基于BP神經網絡的河南省可持續發展能力評價

孟天醒 文倩 范慧平

摘要：以河南省為例，構建了包含28項指標的可持續發展評價指標體系，涵蓋經濟、資源環境和社會三個子系統。基于2003-2012年河南省相關數據，運用人工神經網絡理論和方法對河南省的可持續發展能力進行評價分析。結果表明，河南省可持續發展能力呈逐步提升態勢，偶有波動；河南省各子系統可持續發展水平也為整體上升趨勢，其中資源環境子系統20年間變化區間固定在4～8之間；經濟子系統水平2003年之前變化較小，2004年開始明顯提升；社會子系統呈現穩步上升態勢，狀態最為穩定。

關鍵詞：可持續發展；BP神經網絡；河南省

中圖分類號：X22 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）05-1333-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.05.061

Analysis on Sustainable Development Ability in Henan Province Based on

BP Neural Network

MENG Tian-xing，WEN Qian，FAN Hui-ping

（College of Resources and Environment， Henan Agricultural University， Zhengzhou 450002， China）

Abstract： Taking Henan province as an example， the sustainable development evaluation index system was built which consisted of 28 indicators and 3 subsystems of economic， resource environment and the society. Based on relevant data from 2003 to 2012 of Henan Province， using the theory and method of artificial neural network in Henan province sustainable development ability evaluation and analysis， the results showed that the ability of sustainable development in Henan province was gradually improved， but occasionally fluctuated； the same as the sustainable development level of three subsystems in Henan province， in which changes in resources and environment subsystem was always between 4～8. And the economy subsystem level changed little before 2003 and it elevated obviously since 2004. Moreover， social subsystem was gradually rising and the level was the most stable.

Key words： sustainable development； BP neural network； Henan province

區域可持續發展是一個由資源環境、經濟和社會三大子系統共同構成的復合生態系統，是三方面的協調發展[1]。由于各地區社會經濟條件及其自然環境差異，可持續發展評價指標體系沒有一個統一的標準，方法也各異[2]。國內外對可持續發展能力評價的研究多采用層次分析法[3]、生態足跡法[4]及DEA和因子分析法[5]。目前針對河南省進行的區域可持續發展能力評價研究較少，喬家君[6]運用改進熵值法進行定量分析，認為經濟因子最為重要；指出要大力發展生產力，保證生態環境不退化，另外要控制人口增長。王安周等[7]運用生態足跡理論，結合人文發展指數、R/S分析方法，多角度探討了河南省可持續發展狀況。結果表明，河南經濟發展在很大程度上是以環境、資源犧牲為代價的；人均生態足跡的供需比例增長，供需矛盾突出；人文發展指數與人均生態足跡指標協調度低。

在已有研究基礎上結合河南省實際，從經濟、資源環境和社會三個維度建立可持續發展能力評價指標體系，采用BP神經網絡對河南省2003 — 2012年的可持續發展能力進行評價分析；同時就評價結果進行了相關分析，揭示了區域可持續發展規律，提出了區域可持續發展的對策和措施，以期為可持續發展戰略決策提供科學依據。

1 研究區概況

河南省位于中國中東部，黃河中下游，自然條件優越；全省土地面積16.7 km2，平原面積占55.7%，耕地面積81 568 m2。地處北亞熱帶和暖溫帶地區，氣候溫和，日照充足，降水豐沛，適宜于農、林、牧、漁各業發展。河南是農業大省，是中國主要的糧棉生產基地，小麥、煙草和芝麻的產量居中國第一位。2013年河南省生產總值32 155.86億元，比2012年增長9.0%。其中，第一產業增加值4 058.98億元，增長4.3%；第二產業增加值17 806.39億元，增長10.0%；第三產業增加值10 290.49億元，增長8.8%。三次產業結構為12.6∶55.4∶32.0。

2 研究方法

BP（Back propagation）神經網絡是人工神經網絡的一種，克服了人工智能的缺陷，模仿動物神經網絡行為進行分布式并行信息處理的數學算法模型，具有自適應、自組織能力[7]。BP算法通過輸入、輸出數據樣本集，根據誤差反向傳遞的原理對網絡進行訓練，其學習過程包括信息的正向傳播以及誤差的反向傳播兩個過程，對其反復訓練，連續不斷地在相對誤差函數梯度下降的方向上對網絡權值和偏差的變化進行計算，逐漸逼近目標[8]。BP神經網絡是基于BP算法的多層前饋神經網絡，BP神經網絡算法簡單、易行、計算量小、并行性強、適用范圍廣，并具有良好的魯棒性和容錯性。對于一個大規模的網絡來說，個別神經元和連接的損壞不會影響整體的結果，它具有很強的學習能力，網絡可在學習過程中不斷自行完善。

河南省土地可持續利用評價BP神經網絡模型采用由輸入層、隱含層和輸出層構成的3層網絡結構，根據河南省可持續發展能力評價指標體系，確定輸入層的神經元個數為28個，輸出層的神經元個數為1個[9]。經多次模擬學習，證明隱含層神經元數目是合適的。這樣就確定了河南省可持續發展能力評價BP神經網絡模型的拓撲結構（圖1）。

3 指標體系構建及數據來源

可持續發展是人與物的協調發展，是人類社會與自然環境的協調發展。在借鑒已有研究的基礎上，將可持續發展能力分為三個子系統：經濟子系統、社會子系統、資源環境子系統。依據評價指標選取的原則，結合可持續發展能力的內涵，選取28項指標構建河南省區域可持續發展能力評價指標體系（表1）。相關數據資料來源于2003 — 2012年《河南省統計年鑒》。

