灌溉发展需求预测人工神经网络模型的建立与应用

摘要：本文将机人工神经理论首次引入灌溉宏观战略研究领域，以各“五年”计划期末全国粮食总产与影响因子集为训练样本，建立了灌溉发展需求预测人工神经网络模型；从建国以来40多年的时间序列中，任选5个年份的相应参数作为校核样本，对所建模型进行了校核；根据今后我国人口增长与粮食需求发展趋势，利用模型对未来30年全国的灌溉面积发展需求进行了预测；分析了预测结果，提出了发展对策.其成果对制定全国灌溉宏观发展战略与政策措施，确保未来30年粮食与安全具有十分重要的意义.

关键词：灌溉 人工神经网络 预测 粮食 发展需求 计算机

 

　　近年来国内外兴起的人工神经网络研究方法能对信息进行大规模并行处理；具有很强的鲁棒性和容错性；善于联想、概括、类比和推理；而且具有很强的自学习能力，善于从大量统计资料中分析提取宏观统计，很适合灌溉宏观发展战略的定量研究.因此，本文引入人工神经网络原理，来建立全国粮食总产与影响因子间的定量关系模型.

1　模型的建立

　　在其它条件不变的情况下，粮食总产主要取决于播种面积、灌溉面积、农田成灾面积、渍涝盐碱地面积、粮食价格、良种覆盖率、化肥使用量、科技贡献率8个主要因素.为确定粮食总产与影响因子间的定量关系，根据人工神经网络基本原理，设计相应的神经网络：
　　网络共分四层，一个输入层，二个隐含层，一个输出层.输入层8个节点，输出层1个节点.
　　令Q_m,H_i,W_j,O分别为第1、2、3、4层的输出；U_i,V_j,S分别为第2、3、4层的输入；A_im,B_ji，C_j分别为第1～2层，2～3层，和3～4层单元的连接权值；X_i,Y_j,Z分别为第2、3、4层单元的偏置值；D_i,J_j,G分别为第2、3、4层的误差信号.
　　设有L个学习样本(Q¹,T¹),(Q²,T²),……,(Q^l,T^l)

定义误差函数：

(1)

　　式中T^k,O^k分别表示样本k时网络的期望输出和实际输出值.
　　根据人工神经网络BP算法基本原理，采用逐次修正法，用FORTAIN 5.0编制模型源程序.
　　　　模型计算步骤如下：
　　1.网络初始化
　　取学习步长α=0.1，冲量因子β=0.1，最大学习误差E=0.00012，
　　令权值A_im=B_ji=C_j=0.65
　　(i=1,2,…,8；j=1,2,…,8；m=1,2,…,8)
　　置偏值X_i=Y_j=Z=0.35
　　(i=1,2,…,8;j=1,2,…，8)
　　令样本输入值=输入层输出值(Q_m),(m=1,2,…,8)
　　2.计算各层输入与输出

第二层:

(i=1,2,…,8)

(2)

Hi=f(Ui)

(3)

                   式中：f为Sigmoid函数

第三层：

(j=1,2,…,8)

(4)

Wj=f(Vj)

(5)

第四层：

(6)

O=f(s)

(7)

　　3.计算各层误差信号

G=(O-T)·O·(1-O)

(8)

Fj=G·Cj·Wj(1-Wj)

(9)

(10)

　　4.修改各层权值

Cj=Cj+αG·Wj

(11)

Bji=Bji+αFjHi

(12)

Aim=Aim+αDi·Dm

(13)

　　5.修改各层偏置值

	E=E+βG	(14)
	Yj=Yj+βFj	(15)
	Xi=Xi+βDi	(16)

　　6.输入下一样本
　　7.学习样本结束，更新学习次数
　　8.如果E<0.00012，学习结束.

2　模型的训练

　　分别以建国以来各“五年”计划期末粮食总产与对应的8个影响因素值为训练样本的期望输出和样本输入来训练模型.根据有关农业、水利统计资料，查得相关年参数如表1所示.

