對自然生態(tài)環(huán)境、人類社會的物質文明和精神文明建設，尤其是生 命、財產(chǎn)等造成危害的天然事件和社會事件。 災害對人類生存與發(fā)展的危害和不利，具體表現(xiàn)有以下方面： 1、危害人類的生命 災害第一位的屬性是對人類生命的危害。大多數(shù)災害事件，如地震

2、、洪水、 雷擊、瘟疫、火災等等，都有可能直接對人類的生命造成危害。 2、損毀人類的生存資料 生存資料既包括了生活資料，也包括了生產(chǎn)資料。生存資料的損失和毀壞， 使得人類喪失或者難以獲得維持生命所必需的物質條件，造成生存困難。 3、惡化人類的生存環(huán)境人類的生存環(huán)境，既包括了自然環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)，也包括了通過人類勞動創(chuàng)造的人造環(huán)境。重視災害問題的綜合研究,為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實施提供科學依據(jù)。1 災害是社會與自然綜合作用的產(chǎn)物。2 災害是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的主要障礙因素之一3 對資源開發(fā)利用行為的認識是理解災情形成機制的關鍵4 加強減災研究促進可持續(xù)發(fā)展1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與水平 2. 1致災因子論致災因

3、子包括自然致災因子, 例如地震、火山噴發(fā)、滑坡、泥石流、臺風、暴風雨、風暴潮、龍卷風、塵暴、洪水、海嘯等等, 也包括環(huán)境及人為致災因子, 如戰(zhàn)爭、動亂、核事故等等。因此, 持致災因子論的有關研究者認為, 災害的形成是致災因子對承災體作用的結果, 沒有致災因子就沒有災害。致災因子論的主要內(nèi)容包括, 對致災因子的分類, 一般的體系是首先劃分成自然致災因子與人為致災因子 6, 13 , 然后根據(jù)致災因子產(chǎn)生的環(huán)境進一步劃分為大氣圈、水圈所產(chǎn)生的致災因子臺風、暴雨、風暴潮、海嘯、洪水等; 巖石圈所產(chǎn)生的致災因子 地震、火山、滑坡、崩塌、泥石流等; 以及生物圈所產(chǎn)生的致災因子 病害、蟲害等。致災因子論的

4、主要理論認識是致災因子分類、致災因子形成機制和致災因子的風險評價, 其實踐的目的是提高致災因子的預報準確率, 以及為工程建設提供技術參數(shù) 2. 2孕災環(huán)境論孕災環(huán)境包括孕育產(chǎn)生災害的自然環(huán)境與人文環(huán)境。持孕災環(huán)境論的有關研究者認為, 近年災害發(fā)生頻繁, 損失與年俱增, 其原因與區(qū)域及全球環(huán)境變化有密切關系, 其中最為主要的是氣候與地表覆蓋的變化, 以及物質文化環(huán)境的變化。2. 3承災體論承災體就是各種致災因子作用的對象, 是人類及其活動所在的社會與各種資源的集合。其中, 人類既是承災體, 又是致災因子。承災體的劃分有多種體系, 一般先劃分人類、財產(chǎn)與自然資源二大類。因此, 持承災體論的有關研究

5、者認為, 沒有承災體就沒有災害。2. 4區(qū)域災害系統(tǒng)論由以上所述可以看出, 致災因子、孕災環(huán)境與承災體的相互作用都對最終災情的時空分布、程度大小造成影響。災害形成就是承災體不能適應或調整環(huán)境變化的結果。所以, 在災情形成過程中, 致災因子、孕災環(huán)境與承災體缺一不可。1.3 發(fā)展趨勢 1 、對災害鏈的認識災害鏈定義為由某一種致災因子或生態(tài)環(huán)境變化引發(fā)的一系列災害現(xiàn)象,并將其劃分為串發(fā)性災害鏈與并發(fā)性災害鏈兩種。近年的研究實踐提出下列4 種常見的災害鏈,即臺風- 暴雨災害鏈、寒潮災害鏈 、干旱災害鏈 和地震災害鏈 。目前的難題是如何定量地表述災害鏈之間的能量傳遞規(guī)律或動力流動過程。 2、對災害群的

