基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的仿真研究——以江蘇省建湖生態(tài)縣為例.pdf

1、本文運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與計(jì)算機(jī)仿真來(lái)對(duì)江蘇省建湖縣區(qū)域可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)進(jìn)行研究。通過(guò)將三種方法的有機(jī)結(jié)合，仿真該系統(tǒng)在不同的發(fā)展模式下的發(fā)展動(dòng)態(tài)，并建立可持續(xù)發(fā)展水平的評(píng)價(jià)模型，進(jìn)而從這些模式中篩選出該地區(qū)今后最佳的發(fā)展道路。由于可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)的高度復(fù)雜性與不可實(shí)驗(yàn)性，我們無(wú)法得到系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，只能得到系統(tǒng)的歷史資料，因此本文的研究目的在于探索一種建立復(fù)雜系統(tǒng)模型的新方式，即通過(guò)運(yùn)用人工智能化的方法來(lái)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)中難以確定的

2、關(guān)系進(jìn)行建模，在建立系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，仿真它在不同的政策參數(shù)下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，這對(duì)我們認(rèn)識(shí)與操縱可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)具有重大的意義。 本文首先通過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)乜沙掷m(xù)發(fā)展系統(tǒng)歷史狀況的調(diào)查研究，收集了大量的系統(tǒng)歷史資料．然后根據(jù)可持續(xù)發(fā)展原理和研究目的，對(duì)當(dāng)?shù)氐目沙掷m(xù)發(fā)展系統(tǒng)進(jìn)行分析和描述，將此系統(tǒng)分解為人口、經(jīng)濟(jì)、資源與環(huán)境3大密切聯(lián)系，相互作用的子系統(tǒng)，并用95個(gè)系統(tǒng)變量對(duì)整個(gè)系統(tǒng)和子系統(tǒng)進(jìn)行描述；繼而運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，

3、將95個(gè)系統(tǒng)變量分成三種類型：狀態(tài)變量、速率變量和輔助變量。通過(guò)對(duì)3大子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和因果反饋關(guān)系的分析，確定各個(gè)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及它們內(nèi)部的主反饋環(huán)和次反饋環(huán)，再建立各個(gè)反饋環(huán)的主要狀態(tài)方程，速率方程和輔助方程，進(jìn)而得到各個(gè)子系統(tǒng)的系統(tǒng)模型。最后對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的多維耦合，從而得到整個(gè)建湖縣區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的系統(tǒng)模型。 本文中大多數(shù)的速率方程和輔助方程都使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)確立，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)的方法

4、建立它們之間的關(guān)系，這樣建立的關(guān)系很容易通過(guò)歷史的檢驗(yàn)，也容易使整個(gè)系統(tǒng)模型與真實(shí)系統(tǒng)之間建立行為上的相似性，并通過(guò)行為一致性檢驗(yàn)。具有行為一致性的系統(tǒng)模型可以對(duì)真實(shí)系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行模擬與仿真。由于建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型需要大量的學(xué)習(xí)訓(xùn)練樣本，而歷史數(shù)據(jù)往往是不足的，因此本文選用3次B-樣條函數(shù)對(duì)這些歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插值的方法來(lái)構(gòu)建學(xué)習(xí)樣本。在充足的學(xué)習(xí)訓(xùn)練樣本的基礎(chǔ)上，構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有魯棒性強(qiáng)，泛化能力高等特點(diǎn)，可以對(duì)系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)

5、展趨勢(shì)進(jìn)行穩(wěn)健地預(yù)測(cè)。 將系統(tǒng)模型建立并通過(guò)行為一致性檢驗(yàn)之后，對(duì)它進(jìn)行靈敏性分析，從而設(shè)計(jì)調(diào)控系統(tǒng)的政策參數(shù)，并根據(jù)這些政策參數(shù)的不同取值來(lái)模擬真實(shí)系統(tǒng)在未來(lái)不同的發(fā)展模式。系統(tǒng)模型的靈敏性分析主要包括數(shù)值靈敏性分析，行為靈敏性分析和政策靈敏性分析三種。根據(jù)建湖縣實(shí)際情況和調(diào)控參數(shù)不同取值，設(shè)定了建湖縣(2001-2020年)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的4種系統(tǒng)模式：傳統(tǒng)發(fā)展型，經(jīng)濟(jì)高效型，資源環(huán)保型和經(jīng)濟(jì)．環(huán)保協(xié)調(diào)發(fā)展型。傳統(tǒng)發(fā)展型是不

6、對(duì)系統(tǒng)今后的發(fā)展加以干預(yù)，系統(tǒng)完全按照傳統(tǒng)的發(fā)展模式向前發(fā)展，系統(tǒng)中的各個(gè)調(diào)控參數(shù)都不加以改變；經(jīng)濟(jì)高效型是指在堅(jiān)持區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的前提下，優(yōu)先保證經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展；資源環(huán)保型的發(fā)展模式是在堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展的前提下，強(qiáng)調(diào)了對(duì)資源與環(huán)境的保護(hù)；經(jīng)濟(jì)-環(huán)保協(xié)調(diào)型發(fā)展模式是指在發(fā)展過(guò)程中同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展和資源環(huán)境保護(hù)。仿真結(jié)果表明： 傳統(tǒng)發(fā)展型模式不是一種可持續(xù)發(fā)展意義上的發(fā)展模式，在這種發(fā)展模式下，該地區(qū)人口增長(zhǎng)快，經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢，對(duì)資源

