基于全局網(wǎng)絡(luò)的全球生態(tài)預(yù)測(cè)模型

基于全局網(wǎng)絡(luò)的全球生態(tài)預(yù)測(cè)模型

1問(wèn)題描述1.1生態(tài)預(yù)測(cè)模型及真實(shí)數(shù)據(jù)現(xiàn)在，占主導(dǎo)地位的人是導(dǎo)致全球生態(tài)惡化的主要原因，但這一聲明尚未得到證實(shí)?，F(xiàn)在許多對(duì)全球生態(tài)的預(yù)測(cè)方法都是根據(jù)目前的趨勢(shì)來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的狀況,或者使用物種分布模型來(lái)預(yù)測(cè)氣候的改變。研究表明,當(dāng)生態(tài)指標(biāo)到達(dá)一個(gè)臨界點(diǎn)后,地區(qū)生態(tài)狀況將發(fā)生巨大的不可逆轉(zhuǎn)的變化。目前的生態(tài)預(yù)測(cè)模型并未全面考慮影響生態(tài)退化的因素,如決策者制定的政策對(duì)區(qū)域生態(tài)和全球生態(tài)的長(zhǎng)期影響等。要建立更好的模型,首先應(yīng)該找到影響區(qū)域生態(tài)的因素及其量化指標(biāo),其次必須考慮區(qū)域內(nèi)部各生態(tài)因素之間的關(guān)聯(lián),最后要研究全球和區(qū)域生態(tài)的相互影響?；谏鲜隹紤],建立了動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)預(yù)測(cè)地球的健康狀況。模型中,網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)表示地理區(qū)域,邊表示節(jié)點(diǎn)之間的鄰接關(guān)系。用模型預(yù)測(cè)還未施行的政策對(duì)全球生態(tài)健康狀況及其演變的影響,幫助決策者制定政策。然而,由于缺乏真實(shí)數(shù)據(jù),模型難以驗(yàn)證。有兩個(gè)重要的原因使真實(shí)數(shù)據(jù)難以獲得:一是地球生物已經(jīng)遭受了5次大規(guī)模滅絕,當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)很難被獲取,并且對(duì)地球生態(tài)狀況影響巨大的人類文明在上古時(shí)期并不存在,所以難以用當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)來(lái)衡量現(xiàn)在的地球健康狀況;另一個(gè)原因是,雖然模型中使用的大部分?jǐn)?shù)據(jù)都被清楚地定義,但是仍有一些必要的數(shù)據(jù)需要決策者提供。1.2節(jié)點(diǎn)健康狀況考慮到動(dòng)態(tài)全局網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性,為簡(jiǎn)化模型求解,分別為雙層通信網(wǎng)絡(luò)模型(two-tiercommunicationnetworkmodel,TCNM)構(gòu)建了局部與整體兩層模型。首先,根據(jù)地理的劃分建立全局網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn),并通過(guò)貝葉斯信念網(wǎng)絡(luò)研究這些節(jié)點(diǎn)的固有特征和這些特征如何作用于生態(tài)驅(qū)動(dòng)因素的相互影響過(guò)程。貝葉斯信念網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)(內(nèi)部節(jié)點(diǎn))表示生態(tài)退化的驅(qū)動(dòng)因素,通過(guò)經(jīng)典的世界動(dòng)力學(xué)模型確定了5個(gè)驅(qū)動(dòng)因素。同時(shí),根據(jù)生態(tài)維度的驅(qū)動(dòng)因素(以下簡(jiǎn)稱“生態(tài)因素”)設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)的健康狀況指標(biāo)。使用層次分析法(analytichierarchyprocess,AHP)對(duì)生態(tài)因素的不同方面(如生物多樣性指數(shù)等)進(jìn)行加權(quán)分析,并通過(guò)其臨界點(diǎn)綜合加權(quán),得到節(jié)點(diǎn)健康狀況的臨界點(diǎn)。通過(guò)使用貝葉斯信念網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)揭示節(jié)點(diǎn)固有特征對(duì)生態(tài)驅(qū)動(dòng)因素之間的相互作用的影響,訓(xùn)練貝葉斯信念網(wǎng)絡(luò)得到驅(qū)動(dòng)因素改變的概率分布。此外,行政政策或突發(fā)災(zāi)害對(duì)生態(tài)的瞬間影響可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)因子量化指標(biāo)的變化來(lái)表示,因此模型能夠?qū)φ呋驗(yàn)?zāi)害的長(zhǎng)期影響進(jìn)行研究。其次,通過(guò)類比通信協(xié)議來(lái)構(gòu)建全局網(wǎng)絡(luò)。定義了“信號(hào)”,即人口遷移、污染擴(kuò)散等在節(jié)點(diǎn)間的傳遞。節(jié)點(diǎn)之間的邊,即節(jié)點(diǎn)的地理鄰接關(guān)系,看作可以傳輸信號(hào)的信道,并且信號(hào)只能通過(guò)信道傳遞。