表1　模型训练参数

年代	粮食产量 亿吨	播种面积 亿亩	灌溉面积 亿亩	良种覆盖率 %	农田受灾 万亩	渍涝盐碱地 亿亩	粮食价格 元/吨	化肥用量 万吨	科技贡献率 %
1952	1.639	18.597	2.904	10	0.62	4	138.4	7.8	5
1957	1.951	20.045	4.109	20	2.247	4.1	162	37.3	6
1962	1.6	18.243	4.455	30	2.501	4.1	190	63	7
1965	1.945	17.944	4.806	40	1.683	4.21	229.2	194.2	8
1970	2.4	17.89	5.4	50	0.494	4.21	270	351.2	9
1975	2.845	18.159	6.918	60	1.506	4.371	310	536.2	10
1980	3.206	17.585	7.331	80	3.348	4.584	360.6	1269.4	15
1985	3.791	16.327	7.19	62	3.406	4.785	416.1	1775.8	20
1990	4.462	17.02	7.26	80	2.673	4.8	680	2590.3	25
1995	4.666	16.509	7.368	85	4.95	4.9	1480	3592.2	30

　　为消除量纲影响，对表1中原始数据做如下标准化处理：
　　1.影响因子数据处理
　　设影响因子值为X_ij(i=1,2,…,8;j=1,2,…,10)
　　i,j分别为影响因子数及样本数，则标准化过程为：

		(17)
		(18)
		(19)
	Xij=(Xij-BRi)/BRRRi	(20)

　　2.粮食产量数据处理
　　设Y_j为第j个样本的粮食产量，则处理公式为：

Yj=Yj/7

(21)

　　将处理好的10组样本参数输入模型训练，当训练至E<0.00012时，得出模型训练结果如表2所示

表2　灌溉面积预测模型训练结果

年代	模拟产量/亿吨	实际产量/亿吨	绝对误差/亿吨	相对误差/%
1952	1.6465	1.6387	0.0078	0.47
1957	1.9176	1.9509	-0.0333	-1.71
1962	1.6511	1.6002	0.0509	3.18
1965	1.9668	1.9453	0.0215	1.11
1970	2.3392	2.4003	-0.0611	-2.55
1975	2.8811	2.8448	0.0363	1.28
1980	3.1891	3.206	-0.0169	-0.53
1985	3.7654	3.7912	-0.0258	-0.68
1990	4.4999	4.4618	0.0381	0.85
1995	4.6574	4.6662	-0.0088	-0.19

　　从表中看出，10个训练样本的模拟输出与期望输出的相对误差均在±3.2%的范围内，模型的收敛效果很好.
　　经过上述训练所得到的权重体系及偏置值所确定的就是所要建立的灌溉需求预测人工神经网络模型.

3　模型的校核

　　在各“五年”计划期间任选五个年份，如1973、1978、1983、1988、1993年，从有关农业、水利统计资料查得各年粮食产量及影响参数如表3所示.

表3　模型校核参数

年代	粮食产量 亿吨	播种面积 亿亩	灌溉面积 亿亩	良种覆盖率 %	农田受灾 万亩	渍涝盐碱地 亿亩	粮食价格 元/吨	化肥用量 万吨	科技贡献率 %
1973	2.649	18.173	6.572	55	1.143	4.315	200	511.1	9
1978	3.048	18.088	7.208	65	3.787	4.47	263.4	884	10
1983	3.873	17.107	7.283	57.753	2.43	4.714	400	1659.8	15
1988	3.941	16.518	7.187	70	3.591	4.803	600	2141.5	20
1993	4.565	16.576	7.3	82	3.47	4.9	800	3150.1	25

将表中原始数据进行标准化处理后输入训练好的人工神经网络模型进行核算，核算如表4所示.

