水利工程論文-灌溉發(fā)展需求預(yù)測人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立與應(yīng)用.doc

水利工程論文-灌溉發(fā)展需求預(yù)測人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立與應(yīng)用摘要：本文將計(jì)算機(jī)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論首次引入灌溉宏觀發(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)測人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；從建國以來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，對(duì)所建模型進(jìn)行了校核；根據(jù)今后我國人口增長與糧食需求發(fā)展趨勢，利用模型對(duì)未來30年全國的灌溉面積發(fā)展需求進(jìn)行了預(yù)測；分析了預(yù)測結(jié)果，提出了發(fā)展對(duì)策.其成果對(duì)制定全國灌溉宏觀發(fā)展戰(zhàn)略與政策措施，確保未來30年中國糧食與經(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)測糧食發(fā)展需求計(jì)算機(jī)近年來國內(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，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，來建立全國糧食總產(chǎn)與影響因子間的定量關(guān)系模型.1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.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,Wj,O分別為第1、2、3、4層的輸出；Ui,Vj,S分別為第2、3、4層的輸入；Aim,Bji，Cj分別為第12層，23層，和34層單元的連接權(quán)值；Xi,Yj,Z分別為第2、3、4層單元的偏置值；Di,Jj,G分別為第2、3、4層的誤差信號(hào).設(shè)有L個(gè)學(xué)習(xí)樣本(Q1,T1),(Q2,T2),(Ql,Tl)定義誤差函數(shù)：(1)式中Tk,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FORTAIN5.0編制模型源程序.模型計(jì)算步驟如下：1.網(wǎng)絡(luò)初始化取學(xué)習(xí)步長=0.1，沖量因子=0.1，最大學(xué)習(xí)誤差E=0.00012，令權(quán)值A(chǔ)im=Bji=Cj=0.65(i=1,2,8；j=1,2,8；m=1,2,8)置偏值Xi=Yj=Z=0.35(i=1,2,8；j=1,2,，8)令樣本輸入值=輸入層輸出值(Qm),(m=1,2,8)2.計(jì)算各層輸入與輸出第二層:(i=1,2,8)(2)Hi=f(Ui)(3)式中：f為Sigmoid函數(shù)第三層：(j=1,2,8)(4)Wj=f(Vj)(5)第四層：(6)O=f(s)(7)3.計(jì)算各層誤差信號(hào)G=(O-T)O(1-O)(8)Fj=GCjWj(1-Wj)(9)(10)4.修改各層權(quán)值Cj=Cj+GWj(11)Bji=Bji+FjHi(12)Aim=Aim+DiDm(13)5.修改各層偏置值E=E+G(14)Yj=Yj+Fj(15)Xi=Xi+Di(16)6.輸入下一樣本7.學(xué)習(xí)樣本結(jié)束，更新學(xué)習(xí)次數(shù)8.如果E0.00012，學(xué)習(xí)結(jié)束.2模型的訓(xùn)練分別以建國以來各“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訓(xùn)練模型.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)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)萬畝漬澇鹽堿地億畝糧食價(jià)格元/噸化肥用量萬噸科技貢獻(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：1.影響因子數(shù)據(jù)處理設(shè)影響因子值為Xij(i=1,2,8；j=1,2,10)i,j分別為影響因子數(shù)及樣本數(shù)，則標(biāo)準(zhǔn)化過程為：(17)(18)(19)Xij=(Xij-BRi)/BRRRi(20)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)輸入模型訓(xùn)練，當(dāng)訓(xùn)練至E0.00012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)測模型訓(xùn)練結(jié)果年代模擬產(chǎn)量/億噸實(shí)際產(chǎn)量/億噸絕對(duì)誤差/億噸相對(duì)誤差/%19521.64651.63870.00780.4719571.91761.9509-0.0333-1.7119621.65111.60020.05093.1819651.96681.94530.02151.1119702.33922.4003-0.0611-2.5519752.88112.84480.03631.2819803.18913.206-0.0169-0.5319853.76543.7912-0.0258-0.6819904.49994.46180.03810.85199