基于免疫算法和DEA方法的广东农业可持续发展能力态势分析.pdf

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1、第27卷增刊2006年7月哈尔滨工程大学学报JoIlmal of Hafbin Engineering U1liversityVbl27 SupplJul2006基于免疫算法和DEA方法的广东农业可持续发展能力态势分析俞守华1，区晶莹2，余平祥1(1华南农业大学信息学院，广东广州510642；2华南农业大学公共管理学院，广东广州510642)摘要。针对广东农业可持续发展系统是一个开放的复杂系统，具有多输入、多输出，并且较难确定输入输出函数等特点，将免疫算法和数据包络分析方法相结合，对广东农业可持续发展能力态势的食物保障、农业经济发展、农村社会进步、农业生态环境保护等能力进行了具体的定量评价分析

2、，提高了评价的智能性和有效性，克服了DEA方法中局部寻优的缺陷，使广东农业可持续发展能力的评价分析更有效，为搞好广东农业可持续发展能力建设、管理控制和决策提供科学的依据关键词l免疫算法；DEA方法；农业可持续发展能力；态势分析中图分类号：TP3016 文献标识码：A 文章编号：10067043(2006)增一027卜07A trend analysis on agricultural sustainabIe development abilities inGuangdong based on inlmune algoritllm and DEA methodsYU Shouhual， OU J

3、ingyin92，YU Pingxian91(1School of Infomation，Soul Cllina Agricultural University，Gu姐gzhou 5 10642，China；2Sch001 of PllbUc M锄ag锄ent，Soutll Ctlina Agricultural UIliversity，GuaIlgzhou 5 10642，ChiIla；)Abstmct：Based on山e fean聆s of open complexi吼muldinput and multioutput of G吡angdong a鲥cultIllm sustainabl

4、edeVelopment system，tlle abiHties of me food gIlar粕tee，a鲥cultIlral economic deVelopment，mral socie哆progress锄d agricultllralecologic envimment pro眦tion are qu柚tificationally衄alyzed蛐d evaluated for abili哆trend of(h蛐gdong agriculturalsustainable deVel叩ment wim me appmach combi血g iIn枷ne algorimm wim DEA

5、 memod11lis work impmves me intelligenceand ef艳ctiVeness of t11e eValuation，oVercomes me shortage of local op血nal solution of山e DEA memod，m出汜s tlle evaluationand柚alysis for GuaIlgdong agTicultuml sustainable deVelopmt ability more e行bctive，aIld pmvides scientiflc evidences forabilities cons劬ction，ma

6、Ilagement contrDl and decision of me Gu锄gdong agriclll删sustainable deVelopmentKeywords：immune algorithm；DEA mettlods；agriculcural sustainable development abilities；仃end analysis1991年4月，联合国粮农组织(FAO)在荷兰召开国际农业与环境会议，形成了可持续农业和乡村发展的丹波宣言，提出了农业可持续发展的收穰日期：基金项目：作者简介：200605一08广东省人文社会科学研究项目；广东省农业可持续发展战略研究俞守华(19

7、64一)，男，副教授3大目标，并在联合国总部成立了世界可持续农业协会u11992年在巴西召开的联合国环境与发展大会，提出了以人的全面发展为目标，经济、社会和资源、环境协调持续发展的科学发展观，进一步指出可持续发展是指满足当代人的需要，以不对后代人满足其需要构成威胁的发展，这一新的发展观点把农业可持续发展的研究推向了一万方数据272 哈尔滨工程大学学报 第27卷个新的阶段旧1农业可持续发展战略经过10多年的实践，人们更加关注人类面临的更迫切、更实质的问题，即农业可持续发展的能力以及能力建设，正在成为各国深入实施农业可持续发展战略的中心，农业可持续发展管理绩效评估的重点是农业可持续发展能力评价和分

8、析为此，本研究应用基于生物免疫系统原理发展而成的免疫算法和数据包络分析方法(DEA方法)相结合对19932002年广东农业可持续发展能力的态势进行了定量评价和分析，为搞好广东农业可持续发展能力建设、管理控制和决策提供科学的依据。1广东农业可持续发展能力态势分析中DEA方法的应用数据包络分析模型(data envelopmentaIlalysis，DEA)是由美国著名的运筹学家ACh锄es等创立的【3l，该方法自1978年产生以来，在世界范围内很多领域得到应用和发展，已成为评价具有相同类型投入和产出的若干个生产或非生产部门(决策单元)相对效率的有效方法DEA方法属于运筹学所研究的领域，它主要采用

