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改进属性识别模型及其在城市环境质量 综合评价中的应用 ＊ 张礼兵 1,2 程吉林 1 金菊良 2 蒋晓红 1 1.扬州大学水利科学与工程学院, 江苏 225009; 2.合肥工业大学土木与建筑工程学院, 安徽 230009 摘要 应用属性识别模型进行综合评价时, 评价指标权重向量的计算具有一定的主观性。 据此提出基于数据驱动技 术的改进方法以使权重的确定更趋合理。 实例说明, 改进的属性识别模型不仅原理直观, 评价结果准确, 而且计算简 便, 在复杂系统综合评价中具有较广的适用性。 关键词 改进属性识别模型 城市大气环境 综合评价 ＊国家自然科学基金项目 70471090, 50579009 ; 国家“十五”科技攻 关项目 2004BA608B -02 -02 目前国内外对大气环境质量进行综合评价的方 法已有很多 [ 1 -6] ,它们各有特点, 也各有不足。大气环 境质量综合评价的核心问题就是如何科学、 客观地从 高维空间到低维空间的映射, 并要求这种映射能尽可 能反映评价对象样本在原高维空间中的分类信息和 排序信息 [ 7] 。上世纪末 ,我国数学家程乾生教授提出 了属性集理论和属性测度的概念, 并创立了属性数学 这一数学分支 [ 8,9] 。属性识别理论在有序分割类和属 性识别准则的基础上 ,能对事物进行有效识别和比较 分析 ,较好地克服了其它识别方法如模糊识别理论的 某些不足 [ 9] ,已在大气环境及水土资源系统的预测、 评价 、 决策等问题中得到了成功应用 [ 10-12] 。然而在实 际应用属性识别模型进行综合评价过程中,对评价指 标权重的确定均有欠妥之处, 本文根据近年兴起的数 据挖掘原理与方法, 提出基于数据驱动的改进属性识 别模型,并应用于某大气环境质量综合评价的实例, 取得较为满意的效果 。 1 属性识别模型 设X 为研究对象的全体 ,称为对象空间 。F 为X 中元素的某类属性, 称为属性空间或最大属性集 [ 9] 。 如令 X { 所有大气样本} , 则 X 中的元素 x 表示某 时刻某地点的大气样本 , 又令 F { 大气污染程度} , 则属性空间 F 中的任何一种情况都是一个属性集。 在研究对象空间 X 取n 个样本 xi, i 1, 2, , n ,每个样本需测量 m 个指标 Ij, j 1, 2, , m ,则以 xij表示第 i 个样本的第 j 个指标的测量值。 设 Ck k 1,2, ,K 为 F 的一个有序分割类 , 且满足 C1C2CK。 若每个指标的分类标准已知, 则可用 如下分类标准矩阵表示 C1C2 C K [ I1]a11a12 a 1K [ I2]a21a22 a 2K MMMM [ Im]am1am2 a m K 。 其中 ajk满足 aj1 ajK。 2 样本属性测度的计算 利用属性识别模型进行综合评价的关键是计算 每个样本的属性测度, 即求 xij具有属性 Ck的程度 μijkμ xij∈Ck 。 为方便不妨假定 aj1aj2 ajK,文献[10] 定义单样本线性属性函数如图 1 所示 。 图 1 单指标属性测度函数 即, 当 xij≤aj1时 ,取 μij11, μij2μij3μijK 0。 当 xij≥ajK时,取 μ ijK 1, μij1μij2μijK-1 0。 当 ajl≤xij≤ajl 1时, 则取 μijl x ij-ajl1 ajl-ajl 1 , μijl 1 xij-ajl ajl-ajl 1 ,其它 μijk0,获得样本 i 的所有 m 个单指标测量值的属性测度后, 一般通过各指标权 74 环 境 工 程 2006年 6 月第24 卷第3 期 重 w1, w2, ,wm , wj≥ 0, ∑ m j 1wj 1 ,按式 1 计 算该样本的综合测度值。 μik μ xi∈ Ck∑ m j1wjμ ijk, 1 ≤i ≤n ,1 ≤k ≤K 。 1 在应用属性识别模型进行综合评价时,指标权重 w1,w2, , wm 的确定方法一般有专家评分法 [ 9] ,污 染贡献率法 [ 4,11] 即动态权重法 以及等权重假设检 验法 [ 12] 等。专家评分法对专家主观知识经验依赖性 较强, 在评价指标较多时实现起来较为困难 ,且对指 标评价标准信息提取不多 。污染贡献率法直接利用 样本的测量数据确定权重 ,致使不同样本各指标权重 也各异,因而所计算出的各样本指标综合测度可比性 不高 。等权重假设检验法的做法是 ,当对各评价指标 重要性分辨不清时, 先假定各测量指标等权重, 即 wj 1 m j 1,2, , m , 然后按式 1 求出各样本综合 评价测度向量, 并用它与前述单指标向量的内积按式 2 计算新的指标权重 w′ jrj ∑ m j 1rj 2 式中 rj 1 n∑ n i 1∑ K k 1μ ikμijk称之为相似系数。 已有 文献对权重重新修正与否并没有给出确切判断标准, 只检验w′ j与wj的差别 ,若相差“不太大”则确定指标 权重为w′j,有失客观。 指标的客观权重的大小应该由 分类标准矩阵和样本测度矩阵确定 ,而与权重的初始 假定值无关。 因此初始权重值 w 0 j可以任意给定, 只需 满足 w 0 j≥0, ∑ m j 1w 0 j1, 将其代入式 1和式 2 计算出新的权重 ,如此通过有限次的迭代直至前后两 次计算的权重差别满足设定的精度要求ε s,即 ε ∑ m j 1 w t 1 j-w t j 2 0. 