基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字資源服務(wù)績效評價(jià)研究

朱世偉，鞠鎂隆，于俊鳳，魏墨濟(jì)，王蕾

(山東省科學(xué)院情報(bào)研究所，山東 濟(jì)南 250014)

數(shù)字資源(電子資源)是被設(shè)計(jì)用來存儲(chǔ)海量的結(jié)構(gòu)化或者半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)倉儲(chǔ)。近年來，隨著對數(shù)字圖書館和電子資源投入日漸加大，進(jìn)行數(shù)字資源績效評估的需求也更加迫切［1］。需要開發(fā)相關(guān)的績效評價(jià)模型來對電子資源的使用績效進(jìn)行評估。

美國圖書館界在20世紀(jì)60年代后期把在企業(yè)管理界應(yīng)用廣泛的績效評價(jià)方法引入到圖書館的服務(wù)績效評價(jià)中［2］。經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，相關(guān)專家學(xué)者對圖書館服務(wù)績效評價(jià)的概念和內(nèi)涵已經(jīng)達(dá)成了部分共識:圖書館的績效評價(jià)，就是按照給定的標(biāo)準(zhǔn)和要求，設(shè)定一定的指標(biāo)，利用科學(xué)評價(jià)方法和模型，對一定資金和其它資源投入的圖書館在一定時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)出和服務(wù)進(jìn)行評價(jià)和測試［3］，也就是說，對圖書館在一定投入資本下的產(chǎn)出效益進(jìn)行評估和比較。

1 相關(guān)研究綜述

20世紀(jì)90年代中后期，以英美發(fā)達(dá)國家為首的部分國家和地區(qū)發(fā)起了一些針對數(shù)字圖書館服務(wù)績效進(jìn)行評估的項(xiàng)目，并由此建立了一些績效評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)和指南。主要有:(1)美國圖書館研究協(xié)會(huì)發(fā)起的“ARL電子圖書館服務(wù)評價(jià)(E-METRICS)”項(xiàng)目［4－5］對數(shù)字圖書館數(shù)字資源的服務(wù)績效的評估進(jìn)行了研究和分析，提出了一套數(shù)字資源績效評價(jià)的指標(biāo)體系，該體系共包含14個(gè)數(shù)字資源績效評價(jià)指標(biāo);(2)網(wǎng)絡(luò)電子資源在線使用統(tǒng)計(jì)(COUNTER)項(xiàng)目［6］設(shè)定了4大類數(shù)字資源使用的規(guī)范和準(zhǔn)則。截至目前，COUNTER已經(jīng)成為了數(shù)字圖書館績效評估方面的國際通用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范;(3)歐洲圖書館績效評價(jià)和質(zhì)量管理系統(tǒng)EQUINOX項(xiàng)目從5個(gè)方面設(shè)定了14個(gè)指標(biāo)對數(shù)字資源服務(wù)績效進(jìn)行評價(jià)［7］;(4)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中國家公共圖書館統(tǒng)計(jì)和績效測度項(xiàng)目出版了《公共圖書館網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)統(tǒng)計(jì)和績效測度》手冊，提出了一整套對公共圖書館數(shù)字資源和服務(wù)進(jìn)行評價(jià)的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)體系［7］。

國內(nèi)的相關(guān)研究多數(shù)都是獨(dú)立進(jìn)行的，幾乎沒有相關(guān)的學(xué)術(shù)團(tuán)體或者部門對該類項(xiàng)目的開展進(jìn)行任何形式的資助。索傳軍等［3］對電子資源在線使用統(tǒng)計(jì)進(jìn)行了分析，指出數(shù)字資源績效評價(jià)的主要目標(biāo)是為了促進(jìn)電子資源的標(biāo)準(zhǔn)化和易用性。黃穎［8］以用戶感知為中心的圖書館績效評價(jià)模型LibQUAL+TM為理論基礎(chǔ)，進(jìn)一步剖析了學(xué)術(shù)環(huán)境下的滿意程度與服務(wù)質(zhì)量的辨證關(guān)系，構(gòu)建了一個(gè)以內(nèi)部圖書館專家群體確定和外部終端用戶群體感知為核心的、融合滿意程度和服務(wù)質(zhì)量的大學(xué)圖書館電子資源績效評價(jià)理論模型。史繼紅［9］比較了EQUINOX項(xiàng)目和ARL E-Metrics項(xiàng)目的評價(jià)結(jié)果，提出了包括不同方法優(yōu)缺點(diǎn)、指標(biāo)選取原則等在內(nèi)的一系列相關(guān)問題。

