煤礦清潔生產(chǎn)模糊層次綜合評價模型及應(yīng)用

焦瑞峰，皇甫卓然，王 磊

（黃河水資源保護(hù)科學(xué)研究院，鄭州 450004）

煤礦清潔生產(chǎn)模糊層次綜合評價模型及應(yīng)用

焦瑞峰，皇甫卓然，王 磊

（黃河水資源保護(hù)科學(xué)研究院，鄭州 450004）

基于煤礦清潔生產(chǎn)評價的特點(diǎn)、目的，闡述了建立煤礦清潔生產(chǎn)綜合評價指標(biāo)體系的原則、內(nèi)容、結(jié)構(gòu)及評價的基本思路。將模糊數(shù)學(xué)和層次分析法相結(jié)合，建立了一種煤礦清潔生產(chǎn)綜合評價決策模型，論述了其的方法和原理，并且用實(shí)例驗(yàn)證了模型的實(shí)用性、有效性。從而豐富了煤礦清潔生產(chǎn)評價的方法。

煤礦清潔生產(chǎn)；指標(biāo)體系；模糊集合；層次分析法；評價方法

引言

清潔生產(chǎn)是指不斷采取改進(jìn)設(shè)計(jì)、使用清潔的能源和原料、采用先進(jìn)的工藝技術(shù)與設(shè)備、改善管理、綜合利用等措施，從源頭削減污染，提高資源利用效率，減少或者避免生產(chǎn)、服務(wù)和產(chǎn)品使用過程中污染物的產(chǎn)生和排放，以減輕或者消除對人類健康和環(huán)境的危害[1]。2008年11月，環(huán)境保護(hù)部頒布《清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn) 煤炭采選業(yè)》（HJ446-2008），2009年2月1日開始實(shí)施。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了煤炭采選業(yè)清潔生產(chǎn)的一般要求，列出了7項(xiàng)清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。

目前，煤炭企業(yè)清潔生產(chǎn)評價并沒有給出確切的核定評價結(jié)果的方法，在煤炭采選業(yè)建設(shè)項(xiàng)目的環(huán)境影響評價進(jìn)行清潔生產(chǎn)評價中，一般都是采用單指標(biāo)評價法[2]，即對照《清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn) 煤炭采選業(yè)》（HJ446-2008）的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，如果某一指標(biāo)低于某一級別的標(biāo)準(zhǔn)，其清潔生產(chǎn)水平即降一級。該方法的優(yōu)點(diǎn)是直觀、簡便，缺點(diǎn)是不能反映煤礦整體清潔生產(chǎn)水平情況。本文將模糊數(shù)學(xué)和層次分析方法相結(jié)合，建立了能同時考慮不同生產(chǎn)情況對清潔生產(chǎn)狀況影響的模型。

1 建立煤礦清潔生產(chǎn)綜合評價的指標(biāo)體系

1.1 煤礦清潔生產(chǎn)綜合評價的基本思路

煤礦清潔生產(chǎn)綜合評價的方法要解決兩個主要問題：1）兩類不同指標(biāo)的單指標(biāo)評價方法；2）多指標(biāo)評價結(jié)果綜合方法。無論是單指標(biāo)還是綜合評價結(jié)果，都是一個不確定性的概念，具有模糊性。以綜合評價方法的要求和指標(biāo)體系的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)模糊層次綜合評價方法的基本思路為：用層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重，在此基礎(chǔ)上用模糊綜合評判理論進(jìn)行單指標(biāo)評價和綜合評價。

1.2 煤礦清潔生產(chǎn)評價指標(biāo)體系的建立

進(jìn)行煤礦清潔生產(chǎn)綜合評價首先要設(shè)立相應(yīng)的綜合評價指標(biāo)體系。一般應(yīng)遵循以下幾項(xiàng)原則：1）完全性原則，建立的指標(biāo)體系應(yīng)能全面反映煤礦生產(chǎn)的各方面特性；2）簡單性原則，指標(biāo)體系既要全面但又不是愈多愈好，而應(yīng)抓住主要方面又使分析計(jì)算及相應(yīng)工作量簡捷；3）客觀性原則，指標(biāo)的選取應(yīng)堅(jiān)持事實(shí)求是、尊重客觀，力爭避免主觀傾向性。