5 ≤εs 3 同时, 基于数据驱动的思想 ,从分类标准矩阵均匀随 机地抽取若干组样本代入上述过程 ,籍此可在一定程 度上改进计算权重值的科学合理性 ,详细过程见应用 实例 。 3 识别与比较分析 获得了综合属性测度就可进行样本识别以及比 较分析。按照置信度准则 ,对置信度 λ ,如果 kimin k ∑ k l 1uxi Cl≥ λ ,1 ≤k ≤K 4 则认为 xi属于Cki类 。 按照评分准则如式 5 ,计算样本 i 的得分 qxi∑ k l 1nluxi Cl 5 则可根据 qxi的大小对xi进行比较和排序。 4 应用实例 现以 GB3095 -1996 大气环境质量标准为评价 标准 ,用改进属性识别模型对文献[ 11] 提供的武汉市 大气环境监测结果进行综合评价 。据原文献选取 SO2、 NO2和 TSP 为 3 个评价指标, 把大气环境质量 即污染程度 分为 4 级或 4 类 C1{ Ⅰ 清洁} , C2 { Ⅱ 污染 , C3 { Ⅲ 重污染} , C4{ Ⅳ 严重污 染} , 则分类标准矩阵为 C1C2C3C4 [ SO2]0. 050. 150. 250. 85 [ NO2]0. 050. 100. 150. 50 [TSP]0. 120. 300. 501. 70 对武汉市市区 8个测点进行大气监测 ,得到测量 数据矩阵有 测点 1 测点 2 测点3 测点4 测点 5 测点 6 测点 7 测点 8 [ SO2]0 . 075 0. 107 0. 166 0. 063 0. 037 0. 061 0 . 032 0 . 012 [ NO2]0 . 046 0. 124 0. 105 0. 059 0. 026 0. 040 0 . 027 0 . 021 [ TSP]0 . 362 0. 661 0. 537 0. 392 0. 194 0. 420 0 . 314 0 . 171 借助数据挖掘技术, 由大气环境质量标准随机抽 样产生样本序列{ x′ ij j 1～ 3, i 1 ～ 40} ,即在各级 等级取值范围内随机产生 10 个“实测”大气样本, 与 上述 8 个测点值一起组成样本系列进行属性识别模 型综合评价 ,迭代停止误差取 10 -6 ,迭代计算 17 次得 指标权重向量为 w 0. 347,0. 337,0. 316 ,取置信度 λ 0. 65,由式 3 置信度准则判别各样本级别 。应用 评分准则取 nl 5 -l , 1≤l ≤4, 按式 4 计算各样本 分数 ,结果见表 1。 表 1 大气环境质量样本和属性识别模型综合评价值 样本 序列 SO2NO2 TSP mg m- 3 属性综合测度分布矩阵 μ ik C1C2C3C4 级别排序 值 qx i 属性 识别 测点10. 0750. 0460. 3620. 5930. 3080. 1000. 0003. 4932 测点20. 1070. 1240. 6610. 1480. 3700. 3780. 1032. 5643 测点30. 1660. 1050. 5370. 0000. 5900. 3860. 0242. 5673 测点40. 0630. 0590. 3920. 5740. 2780. 1480. 0003. 4262 测点50. 0370. 0260. 1940. 8680. 1320. 0000. 0003. 8681 测点60. 0610. 0400. 4200. 6410. 1660. 1930. 0003. 4482 测点70. 0320. 0270. 3140. 6790. 2990. 0220. 0003. 6571 测点80. 0120. 0210. 1710. 9090. 0910. 0000. 0003. 9091 75 环 境 工 程 2006年 6 月第24 卷第3 期 改进属性识别模型对大气环境质量综合评价等 级的 平均 绝对 误 差 0. 125 级, 级 别 识别 正确 率 87. 5。为进一步检验其评价效果 ,由大气环境质量 分类标准再随机生成 40 个样本 每级 10 个 , 结果平 均绝对误差 0. 10 级, 识别正确率 90, 值得一提的 是,以上是置信度 λ 取 0. 65 的结果 ,若取 λ 0. 8,则 识别准确率几乎可达到 100, 因此可知改进的属性 识别模型对该大气质量评价结果是较为可靠的,其对 武汉市区 8 个测点综合评价结果见表 2, 为方便比较 将文献[ 6]的模糊综合评判法与文献[ 11] 的属性识别 法评价结果也同列于表中 。 表 2 各方法综合评价结果 评价方法测点1 测点2 测点 3 测点 4 测点 5 测点 6 测点7 测点 8 模糊评判法ⅡⅢⅢⅢⅠⅢⅡⅠ 属性识别法 类别ⅠⅢⅢⅡⅠⅡⅠⅠ 排序37862541 改性属性 识别法 类别ⅡⅢⅢⅡⅠⅡⅠⅠ 排序48762531 由表 2 结果对比知 , 模糊评判法无法给出测点 4 与测点3 大气质量的差异性 ,且对测点 6 和测点 7 的 级别评判有失合理 ,这是由于该法的隶属函数构造, 取大取小运算以及最大隶属原则等并不适用于有序 质量评价集的识别问题 [ 9] , 因而出现分级不清的情 况。相比之下, 属性识别模型由于概念清晰 ,数学理 论严谨,所以其评价结果更能客观地反映大气环境质 量的实际情况, 且能给出各评价样本评分值 ,使样本 排序成为可能。