7、與環(huán)境的破壞嚴(yán)重，長(zhǎng)此以往，會(huì)對(duì)該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步和環(huán)境保護(hù)帶來(lái)非常不利的影響，因此該地區(qū)在今后的發(fā)展道路上，應(yīng)該摒棄這樣的發(fā)展模式。 在經(jīng)濟(jì)高效型發(fā)展模式下，經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)比較快，各項(xiàng)社會(huì)事業(yè)都取得了快速的發(fā)展，人民的生活水平也大大提高。但是該模式下，對(duì)資源的消耗與環(huán)境的污染還是比較嚴(yán)重，系統(tǒng)在剛開始的時(shí)候，由于經(jīng)濟(jì)水平提高的驅(qū)動(dòng)，使得系統(tǒng)各個(gè)方面的發(fā)展都會(huì)有長(zhǎng)足的進(jìn)步，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)候的快速發(fā)展之后，區(qū)域發(fā)展的可持續(xù)性就受

8、到了影響，無(wú)法在強(qiáng)可持續(xù)性的狀態(tài)下繼續(xù)發(fā)展，并因此會(huì)出現(xiàn)一系列的問(wèn)題。 在資源環(huán)保型發(fā)展模式下，區(qū)域資源與環(huán)境得到了有效的保護(hù)，并且經(jīng)濟(jì)與社會(huì)得到了明顯的發(fā)展和進(jìn)步，但總的來(lái)說(shuō)，由于資源與環(huán)境的保護(hù)力度比較大，對(duì)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展有一定的限制作用。與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展有關(guān)的指標(biāo)增速都比較緩慢，所以會(huì)在以后的發(fā)展過(guò)程中同樣也會(huì)帶來(lái)一系列的問(wèn)題，不利于長(zhǎng)久的可持續(xù)發(fā)展。 經(jīng)濟(jì)-環(huán)保協(xié)調(diào)型發(fā)展模式在經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度上不如經(jīng)濟(jì)高效型，在對(duì)

9、資源與環(huán)境的保護(hù)成效上不如資源環(huán)保型，但這種方案恰恰是一種能夠使經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)進(jìn)行的方案，在這種發(fā)展模式下，經(jīng)濟(jì)能夠比較快速的發(fā)展，同時(shí)資源與環(huán)境也得到了很好的保護(hù)，能夠使該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益都得到充分的提高，這種提高是在區(qū)域發(fā)展高可持續(xù)性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，是在良性循環(huán)的軌道上實(shí)現(xiàn)的，有利于當(dāng)?shù)亻L(zhǎng)期穩(wěn)定地走可持續(xù)發(fā)展的道路。 本文使用自組織學(xué)習(xí)向量量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立可持續(xù)發(fā)展水平的評(píng)價(jià)模型。在對(duì)建湖縣可持續(xù)發(fā)

10、展系統(tǒng)進(jìn)行模擬與仿真的基礎(chǔ)上，以國(guó)家環(huán)保總局規(guī)定的生態(tài)縣的36項(xiàng)驗(yàn)收指標(biāo)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)建湖縣在各個(gè)年份的可持續(xù)發(fā)展水平進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明： 在傳統(tǒng)型發(fā)展模式下，系統(tǒng)的可持續(xù)水平下降很快，到2020年該系統(tǒng)的可持續(xù)水平一直保持在比較低的層次上，系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展特性并不理想。 在經(jīng)濟(jì)高效型的發(fā)展模式下，可持續(xù)發(fā)展水平開始時(shí)比較高，但隨著時(shí)間的推移，到2013年左右，系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展水平開始下降，到仿真期末，下降到比較弱的

11、可持續(xù)發(fā)展水平。 資源環(huán)保型也有上述類似的發(fā)展趨勢(shì)，隨著時(shí)間的推移，系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展水平也在不斷地下降。 經(jīng)濟(jì)-環(huán)保型的發(fā)展模式，兼顧了經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)環(huán)境等各方面的協(xié)調(diào)發(fā)展，因而逐漸呈現(xiàn)出良性循環(huán)的狀態(tài)，它的可持續(xù)發(fā)展水平一直維持在比較高的水平上?？梢娊?jīng)濟(jì)．環(huán)保型發(fā)展模式是當(dāng)?shù)亟窈笞罴训陌l(fā)展模式，我們可以以該模式生成的調(diào)控參數(shù)的范圍作為科學(xué)參考依據(jù)，確定當(dāng)?shù)亟窈笞咴撃Ｊ降陌l(fā)展道路所應(yīng)采取的政策。 本文所運(yùn)用的方