人工神经网络在环境科学中的应用研究

　　1人工神经网络简介

　　1.1人工神经网络研究简况

　　1943年，生理学家och和数学家首次提出二值神经元模型。半个世纪以来人们对神经网络的研究经历了五六十年代的第一次热潮，跌人了70年代的低谷;80年代后期迎来了第二次研究热潮，至今高潮迭起，不亚于二战期间对原子弹研究的狂热。

　　人工神经网络是模仿生物脑结构与功能的一种信息处理系统。作为一门新兴的交叉学科，人工神经网络以其大规模并行结构、信息的分布式存储和并行处理，具有良好的自适应性、自组织性和容错性,具有较强的学习、记忆、联想、识别功能气引起众多领域科学家的广泛关注，成为目前国际上非常活跃的前沿领域之一。

    1.2人工神经网络的基本模型及其实现

    1.2.1人工神经网络的基本模型人工神经网络的基本模型见表1?

　　1.2.2以误差逆传播模型说明人工神经网络的实现人工神经网络中应用最多的是误差逆传播(ErrorBack-Propagation)网络，简称BP网络，从结构讲’BP网络是典型的多层网络，分为输入层、隐含层和输出层3层,层与层的神经元之间多采用全互连方式，而同层各神经元之间无连接，见图1。BP网络的基本处理单元（输入层单元除外）为非线性输人-输出关系，一般选用S型作用函数f(x)=l/(1+e-当给定网络一个输人模式时，它由输人层单元传到隐含层单元，经隐含层单元逐层处理后再送到输出层单元，由输出层单元处理后产生一个输出模式。这是一个逐层状态更新的过程，称为前向传播。如果期望输出与实际输出之间的误差不满足要求，那么就转人误差反向传播，将误差值沿通路逐层传送并修正各层连接权值(w1,W2),这是一个逐层权值更新的过程，称为误差反向传播过程。随着2个过程的反复进行，误差逐渐减小，直至满足要求为止。

　　2常用人工神经网络模型的应用分析

　　当前，人工神经网络方法主要应用于有机有毒化合物毒性的分类及定量预测、对不同污染物生物降解性能的预测、单要素环境质量评价、环境质量综合评价、环境预测、环境综合决策等方面。

　　2.1预测性能的分析

　　以BP网络为例，就近两年来应用BP网络进行预测的成功研究来看，人工神经网络的预测性能得到了充分的肯定。

　　1997年，刘国东等141应用BP网络建立的雅砻江和嘉陵江流域气温、降水和径流之间关系的网络模型，具有较高的拟合精度和预报精度，并具有精度可控制的优点。计算结果同国内外研究成果的一致性表明，用BP网络分析、研究气候变化对一个地区(或流域)水资源环境的影响是一种新颖、有效的方法。

　　王瑛等w指出，当外界环境和系统本身性质发生剧烈变化时，BP网络能提供一种有效的方法来更新模型，实现新旧模型之间的转换。他们利用最近12年(1981~1992年）的环境经济数据对2000年环境指标进行了预测，并根据预测结果对未来的环境对策进行了分析。这为解决环境预测的模型问题提供了一条新思路。

　　张爱茜等用人工神经网络预测含硫芳香族化合物好氧生物降解速率常数和孙唏等⑺对胺类有机物急性毒性的分类及定量预测的结果都说明了，人工神经网络作为一种非线性模型预测能力大大优于多兀线性回归模型。

　　2.2 评价性能的分析

　　人们在环境评价中主要应用了BP网络、Hopfield网络、径向基函数网络等模型，并不断地改进应用方法，对其在环境评价中的性能进行比较研究》李祚泳的研究结果表明BP网络用于水质评价具有客观性和实用性。刘国东等?改进了BP网络的应用kf法，并比较了BP网络与Hopfield网络在水质综合评价中的性能。他们指出Hopfield网络采用模式（图象)联想或匹配，既适用于定量指标的水质参数又适用于定性指标的水质参数，而且使水质评价形象化，因此更优于BP网络.郭宗楼等将径向基函数人工神经网络(RBF—ANN)模型应用于城市环境综合评价，结果-表明RBF网络不仅具有良好的推广能力，而且避免了反向传播那样繁琐、冗长的计算，其学习速度是常用的BP网络无法比拟的。郭宗楼等[|11又以三峡工程为背景，把该模型应用于水利水电工程环境影响综合评价的人工神经网络专家系统中，与分级加权评价法相比较具有更高的推理效率。

　　环境科学研究的问题，如环境污染、生态破坏、自然灾害、资源耗竭、人口过量等等，无一不是在某种程度上损伤或破坏了人——环境的和谓。人——环境关系有着自身的变化规律,是可以进行科学量度的。显然这一M?度是多方位、多因素的非线性评价问题,至今尚未建立起一种适当的评价模型，我们是否可以借鉴人工神经网络的应用优点，考虑建立基于人工神经网络方法的评价模型。

　　3结语

　　由以上介绍可知，在环境科学中应用的人工神经网络模型只是大批模型中仅有的几个认识比较清晰、应用较多的典型网络模型，集中应用于预测、评价、聚类分析等方面。随着对环境问题认识的日益精深，随着各种人工神经网络在环境科学中应用的尝试与探索，比较研究人工神经网络模型之间以及与其它模型之间在解决环境问题上的优缺点，针对f同问题选择适当的模型，充分发挥各种模型的优势，解决好各类环境问题，并幵拓人工神经网络方法在环境科学中的应用范围，为环境问题的解决提供新的技术手段。