9、数学规划方法，利用观察到的有效样本数据，对决策单元进行相对有效性评价，是评价多输入多输出的复杂系统的一种有效方法DEA方法具有以下特点：一是对处理多输入、特别是多输出的复杂系统问题的能力具有优势；二是输入或输出指标可以与市场价格无关，并且也难以轻易定出适当的权重(权系数)，而应用DEA方法则不必事先确定权重；三是该方法致力于每个决策单元的优化，所得出的相对效率是其最大值，是最有利于该决策单元的相对效率；四是决策单元的各输入输出之间关系及其复杂，而应用DEA方法则不必确定这种显式关系，这就排除了许多主观因素，不仅增强了评价结果的客观性，而且还会使问题得到简化五是对非有效决策单元，DEA不仅能指出

10、有关指标调整的方向，而且能给出具体的调整量【4】广东农业可持续发展系统(guangdong sustain a_ble agriculture(1evelopmentsystem，GDSADS)是一个开放的复杂系统(见图1)，具有多输入、多输出，并且较难确定输入输出函数等特点，为此，本研究选择了DEA方法对广东农业可持续发展能力态势进行评价和分析DEA模型有多种形式，本研究主要选择了评价规模及技术有效的C2R模型5-61傈护等图1 DEA用于广东农业可持续发展系统能力评价示意F远1 The sll：etch oflls沁D队mthod to鹋essmnt棚怕lysis on目【酗cllltur

11、al s1塔tajnib】JB deVelop“Ient出ilitjesI ma】【1y0=b，(P)J st、掣、o户1，2川，l1轳1， (1)Lo o若线燃0)的最优解中=有掏亨宅0，巴0，并且目桶硇寥熵平价剞擞肛气伊1，贝噼尔拶8惭7D为DEA有效(呶)2基于免疫算法和DEA方法的广东农业可持续发展能力评价在前述的DEA方法评价中，当系统输入输出指标较多时，为了使评价结果合理，需要反复调整输入输出指标体系，进行不同的DEA评价分析，对比不同结果，从中选择合适的指标体系，评价过程繁锁为此，引入免疫算法(immunealgoritllIn)，利用生物免疫系统中模式识别、学习、记忆获取、多样

12、性、容错及分布式检测等功能与DEA方法结合一起完成广东农业可持续发展能力的评价分析，提高了评价的智能性和有效性，克服了DEA方法中局部寻优的缺陷，使广东农业可持续发展能力的评价分析更有效2。1 免疫算法的基本原理免疫系统对抗原的识别是一个抗原选择的进化过程，而又有其不同于生物进化过程的特点大量的B淋巴细胞在骨髓中产生后进入淋巴循环，通过分泌的抗体与抗原结合而受到抗原的激励作用，结合越紧密，则激励作用越强，反之越弱同时，B细胞之间也会产生相互激励和抑制的作用细胞受激励作用强到一定程度，细胞就会成熟，产生很强的复制和分化，大部分分化为浆细胞以消灭抗原，一部分分化为记忆细胞抗原被消灭后，产生抑制成熟

13、B细胞的抑制细胞，受到抑万方数据增刊 俞守华，等：基于免疫算法和DEA方法的广东农业可持续发展能力态势分析 273制的B细胞会逐渐被淘汰17 J中国学者把所有基于免疫学原理开发用于工程应用的算法统称为免疫算法(immunealgoritl吼，IA)一般有3种情况瞪J，1种是模仿免疫系统抗体和抗原识别、结合，抗体产生过程而抽象出来的免疫算法，基于这种免疫系统中最基本的免疫机制的算法目前应用较多；第2种是基于免疫系统中其他特殊机制抽象的算法，比如克隆选择原理的克隆选择算法等；第3种是与遗传等其他计算智能融合产生的新算法，目前主要是免疫遗传算法文中所用的免疫算法是前述第一种情况，是根据免疫系统中对外

14、来抗原的识别机制提出的，其流程如图2所示抗原对应于DEA方法的目标函数和约束条件，抗体(或B淋巴细胞，因为一种淋巴细胞对应一种抗体，故对抗体和淋巴细胞不再加以区分，统一以抗体表示)对应于优化问题的解依据目标函数决定抗原与抗体的结合力，依据解的相似程度决定抗体之间的结合力，利用这两种结合力对解进行评价和选择，通过抗体之间的相互激励作用提高了最优点附近的搜索效率，通过记忆细胞对抗体的抑制作用有效地摆脱了局部最优点图2免疫算法的流程F培2 The f10wh枷of ir匕L舢m al驴删m22基于免疫算法和D队方法的评价过程根据上以研究，基于免疫算法和DEA方法的评价过程如下：1)初始化：设置免疫算