表4　灌溉面积预测模型校核结果

年代	模拟产量/亿吨	实际产量/亿吨	绝对误差/亿吨	相对误差/%
1973	2.7854	2.6488	0.1366	5.16
1978	2.7794	3.0478	-0.2684	-8.81
1983	3.9503	3.8731	0.0772	1.99
1988	3.9503	3.941	0.0093	0.24
1993	4.7118	4.5647	0.1471	3.22

　　结果表明，5个校核样本的模拟输出与期望输出的相对误差有3个小于3.3%，另2个小于±9%，比较令人满意.表明模型具有较好的适用性.

4　灌溉需求预测

　　根据1996年11月政府在罗马世界粮食首脑会议上提交的《中国的粮食安全状况》报告，未来30年中国的粮食需求状况见表5.(为确保国家粮食供给安全，粮食自给率按95%)

表5　未来30年中国的人口增长与粮食需求

年代	人口总量	人均粮食消费标准/(公斤/人)	粮食需求总量/亿吨	国内粮食产量需求/亿吨
2000	13	385	5.005	4.75
2010	14	390	5.5	5.22
2020	15	395	5.925	5.63
2030	16	400	6.4	6.08

　　为此，中国政府决定，未来几十年将从以下几方面采取措施，提高粮食产量.
　　1.将粮食播种面积稳定在16亿亩.
　　2.努力扩大灌溉面积.
　　3.提高农业抗灾能力.预计农田年成灾面积2000年前后可控制在80年代初3亿亩的水平，2010年以后稳定在2亿亩左右.
　　4.将全国渍涝盐碱地面积长期稳定在4.5亿亩，扼制其发展趋势.
　　5.提高良种覆盖率. 2000年达到95%，2010年以后基本实现良种化.
　　6.稳定粮食收购价格.按目前水平，考虑5%的物价上涨指数，吨粮价格2000年为1500元，2010年为2443元，2020年为3900元，2030年为6483元.
　　7.增加化肥使用量.2000年达到4000万吨，2020年达到4500万吨，2030年达到5000万吨峰值.
　　8.推广农业先进技术，提高科技对农业的贡献率.2000年达到50%，2030年达到70%.
　　据此，未来30年不同时期粮食增产目标及相应7个影响因素为定值，见表6，灌溉面积为未知数.任设一组灌溉面积发展参数，与表6中数据一起组成原始样本参数，经标准化处理后代入前面训练好的人工神经模型运算，将算出的模拟产量与表6中的期望产量对比，若误差不满足要求，则改变灌溉面积设定值，重复以上步骤.当灌溉面积设定为表7所示规模时.各年份粮食总产模拟值与期望值间的相对误差均小于0.1%，满足要求.因此，在其它粮食增产措施按表6给定的情况下，要保障未来粮食供给安全，2000年，2010年，2020年，2030年全国有效灌溉面积必须达到7.83亿亩、9.05亿亩、10.35亿亩和13.14亿亩.灌溉面积发展最大需求额约为目前全国实有耕地面积的63%.

表6　模型应用参数

年代	粮食产量 亿吨	播种面积 亿亩	良种覆盖率 %	农田受灾 万亩	渍涝盐碱地 亿亩	粮食价格 元/吨	化肥用量 万吨	科技贡献率 %
2000	4.75	16	95	3	4.5	1500	4000	50
2010	5.225	16	100	2	4.5	2443	4000	60
2020	5.6315	16	100	2	4.5	3980	4500	65
2030	6.08	16	100	2	4.5	6483	5000	70

表7　灌溉面积发展需求预测结果

年代	灌溉面积 亿亩	模拟产量 亿吨	实际产量 亿吨	绝对误差 亿吨	相对误差 %
2000	7.8279	4.7534	4.7502	0.0032	0.07
2010	9.0531	5.2253	5.248	0.0005	0.01
2020	10.35	5.6315	5.6286	0.0028	0.01
2030	13.1374	6.0815	6.0802	0.0013	0.02

