基于德尔菲法和云模型的水利信息化测度研究

刘英杰，薛智文，丁静媛

(华北水利水电大学水利学院，郑州 450045)

0 引 言

信息和通信技术的普及和使用方面的进展一直是近几十年来商业和社会变革的推动力，在现时代，很多经济和社会转型都和信息技术紧密相关[1]。水利信息化是利用现代通信、互联网等信息技术，探索与管理水资源信息，提高水资源的调度配置效率，完善水资源保护与治理措施，提高水资源管理的决策能力，全面提高水利行业的科学管理水平。水利部非常重视水利信息化规划工作，经过数年来的努力，水利信息化工作已取得相当的成就。为了能更好地指导水利信息化工作的深入开展，促进水利信息化可持续发展，国家水行政主管部门在2005年至2015年间，对各省级及以上水利部门信息化发展情况进行了调查分析。水利信息化年度报告在有效保障和持续推进全国水利信息化科学持续发展中发挥了重要作用，但信息化发展程度评估理论体系尚未完善，加之水利事业以及现代信息技术发展迅速，如何客观、科学的评价各地的水利信息化发展水平在一定程度上成为了影响水利信息化发展的难题[2]。在水利信息化年度发展报告中，水利信息化年度发展状况调查分析工作，在各年度间根据变化所采取的方法和采用的指标有一定的侧重和调整，但总的来说，它延续了水利信息化综合体系和五个管理分类的基础架构，为进一步开展全国水利信息化的研究工作奠定了坚实的数据基础。过去的十几年里很多学者对于水利信息化评估的研究做过不少工作，但是水利信息化评估尚存在以下不足：评价指标数量少，深度不足；评价标准通用性不够；评价定分机制主观性较强，因此须对水利信息化测度工作做进一步的研究[3]。

中国于2001年7月公布了国家信息化指标构成方案，该方案综合了波拉特法和指数法等国际上主要的指标体系的优点，并结合中国的国情对关系到社会经济和生活的各个指标进行了充分的分析筛选，把国家确定的信息化六要素(信息技术和产业，信息网络，信息技术应用，信息资源，信息化法规、政策和标准，信息化人才)分解为共20项具体指标[4][5]。本文参考国家信息化指标的选取和2006年—2015年年度中国水利信息化发展报告确立了水利信息化测度指标体系，并借鉴已有的研究工作提出了基于德尔菲法和云模型法的测度方法，既充分利用了评价信息，又实现了定量定性之间的有效转换[6]，本研究可为中国水利信息化管理机构提供现状分析和决策参考。

1 云模型基础理论

模糊数学和概率论在解决不确定性问题中存在一定的局限性，对此，我国工程院院士李德毅教授在模糊数学和概率论的基础上提出了云的概念。自李德毅院士等人提出云模型至今，云模型已成功的应用到决策分析、智能控制和图像处理等众多领域[7]。云模型既能体现评价指标的模糊性又能体现其随机性，使用特定的语言来构造“隶属云”，由此形成了一种科学合理且强有力的计算工具，可得出具有较高可信度的评价结果[8]。

1.1 云的定义

设U为定量论域，C为U上的定性概念，如果存在C的一次随机实现的定量值x，μ(x)∈[0,1]是x对C的确定度且是有稳定倾向的随机数，即：

μ:U→[0,1] ∀x∈Ux→μ(x)

则称x在U上的分布为云，称每个x都为一个云滴，多个x反映C的整体特征[9]。

1.2 云的数字特征

在云模型中，是由期望Ex、熵En和超熵He来反映评判对象的关联性和随机性，期望Ex表示论域的中心，云滴的离散程度用En表示，超熵He为熵的熵，反映云层的离散程度和厚度[10]。

1.3 隶属云发生器(MCG)

隶属云发生器有正向和逆向两种，它是云模型的基础[8]。

(1)正向云发生器可将定性转换为定量，算法如下。

首次生成正态随机数：

En′～N(En,He2)

式中：En表示期望；He2表示方差。

再次生成正态随机数：

x～N(Ex,En′2)

式中：Ex表示期望；En′2表示方差。

隶属度计算：

(1)

式中：μ(x)为具有确定度μ的x为一个云滴[11]。

(2)逆向云发生器可将定量转换为定性，算法如下：

样本均值计算：

(2)

样本方差计算：

通过上述几个范畴的分析，我们可以看出鲁迅在《野草》中一系列的哲学思想并不是单独存在的，而毋宁说是互为因果、相互交融的。它们都指向了鲁迅生命中的一个永恒的悖反，那就是为着人的解放与自由而对自我进行深深地剖析，在反抗绝望的不懈努力中完成自身的人格塑造，如野草于不幸中寻求生存意义一般既腐朽无矣又无可腐朽。人的一生或许都在回答那些一开始就在困扰我们的问题，鲁迅也选择了这样的命运。《野草》既是一个终结，又是一个开始，诗人对于人生的探索并没有就此停止。面对虚妄的世界，鲁迅选择的个体生存准则就是独立自强的自我、执着现在的真实、承担痛苦的能力、拯救世界的大爱以及直面人生的勇气……