6、認識災害群包括災害在空間上的群聚(dd) 和時間上的群發(fā)(df) ,分別用式(1) 和式(2) 計算。dd = 單元災種數(shù)( n)p區(qū)域災種總數(shù)( n) (單位: %) (1)df = 期間災害發(fā)生次數(shù)( f )p時段災害發(fā)生次數(shù)( f) (單位: %) (2) 3、對“區(qū)域災害系統(tǒng)”本質的新認識 (1)、“區(qū)域災害系統(tǒng)”是地球表層系統(tǒng)中的“社會生態(tài)系統(tǒng)”人類不是一個孤立的系統(tǒng),他是“復雜社會生態(tài)系統(tǒng)”( ses)的一部分 ,也有人稱其為“社會生態(tài)系統(tǒng)” ,或“人類環(huán)境復合系統(tǒng)” ?！吧鐣鷳B(tài)系統(tǒng)”可以在不同的空間尺度上展現(xiàn)在人類面前,在任何一個“社會生態(tài)系統(tǒng)”中,人類與生態(tài)(或稱環(huán)境、或稱自

7、然,或稱生物物理)子系統(tǒng)都處在相互作用的狀態(tài)。(2)、“區(qū)域災害系統(tǒng)”也是地球表層系統(tǒng)中的“人地關系地域系統(tǒng)”吳傳鈞先生認為,“人地關系地域系統(tǒng)”是地理學理論研究的核心。他反復強調,地理學要“著重研究人地系統(tǒng)中人與自然的相互影響與反饋作用”,人地關系地域系統(tǒng)研究的核心目標是協(xié)調人地關系,從空間結構、時間過程、組織序變、整體效應、協(xié)同互補等方面去認識和尋求全球的、全國的或區(qū)域的人地關系系統(tǒng)的整體優(yōu)化、綜合平衡及有效調控的機理,為有效地進行區(qū)域開發(fā)和區(qū)域管理提供了理論依據(jù)。(3)、“區(qū)域災害系統(tǒng)”還是可以在時空兩個方面進行類型劃分與區(qū)劃的多級體系無論從“社會生態(tài)系統(tǒng)”,還是從“人地關系地域系統(tǒng)”的

8、角度,審視“區(qū)域災害系統(tǒng)”,都可以看出無論從其結構體系,還是功能體系,在時空兩個方面對其進行劃分。當今在探索區(qū)域可持續(xù)發(fā)展模式的過程中,一方面要保障資源,一方面要保護環(huán)境,還要防災減災與防范風險,并提出通過確定主體功能的途徑,協(xié)調發(fā)展與保護的矛盾。2 文獻查閱、調研情況2.1 文獻綜述本課題主要涉及災害鏈和nfa這兩大大方面技術的應用。翻閱的主要書籍都涉及了這兩方面的知識，同時還參閱了關于nfa軟件測試方面相關書籍。除了書籍，史培軍的論災害研究的理論與實踐，比較系統(tǒng)的闡述災害的系統(tǒng)概念。這些資料(見主要參考文獻)基本已經(jīng)涉及了本次開發(fā)所需的技術和知識，對將來開展課題幫助將會非常大。2.2 調研

9、情況通過從網(wǎng)上搜索災害相關情況主要得到以下結論：災害的概念的研究還是十分模糊，詳細的獲取資料十分困難通過調研基本了解災害相關概念，但是建立模型感覺還是非常模糊，但是對于完成此次設計基本解決問題。3 本課題的基本內(nèi)容、重點、難點3.1 本課題的基本內(nèi)容1、 災害數(shù)據(jù)鏈進行建模肖盛燮等人從系統(tǒng)災變角度將其定義為：“災害鏈是將宇宙間自然或人為等因素導致的各類災害，抽象為具有載體共性反映特征，以描繪單一或多災種的形成、滲透、干涉、轉化、分解、合成、耦合等相關的物化流信息過程，直至災害發(fā)生給人類社會造成損壞和破壞等各種鏈鎖關系的總稱 。2、 災害鏈中的災害描述及狀態(tài)表示方法 ，利用狀態(tài)轉換圖完成形式描述