但指标权重定得正确与否将对属性 识别模型的识别准确率及评分排序产生重要影响 ,文 献[ 11] 的污染贡献率法会使样本某项“强势”指标值 较大的干扰权重取值而导致判断失真 ,如测点 1, 其 3 个指标分属Ⅱ级, Ⅰ级和 Ⅲ级 , 文献[ 11] 判为 Ⅰ级 是欠妥的 ,本文与文献[6]评价结果一致, 判断为Ⅱ级 较符合实际。 5 结语 属性识别理论模型是建立在属性空间基础上 ,以 最小代价原则、最大测度准则、置信度准则和评分准 则为基础的新型综合评价方法 ,但在指标权重的合理 确定上有待完善 ,借鉴近年兴起的数据挖掘 如投影 寻踪 ,人工神经网络等 思想, 对权重向量的计算提出 基于数据驱动的改进方法 ,使其在实际运用中更趋科 学合理。实践表明, 该方法不仅能对大气环境质量进 行准确合理的识别分类, 还可以对各个大气样本的环 境质量打分排序 ,为环境管理决策部门进行定量分析 提供依据。同时该模型还可广泛应用于河流湖泊水 质评价 、 区域环境质量评价 、 流域水资源承载力评价 等领域,为各领域的评价方法提供了一种新的思路 。 参考文献 [ 1] 李祚泳, 邓新民. 大气环境质量综合评价的 B -P 网络模型. 重庆 环境科学, 1994, 16 6 37-40. 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Keywords anoxic and aerobic digestion, surplus activated sludge, intermediate temperature and normal temperature TREATMENT OF MUNICIPAL LANDFILL LEACHATE WITH INTEGRATED PROCESS BASED ON MULTIFUNCTION FLY-ASHRuan Xiangyuan Wen Jianguo Liu Siqi 65 Abstract A system of treatment of municipal landfill leachate was combined by five -series trunks filled with multifunction fly-ash such as adsorption, coagulating, decomposition and so on. Under processing conditions of flow rate of 40 L h for landfill leachate, 40 L m3hfor air and 15 mg L for ozone, respectively, suspended substances, colority, CODCr, BOD5, ammonia nitrogen and sulfide in the leachate were cut down by 93, 90, 96, 92, 86 and 92, respectively. Keywords landfill leachate, immobilized coagulant, fly-ash and ozone EXPERIMENTATION ON CENTRIFUGAL DEWATERING OF MUNICIPAL CATERING SWILLS Han Qi Cao Zike Luo Jianzhong 68 Abstract The resource, characteristics and disposal technologies of urban catering swills are introduced. The new resource recycling technique for the catering swills are presented and the working procedure of the centrifugal dewatering is studied. The optimal centrifugal parameters are confirmed as 5 minutes centrifugal time and 3 200 r min for rotation speed. Keywords catering swills, centrifugal dewatering and resource recycling DISTILLING AND ENRICHING TRACE NONYLPHENOL IN WASTEWATER BY SOLID -PHASE EXTRACTIONHao Ruixia Liang Peng Zhao Man et al 71 Abstract About 70 wastewater or reuse water samples are pre -treated by solid -phase extraction for distilling and enriching NP, and the conditions of SPE have been studied in detail, then, the samples are quantitatively analyzedby GC-MS-∑SIM. The resultsare that OasisRHLBSPE pole is of good adsorption for NP in wastewater, and the efficiency of eluate solvent is about 97. 