(3)

熵和超熵的计算：

(4)

2 水利信息化测度模型的建立

2.1 指标体系的确立及指标权重的确定

本文参考国家信息化指标的选取和2006-2015年年度中国水利信息化发展报告，选取最能反映水利信息化发展程度的数项指标，剔除不适当指标，得出包含22个指标的水利信息化测度指标体系。选取这22个指标对应的上级指标作为水利信息化测度指标体系的准则层。

指标加权有多种确定方法，河海大学艾萍教授所写的《中国水利信息化评估研究与实践》一书中，对中国水利信息化评估工作中指标权重的确定方法，使用了包括层次分析法、主成分分析法、熵值法和专家咨询法以及均权法、顶层和全部加权法等方式，并进行了综合对比实验，得出了各类权重确定和加权方法在表征水利信息化发展状况方面并无显著差异的结论[12]。 由水利信息化的实际发展情况可知，截至目前还不能科学合理地对水利信息化各方面在整个信息化发展程度中的贡献率做出准确判断。因此，为方便计算，易于应用，本文采用均权[13]。指标体系见表1。

2.2 评价云算法

(1)基础评价云生成：为了确定评估等级云图，需要先建立基础评价云。本文根据等级分类，选取要素层指标作为制定出水利信息化发展程度等级量化标准的因子。通过德尔菲法，并借鉴其他政策评价的度量标准，将水利信息化发展程度指标因子进行分级，根据水利信息化的长期目标，本文将指标的区间值定为[0, 100](所选指标均为分值性指标)，根据专家意见结合其他相关度量标准进行分级，将评价区间确定为：[85, 100]优，(70, 85]良，(55,70]中，(40,55]低，(0, 40]差，基础评价云算法如下：

(5)

表1 水利信息化测度指标体系

式中：βmax为区间的上限；βmin为区间的下限；k为常数，可根据模糊程度进行调整[14,15]，本文取1.1。

(6)

3 实例分析

从2006-2015年年度中国水利信息化发展报告中选取最近四年即2012-2015的年度发展报告，统计出这四年年度发展报告中和本文确立的水利信息化测度指标体系中指标层22项指标每年的具体数目，见表2。

3.1 基础评价云生成

由基础评价云算法结合公式(5)得出基础评价云的数字特征，见表3。用MATLAB软件生成基础评价云图，如图1。

3.2 综合评价云生成

表2 2012-2015年度指标数目统计

表3 基础评价云数字特征

图1 基础评价云图

邀请十位研究水利信息化的资深专家采用德尔菲法根据表2及2012-2015年年度中国水利信息化发展报告内容结合本文所用等级标准和实际情况对2015年22项指标分别进行评价打分，并计算出分数均值，然后通过逆向云发生器得出要素层云数字特征，见表4，由要素层云数字特征可得其评价云图，见图2。

由要素层云数字特征结合公式(6)，得出综合评价云数字特征值：Ex=82.99，En=0.784，He=1.091，得水利信息化发展程度综合评价云图，见图3。

表4 要素层云数字特征

图2 要素层评价云图

图3 综合评价云图

由图2可知，指标体系中各要素层的发展程度评价均在良及以上，其中信息采集与工程监控评价已达到优的状态，说明全国水利信息化“十二五”期间信息采集能力提高迅速，也表明采集系统的自动化和信息化程度有了明显提高。资源共享服务和水利信息化保障环境评价处于优和良之间，从云图可以看出与优的重合度很高，因此应继续保持，稳定进步，从而达到优的水平。综合业务应用和水利信息运行环境评价较低，从云图可以看出与良的重合度非常高，基本与优无重叠，要想得到改善，一方面要加大投资力度，及时更新信息化设备，另一方面相关部门应出台相应规章制度并严格按照规章制度进行综合业务应用和水利信息环境改善工作。从图3可以看出水利信息化发展程度整体评价处于优和良之间，且与良的重合度更高，属于良的水平。

4 结 语

本文基于德尔菲法和云模型建立了一套水利信息化测度模型并对2015年水利信息化发展状况作出了合理评价。建立的指标体系不仅克服了以往评价指标体系中存在的定性指标较多，量化测评难以实行的缺点，还解决了客观性指标较为缺失，难以反映实际情况的问题。评价模型将云模型理论对定性语言和定量数值相互转换的特点和优势运用到评价模型中来，在一定程度上改善了以往水利信息化发展程度评价的诸多问题，有助于更好地把握水利信息化发展状况，找到短板，突出重点，有的放矢，便于对接下来的工作作出准确指导。因此，本研究可为中国水利信息化管理机构提供一套体系比较全面完整、可量化、可操作的科学有效的评价体系，提升水利信息化发展程度评价的科学客观性，为实现水利信息化阶段目标提供现状分析和决策参考，也可据此展开下一步研究。