5　灌溉发展对策

　　全国现有灌溉面积7.6亿亩，其中万亩以上大中型灌区5300多处，目前普遍面临以下三方面问题：
　　1.管理单位财务亏损，工程老化失修，效益衰减.八十年代以后，灌溉工程陷入群体老化局面，目前约有1/3的工程设施严重老化失修，急需更新改造.
　　2.灌溉行业投入不足，发展缓慢.从1950年到1980年全国累计净增灌溉面积4.9亿亩，平均每年净增1595万亩.1980年到1986年，连续6年下降，经过10年徘徊后，到1995年，才恢复到1980年的水平，目前发展速度仍然缓慢.
　　3.灌溉技术落后，用水浪费严重.全国农业灌溉用水的利用率只有30～40%，只相当于发达国家一半的水平，每年浪费上千亿立方米的水，加剧了农业干旱缺水的局面.
　　根据预测结果，今后30年内全国灌溉面积要增长73%，任务十分艰巨，主要面临三方面严重制约：
　　一是水资源不足.根据全国水中长期供求计划，到2030年，能用于农业灌溉的水每年最多只有4700亿立方米，意味着平均亩灌溉定额要从目前的520m³降到360m³.这要求将全部灌溉面积都建成节水灌溉面积.
　　二是资金短缺.今后30年内，要完成现有灌溉工程的节水改造，还要新发展5.54亿亩节水灌溉面积，投资需求密度很大，目前这种基本靠政府投资、农民投劳的单一投入格局难以满足需求.
　　三是管理体制不顺.目前灌溉工程设施产权不清，管理单位职责不明，灌溉水价严重背离价值，阻碍了灌溉行业的持续、稳定发展.
　　因此，要实现预期灌溉发展目标，确保长期粮食供给安全和农业稳定发展，根据国务院新颁布的《水利产业政策》，必须采取以下措施：
　　1.全面普及节水灌溉.新工程要按节水标准规划建设，现有工程要实施节水改造.
　　2.建立多元化的投入体系.除政府投资，农民投劳外，要设法组织和吸引社会资金和私人投资进入灌溉领域，加大投入力度.
　　3.建立灌溉市场运行机制.量大面广的中小灌溉工程3年内要全面进入市场，按企业方式运作，建立良性运行机制.
　　4.加强政府调控.灌溉行业是以服务农业为宗旨的弱质行业，在市场机制中易受排挤.政府部门要加大扶持力度，特别是对骨干工程的更新改造与兴建，要提供足够的资金；对实行市场化运作的中小工程，要加强政策调控和行业管理，确保灌溉行业健康、稳定发展.

6　结论

　　本文根据未来30年中国的人口增长与粮食需求发展趋势，预测2000年，2010年，2020年，2030年中国的粮食总产目标为4.75亿吨、5.22亿吨，5.63亿吨，6.08亿吨；利用过去40多年全国粮食总产与影响因素的对应关系，建立了灌溉面积发展预测人工神经网络模型；用此模型预测出2000年、2010年、2020年、2030年全国有效灌溉面积的发展需求分别为7.83亿亩、9.05亿亩、10.35亿亩、13.14亿亩；根据当前全国灌溉发展状况及面临的问题，提出灌溉长期发展对策是：全面普及节水灌溉，改善灌溉投资环境，建立灌溉市场运行机制，加强政府宏观调控.

1　焦李成.神经网络系统理论.西安：西安科技大学出版社，1991
2　黎志成，等.神经网络模型中权值分布的研究.决策与决策支持系统，1993，3(2)
3　水利部农田灌溉排水课题组.中国农田灌溉排水现状和发展对策研究，1992
4　水利部灌溉排水发展研究课题组.2000～2010年农田灌溉排水发展方向及主要目标研究，1995
5　水利部规划计划司.全国水中长期供求计划，1997
6　国务院.中国的粮食安全状况，1996
8　Hoptield J J,Tank D W.Neural Compulation of Decisions Optimization Problems.Biol.Cybern,1985,52