上述研究為數(shù)字資源建設(shè)做出了貢獻(xiàn)，然而，當(dāng)前國內(nèi)的研究還存在兩個(gè)弊端:一是國內(nèi)學(xué)者開展的研究大多采用在國外廣為使用的方法和模型，對國內(nèi)高校或者公立圖書館的數(shù)字資源提供的服務(wù)進(jìn)行績效評價(jià)，卻忽視了尋找符合我國實(shí)際情況的評價(jià)模型和指標(biāo)體系的工作;二是部分學(xué)者雖然提出了自己獨(dú)創(chuàng)的評價(jià)模型和方法，但是卻沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析和驗(yàn)證。本文提出了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(fuzzy neural network，F(xiàn)NN)評價(jià)模型，對高校和公立圖書館數(shù)字資源的使用績效進(jìn)行評價(jià)，并選取數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

2.1 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了簡單說明，我們假定本文考慮的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有多個(gè)輸入和一個(gè)輸出。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)為5層結(jié)構(gòu)，推理規(guī)則采用Takagi-Sugeno模糊推理邏輯，推理規(guī)則為［10］:

其中，Rk是第k個(gè)規(guī)則(1≤k≤L)，L是規(guī)則的長度，x={xi}，i=1，…，n為輸入向量，ωk是第 k個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連接參數(shù)［11］。是Gaussian核函數(shù)定義的模糊集合:

圖1 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure illustration of fuzzy neural network

其中 i=1，2，…，n，k=1，2，…，L，μik是 xi的成員函數(shù)，cik和σik分別是Gaussian核函數(shù)的中心和寬度，n是輸入向量的數(shù)量，L是每個(gè)輸入變量成員函數(shù)的數(shù)量［12－13］。

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層實(shí)現(xiàn)的主要功能如下:

第一層:輸入層，該層每一個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)輸入向量;

第二層:模糊化層，該層的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)被劃分成L個(gè)組，每個(gè)組代表一個(gè)模糊規(guī)則的IF推理部分［14］。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都參與成員函數(shù)μik(xi)值的計(jì)算;

第三層:模糊推理層，該層的節(jié)點(diǎn)數(shù)目和模糊規(guī)則的數(shù)目相等，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都參與計(jì)算第k個(gè)模糊規(guī)則Rk，其輸出為:

第四層:歸一化層，實(shí)現(xiàn)歸一化計(jì)算。節(jié)點(diǎn)的數(shù)目與第三層節(jié)點(diǎn)數(shù)目相等［15］。Nk節(jié)點(diǎn)的輸出為:

第五層:輸出層，輸出層只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)，其輸出y為:

其中，ωk是規(guī)則k的連接參數(shù)(連接權(quán)值)。

傳統(tǒng)FNN輸入變量的成員函數(shù)數(shù)量需要根據(jù)專家知識來確定。然而，不同的模糊系統(tǒng)之間的差別是顯而易見的，因此，對于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者來說，針對特定系統(tǒng)選擇恰當(dāng)?shù)哪：?guī)則數(shù)不是一件容易的事情。此外，固定結(jié)構(gòu)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在面對不同的數(shù)據(jù)集時(shí)的適應(yīng)性也是一個(gè)不可回避的問題。模糊規(guī)則過多或者過少都將會(huì)對系統(tǒng)的分析造成難以避免的錯(cuò)誤和問題［16］。本文中模糊規(guī)則數(shù)的確定采用了由Qiao［17］提出的一種自組織的算法來執(zhí)行，該方法能夠自動(dòng)地按照實(shí)際問題的需求確定模糊規(guī)則數(shù)。

