【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水质评价wqi，具体为一种基于加权极值融合算法的水质评价wqi专家权重融合法。
技术介绍
1、目前，确定水质类别通常采用的是最差指标评判法，但该方法难以充分利用各种水质指标的实测结果，存在信息利用率低的局限性，很多情况下相同类别的水体之间水质恶化程度差异显著。如何科学合理地设计出一个综合性指标算法，以描述水体某一时刻的水质状况，是一个亟待规范化的问题。目前，主要的综合水质评价方法包括：污染指数法、模糊数学法、灰色系统评价法、层次分析评价法、物元分析评价法、神经网络法、水质标识指数法等。在众多评价方法中，以指标赋权为核心思想的污染指数法较为清晰，能直观体现综合评价过程；尽管污染指数法具有简便性，但其在实际应用中仍存在需要改进之处，我国土地幅员辽阔，水体众多，各地区的水体特征差异显著。针对不同水体的水质评价，需要考虑的水质指标各不相同，且各指标的重要性也各有不同。因此，构建基于污染指数法的综合水质评价体系，应在筛选出当地的特征水质指标之后，根据当地的具体情况给出各污染指标的权重值。
2、然而，指标权重的确定不仅依赖于水体本身指标评价的好坏、不稳定程度，还与当地水体本身的污染特征有关。很多情况下，客观水质数据的统计值并不能完全阐释水质指标的重要程度，一些重要的水质指标有可能体现出不符合劣质指标的统计特征。为了提高这些重要水质指标在污染指数法中的评价权重，本专利技术通过引入专家干预来实现这一目标，即主观干预权重的生成。如何在保留客观赋权方法的同时，科学地赋予了解当地水质状况的专家一定干预权重的权力。针对上述问题
技术实现思路
1、为了解决指标权重需结合水体特征与专家意见，平衡客观数据与主观干预，以科学赋权提升评价准确性的问题；本专利技术的目的在于提供一种基于加权极值融合算法的水质评价wqi专家权重融合法。
2、为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种基于加权极值融合算法的水质评价wqi专家权重融合法，该评价方法可以将水质指标的指标贡献度、指标不确定度、指标对于地区的关键程度三种不同方面的重要性考量结合起来，同时可以让使用者根据研究地区的特点选择不同的模型参数，以适配评价需求。
3、为实现上述内容，本专利技术结合季节性分解与熵权法相融合的固定权重算法和实时污染贡献率的变权重算法，构建出一套将专家系统赋权体系融合在内的综合变权重算法——加权极值融合法，并将其运用在综合水质评价系统中，实现水质评价的主客观结合，其可采用如下步骤实现：
4、1.水质六分制单因子评分
5、本专利技术所采用的单因子评价方法以《地表水环境质量标准》(gb3838-2002)规定的各类水指标范围为基准，按指标的特性进行不同的映射，最终将所有指标值转化为一个六分制的评价值。
6、(1)对于《地表水环境质量标准》中规定的非ph和水温的地表水环境质量标准基本项目标准限值(如高锰酸盐指数(codmn)、总氮(tn)等)，本专利技术采用线性内插的方式进行指标映射，各指标节点对应的评分值见表1：
7、表1水质类别与对应单因子评分映射关系表
8、
9、(2)对于《地表水环境质量标准》中未规定的指标(如叶绿素a等)，本专利技术采取具体问题具体分析的方式。叶绿素a单因子评分的推算在具体实施方式部分有详细的描述。
10、(3)对于ph指标，本专利技术所设计的ph的评价曲线是两边高中间低的“ω”型曲线。根据《地表水环境质量标准》，正常水体的ph取值范围应为6～9，而最适合水体固氮作用和硝化作用的ph范围是微碱性的7.5～8.5。因此，本研究拟采用分段s型曲线作为评价曲线，选用的s型曲线表达式为其中ai和bi为可调节参数；当x＝6，7.5，8，8.5，9的时候，y＝3，0.5，0，0.5，3，参数ai、bi、ci通过解方程组求得。
11、2.“固定权重”
12、本专利技术使用季节性分解模型是rbcleveland于1990年提出的stl模型[1]。将历史数年各指标的平均日均系列输入到季节性回归模型中，运行得到趋势、季节性波动和残差三个输出。将季节性波动和残差总和的绝对值系列输入到熵权法模型中，运行得到各指标的信息熵。其中熵权法公式如下：
13、
14、上述信息熵公式中的pij即矩阵第i行第j列事件的概率，k是常数，通常取
15、ei为第i个指标的熵值，n为样本时段数。
16、最后将信息熵归一化、增强之后计算得到“固定权重”部分。其中，增强公式如下：
17、
18、其中为i时刻熵权法输出的权重向量，m为指标个数，e为熵权值，η为增强系数。
19、3.“变权重”
20、利用归一化法将各个时刻水质指标的单因子评价值缩放到[0，1]区间中。归一化法的公式描述如下：
21、
22、其中，第i时刻归一化法输出的权重向量，ci是第i个指标的贡献值，m是指标数。
23、该输出结果即作为“变权重”结果输入到水质评价系统中。
24、4.“专家权重”
25、在本专利技术中，水质指标的重要程度被划分为10个等级，其中1～3级为次要指标，4～6级为一般指标，7～10级为重要指标。由了解当地水体特征的专家对每个水质指标的重要性进行评分，并利用可视化ui将专家评分输出到水质评价系统中，通过归一化的方法最终生成主观权重。可视化ui见附图1。