每次迭代時(shí),信號(hào)被當(dāng)作協(xié)議數(shù)據(jù)單元(protocoldataunit,PDU)接收,政策和突發(fā)災(zāi)害被視為服務(wù)原語(yǔ),驅(qū)動(dòng)因素之間的相互作用造成的內(nèi)部影響則被看作通信協(xié)議中的定時(shí)器。PDU、服務(wù)原語(yǔ)和定時(shí)器這3種影響被定義為協(xié)議事件,可以造成協(xié)議狀態(tài)的改變,并觸發(fā)一些通信網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)議動(dòng)作,即釋放信號(hào)。通過(guò)研究網(wǎng)絡(luò)彈性,定義了全局網(wǎng)絡(luò)的健康狀況指標(biāo)及其臨界點(diǎn)。最后,討論了模型如何運(yùn)行及其敏感性,并說(shuō)明了模型的優(yōu)缺點(diǎn)。2影響城市城市生態(tài)文明的機(jī)制1)關(guān)鍵轉(zhuǎn)化一旦發(fā)生,則該地區(qū)的退化過(guò)程不可逆。關(guān)鍵轉(zhuǎn)化意味著一旦發(fā)生,生物多樣性劇烈下降,人類的生存受到巨大影響,并且不可能恢復(fù)到正常狀態(tài)。2)人口增長(zhǎng)和人類行為是生態(tài)狀況退化的決定性因素。研究證明,工業(yè)革命后,全球生態(tài)退化加速。人口增長(zhǎng)是農(nóng)業(yè)、工業(yè)等演進(jìn)的根本原因。3)一個(gè)地區(qū)的固有特征在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。一個(gè)地區(qū)的固有特征是其內(nèi)在屬性,包括地貌和季風(fēng)等,是相對(duì)于生態(tài)退化驅(qū)動(dòng)因素來(lái)說(shuō)的。固有特征長(zhǎng)期穩(wěn)定的假設(shè)不僅能夠簡(jiǎn)化模型,還有助于研究本地和全局健康狀況的相互作用。比如,利用一個(gè)地區(qū)風(fēng)速保持一致的假設(shè),可以應(yīng)用高斯擴(kuò)散模型來(lái)研究污染的傳播。4)在一個(gè)特定的時(shí)間和空間粒度下,健康狀況與影響是離散的。在整體網(wǎng)絡(luò)模型中,由于內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)因素、外部及政策和突發(fā)災(zāi)害的影響,節(jié)點(diǎn)的健康狀況會(huì)相應(yīng)演變。也就是說(shuō),內(nèi)部或外部影響發(fā)揮作用前,節(jié)點(diǎn)處于前置狀態(tài),發(fā)揮作用后則轉(zhuǎn)換到后置狀態(tài)。在特定時(shí)間和空間粒度下的每次迭代中,節(jié)點(diǎn)在上次迭代中接收到的影響發(fā)揮作用,并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其他節(jié)點(diǎn)輸出影響;與此同時(shí),節(jié)點(diǎn)接收其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的影響,但這些影響并不立即發(fā)揮作用,而是保留到下次迭代。當(dāng)時(shí)間與空間粒度足夠小時(shí),地球的健康狀況及節(jié)點(diǎn)的相互影響可以看作是連續(xù)的。3節(jié)點(diǎn)地理位置定義與模型相關(guān)的術(shù)語(yǔ)。1)驅(qū)動(dòng)因素。受到福雷斯特世界模型的啟發(fā),通過(guò)人口、環(huán)境、資源、工業(yè)、農(nóng)業(yè)5個(gè)因素來(lái)反映生態(tài)的變化,測(cè)量地球的健康狀況。其中人口是最主要的因素。2)健康指標(biāo)。通過(guò)物種多樣性指數(shù)、空氣污染指數(shù)和土地利用率來(lái)測(cè)量區(qū)域的健康狀況,并使用層次分析法來(lái)決定每種因素的重要程度。3)節(jié)點(diǎn)。用節(jié)點(diǎn)表示基于地理位置劃分的、特性相似的區(qū)域。忽略節(jié)點(diǎn)內(nèi)部微小的差異,認(rèn)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)所表示的區(qū)域內(nèi)部特性是相同的。節(jié)點(diǎn)代表的范圍可以有不同粒度,可以是縣、州、國(guó)家,如圖1所示。節(jié)點(diǎn)有活躍和不活躍兩種狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)原本活躍的節(jié)點(diǎn)的健康指標(biāo)低于臨界點(diǎn)后,節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)會(huì)變?yōu)椴换钴S;一個(gè)不活躍節(jié)點(diǎn)不可以變?yōu)榛钴S的節(jié)點(diǎn)。同時(shí),人不能在不活躍的節(jié)點(diǎn)中生活,但污染可以繼續(xù)通過(guò)其擴(kuò)散。4)信號(hào)。信號(hào)是一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)另外節(jié)點(diǎn)的影響。模型中有兩種不同的信號(hào):空氣污染傳播和人口遷移。這些信號(hào)只能通過(guò)信道來(lái)傳輸。5)信道。所謂信道,就是能使信號(hào)通過(guò)的通道。節(jié)點(diǎn)之間的鏈接被定義為信道,一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)信道向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)。