水务思维系列之六——灰色系统理论是智慧水务的“最强大脑”

时间： 2018-03-23 13:49

来源：

作者：高雅麟

众所周知，智慧水务是水务行业中的一个管理工具。但要把智慧水务说透，无论是技术角度还是管理角度，绝非易事。从水务管理者角度而言，或许会意味深长地说一句：是互联网技术在水务行业中的应用。但对我而言，这似乎更具文学语境中无病呻吟的味道。在言必谈“大数据”、“互联网+“，“云计算”、“物联网”，概念泛滥成灾的大环境中，我觉得有必要，来关注一下真正的理论方法。

在智慧水务”分析决策”应用层面，了解不确定性方法的理论，对真正理解“智慧水务”不无裨益。不难发现，多数水务公司管理者被一些数据可视化的表面现象所迷惑。从灰色理论系统的观点来看，信息的稀缺性与永久性，以及新信息对认知的作用大于对老信息的作用等观点来观察智慧水务，或许对你会另有一些启发。

众所周知，智慧水务管理平台中存在“数据业务化、业务数据化”的特点，其中所涉及的数据分类多种多样：定性与定量;历史与未来;个体与整体;特殊与普遍等。数据的一个重要特点是“量化”，但在管理层面，还有相当多的指标无法精确量化，而只能“定性“。也就是说，在我们许多应用场景中，会遇到一些“不确定性”的问题。定性与量化之间的转换，需要一套体系化的理念与方法。因此，对数据如何处理，是考察应用层水平高低的一个重要依据。作为智慧水务的开发者、应用者，理应有所关注与研究，才能让“智慧水务”散发出真正的光芒。下面我来聊一聊关于智慧水务的”最强大脑“——灰色系统理论

首先，我们一起来看看，四种最常用的不确定性系统的研究方法

四种研究不确定方法中的不同处之在于：

1、概率统计：概率统计研究的是“随机不确定”现象，运用概率分布密度函数或分布表描述“随机变量”取不同值的可能性大小。

2、模糊数学：模糊数学着重研究“认知不确定”问题，其研究对象具有“内涵明确，外延不明确”的特点。模糊数学借助于隶属度函数描述某一对象属于一个模糊集合的程度。比如什么叫高个子?升高多少厘米，是一个具体化的数据，但多少才算高，是外延。压力多少MPA，是明确的，但多少算爆管的压力标准，也是外延，它需要针对具体的不同情况来确定一个评价系统。这就需要隶属度来量化模糊度，从而使决策数据的量化。

3、灰色系统理论：灰色系统理论着重研究概概率统计、模糊数学所难以解决的“贫信息数据”不确定性问题。灰色系统理论运用可能度函数刻画一个灰数取某一数值的可能性。

4、粗糙集理论：粗糙集理论采用精确的数学方法研究不确定性系统，其主要思想是利用已知的知识库，近似刻画和处理不精确或不确定的知识。

四种理论方法在智慧水务系统中，都有不同程度的应用。试举几例：

例一：量化的难度：气温与供水量的关系。

用水量首先反映的是一个区域生产生活的大致规律，每个城市或是城市中的某个区域，都有一个相对固定的用水习惯，无论是工业用水还是生产用水。在气温上升到一定程度以后，用水量开始上升，比如夏季高温时。但是如果要明确温度上升一摄氏度时，水量上升多少?这不仅仅是一个大数据统计的问题。智慧水务软件中需要一个数学模型来支撑，而这个数学模型中必然需要不确定性理论的应用与落地。

例二：用水习惯的表象：太阳从西边升起。

我曾在某地工作二十余年，根据用水量的规律，我们发现早上用水高峰来临的时间点，城西要比城东区域早一个小时。我把它戏称为“太阳从西边升起”。随着我们深入调查，发现城东区域居住人口中，老年人居多。工业生产用水的厂家特点也占其中一部分原因。那么问题来了：老年人居多是指多大年龄?用水高峰相差一个小时，原因是居民年龄问题，还是生产厂家的生产特点问题?我们相信两者皆有，但各占多大份量，我们只能把这个问题拱手交给数据模型的建立。

例三：水从哪里来：你喝的是哪个水厂的水?

试想一下，你所处的某个城市，有1000公里的供水管线，用五个制水厂联网供水。那么你知道你饮用的哪个水厂供出来的水吗?这是一个非常有意义的话题。首先是水厂之间的调度，对安全可靠性非常有益;第二，管网压力与能耗的控制手段如何优化，非常必要;第三，对供水区域的管道流向是否变化，以及变化频率有多大，这对水质管理非常重要。也许你所处的位置离某个水厂比较近，你喝的是哪个水厂的水，或许非常明确。但由于管网的复杂性，用户的水量、水厂的压力都在波动当中，在第一个时刻，每个水厂都有它不同的供水区域，它们之间的供水边界是动态的。在基于GIS系统建立的水力模型背后，又存在着数学模型的智力核心。我们相信，以灰色系统理论主体的不确定性研究方法，配合大数据的分析，以及水务模型的不断驯化，我们完全可能确定某一个时刻的供水边界图，包括计算对每一个用户的水龄，同时对我们的安全管理、能耗管理提供正确的决策。

例四：世界的本质是灰色的：如何面对匮乏的感知层数据。

智慧水务建设需要投入极大资金来建设感知层。否则再强大的大脑在贫信息状态下，似乎也是巧妇难为无米之坎。现实中，贫信息有二方面的原因：一是我们的基础建设是远远不够，感知的数据不多;二是感知层的数据由于信号传递技术、硬件物理等原因，是经常出错或是波动的。另一方面，许多水务公司管网资料的不齐全是一个致命的弱点，这就导致决策系统中必然面对贫信息甚至是误信息，但我们依然有一个理论来支撑根据已知的少数信息来挖掘智慧水务中的认知系统。信息不完全状态的事件在智慧水务系统中比比皆是，此处不再赘述。

编辑：赵凡