基于不確定性理論的煤炭城市可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)模型

劉 學(xué)，董春游，曹志國(guó)，陽(yáng)小麗

(1. 黑龍江科技學(xué)院研究生學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150027；2. 神華集團(tuán)科技發(fā)展部，北京 100011)

煤炭資源一直以來(lái)都是我國(guó)的主要能源，在我國(guó)一次性能源消費(fèi)中其比例占2/3以上，據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤炭為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供了75%的工業(yè)燃料、76%的發(fā)電燃料、80%的民用商品能源和60%的化工燃料，今后幾十年，以煤炭資源為主的一次能源結(jié)構(gòu)仍不會(huì)改變。而作為國(guó)家重要能源基地的煤炭城市在促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用[1]。煤炭城市主要指依托煤炭資源的開(kāi)發(fā)而興起，煤炭工業(yè)，尤其是煤炭采選業(yè)在城市工業(yè)經(jīng)濟(jì)中占重要地位和相當(dāng)比重的城市，它具有強(qiáng)烈的資源型指向性。我國(guó)目前有154座煤炭城市，涉及人口近2億人[2]。由于煤炭資源的不可再生性，煤炭城市的持續(xù)開(kāi)采必將使此類(lèi)城市面臨資源枯竭，結(jié)構(gòu)失衡，“三廢”污染，水土流失，地面塌陷等一系列問(wèn)題。如何實(shí)現(xiàn)由煤炭資源型城市向生態(tài)型可持續(xù)發(fā)展城市的轉(zhuǎn)變，成為我國(guó)一項(xiàng)亟待解決的重要課題。為此，我們有必要對(duì)煤炭資源型城市可持續(xù)發(fā)展程度進(jìn)行合理評(píng)價(jià)，明確影響煤炭資源型城市可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素及其所處的發(fā)展程度、發(fā)展階段等。

云模型[3]和粗集[4]是當(dāng)前處理不確定、多屬性問(wèn)題的兩個(gè)比較好的工具，它們?cè)谔幚矸椒ㄉ细骶咛攸c(diǎn)，而且功能上可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。將二者相結(jié)合，可以更有效的處理大量復(fù)雜的不確定數(shù)據(jù)和信息，提取更多有價(jià)值的隱含規(guī)則，并且能夠有效避免如灰色關(guān)聯(lián)分析[5]、層次分析方法[6]等存在的模糊指標(biāo)精確化、隨機(jī)指標(biāo)缺省化、指標(biāo)權(quán)重主觀(guān)化等現(xiàn)象。信息熵是獲取不確定性的度量的有效工具，利用熵權(quán)法獲取指標(biāo)的權(quán)重能有效克服主觀(guān)因素的不利影響，與其他方法相比，具有更高的可信度。考慮到影響煤炭城市可持續(xù)發(fā)展水平的因素眾多，且存在較大的不確定性，本文將云模型、粗集和熵權(quán)理論相結(jié)合，提出了基于不確定性理論的煤炭城市可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)模型，對(duì)我國(guó)25個(gè)煤炭城市的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行合理評(píng)價(jià)，最終確定其可持續(xù)發(fā)展等級(jí)，同時(shí)考慮了評(píng)價(jià)所涉及的隨機(jī)性和模糊性因素，使其評(píng)價(jià)結(jié)果相對(duì)更客觀(guān)、有效。

1 指標(biāo)體系的構(gòu)建與指標(biāo)權(quán)重的獲取

1.1 煤炭城市可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)體系

構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系一般要考慮其科學(xué)性、系統(tǒng)性、實(shí)用性、數(shù)據(jù)的可獲取性等原則。對(duì)于煤炭型城市，既要考慮其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展水平，又要從煤炭城市的特色和實(shí)際需要出發(fā)，兼顧其資源與環(huán)境因素，此外，還應(yīng)重視煤礦安全問(wèn)題對(duì)城市發(fā)展的重要作用。根據(jù)粗集理論研究的需要，綜合考慮影響煤炭城市可持續(xù)發(fā)展的各方面因素，本文構(gòu)建了共包含11項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的指標(biāo)體系[7-8]：I1為煤炭資源回采率(%)；I2為煤炭資源儲(chǔ)采比例(%)；I3為建成區(qū)綠化覆蓋率(%)；I4為人均GDP(萬(wàn)元)；I5為工業(yè)增加值占GDP比重(%)；I6為人均教育支出(元)；I7為每萬(wàn)人擁有醫(yī)生數(shù)(人)；I8為城鎮(zhèn)就業(yè)率(%)；I9為人均消費(fèi)品零售額(萬(wàn)元)；I10為第三產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員比重(%)；I11為安全培訓(xùn)投入費(fèi)用(萬(wàn)元)。