模型中,如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在地理位置上相鄰,那么它們之間存在鏈接。使用通信網(wǎng)絡(luò)模型的好處在于,節(jié)點(diǎn)之間不同種類的影響都可以用信號(hào)來(lái)表示,所有來(lái)自于節(jié)點(diǎn)內(nèi)部和外部的影響都可以視為協(xié)議事件,都會(huì)造成協(xié)議狀態(tài)的改變或產(chǎn)生協(xié)議動(dòng)作;模型能夠整合同一網(wǎng)絡(luò)中不同因素間的相互作用。3.1節(jié)點(diǎn)13.1.1指數(shù)ni受到福雷斯特世界模型的啟發(fā),使用環(huán)境、資源、人口數(shù)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)5個(gè)因素來(lái)表示生態(tài)狀況,如圖2所示。圖中用箭頭表示了節(jié)點(diǎn)內(nèi)部5個(gè)因素之間的關(guān)系,選取環(huán)境因素來(lái)反映節(jié)點(diǎn)的健康情況。1)環(huán)境一個(gè)地區(qū)的環(huán)境情況從生物多樣性、空氣質(zhì)量和地貌改變率3個(gè)方面考慮。生物多樣性體現(xiàn)了生物資源的豐富。用辛普森生物多樣性指數(shù)(Simpson’sdiversityindex,SDI)來(lái)評(píng)估物種多樣性,定義如下:其中:Ni表示物種i的數(shù)量;N表示總物種數(shù)。通常情況下,生物多樣性指數(shù)越高,環(huán)境健康狀況越好。空氣質(zhì)量指數(shù)(airqualityindex,AQI)用來(lái)表示空氣污染情況。美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(TheEnvironmentalProtectionAgency,EPA)用空氣質(zhì)量指數(shù)來(lái)表示每天的天氣情況。根據(jù)空氣清潔法案(CleanAirAct),空氣質(zhì)量指數(shù)通常需要測(cè)量臭氧含量、微粒物質(zhì)、一氧化碳、二氧化硫、二氧化氮5種污染物的數(shù)據(jù)?？諝赓|(zhì)量指數(shù)級(jí)別如表1所示。如果有多種污染物同時(shí)被測(cè)量,空氣質(zhì)量指數(shù)最高的污染物的值,為該地區(qū)的空氣質(zhì)量指數(shù)。地貌改變率(landformchangeratio,LCR)用將被人類使用的土地面積除以總的土地面積來(lái)計(jì)算。2)資源模型使用土地、森林、煤和石油4種資源的總和表示資源。假定工業(yè)革命之前的每種資源的數(shù)量為其上界。在計(jì)算資源總和前,每種資源需要做歸一化處理,詳見(jiàn)3.1.3。3)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指數(shù)用API(agricultureproductionindex,API)表示。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指數(shù)是聯(lián)合國(guó)食品和農(nóng)業(yè)組織提出的用于計(jì)算地區(qū)農(nóng)業(yè)水平的指標(biāo)。4)工業(yè)生產(chǎn)指數(shù)用IPI(industryproductionindex,IPI)表示。工業(yè)生產(chǎn)指數(shù)是美國(guó)聯(lián)邦儲(chǔ)備委員會(huì)提出的用來(lái)衡量工業(yè)產(chǎn)值的指標(biāo)。5)人口即一個(gè)地區(qū)常住人口的數(shù)量。3.1.2節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變化的模擬由于與通信網(wǎng)絡(luò)模型的內(nèi)在相似性,TCNM模型的節(jié)點(diǎn)可以用通信協(xié)議來(lái)闡釋。首先解釋一些通信協(xié)議中的概念。服務(wù)原語(yǔ)協(xié)議與用戶的接口,用戶通過(guò)服務(wù)原語(yǔ)得到協(xié)議提供的服務(wù)。協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)對(duì)等實(shí)體之間交換信息的單位,定義了消息的內(nèi)容和格式,本文中即信號(hào)。協(xié)議變量協(xié)議中用到的各種變量稱為協(xié)議變量。協(xié)議狀態(tài)協(xié)議在運(yùn)行過(guò)程中等待輸入事件時(shí)所處的狀態(tài)。協(xié)議動(dòng)作協(xié)議在狀態(tài)轉(zhuǎn)換(遷移)過(guò)程中執(zhí)行的操作。協(xié)議事件協(xié)議的輸入,包括3部分:來(lái)自本方用戶的服務(wù)原語(yǔ);來(lái)自對(duì)方協(xié)議實(shí)體的PDU;來(lái)自內(nèi)部的定時(shí)器信號(hào)(超時(shí))。在特定協(xié)議事件觸發(fā)時(shí),協(xié)議狀態(tài)發(fā)生遷移,在此期間一些協(xié)議動(dòng)作將被執(zhí)行。相對(duì)來(lái)講,狀態(tài)轉(zhuǎn)移之前是協(xié)議的前置狀態(tài),之后稱作后置狀態(tài)。協(xié)議狀態(tài)的遷移由協(xié)議狀態(tài)機(jī)表示。由于通信協(xié)議與TCNM的相似性,可以類比地研究TCNM節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)。