15、法计算参数；2)抗原识别：抗原识别相当于问题的数据输入，这里将DEA方法的目标函数作为免疫算法的抗原；3)初始抗体产生：将DEA方法的输入输出变量作为抗体基于问题的约束，算法随机产生n组初始解向量，作为免疫系统的初始抗体种群N；4)亲和力计算：计算抗体S和抗原的亲和力，抗体S和抗体w之间的亲和力，并对亲和力排序；5)抗体浓度计算：计算抗体浓度，并对浓度排序；6)抗体的激增与抑制：根据抗体、抗原亲和力计算结果，选择亲和力高于阀值T。2的抗体进入下一轮迭代，并使浓度高的部分抗体淘汰；7)新抗体产生：通过交叉与变异产生新一代抗体种群；8)终止判别：判别终止条件，若满足，计算停止，否则计算继续；9)取

16、最优解：取最后产生的抗体种群中与抗原亲和力最大的抗体，作为评价问题的解3广东农业可持续发展能力态势分析本研究应用免疫算法(IA)与数据包络分析法(DEA)相结合对19932002年广东农业可持续发展能力的态势进行了定量评价和分析，评价和分析中所采用的基础数据主要来自公开出版的19932003年广东农村统计年鉴、广东统计年鉴31食物保障能力态势分析选取输入指标：vJ表示劳均耕地面积的度量，v2表示劳均农业机械总动力的度量，订劳均农村用电，饵有效灌溉面积，1，5农用化肥量；输出指标：“Jf表示人均粮食拥有量的度量，比表示人均肉食拥有量的度量，妇表示人均水产拥有量的度量，觯表示人均水果拥有量的度量将

17、表1输入输出数据代入公式(1)进行食物保障能力态势分析，数学模型如下，广东食物保障能力态势分析结果见表1万方数据274 哈尔滨工程大学学报 第27卷Max 252493“J+26970“2+67512M3+70633“4st24lv，+110516记+87149好+224924饵+165。71佰一24979HJ26。42舵一41。66妇61。70刃02431，J+115672v2+121657v3+219838v4+17082巧一25053“J2644“24733“3605l“40243v+116594砣+130076v，；+223241v4+19571v526755“j一2780“25257

18、d一6143“4；0240vJ+119805v2+1414081，3+223373v4+18787，527657MJ一23492125754“35574“4O2341，J+112555v2+1641941，3+227393饵+16933v528277HJ一2518H27453“35959“40228vJ+112629记+182345、旧+225305v4+169491巧一25916“J一2776“27790H36368“4；O223vJ+1 13323坨+210941v3+227074v4+17284巧一26859“J2800比27991“38640“40215vJ+112202佗+25790

19、6订+221777饵+17620话一2463眺J2759“28017妇一8698刃0213vJ+112370v2+295850v3+217058v4+19509v522857“J一2824“28095“37843“4；0227vJ+1143361，2+376768v3+213650v4+19644v519510“J一2878“28256“39187“402307vJ+11400021吃+1968293v3+2223633v4+17995v5=1HJ0，“2O，“30，H4OvJO，佗0，妇0，v40，仿0表l 食物保障能力免疫算法与DEA评价输入输出原始数据及分析结果：!垒垒堕! !缝翊坠型堕

20、璺垒璺坠壁垫垒!z!堑堡!坠墅壁!i里坐坠塑型鲤塑坐坐壁坠!垒鲤g翌垒垡堕堕垒垒逊垡堕劳均 劳均 劳均 有效 农用 人均 人均 人均 人均 食物保在俗 耕地 农业机 农村 灌溉 化肥 粮食 肉食 水产 水果 障能力1“面积 械总动 用电 面积 量 拥有量拥有量拥有量拥有量效率评庙 力，瓦，kwh 万亩 万吨 k人 k人 k人 蝌人 价指数1993 241 1 10516 87149 2 24924 16571 24979 2642 4166 6170 O971994 243 l 15672 1 21657 2 19838 17082 25053 2644 4733 6051 0981995 2

21、43 1 16594 1 30076 2 23241 19571 26755 2780 5257 6143 1001996 240 1 19805 1 41408 2 23373 18787 27657 2349 5754 5574 0881997 234 l 12555 1 64194 2 27393 16933 28277 2518 7453 5959 0931998 228 1 12629 1 82345 2 25305 16949 25916 2776 7790 6368 1001999 223 1 13323 2 10941 2 27074 17284 26859 2800 7991