10、、災害演化動態(tài)行為表示。具體研究基于面向對象描述的擴展nfa構建抽象模型，以提供很好的災害數(shù)據(jù)描述能力?；谠撃Ｐ椭芯植繉ο蟮男袨楫惓？山沂緷撛诘臑暮φ髡?，同時可分析相關災害和次生災害的演化情況。3、 根據(jù)擴展nfa的狀態(tài)轉換圖，以災害的終狀態(tài)為輸出層，災害因子的表現(xiàn)形式為輸入因子，根據(jù)經(jīng)驗確定隱含層，建立三層bp神經(jīng)網(wǎng)絡模型。4、使用matlab軟件實現(xiàn)bp神經(jīng)網(wǎng)絡模型的數(shù)值運算。3.2 本課題的重點本課題的重點通過調研主要包括以下幾點：1、 實現(xiàn)災害鏈數(shù)據(jù)的建模與分析2、 災害鏈中的災害描述及狀態(tài)表示方法3、 研究基于面向對象描述的擴展nfa構建抽象模型，基于該模型中局部對象的異 ?？山沂?/p>

11、潛在的災害征兆，同時可分析相關災害和次生災害的演化情況。4、 建立臺風-暴雨災害鏈的三層bp神經(jīng)網(wǎng)絡模型5、 使用matlab編程實現(xiàn)功能。3.3 本課題的難點1、 災害數(shù)據(jù)獲得非常困難，沒有辦法從中提取特征，建立模型，并且用數(shù)據(jù)來驗證模型正確性。2、 災害的描述沒有現(xiàn)場調研機會，分析不夠準確。3、 nfa不確定性導致解釋災害困難，這也是亮點所在。4、 沒有大量論文可夠參考，研究困難。5、bp神經(jīng)輸入層的確定。4 解決問題的方法、手段、措施等4.1 擬采取的方法和技術4.1.1 識別標識符的nfa狀態(tài)表示模型識別標識符的nfa的基本狀態(tài)轉換圖：圖2-1 nfa狀態(tài)轉換圖識別標識符的過程為：1、

12、開始，若輸入符號是一字母，則讀進它，并轉到狀態(tài)1；在狀態(tài)1下，若下一個輸入符號是字母或數(shù)字則讀進它，并重新進入狀態(tài)1；2、這個過程，直至在狀態(tài)1下發(fā)現(xiàn)讀入的符號不再是字母或數(shù)字時(注意，此時該字符已被讀出)，就進入狀態(tài)2。3、2是終態(tài)，至此已識別出一個標識符，識別過程終止。若在狀態(tài)0下輸入符號不是字母，則意味著識別不出所給的輸入串是一個標識符。本文中描述臺風-暴雨災害鏈的nfa模型，其中可將災害因子作為初狀態(tài)、災害作為種狀態(tài)。但是由于災害之間有相關性，可對nfa模型擴展。終狀態(tài)也可以作為中狀態(tài)使用。輸入符號為狀態(tài)的臨界值。如圖2-2所示：圖2-2 擴展nfa的狀態(tài)轉換圖4.1.2 bp神經(jīng)網(wǎng)絡

13、預測模型bp (back propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡，即誤差反傳誤差反向傳播算法的學習過程，由信息的正向傳播和誤差的反向傳播兩個過程組成。輸入層各神經(jīng)元負責接收來自外界的輸入信息，并傳遞給中間層各神經(jīng)元；中間層是內(nèi)部信息處理層，負責信息變換，根據(jù)信息變化能力的需求，中間層可以設計為單隱層或者多隱層結構；最后一個隱層傳遞到輸出層各神經(jīng)元的信息，經(jīng)進一步處理后，完成一次學習的正向傳播處理過程，由輸出層向外界輸出信息處理結果。當實際輸出與期望輸出不符時，進入誤差的反向傳播階段。誤差通過輸出層，按誤差梯度下降的方式修正各層權值，向隱層、輸入層逐層反傳。周而復始的信息正向傳播和誤差反向傳播過程，是