由于節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)通過(guò)生態(tài)退化的5個(gè)驅(qū)動(dòng)因素量化,故這些因素類似于通信協(xié)議中的協(xié)議變量,節(jié)點(diǎn)的狀況則表示為協(xié)議狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)的狀況隨時(shí)間改變,可能是由于生態(tài)驅(qū)動(dòng)因素之間的相互作用,或者外部施加給節(jié)點(diǎn)的影響,抑或是政策或突發(fā)災(zāi)害的原因。通過(guò)類比外部影響和PDU,政策與突發(fā)災(zāi)害和服務(wù)原語(yǔ),內(nèi)部影響和定時(shí)器,得以將所有的影響看作協(xié)議事件,同時(shí)通過(guò)協(xié)議狀態(tài)研究節(jié)點(diǎn)狀況的演變,預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)未來(lái)的健康狀況。因此,所有的影響可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)因素?cái)?shù)值的改變來(lái)量化分析。從通信協(xié)議模型中可以得到的另一個(gè)重要抽象是對(duì)前置和后置狀態(tài)的引入。節(jié)點(diǎn)狀態(tài)隨時(shí)間變化,但是由于一個(gè)節(jié)點(diǎn)是全局網(wǎng)絡(luò)的一部分,因此節(jié)點(diǎn)施加給其他節(jié)點(diǎn)的影響最終也會(huì)多少影響到自身,這種現(xiàn)象使得研究節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的演變更加復(fù)雜。引入前置和后置狀態(tài),可以假定協(xié)議事件所帶來(lái)的影響并不會(huì)立即發(fā)揮作用,而是會(huì)被存儲(chǔ)到下一次迭代,在這種情況下節(jié)點(diǎn)處于前置狀態(tài),并帶有一些掛起的影響。當(dāng)協(xié)議狀態(tài)遷移時(shí),節(jié)點(diǎn)上次迭代接受的協(xié)議事件影響生效,并執(zhí)行一些協(xié)議動(dòng)作,即通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向外施加影響,之后進(jìn)入后置狀態(tài)。3.1.3建立模型的選擇與量化指標(biāo)的歸一化為了從歷史數(shù)據(jù)中更準(zhǔn)確地得到模型中局部節(jié)點(diǎn)本身固有特征(氣候、季風(fēng)等)對(duì)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)潛在的量化影響,使用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法。貝葉斯信念網(wǎng)絡(luò)作為馬爾可夫模型的擴(kuò)展,可以用一張基于概率轉(zhuǎn)移的有向無(wú)環(huán)圖(directedcyclicgraph,DAG)表示各屬性間復(fù)雜的內(nèi)部聯(lián)系與影響,但是要求圖的規(guī)模比較小。在建立的模型中,圖的節(jié)點(diǎn)并不多,所以使用貝葉斯信念網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行該模型的訓(xùn)練與預(yù)測(cè)非常合適。為了更加符合現(xiàn)實(shí)世界的情況,同時(shí)也為了避免過(guò)度擬合,對(duì)樸素的貝葉斯信念網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了一些改進(jìn),用一個(gè)有向的二部圖代替了原來(lái)的一般圖,使得它的產(chǎn)出更加符合模型的期望。建立貝葉斯信念網(wǎng)絡(luò)的初衷是為了訓(xùn)練得到模型中節(jié)點(diǎn)固有特征對(duì)驅(qū)動(dòng)因素之間的相互作用所造成的影響。為了能夠離散表示原圖節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的狀態(tài),首先將原圖各個(gè)量化指標(biāo)做恰當(dāng)?shù)碾x散化處理?？紤]到模型能承受的狀態(tài)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與結(jié)果的準(zhǔn)確度,將各量化指標(biāo)進(jìn)行歸一化后等值劃分為5個(gè)等級(jí)作為不同狀態(tài)的表示。環(huán)境、資源、工業(yè)與農(nóng)業(yè)因素這些量化指標(biāo)都有明確的值域上限,可以方便地進(jìn)行歸一化,即使用指標(biāo)實(shí)際值除以指標(biāo)最大值。對(duì)于人口因素,基于聯(lián)合國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)事務(wù)署對(duì)于世界人口的展望,以現(xiàn)有人口的3倍作為該指標(biāo)的上限。如果超過(guò)了該上限,則按照最大值處理。用Vn表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的人口數(shù)量,具體各量化指標(biāo)歸一化后如表2所示。3.1.4基于整體觀的學(xué)習(xí)產(chǎn)出完成了原圖節(jié)點(diǎn)各因子的離散化,可以構(gòu)建出貝葉斯信念網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵部分:狀態(tài)(貝葉斯節(jié)點(diǎn))與關(guān)聯(lián),進(jìn)而解釋模型的輸入與產(chǎn)出。