2.2 學(xué)習(xí)算法

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自組織算法主要分為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和參數(shù)的優(yōu)化訓(xùn)練兩個(gè)步驟進(jìn)行。每個(gè)階段都假設(shè)數(shù)據(jù)集是由p個(gè)輸入-輸出對組成:

為給FNN選擇合適的模糊規(guī)則數(shù)，我們在輸入輸出空間的劃分中采用了聚類算法，利用改進(jìn)的RPCL(Rival penalized competitive learning)［18］算法來獲得緊湊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。聚類的數(shù)量在訓(xùn)練的過程中自動(dòng)的獲得，以此來獲得可伸縮性的輸入輸出空間劃分方法和優(yōu)化的模糊規(guī)則數(shù)。然后，刪除部分冗余節(jié)點(diǎn)和連接，產(chǎn)生最終優(yōu)化的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)確定以后，便進(jìn)入優(yōu)化學(xué)習(xí)階段，該階段將采用自組織學(xué)習(xí)階段獲得的參數(shù)初始化網(wǎng)絡(luò)。參數(shù)的優(yōu)化在相同的數(shù)據(jù)集合S上利用改進(jìn)的反向傳播算法(Back propagation algorithm)執(zhí)行，以獲得最終的最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)模型［19］。

給定集合S中任意的輸入xp，根據(jù)公式(1)～(4)，可以得到網(wǎng)絡(luò)的輸出為:

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)誤差函數(shù)為:

其中，yp和是p維的網(wǎng)絡(luò)輸出值和期望輸出值，可以得到:

從公式(8)可以計(jì)算得到:

同樣的我們可以分別得到方差σik和權(quán)值ωk，計(jì)算公式分別如式(10)、(11)所示:

3 數(shù)字資源評價(jià)指標(biāo)體系

3.1 評價(jià)指標(biāo)選取

數(shù)字資源服務(wù)績效評價(jià)系統(tǒng)是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，包含特定的使用環(huán)境、服務(wù)條件和數(shù)字資源服務(wù)效益等諸多影響因素，因此，需要通過對數(shù)字資源的服務(wù)績效在縱向和橫向上進(jìn)行比較，以此來確定最佳的評價(jià)指標(biāo)，如此一來，便無形中提高了評價(jià)指標(biāo)選取的難度。本文在評價(jià)指標(biāo)的選取時(shí)，考慮借鑒美國國家信息標(biāo)準(zhǔn)化組織(NISO)頒布的《信息服務(wù)和使用:圖書館和信息服務(wù)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)——數(shù)據(jù)字典(ANSI/NISO Z39.7－2004)》標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)結(jié)合我國數(shù)字圖書館建設(shè)的實(shí)際狀況，依據(jù)科學(xué)性與全面性、定量指標(biāo)與定性指標(biāo)、可比性與可操作性等原則相結(jié)合，構(gòu)建了一套數(shù)字資源服務(wù)績效評價(jià)的指標(biāo)體系框架［3，6］。

綜上所述，本文選取的數(shù)字資源服務(wù)績效評價(jià)指標(biāo)如表1所示。

表1 績效評價(jià)指標(biāo)Table 1 Performance evaluation index

3.2 樣本數(shù)據(jù)選取

本文主要目標(biāo)是為了驗(yàn)證所提出的評價(jià)模型和方法的可行性與準(zhǔn)確性，為了便于說明，我們以山東省內(nèi)高校、科研院所的數(shù)字圖書館提供的數(shù)字資源為例，采集其2005—2010年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為研究對象。對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的分析，剔除難以獲取的數(shù)據(jù)和上述指標(biāo)數(shù)據(jù)不完整的數(shù)字資源樣本，得到的研究樣本共計(jì)120家，其中訓(xùn)練樣本和檢驗(yàn)樣本數(shù)量分別為80和40。