14、各層權值不斷調整的過程，也是神經(jīng)網(wǎng)絡學習訓練的過程，此過程一直進行到網(wǎng)絡輸出的誤差減少到可以接受的程度，或者預先設定的學習次數(shù)為止。根據(jù)擴展nfa的狀態(tài)轉換圖，以災害的終狀態(tài)為輸出層，災害因子的表現(xiàn)形式為輸入因子，根據(jù)經(jīng)驗確定隱含層，建立三層bp神經(jīng)網(wǎng)絡模型。bp網(wǎng)絡結構設計：輸入層：根據(jù)每個災害的災害因子表現(xiàn)形式，得到神經(jīng)元的個數(shù)。 輸出層：由于輸出的結果只有一個指標，即災害，因此取輸出節(jié)點數(shù)為1。隱含層：理論分析表明,具有單隱層的前向網(wǎng)絡可以以任意精度映射任何的連續(xù)函數(shù)，本研究選用只有一個隱層的前向網(wǎng)絡，而對于隱含層節(jié)點數(shù)使用經(jīng)驗公式sk×m/(m+n)來確定。傳遞函數(shù)：一個神經(jīng)

15、網(wǎng)絡，如果第一層是s型函數(shù)，而第二層是線形函數(shù)，就可以用來模擬任何函數(shù)（必須是連續(xù)有界的）。因此，確定隱含層傳遞函數(shù)為s型函數(shù)“tansig"，輸出層傳遞函數(shù)為線形函數(shù)“purelin”。 訓練函數(shù)：為了確定最快捷準確的訓練函數(shù)，trainlm（）函數(shù)的迭代次數(shù)最少，收斂精度最高，故采用levenberg marquart算法是最為快速和精確的。其中隱含層的經(jīng)驗公式來自高寧，邵陸壽先生的基于matlab神經(jīng)網(wǎng)絡在農(nóng)作物蟲情測預報中的應用論文。4.2 選擇的工具1、 非確定有限自動機nfa自動機的狀態(tài)對字母表中的每個符號可以有也可以沒有轉移，對一個符號甚至可以有多個轉移。自動機接受一個

16、字，如果存在至少一個從 q0 到 f 中標記(label)著這個輸入字的一個狀態(tài)的路徑。如果一個轉移是未定義的，自動機因此不知道如何繼續(xù)讀取輸入，則拒絕這個字。 2、matlab編程軟件matlab是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如c、fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的

17、先進水平4.3 工作進度安排第12周進行調研、收集資料。完成開題報告，外文資料翻譯。確定開發(fā)環(huán)境(軟、硬件)。概要設計。第3-4周災害鏈設計第4-6周基于擴展nfa災害鏈的描述狀態(tài)表達設計第710周bp神經(jīng)網(wǎng)絡模型建立。與指導教師交流第11周與指導教師交流及改善第12周模型測試及調試，性能優(yōu)化、編寫設計說明書。第1314周撰寫論文。第15周論文答辯5 論文提綱第1章 、簡述災害的嚴重及其歷史，從而闡述研究災害的意義；簡潔國內(nèi)外災害研究的技術發(fā)展概況。第2章 、描述災害鏈的災害因子，給出基本概念。第3章 、建立災害鏈的模型，對其進行分析災害因子在狀態(tài)及模型。第4章 、建立nfa模型描述災害鏈。第

18、5章 、建立bp神經(jīng)網(wǎng)絡模型。第6章 、使用matlab分析災害鏈，得出結果。第7章 、總結報告，對本課題完成情況、需要改進之處、保留意見的小結。本次畢業(yè)設計的收獲感想，對未來的規(guī)劃想象等。6 主要參考文獻1 史培軍. 論災害研究的理論與實踐 j . 南京大學學報(自然科學版) , 1991 (11) : 37 - 42.2 史培軍. 再論災害研究的理論與實踐 j . 自然災害學報, 1996, 5 (4) : 6 - 17.3 史培軍. 三論災害系統(tǒng)研究的理論與實踐 j . 自然災害學報, 2002, 11 (3) : 01 - 09.4 史培軍. 四論災害系統(tǒng)研究的理論與實踐 j . 自然災害學報, 2005, 14 (6) : 01 - 07.5 史培軍,邵利鐸,趙智國,黃慶旭. 論綜合災害風險防范模式尋求全球變化影響的適應性對策 j . 地學前緣, 2008, 14 (6) : 43 - 53.6 史培軍,李寧,劉婧,楊慧娟,宋培國. 探索發(fā)展與減災協(xié)調之路從2006年達沃斯國際減災會議看中國