根據(jù)上述原則，以及《清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn) 煤炭采選業(yè)》（HJ446-2008）的標(biāo)準(zhǔn)，建立能全面反映煤礦清潔生產(chǎn)狀況的清潔生產(chǎn)綜合評價指標(biāo)體系，可歸納為如表1所列

的各項(xiàng)內(nèi)容。在評價中應(yīng)依據(jù)評價的目的、煤礦的類型及需要考核的內(nèi)容、環(huán)境特點(diǎn)及煤礦的特征，選用不同參數(shù)評價煤礦的清潔生產(chǎn)水平。

表1 煤礦清潔生產(chǎn)綜合評價指標(biāo)體系

2 模糊層次綜合評價的方法原理

模糊評價（評審、評判、決策），即在評價過程中引入模糊性概念，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)來處理煤礦清潔生產(chǎn)評價的一些問題，以反映煤礦清潔生產(chǎn)狀況。例如某煤礦清潔生產(chǎn)評價結(jié)果一般用國際先進(jìn)水平、國內(nèi)先進(jìn)水平、國內(nèi)基本水平等來表示，而所謂國際、國內(nèi)先進(jìn)水平和國內(nèi)基本水平等劃分，具有模糊性。模糊數(shù)學(xué)是研究對這些模糊性問題進(jìn)行定量處理的一種方法；層次分析法（AHP）是用于進(jìn)行定性和定量因素相結(jié)合的一種有效決策方法。將這兩種方法互相結(jié)合對煤礦清潔生產(chǎn)進(jìn)行綜合評價的方法稱為模糊層次綜合評價。

模糊層次綜合評價中涉及的基本要素和主要方法可簡要?dú)w納如下。

2.1 建立評價因素（指標(biāo)）集

U={u1，u2，…，uj，…，un}，指煤礦清潔生產(chǎn)綜合評價指標(biāo)的集合。

2.2 建立（決策）評語集

V ={V1，V2…，Vi…Vm}，表示評價分級（例：國際先進(jìn)水平、國內(nèi)先進(jìn)水平、國內(nèi)基本水平和未到達(dá)清潔生產(chǎn)或Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級等四個等級）評語的集合。

2.3 建立隸屬函數(shù)確定單因素評判矩陣R

應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的基本概念，評價因素集中每一個指標(biāo)隸屬于評語集中不同評語分級（是一個模糊集合）的程度，稱為隸屬度[3]。隸屬函數(shù)和隸屬度是模糊數(shù)學(xué)中最基本的概念。前者一般以μV（x）表之，其含義是：因素集U中某一指標(biāo)x（相當(dāng)于指標(biāo)U ）隸屬于模糊集合V（相當(dāng)于評語集V，這是模糊集合）的程度，其取值在[0，1]區(qū)間，并以rji表之。此值即為指標(biāo)uj的隸屬度。隸屬函數(shù)的形式，可視評價指標(biāo)的特征確定或選用已有的公式，評價因素集U中全部指標(biāo)隸屬度的合成，即為單因素評價矩陣。

參考煤炭采選業(yè)清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，若某指標(biāo)的取值范圍為[a，b]。根據(jù)人們對其判斷和敏感性程度，將[a，b]分為與評語集Vi（i =1，2，3，4）相對應(yīng)4個區(qū)間[a1，b1]、[a2，b2] 、[a3，b3] 及 [a4，b4]。若將Vi看成是[ai，bi]上的普通集合，則會造成兩個區(qū)間的邊緣點(diǎn)數(shù)值相差不大，而評語卻相差一個級別的不合理現(xiàn)象。為了消除這種不合理現(xiàn)象，需進(jìn)行模糊化處理。在清潔生產(chǎn)評價中可取各級清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)值對應(yīng)的隸屬度，取最大值1.0，而相鄰兩區(qū)間互相交叉。這樣，對某個指標(biāo)的具體數(shù)值，可以以不同的隸屬度，分歸于不同的模糊集合Vi和Vi+1（i =1，2，3，4）。