使用一個(gè)有向的二部圖代替樸素模型中的有向無(wú)環(huán)圖。如圖3所示,X集的狀態(tài)由原圖節(jié)點(diǎn)的一個(gè)當(dāng)前狀態(tài)離散化后的5維向量表示。例如,假設(shè)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)環(huán)境、資源、人口數(shù)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)5維因子的當(dāng)前值分別為0.5、1.5、0.7、45.0、30.0,則該節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)在貝葉斯信念網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)標(biāo)示為V=(2,1,1,2,1);而Y集則由單個(gè)參數(shù)此次迭代的變化值(連續(xù)值)組成。從定義可以看出,Y集的大小似乎會(huì)很大,但事實(shí)上,網(wǎng)絡(luò)模型最后的產(chǎn)出其實(shí)是對(duì)于Y集的一個(gè)連續(xù)概率分布,Y集的大小并不會(huì)直接影響貝葉斯信念網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練效率。另一個(gè)關(guān)鍵部分是貝葉斯信念網(wǎng)絡(luò)中關(guān)聯(lián)的定義。貝葉斯信念網(wǎng)絡(luò)的最終目標(biāo)是得到圖中狀態(tài)間關(guān)聯(lián)的概率值,因此在二部貝葉斯信念網(wǎng)絡(luò)模型中,關(guān)聯(lián)的意義就是從X集到Y(jié)集的單向轉(zhuǎn)移。它顯然同樣是一個(gè)有向無(wú)環(huán)圖,符合貝葉斯信念網(wǎng)絡(luò)的基本要求。需要注意的是,Y集中的ΔX可以是X中的任意一維元素?？紤]到各個(gè)參數(shù)的獨(dú)立變化都會(huì)對(duì)模型產(chǎn)生包括狀態(tài)遷移與發(fā)出動(dòng)作在內(nèi)的一系列的級(jí)聯(lián)影響,期望能夠訓(xùn)練出在當(dāng)前整體參數(shù)狀態(tài)下,某單項(xiàng)參數(shù)狀態(tài)變化的概率分布。這里的整體參數(shù)狀態(tài)指在貝葉斯信念網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中與目標(biāo)單項(xiàng)參數(shù)緊密相關(guān)的參數(shù)狀態(tài)向量。期望的訓(xùn)練產(chǎn)出可以表示為以下集合:其中:S表示5維參數(shù)集合,X表示當(dāng)前單個(gè)的目標(biāo)參數(shù),Pre-Condition表示該目標(biāo)參數(shù)的整體參數(shù)狀態(tài)。該集合表征了當(dāng)前狀態(tài)下5維參數(shù)變化差值的概率分布。在模型的實(shí)際運(yùn)行中,會(huì)按照該概率分布對(duì)5維參數(shù)進(jìn)行定量的影響。3.1.5節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的迭代貝葉斯信念網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練主要分為兩部分:結(jié)構(gòu)訓(xùn)練與參數(shù)訓(xùn)練。建立貝葉斯信念網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu),最主要的問(wèn)題在于決定各個(gè)互相影響屬性的聯(lián)系。保留的節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)并不是越多越好,少而精確的關(guān)聯(lián)訓(xùn)練出的結(jié)果會(huì)更加準(zhǔn)確與穩(wěn)健。在這里繼續(xù)使用福雷斯特的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)經(jīng)典理論,只保留圖中具有直接影響關(guān)系的關(guān)聯(lián),見(jiàn)圖2。這并不意味著不考慮間接影響,間接的影響效果會(huì)在節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的迭代中隱式進(jìn)行。關(guān)于貝葉斯信念網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)訓(xùn)練將在4.2節(jié)討論。3.1.6節(jié)點(diǎn)物種多樣性、空氣和地貌改變的權(quán)重本節(jié)討論TCNM節(jié)點(diǎn)的健康指標(biāo)NH(nodalhealth,NH)。假定一個(gè)地區(qū)的健康由環(huán)境因素決定,即節(jié)點(diǎn)物種多樣性、空氣質(zhì)量和地貌改變。因此NH可以通過(guò)如下公式定義:其中:ωs,ωa,ωl分別表示物種多樣性、空氣質(zhì)量、地貌改變的權(quán)重;NSDI,NAQI,NLCR分別為SDI,(500-AQI),(1-LCR)的歸一化值。運(yùn)用層次分析法確定權(quán)重,成對(duì)比較矩陣如下:因此,可以得出NH的3個(gè)權(quán)重分別為0.5,0.3和0.2。3.1.7近似值臨界值通過(guò)3個(gè)環(huán)境因素討論節(jié)點(diǎn)生態(tài)健康的臨界值。