3.3 實(shí)驗(yàn)及仿真訓(xùn)練

隨著輸入維數(shù)的增加，F(xiàn)NN的模糊規(guī)則數(shù)量將按照指數(shù)級增加，因此，當(dāng)輸入節(jié)點(diǎn)的數(shù)量過多時(shí)，就必然會(huì)增加模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，進(jìn)而增加網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的時(shí)間。為有效地克服上述問題，同時(shí)在最大程度上減少主觀因素對于網(wǎng)絡(luò)評價(jià)結(jié)果的影響，本文所采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將利用分層次的遞接評價(jià)方法。該方法首先利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)，對定性評價(jià)指標(biāo)則采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，對經(jīng)過BP網(wǎng)絡(luò)和FNN網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練得到的結(jié)果再利用FNN進(jìn)行模糊評價(jià)，最終得到數(shù)字資源績效評價(jià)的結(jié)果。我們假設(shè)最終的評價(jià)結(jié)果集合為F:Y→Z={優(yōu)、良、中、差}。其中，Y為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最后輸出結(jié)果，Z為數(shù)字資源對應(yīng)的績效評價(jià)等級。

本文構(gòu)建的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為3層結(jié)構(gòu)，其中輸入層神經(jīng)元數(shù)個(gè)是20，輸出層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為1(輸出結(jié)果為數(shù)字資源服務(wù)績效的等級)。利用逐次對比和試用的方法，最終確定當(dāng)隱含層神經(jīng)元數(shù)為15時(shí)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練誤差最小，訓(xùn)練時(shí)間最短。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的誤差曲線如圖2所示。

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差曲線Fig.2 Training error curve of BP neural network

圖3 FNN均方誤差變化曲線Fig.3 Mean square error curve of FNN

圖4 FNN的實(shí)際輸出與期望輸出Fig.4 Practical output and expected output of FNN

由定性評價(jià)指標(biāo)構(gòu)建的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)FNN，由6個(gè)輸入指標(biāo)、1個(gè)模糊輸出和由16個(gè)神經(jīng)元組成的模糊化層組成，該網(wǎng)絡(luò)的模糊規(guī)則數(shù)量為256(實(shí)驗(yàn)分析得出)。

最終構(gòu)造的FNN包含2個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)(定量評價(jià)指標(biāo)等級結(jié)果和定性評價(jià)指標(biāo)等級結(jié)果)、1個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)(數(shù)字資源服務(wù)績效評價(jià)結(jié)果)，其中的模糊化層包含12個(gè)神經(jīng)元，模糊規(guī)則數(shù)為24條。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中產(chǎn)生的均方誤差曲線如圖3所示。

從圖3中可以得到，樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練的均方誤差曲線相對平穩(wěn)，當(dāng)均方誤差達(dá)到1.7843×10－5時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)效果為最好。

最后把檢驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)輸入到訓(xùn)練完成的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)行數(shù)字資源服務(wù)績效評價(jià)。我們得到網(wǎng)絡(luò)的期望輸出(用戶主觀評價(jià)結(jié)果)與網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸出如圖4所示，其中平均誤差為0.0019。

從圖4我們可以得到，本研究提出的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價(jià)模型能夠較好地完成電子資源績效評價(jià)的任務(wù)，績效評價(jià)的時(shí)間效率和準(zhǔn)確率都比較理想。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，我們發(fā)現(xiàn)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電子資源績效評價(jià)的準(zhǔn)確率達(dá)到了83.7%，表明基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電子資源績效評價(jià)模型和方法是切實(shí)可行的。

4 結(jié)語

本研究提出的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電子資源績效評價(jià)模型方法，較好地完成了電子資源績效評價(jià)的任務(wù)，并且由于有效地克服了傳統(tǒng)的基于統(tǒng)計(jì)的評價(jià)模型與方法的不足，減少了主觀因素對評價(jià)結(jié)果的影響，提高了評價(jià)結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確率。

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