1.2 熵權(quán)法獲取指標(biāo)權(quán)重

獲取指標(biāo)權(quán)重方面已有很多方法，包括：熵權(quán)法、層次分析法、專(zhuān)家評(píng)判法、變異系數(shù)法、主成分分析法、線(xiàn)性加權(quán)組合法等[9]。而相比之下，熵權(quán)法給出的指標(biāo)權(quán)重值具有有更高的可信度，能有效避免主觀(guān)因素影響比較適合煤炭城市可持續(xù)發(fā)展的評(píng)價(jià)。

設(shè)對(duì)象集{x1,x2,x3,…xn}包含待評(píng)價(jià)的n個(gè)煤炭城市，指標(biāo)集{I1,I2,I3,…Im}包含m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。于是評(píng)價(jià)系統(tǒng)的初始數(shù)據(jù)矩陣A：A=(aij)n×m，其中aij表示第i個(gè)煤炭城市的第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值。則指標(biāo)權(quán)重可由如下步驟獲得[10]：

2 評(píng)價(jià)模型的建立

基于不確定性理論的煤炭城市可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)模型具體包含以下5步：

第1步：對(duì)初始數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化。由于現(xiàn)實(shí)中的數(shù)據(jù)往往是一些連續(xù)型的數(shù)據(jù)，而粗集理論對(duì)連續(xù)型數(shù)據(jù)無(wú)法處理，故在屬性約簡(jiǎn)前必須將連續(xù)數(shù)據(jù)離散化。首先，對(duì)初始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，考慮到評(píng)價(jià)問(wèn)題中的隨機(jī)性和模糊性因素，本文借助云變換進(jìn)行數(shù)據(jù)離散化[11]。

第2步：屬性約簡(jiǎn)。這一步就是運(yùn)用粗集中的知識(shí)約簡(jiǎn)的辦法，在保持盡量保持分類(lèi)能力不變的前提下，約去冗余的指標(biāo)數(shù)據(jù)，構(gòu)成簡(jiǎn)化后的新的指標(biāo)體系。

第3步：利用熵權(quán)法計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)向量：ω={ω1,ω2,…ωm}。

第4步：根據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，利用正向云發(fā)生器[3]實(shí)現(xiàn)等級(jí)評(píng)語(yǔ)的云模型化，即：將每個(gè)等級(jí)評(píng)語(yǔ)用一個(gè)一維正態(tài)云模型來(lái)描述。其云數(shù)字特征值可由以下公式計(jì)算得到[12]:

第5步：評(píng)價(jià)。利用標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)據(jù)與權(quán)向量進(jìn)行內(nèi)積運(yùn)算，得到每個(gè)煤炭城市xi綜合評(píng)價(jià)變量Vi(i=1,2…n)，然后根據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，利用X-條件云發(fā)生器[3]得到各評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)每個(gè)等級(jí)的隸屬度，這樣選擇隸屬度最大的評(píng)價(jià)等級(jí)，即作為該對(duì)象所處的評(píng)價(jià)等級(jí)。

3 實(shí)證分析

根據(jù)建立的煤炭城市可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)搜集和查閱2010年各煤炭城市的相關(guān)年鑒數(shù)據(jù)，獲取全國(guó)25個(gè)主要煤炭城市實(shí)際指標(biāo)數(shù)據(jù)并運(yùn)用云變換進(jìn)行數(shù)據(jù)離散化處理得到離散化后的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1(篇幅所限只給出部分離散化數(shù)據(jù))。

表1 各煤炭城市離散化后的指標(biāo)數(shù)據(jù)

按照粗集中屬性約簡(jiǎn)的知識(shí)，借助MATLAB編程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)指標(biāo)的約簡(jiǎn)，通過(guò)運(yùn)算發(fā)現(xiàn)：

U/I≠U/(I-I1)；U/I≠U/(I-I3)；U/I≠U/(I-I5)；U/I≠U/(I-I9)