22、 8640 1002000 215 1 12202 2 57906 2 21777 1762 24630 27。59 8017 8698 0992001 213 1 12370 2 95850 2 17058 19509 22857 2824 8095 7843 1002002 227 1 14336 3 76768 2 13650 19644 19510 2878 8256 9187 10132广东农业经济发展能力态势分析选取输入指标：vj表示农业劳动力的度量，v2表示耕地面积的度量，v3表示农业机械总动力的度量，饵表示有效灌溉面积的度量，订农用化肥量：输出指标：“J表示农业总产值的度量，“

23、2表示非种植业比重的度量，妇表示劳均粮食产量的度量将表2输入输出数据代入公式(1)进行广东农业经济发展能力态势分析，数学模型如下，广东农业经济发展能力态势分析结果见表2Max 89323u1+54216u2+1190422u3st146477vJ+352558砣+16188订+224924饵+16571订一68905“J一5345以一111220妇0143345vJ+348709v2+16581v；+219838v4+17082v571979“J5402“2115990“3；0143198vJ+347597v2+16696v，+223241饵+19571v孓77962“j一5324“21259

24、33“3；0143984vJ+345652v2+17250v3+223373饵+18787巧一82705“J5441“2一131364“30147519vJ+344797v2+16604v3+227393v4+16933v588308蹦J一5365M2133322H3；0150778v+343820佗+16982，一+225305饵+16949v592583“J一5430“2124961“30153094vJ+341713v2+173491，3+227074饵+17284v597675“J一5430“2126446H30157207vJ+337803佗+17639、心+221777饵+1762

25、0l巧二100281“J5533“2一l 15919“3O万方数据增刊 俞守华，等：基于免疫算法和DEA方法的广东农业可持续发展能力态势分析 275156643vJ+334407佗+17602订+217058v4+19509v5103073“J一5583“2一109903“30155629vJ+353449化+17794订+213650v4+19644v5109759“J一5364蹦295365“301497874vJ+3450505v2+170685v了+2223633饵+17995vjI-1“J0，“20，“301，0，v20，订0，啤0，v50表2 经济发展能力免疫算法与DEA评价输入输

26、出原始数据及分析结果!垒垒!旦兰 !塾里壁堕g!望坐堕璺塑璺坠壁垒坠型Z!垫型堕壁!i望墅望坚里竺垒啦堕尘坐!里!篓壁望!堂堕竺!堕壁巳坐曼世璺垒堂垫竺!输入指标 输出指标农业 有效 农用 农业 非种 劳均 经济发农业 耕地 机械 灌溉 化肥 总产 植、Ik 粮食 展能力年份 劳动力 面积 总动力 面积 量 值 比重 产量 效率评万人 万亩 ，亿瓦特 万亩 万吨，亿元 l【g人。1价指数1993 1 46477 3 52558 16188 2 24924 16571 68905 5345 1 11220 09631994 1 43345 3 48709 16581 2 19838 17082

27、71979 5402 1 15990 09811995 1 43198 3 47597 16696 2 23241 19571 77962 5324 1 25933 09751996 1 43984 3 45652 1725 2 23373 1 8787 82705 5441 l 3 1364 09821997 1 47519 3 44797 16604 2 27393 16933 88308 5365 1 33322 09831998 l 50778 3 4382 16982 2 25305 16949 92583 5430 1 24961 09791999 1 53094 3 41713

28、17349 2 27074 17284 97675 5430 1 26446 O9682000 1 57207 3 37803 17639 2 21777 1762 1 00281 5533 1 15919 O9672001 l 56643 3 34407 17602 2 17058 19509 1 03073 5583 1 09903 09852002 1 55629 3 53449 17794 2 1365 19644 l 09759 5364 95365 098333广东农村社会进步能力态势分析选取输入指标：1，J农村人口总数、1，2初中程度及其以上文化程度占有率；输出指标：“J表示农村

29、劳动力转移比重的度量，z2表示农村就业率的度量，时表示农民人均收入的度量，觯表示人口自然增长率的度量，“5表示农民人均生活消费支出将表3输入输出数据代入公式(1)进行广东农村社会进步能力态势分析，数学模型如下，广东农村社会进步能力态势分析结果见表3Ma)【43083“J+45489“2+3 169894妇+2423334觯+10902“5st557218vj+481 v_24039HJ4410“2167478玩罗一139101“41250肌50561292vJ+514忍一4250“J4442雎2218152M3188200“4一1242西0562231vJ+5381忍4316比J448l“22