4 實證研究

4.1 河南省可持續發展能力綜合指數測度

根據計算工作的特點，網絡訓練數據通常是由各種研究對象的評價標準構成，但人均固定資產投資和人均公共綠地面積等，區域可持續發展評價研究方面尚沒用統一的判斷標準。參照有關文獻的選取方法，使用線性內插法，通過構建所有指標的原始數據的最大值和最小值區間，線性設定影響等級。設區域可持續發展綜合指數為10分，梯度為0.2，由0到10分別表示可持續發展能力由低到高：[0，2]表示不可持續發展，[2，4]表示可持續發展能力較低，[4，6]表示可持續發展能力一般，[6，8]表示可持續發展能力較高，[8，10]表示高度可持續發展能力。

將梯度為0.2的51個得分值作為BP神經網絡的輸出數據，并將評價指標通過線性內插法處理為51個等級，最后得到28組共1 428個訓練用的樣本數據，作為輸入數據。按照BP神經網絡計算流程，設置隱含層神經元個數為57個，神經網絡的拓撲結構為28-57-1。隱含層和輸出層網絡分別采用Sigmoid型激活函數和Purelin型激活函數，學習速率Lr設置為0.01，最大循環次數設置為2 000，均方誤差MSE為10-4。

僅經過4次訓練后，網絡均方誤差達到設定的精度（圖2a），采用Scaled共軛梯度算法對BP網絡進行仿真驗證，主要考察網絡輸出結果和期望結果（圖2b），圖中縱軸為實際結果輸出，橫軸為期望結果，Output=0.99×Target+0.004 2。

4.2 結果與分析

將河南省區域可持續發展評價指標標準化的數據導入訓練好的網絡，得到1993 — 2012年河南省區域可持續發展綜合指數（表2）。由表2可以看出，1993 — 2012年河南省可持續發展能力經歷了由不可持續發展階段、可持續發展能力較低階段、可持續發展能力一般階段、可持續發展能力較搞階段到高度可持續發展階段的連續提升。河南省可持續發展綜合指數總體呈上升趨勢，1996、2002 — 2005年出現波動，說明可持續發展綜合能力為波動上升。1993 — 1999年，河南省可持續發展能力處于整體較低階段，2000年后進入可持續發展階段，在提升初期出現不穩定起伏，2005年后穩步上升。

社會、經濟和資源環境三個子系統對于可持續發展能力的變化作用各異，以年份為橫坐標，以各子系統綜合指數為縱坐標，得到相應變化曲線（圖3）。由圖3可以看出，三個子系統指數整體變化都為上升趨勢，其中社會和經濟子系統除一兩個特殊年份外均為穩步上升，而資源環境子系統在2005年前起伏波動，呈現不穩定狀態，2005年后較為穩定，稍有提升。

5 小結

綜合分析可持續發展能力綜合指數與三個子系統評價結果可知，研究期內河南省可持續發展能力呈現整體上升趨勢，偶有波動；說明河南省近20年在發展經濟的同時，也注重資源環境的開發保護和社會發展水平及人口素質的培養，呈現可持續發展狀態。河南省各子系統水平也為整體上升狀態，其中資源環境子系統變化區間較小，20年間在4～8之間起伏上升；經濟子系統水平2003年之前變化較小，2004年開始明顯提升；社會子系統呈現穩步上升，狀態最為穩定。3個子系統與可持續發展能力綜合指數變化趨勢均不完全一致，由此可見，河南省可持續發展能力的變化是社會、經濟和資源環境3個子系統綜合作用的結果，而非單個系統決定，三者缺一不可。

河南省應繼續保持經濟穩步增長，同時加快轉變經濟增長方式；努力突破近些年資源環境水平較低的狀態，加大環境保護和治理投入，同時加快實現新能源的開發利用，從根本上減少環境污染；加大政府對基礎設施、社會保障及福利事業投入，繼續提高人口素質和社會發展水平，真正實現科學可持續發展。

參考文獻：

[1] 李 鋒，劉旭升，胡 聃，等.城市可持續發展評價方法及其應用[J].生態學報，2007，27（11）：4793-4802.

[2] 牛振國，孫桂鳳.近10年中國可持續發展研究進展與分析[J].中國人口·資源與環境，2007，13（3）：122-128.

[3] 曹淑艷，宋豫秦，程必定，等.淮河流域可持續發展狀態評價[J].中國人口·資源與環境，2012，12（4）：81-84.

[4] 劉子剛，鄭 瑜.基于生態足跡法的區域水生態承載力研究——以浙江省湖州市為例[J].資源科學，2011，33（6）：1083-1087.

[5] 辛亞光.基于DEA和因子分析的青島市可持續發展評價[J].經濟研究導刊，2013（7）：176-177.

[6] 喬家君.改進的熵值法在河南省可持續發展能力評估中的應用[J].資源科學，2004，26（1）：113-120.

[7] 王安周，耿秀麗，張桂賓.基于生態足跡和R/S分析的河南省可持續發展評價[J].地域研究與開發，2009，28（2）：104-107.

[8] 趙霈生，陳百明.在土地評價中應用人工神經網絡專家系統的理論與實踐[J].中國土地科學，1998，12（2）：28-34.

[9] 蔣宗禮.人工神經網絡導論[M].北京：高等教育出版社，2001.