因此，屬性集的核為CORE={I1,I3,I5,I9}，說(shuō)明在指標(biāo)體系中，煤炭資源回采率(I1)，建成區(qū)綠化覆蓋率(I3)，工業(yè)增加值占GDP比重(I5)，人均消費(fèi)品零售額(I9)是不可約簡(jiǎn)的，其余均可約簡(jiǎn)。但是，筆者認(rèn)為人均GDP和煤礦安全性因素在煤炭城市可持續(xù)發(fā)展中的重要作用不可忽視，因此最終保留I1，I3，I4，I5，I9，I11這6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)成新的指標(biāo)體系。

結(jié)合前面熵權(quán)法獲取指標(biāo)權(quán)重的算法并根據(jù)簡(jiǎn)化后的指標(biāo)體系獲取各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重如下：

ω={ω1,ω2,…ωm*}={0.0732，0.3233，0.0793，0.2876，0.1946，0.0419}。

本文采用我國(guó)煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究課題組研究報(bào)告中的可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，具體如下見(jiàn)表2。

表2 煤炭城市可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[12]

根據(jù)表2的評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，利用正向云發(fā)生器算法，獲得各評(píng)價(jià)等級(jí)的云特征值為：

第一等級(jí)：(0.9250，0.0637，0.0800)

第二等級(jí)：(0.7750，0.0637，0.0800)

第三等級(jí)：(0.6000，0.0849，0.0800)

第四等級(jí)：(0.2500，0.2123，0.0800)

各評(píng)價(jià)等級(jí)對(duì)應(yīng)的云圖如圖1所示。

圖1 各評(píng)價(jià)等級(jí)的云圖

根據(jù)約簡(jiǎn)后的指標(biāo)體系，利用評(píng)價(jià)模型第5步中的算法產(chǎn)生每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)各等級(jí)的隸屬度，進(jìn)而得到各煤炭城市的可持續(xù)發(fā)展等級(jí)，其最終評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示。

表3 25個(gè)煤炭城市的最終評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié) 論

從評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，可持續(xù)發(fā)展處于第一等級(jí)，即已達(dá)到可持續(xù)發(fā)展階段的煤炭城市為極少數(shù)，僅有晉城、焦作；而少部分的煤炭城市，大同、唐山、徐州、棗莊處于第二等級(jí)，即已處于初級(jí)可持續(xù)發(fā)展階段；多數(shù)煤炭城市，陽(yáng)泉、撫順、阜新、遼源、雞西、鶴崗、雙鴨山、烏海、淮南、淮北、平頂山、石嘴山處于由傳統(tǒng)發(fā)展向可持續(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)變的第三等級(jí)；而朔州、七臺(tái)河、赤峰、萍鄉(xiāng)、鶴壁、銅川、六盤(pán)水這幾個(gè)煤炭城市則屬第四等級(jí)，即仍處于傳統(tǒng)發(fā)展階段。總體來(lái)看，我國(guó)各煤炭城市的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r不容樂(lè)觀(guān)，可持續(xù)發(fā)展水平較高的城市只占極少數(shù)，大多數(shù)煤炭城市還處于傳統(tǒng)發(fā)展向可持續(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)變的階段。由此可見(jiàn)，要實(shí)現(xiàn)我國(guó)煤炭城市的可持續(xù)發(fā)展，任重而道遠(yuǎn)，只有在煤炭城市發(fā)展的宏觀(guān)和整體層次上，統(tǒng)籌規(guī)劃，讓各方面因子協(xié)調(diào)發(fā)展，并且努力貫徹分類(lèi)指導(dǎo)的原則，尤其對(duì)那些處較低等級(jí)的煤炭城市，積極采取相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略和政策，才能使煤炭資源型城市沿著可持續(xù)發(fā)展的路子不斷邁進(jìn)。

本文針對(duì)煤炭城市可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)存在較多不確定性及評(píng)價(jià)指標(biāo)眾多不易挖掘規(guī)則等問(wèn)題，將云模型、粗集與熵理論相結(jié)合，建立評(píng)價(jià)模型，對(duì)我國(guó)25個(gè)主要煤炭城市的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了評(píng)價(jià)，最終確定了其可持續(xù)發(fā)展等級(jí)，為進(jìn)一步提高煤炭城市的可持續(xù)發(fā)展水平提供了一定的依據(jù)。從最終運(yùn)行結(jié)果看，評(píng)價(jià)結(jié)果基本符合客觀(guān)實(shí)際，表明該評(píng)價(jià)模型確實(shí)可行，有效，具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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