根據(jù)文獻(xiàn),當(dāng)75%的物種滅絕時(shí),關(guān)鍵轉(zhuǎn)化發(fā)生,因此生態(tài)多樣性指數(shù)的臨界值為0.25。一個(gè)基于經(jīng)驗(yàn)的地貌研究表明,地貌變化的改變閾值在50%~90%,在此使用一個(gè)近似值0.68作為L(zhǎng)CR的臨界值。同時(shí),300是AQI閾值的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。當(dāng)3個(gè)臨界點(diǎn)中的任意一個(gè)達(dá)到時(shí),節(jié)點(diǎn)健康狀況被認(rèn)為處于危險(xiǎn)狀態(tài),此時(shí)應(yīng)當(dāng)警告決策制定者。整體的節(jié)點(diǎn)臨界值可以通過(guò)3個(gè)臨界值加權(quán)計(jì)算,即NHt=0.5×0.25+0.3×(1-0.68)+0.2×(1-0.6)=0.301。當(dāng)NHt接近0.301時(shí),節(jié)點(diǎn)達(dá)到關(guān)鍵轉(zhuǎn)化。一旦節(jié)點(diǎn)的健康狀況達(dá)到其臨界點(diǎn),節(jié)點(diǎn)從活躍狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴换钴S狀態(tài),這種轉(zhuǎn)變不可逆轉(zhuǎn)。節(jié)點(diǎn)的人口將被重新分配到相鄰節(jié)點(diǎn)中,該節(jié)點(diǎn)只能傳遞大氣污染。這種情況將在后文討論。3.2節(jié)點(diǎn)對(duì)另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的影響全局網(wǎng)絡(luò)的鏈接表示節(jié)點(diǎn)之間的地理鄰接關(guān)系。在雙層通信網(wǎng)絡(luò)模型中,用信道類比鏈接。在全局網(wǎng)絡(luò)中,一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以對(duì)另一個(gè)節(jié)點(diǎn)施加不同的影響(大氣污染擴(kuò)散或人口遷移),使得鏈接很難定義。如果分別使用兩個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)來(lái)表示兩種影響,那么構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)會(huì)簡(jiǎn)單,但是會(huì)難以甚至不可能在每次迭代中綜合考慮不同影響所造成的效果。因此,使用信道來(lái)表示鏈接,利用這種機(jī)制綜合考慮不同的外部影響。3.3節(jié)點(diǎn)的活躍與不活躍狀態(tài)本節(jié)要討論網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),即信號(hào)怎樣通過(guò)信道并使得大氣污染和人口遷移在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳播。首先說(shuō)明節(jié)點(diǎn)的活躍或是不活躍狀態(tài)怎樣影響信號(hào)傳播,然后討論大氣污染的擴(kuò)散和人口遷移,最后通過(guò)類比通信協(xié)議來(lái)研究在每次迭代中3種來(lái)源的影響(內(nèi)部、外部和緊急事件)怎樣共同作用,使得節(jié)點(diǎn)從前置狀態(tài)轉(zhuǎn)換到后置狀態(tài),并對(duì)其他節(jié)點(diǎn)釋放影響。前文討論了節(jié)點(diǎn)的臨界值,節(jié)點(diǎn)一旦達(dá)到臨界值,則生物多樣性遭到嚴(yán)重破壞,并對(duì)人類生活資料造成破壞性影響。因此定義節(jié)點(diǎn)的活躍與不活躍狀態(tài)。當(dāng)?shù)竭_(dá)臨界值后,節(jié)點(diǎn)不再宜居,需要對(duì)人口進(jìn)行重新分配。假定該節(jié)點(diǎn)的人口將根據(jù)臨近節(jié)點(diǎn)的健康度(NH)按比例遷移到其中。一種極端狀況是該節(jié)點(diǎn)的鄰近節(jié)點(diǎn)均為不活躍節(jié)點(diǎn),在這種情況下,該節(jié)點(diǎn)的人口無(wú)法遷移出。節(jié)點(diǎn)不活躍所造成的另一個(gè)影響是信號(hào)的傳遞。假定大氣污染和人口可以通過(guò)活躍節(jié)點(diǎn)傳播,但是不活躍節(jié)點(diǎn)只能傳播大氣污染。3.3.1節(jié)點(diǎn)區(qū)的確定本模型基于洛里回歸模型,目的是研究人如何向鄰近的地區(qū)遷移。把人口的遷移視為一種信號(hào),當(dāng)人們感到周?chē)牡貐^(qū)更吸引他們時(shí),他們會(huì)通過(guò)信道進(jìn)行遷移。在原始的模型中,把工作機(jī)會(huì)作為對(duì)人的吸引因素。然而,目前人們更關(guān)注生態(tài)的健康情況,因此選擇節(jié)點(diǎn)的健康情況作為對(duì)人的吸引因素。公式如下:其中:K表示洛里回歸常數(shù);Mij表示從地區(qū)j遷移到地區(qū)i的人口數(shù);NHi,NHj表示i和j兩個(gè)地區(qū)的健康情況;Vi,Vj表示兩個(gè)地區(qū)的人口數(shù);Dij表示兩個(gè)地區(qū)的距離。公式(5)研究了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間人口遷移的情況。