26、5.加权极值融合算法
27、该算法的计算公式如下：
28、
29、
30、
31、
32、
33、式中：i表示当前时刻，j表示当前指标分量，n表示时段样本数，m表示指标个数；为第i时刻的最终输出权重向量，为未经归一化的权重向量；ent、ctb、exp分别代表熵权法、污染率贡献法和专家系统法三种算法，为三种赋权方法输出的权重向量，分别为三个权重向量的加权值，为矩阵的hadamard积，计算结果为元素对元素的乘积组成的矩阵；附加项中向量为极值向量，其每一个分量取三种方法对应指标分量的最大值(表示向量各分量的最大值)，向量为极值向量加权值，其每个分量有三种取值，在对应指标分量取ent、ctb、exp的时候分别为λ1、λ2、λ3。
34、将三种不同角度的权重输入到基于加权极值融合算法公式构建出的模型中，计算出“固定权重”、“变权重”、“专家权重”三个部分在每个时刻各自占的权重比例
35、6.权重融合与综合评分
36、结合上述加权极值模型输出与单因子评价输出xij(i表示当前时刻，j表示当前指标分量)，计算出每个时刻水质六分制评分，公式如下：
37、
38、式中：ii为六分制评分值，ωij、xij分别为第i时刻第j个指标的权重输出和单一指标评价，m为指标数。将本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于加权极值融合算法的水质评价WQI专家权重融合法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种基于加权极值融合算法的水质评价WQI专家权重融合法，其特征在于：所述单因子评价具体方法为将指标分为三类：规定的非pH和水温的地表水环境质量标准基本项目、未规定的指标、pH指标，第一类采用线性内插的方式进行指标映射；第二类结合其它国家标准进行具体分析；第三类采用两边高中间低的“Ω”型曲线。
3.如权利要求1所述的一种基于加权极值融合算法的水质评价WQI专家权重融合法，其特征在于：所述通过季节性回归模型和熵权法计算“固定权重”的步骤为：将历史数年各指标的平均日均系列输入到季节性回归模型中，运行得到趋势、季节性波动和残差三个输出；将季节性波动和残差总和的绝对值系列输入到熵权法模型中，运行得到各指标的信息熵；将信息熵归一化、增强之后计算得到“固定权重”部分。
4.如权利要求1所述的一种基于加权极值融合算法的水质评价WQI专家权重融合法，其特征在于：所述通过污染贡献率法计算“变权重”的步骤为：利用归一化法将某时刻所有污染指标等比放缩到[0，1
5.如权利要求1所述的一种基于加权极值融合算法的水质评价WQI专家权重融合法，其特征在于：所述“专家权重”的计算步骤为：将水质指标的重要程度划分为10个等级：其中1～3级为次要指标，4～6级为一般指标，7～10级为重要指标；由了解当地水体特征的专家对每个水质指标的重要性进行评分，并利用可视化UI将专家评分输出到水质评价系统中；将评分归一化之后作为“专家权重”输入到整个系统中。
6.如权利要求1所述的一种基于加权极值融合算法的水质评价WQI专家权重融合法，其特征在于：所述加权极值融合的多权重融合算法的具体实施步骤为：根据研究目标地区的具体要求确定算法中各个参数的取值；根据之后专利技术内容所述的加权极值融合算法公式计算出“固定权重”、“变权重”、“专家权重”三个部分在每个时刻各自占的权重比例；综合上述权重比例和各个时刻单因子评价结果计算出每个时刻的六分制综合评分。
7.如权利要求1所述的一种基于加权极值融合算法的水质评价WQI专家权重融合法，其特征在于：通过将所述将六分制评分转化为百分制评分的综合评价，其中Ii为i时刻六分制评价，Si为i时刻百分制评价，ε为转化参数。
...【技术特征摘要】
1.一种基于加权极值融合算法的水质评价wqi专家权重融合法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种基于加权极值融合算法的水质评价wqi专家权重融合法，其特征在于：所述单因子评价具体方法为将指标分为三类：规定的非ph和水温的地表水环境质量标准基本项目、未规定的指标、ph指标，第一类采用线性内插的方式进行指标映射；第二类结合其它国家标准进行具体分析；第三类采用两边高中间低的“ω”型曲线。
3.如权利要求1所述的一种基于加权极值融合算法的水质评价wqi专家权重融合法，其特征在于：所述通过季节性回归模型和熵权法计算“固定权重”的步骤为：将历史数年各指标的平均日均系列输入到季节性回归模型中，运行得到趋势、季节性波动和残差三个输出；将季节性波动和残差总和的绝对值系列输入到熵权法模型中，运行得到各指标的信息熵；将信息熵归一化、增强之后计算得到“固定权重”部分。
4.如权利要求1所述的一种基于加权极值融合算法的水质评价wqi专家权重融合法，其特征在于：所述通过污染贡献率法计算“变权重”的步骤为：利用归一化法将某时刻所有污染指标等比放缩到[0，1]这个区间；将放缩结果作为“变权重”...
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