30、69924“3225501H41242蹦505745641，J+568佗一435l“J一4436H2318346H3258416觯一1240“50561033vJ+577v24302“J一4615“2346769“3261765“41150“50564463vJ+604v24273“J4664“2352714H3268318“4一1090M50577725，J+618v24255“J一4612“2362893“3264594“4992“50604662vJ+625v24365Mf一4614112365448“3264602M4992甜5O618501vJ+649v24521比J一4622“23

31、76979“3270336群一883比50606253vJ+660v24411“J一4593“2391191 zd282501比4821“505787942vJ+5834v2=1“J0，“20，“30，“40，“50v0，v20万方数据276 哈尔滨工程大学学报 第27卷表3 农村社会进步能力免疫算法与DEA评价输入输出原始数据及分析结果T妯le 3 The original data and analysis results of immune algorithm on m嘲sodety pmgr姻sabmties34广东农业生态环境保护能力态势分析选取输入指标：v_耕地面积、佗有林地面积；

32、输出指标：“J耕地变化率、以森林覆盖率、“3活立木总蓄积量、卅早涝保收面积将表4输入输出数据代入公式(1)进行广东农业生态环境保护能力态势分析，数学模型如下，广东农业生态环境保护能力态势分析结果见表4Max一116“J+56170“2+293619H3+1595618“4st352558v+8823v2+125“J一5360“224012“3一164767“40348709vJ+8884v2+038“5470“225585“3162895“40347597vJ+9083v2+O11MJ一5590“227313“3164558“4；0345652yJ+9137v2+O19“|f一56302122

33、8232H3154655“40344797vJ+91881，2+009“J5660“229144“3一156154“40343820vJ+9195v2+010MJ一5660“229983“3159040“40341713vf+9244v2+021“J5680M230764H3159506“40337803v+9259v2+039HJ5690“23 1780zd一162668H40334407vJ+9288佗+034“J5710“232857“3一160107“403534491，J+9301v2190“J一5720“233949“3151268觯O3450505vJ+91402v2=1撑JO，

34、舵0，zGO，觯0vJ0，v2O表4 农业生态环境保护能力免疫算法与DEA评价输入输出原始数据及分析结果T曲le 4 The originaI data柚d analysis咖lts of il玎蝴叫地algothm on agricultural environment足婴!竺!i望g璺些!i堕壁输入指标 输出指标缸， 耕地 有林地 耕地 森林 活立木 旱涝保收 农业生态环境面积 面积 变化率 覆盖率 总蓄积量 面积 保护能力效率，万亩 干公顷 ， ，万m3 历亩 评价指数万方数据增刊 俞守华，等：基于免疫算法和DEA方法的广东农业可持续发展能力态势分析4 结论从以上19932002年广东农

35、业可持续发展能力态势分析结果可以反映广东农业可持续发展能力的状况趋势：1)农业经济发展能力、食物保障能力近年来逐步增强；2)农业生态环境保护能力出现逐年削弱，农村社会进步能力发展状况也不尽人意，应当引起高度的重视农业可持续发展能力的正确评价与分析将是农业可持续发展战略管理得以制定和实施的依据，文中尝试用免疫算法和DEA方法相结合来对农业可持续发展能力态势进行评价分析，通过对广东19932002年农业可持续发展能力态势的实证评价分析表明这种方法是十分有效的参考文献1】 WCED(Wodd Conm=lission on EnVifonment andDeVelopInent)Our common

36、 futureMLondon：0xfbrd Universi哆Press，19872】 UNEDCEar吐l summit Ilinety two：me unitednations conference on enViroment&deVel叩mentrio de jaIleiro 1992M】New Y0rk：Regency Press，1992f31 CHARNES A， C00PPER W W，RHODES EMeasuringle emciency of decision making uIlitsJ】European Jo啪al of 0perations Research，1987，(2)：4294444】李艳双，韩文秀，曾珍香，等DEA模型在旅游城市可持续发展能力评价中的应用J】河北工业大学学报，2001，30(5)：6266【5】魏权龄评价相对有效性的DEA方法M】北京：中国人民大学出版社，19886】盛昭瀚，朱乔，吴广谋DEA理论、方法与应用M】北京：科学出版社，1996【7于善谦，王洪海，朱乃硕，等免疫学导论M】北京：高等教育出版社，19998】莫宏伟，金鸿章免疫算法原理与应用【J】航空计算技术，2002，32(4)：4951万方数据