在一次迭代中,人口會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)遷移;在迭代后,節(jié)點(diǎn)i最終的人口數(shù)可以用下面的公式得出:其中:Vi′表示迭代前i點(diǎn)的人口數(shù);S表示所有與節(jié)點(diǎn)i相鄰節(jié)點(diǎn)的集合;Mij表示從j點(diǎn)遷移到i點(diǎn)的人口數(shù);Mji表示從i點(diǎn)遷移到j(luò)點(diǎn)的人口數(shù)。3.3.2污染源傳播的模擬基于高斯公式,提出空氣污染傳播模型來(lái)分析污染氣體在網(wǎng)絡(luò)中的傳播。為了防止過(guò)擬合,使用節(jié)點(diǎn)中間地區(qū)的空氣質(zhì)量來(lái)代表節(jié)點(diǎn)的空氣質(zhì)量。不同種氣體的傳播可以單獨(dú)計(jì)算,因?yàn)槊糠N氣體的傳播與其余的氣體不相關(guān)。然而,可以用同樣的模型來(lái)描述污染氣體的傳播,因?yàn)槠鋫鞑シ绞绞窍嗨频摹＜俣ㄎ廴練怏w信號(hào)只能通過(guò)信道來(lái)傳播,這意味著如果兩個(gè)地區(qū)不相鄰,一個(gè)地區(qū)不可以直接影響到另外一個(gè)地區(qū)。氣體的傳播可以用下面的公式來(lái)表示:其中:C(x,y,z)表示一個(gè)特定位置污染物的濃度;Q表示污染源的污染物濃度;x,y,z分別表示目標(biāo)地區(qū)與污染源之間的距離沿風(fēng)向、垂直于風(fēng)向以及在高度上的分量;μ表示風(fēng)速;σy,σz分別表示污染物沿y和z方向的標(biāo)準(zhǔn)偏差。μ,σy,σz都可以被測(cè)量,之后會(huì)進(jìn)行詳細(xì)討論。對(duì)于任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)k,可以得到一系列關(guān)于污染物的濃度,包括自己釋放的和周?chē)?jié)點(diǎn)傳播的。在一次迭代過(guò)程中,將所有污染物濃度相加,可以得出節(jié)點(diǎn)最后的污染物濃度,計(jì)算公式如下:其中:TCk表示節(jié)點(diǎn)最終的污染物濃度;S表示節(jié)點(diǎn)本身及其周?chē)墓?jié)點(diǎn)的集合;Cik表示節(jié)點(diǎn)i影響節(jié)點(diǎn)k所得的污染物的濃度。3.3.3節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變遷前文討論了模型中的各種信號(hào):內(nèi)部交互,外部信號(hào)以及政策或突發(fā)事件。這些影響可以表征為協(xié)議事件,即前文所定義的用戶服務(wù)原語(yǔ)、協(xié)議對(duì)等實(shí)體的PDU以及內(nèi)部定時(shí)器。在一般的通信網(wǎng)模型中,一個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)變遷可以視作是離散的,某個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)接收到一系列信號(hào),在這些信號(hào)的疊加作用下變遷到下一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài),并發(fā)出一系列的協(xié)議事件。在TCNM模型中,每次迭代中節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的變遷過(guò)程如圖4所示。3.1.2中討論了TCNM模型與通信協(xié)議的相似性與內(nèi)容的映射。所有的3種影響源最終會(huì)在5維驅(qū)動(dòng)因素的狀態(tài)改變中反映出來(lái)。借助于已經(jīng)訓(xùn)練出的貝葉斯信念網(wǎng)絡(luò),可以得到5維因素定量改變的概率分布,進(jìn)而計(jì)算節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的變遷。在每次迭代中,節(jié)點(diǎn)會(huì)在前置狀態(tài)下接收到上一次迭代滯留下來(lái)的影響,并向外部網(wǎng)絡(luò)釋放出新的影響,然后變遷到下一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。在變遷過(guò)程中,節(jié)點(diǎn)會(huì)接收到一系列的內(nèi)外部信號(hào)(內(nèi)部交互、外部信號(hào)以及政策或突發(fā)事件),這些信號(hào)會(huì)產(chǎn)生疊加效果,進(jìn)而共同影響節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)變遷。雖然節(jié)點(diǎn)的前置狀態(tài)在作為穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)是看作離散的,但它的狀態(tài)變遷事實(shí)上是對(duì)各量化指標(biāo)的連續(xù)變動(dòng)。換句話說(shuō),節(jié)點(diǎn)的因子并不會(huì)馬上變化,掛起的影響會(huì)在下一次狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)發(fā)生。3.4點(diǎn)滲流空浚點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地理網(wǎng)絡(luò)前文定義了節(jié)點(diǎn)健康指標(biāo),并計(jì)算了節(jié)點(diǎn)臨界值。在本節(jié)中,在網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上定義全局健康指標(biāo)來(lái)量化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)健康情況,同時(shí),全局臨界值也通過(guò)網(wǎng)絡(luò)特征定義。