01. The veracity and accuracy of the meassured resultsmeet requirements. Keywords environmental hormone, nonylphenol, complex matrix, trace ingredient and solid -phase extraction IMPROVEDATTRIBUTERECOGNITIONMODELANDITSAPPLICATIONTO COMPREHENSIVE QUALITY ASSESSMENT OF URBAN ENVIRONMENT Zhang Libing ChengJilin Jin Juliang et al 74 Abstract During the process of utilizing attribute recognition model to make comprehensive assessment, there are some subjective factors in calculating the weight vector. According to this, an improved based on the technique of data driving is applied to make the weight calculation more scientific and rational. An example shows that the improved attribute recognitionmodel has good property of simple principle, nice results and handy calculation. It has wide applicability in the area of comprehensive assessment. Keywords improved attribute recognition model, urban atmospheric environment and comprehensive assessment THE SETPAIR ANALYSIS MODELFOR REGIONAL ECO-ENVIRONMENTAL QUALITY UATION AND ITS APPLICATIONLi Fanxiu Mei Ping Chen Wu 77 Abstract A new model for regional eco -environmental quality uationwas established,where set pair analysiswas used. And an applied example was studied with more satisfactory results. Compared with unascertained measurement uation , this model is perfect, the uating result ismore reasonable and its resolving power is higher. Thus, a simple and effective uation is provided for regional eco- environmental quality uation. Keywords regional eco -environment, uationmodel, set pair analysis and Chaohu basin DESIGN OF MEMBRANE BIOREACTORFOR TREATING WASTEWATER INHOUSING ESTATE Wang Lin Yuan Xinyan Li Shifeng 79 Abstract A process of using submergedmembrane bioreactor with nitrogen and phosphorusbeing removed sumultaneously is introducedfor sewage treatment in housing estate. The KORED flat polyethersulfone membrane made in the Republic of Korea is selected, whose property and pollution control, as well as design parameters of each structure are also described. Keywords reuse of sewage in housing estate, membrane bioreactor, process design and investment analysis 5 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 24,No. 3, Jun. , 2006