在深入探討本節(jié)內(nèi)容前,需要對(duì)一些社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析(socialnetworkanalysis,SNA)的術(shù)語(yǔ)做出說(shuō)明。平均度所有節(jié)點(diǎn)度的平均值。極大簇隨機(jī)圖中含有一定比例節(jié)點(diǎn)的聯(lián)通子圖。網(wǎng)絡(luò)彈性網(wǎng)絡(luò)遇到各種干擾時(shí)提供和維護(hù)一個(gè)可接受的服務(wù)水平的能力。點(diǎn)滲流空柵欄網(wǎng)絡(luò)中以p為概率填充每個(gè)網(wǎng)格,同時(shí)意味著滿柵欄網(wǎng)絡(luò)中以(1-p)為概率清空每個(gè)網(wǎng)格,如圖5所示。在柵欄網(wǎng)絡(luò)中有一條關(guān)于網(wǎng)絡(luò)彈性的重要理論。當(dāng)點(diǎn)滲流p到達(dá)一個(gè)閾值的時(shí)候,極大簇突然出現(xiàn),其移除遵循相反的規(guī)律。Rosowsky了解到,方形、三角形、六邊形和蜂窩形的閾值分別為0.5928716,0.5,0.765069和0.6546537,在此使用一個(gè)平均值0.628作為柵欄網(wǎng)絡(luò)的整體閾值,意味著當(dāng)37.2%的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被移除后,柵欄網(wǎng)絡(luò)變得破碎。由于TCNM的節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)地理鄰接關(guān)系形成邊,因此是一個(gè)近似的二維柵欄網(wǎng)絡(luò)。隨著越來(lái)越多的節(jié)點(diǎn)到達(dá)臨界點(diǎn),活躍節(jié)點(diǎn)的數(shù)量逐漸減少。當(dāng)活躍節(jié)點(diǎn)的比例小于0.628時(shí),極大簇迅速瓦解成孤立的節(jié)點(diǎn)或一個(gè)個(gè)僅包含少數(shù)節(jié)點(diǎn)的小型簇。在實(shí)際意義上,這種現(xiàn)象意味著剩余的活躍節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)個(gè)孤島,也表示地球健康達(dá)到臨界值。因此,全局健康指標(biāo)可以通過(guò)如下公式表示:其中:Na表示活躍節(jié)點(diǎn)的數(shù)目;Ni表示不活躍節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。4參數(shù)訓(xùn)練和模型特征4.1區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)獲取到足夠的歷史數(shù)據(jù)后,就可以估計(jì)出模型需要的參數(shù),進(jìn)而保證TCNM模型的正常運(yùn)作。1)貝葉斯信念網(wǎng)絡(luò)貝葉斯信念網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)訓(xùn)練與機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域一般的參數(shù)訓(xùn)練類似。將大量經(jīng)過(guò)歸一化處理的該地區(qū)歷史數(shù)據(jù)作為輸入,使用經(jīng)典的梯度下降方法進(jìn)行訓(xùn)練,最終得到當(dāng)前狀態(tài)分別對(duì)5維參數(shù)變化差值的概率分布,用于表征原圖通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部變動(dòng)。2)大氣污染利用基于穩(wěn)態(tài)高斯分布方程的空氣污染散布模型來(lái)分析大氣污染的擴(kuò)散。作為一個(gè)經(jīng)典的點(diǎn)源散布模型,高斯方程得到了廣泛的應(yīng)用,如美國(guó)環(huán)境保護(hù)署官方使用的ISC3散布模型。進(jìn)一步地,模型參數(shù)可以通過(guò)ISC3模型的實(shí)現(xiàn)來(lái)估計(jì)。3)人口遷移人口遷移使用了經(jīng)典的勞里回歸模型,該模型基于引力理論提出。類似于引力常數(shù),它假定存在一個(gè)在確定的狀態(tài)下恒定不變的重力參數(shù)K,因此如果有足夠的人口遷移歷史數(shù)據(jù),可以直接計(jì)算出參數(shù)。4.2模型敏感性分析當(dāng)把模型應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)世界時(shí),很難保證數(shù)據(jù)是完全正確與完整的。除了由于根據(jù)人工標(biāo)準(zhǔn)定量評(píng)價(jià)實(shí)際情況而導(dǎo)致的個(gè)人錯(cuò)誤,如何處理一些有爭(zhēng)議的地域連接和人煙稀少地區(qū)的判斷也可能導(dǎo)致意想不到的結(jié)果。幸運(yùn)的是,TCNM模型的敏感性非常好。TCNM中圖結(jié)構(gòu)的構(gòu)建不僅基于區(qū)域相鄰,同時(shí)也利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法分析了節(jié)點(diǎn)的固有特性和潛在影響因素的變遷。由于考慮到了該地區(qū)的長(zhǎng)期穩(wěn)定的地理和氣候因素,所以改變或丟失一些地域連接對(duì)于TCNM模型不會(huì)有太大的影響。模型也考慮了一些不確定因素,如不同政策或其他突發(fā)事件的影響,但是