根據(jù)各指標(biāo)的特征，擬定各隸屬函數(shù)為線性函數(shù)，并且滿足：若μvi（uj）=1.0，則μvi+1（uj）=μvi-1（uj）=0，如圖1所示。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

圖1 Vi（i=1，2，3，4）的線性隸屬函數(shù)

此處，μvi（uj）表示指標(biāo)uj隸屬于評語集Vi的程度，亦即隸屬度rji在[0，1]區(qū)間的取值，如圖2所示。但端點(diǎn)的μv1（uj）及μv5（uj）其函數(shù)及圖形略有不同（見圖1，詳見實(shí)例）。

圖2 隸屬度rji在[0，1]區(qū)間的取值

利用上述方法，具體擬定（或選定）煤礦清潔生產(chǎn)指標(biāo)uj相應(yīng)的隸屬函數(shù)，將各指標(biāo)值代入相應(yīng)的隸屬函數(shù)，即可求得各指標(biāo)的單因素的不同隸屬度rji，并得單因素評判結(jié)果為Rj=（rj1，rj2，rj3，rj4，rj5），j =1,2,…,n，綜合各指標(biāo)的評價結(jié)果得單因素評價矩陣如下

2.4 用層次分析法確定各因素（指標(biāo)）的權(quán)重W=（W1,W2，…，Wn）

通過上述步驟，已經(jīng)確定了各單因素的評判結(jié)果和單因素評判矩陣R，但各因素相對于煤礦清潔生產(chǎn)評價目標(biāo)，其各自的影響權(quán)重?cái)?shù)尚不得而知。模型中采用層次分析法確定權(quán)重。其具體步驟如下。

2.4.1 兩兩比較構(gòu)造判斷矩陣

根據(jù)上文建立的煤礦清潔生產(chǎn)綜合評價指標(biāo)體系，通過兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣A，即：

aij表示相對于煤礦清潔生產(chǎn)狀況而言指標(biāo)ui與uj的比較，采用1～9的標(biāo)度得到的ui比uj重要的程度[4]。

2.4.2 計(jì)算重要性排序

求判斷矩陣A的最大特征根所對應(yīng)的特征向量W =（W1，W2，…，Wn）即為所求的各指標(biāo)的權(quán)重。

2.4.3 一致性檢驗(yàn)

計(jì)算判斷矩陣A的最大特征根λmax

其中，（AW）i表示向量AW的第i個元素。則判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)指標(biāo)CR為

當(dāng)CR≤0.1時，一般認(rèn)為判斷矩陣具有滿意一致性，說明確定的各指標(biāo)的權(quán)重是合理的，否則需對判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整，直至具有滿意的一致性。

2.4.4 模糊層次綜合評價

3 煤礦清潔生產(chǎn)模糊層次綜合評價實(shí)例

3.1 基本數(shù)據(jù)及評價指標(biāo)

某煤礦生產(chǎn)情況數(shù)據(jù)見表2。

表2 某煤礦生產(chǎn)情況數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

3.2 評價指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)煤礦生產(chǎn)情況確定評價指標(biāo)集U={u1，u2，u3}

根據(jù)清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)（HJ446-2008）可得以上七類指標(biāo)清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)（見表3）。

表3 生產(chǎn)情況相應(yīng)的清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)（HJ446-2008）

3.3 根據(jù)各指標(biāo)的特征，擬定各指標(biāo)相應(yīng)的隸屬函數(shù)

（如圖3所示）

3.4 建立單因素評價矩陣

按式①和圖3具體選定生產(chǎn)指標(biāo)μj相應(yīng)的隸屬函數(shù)，將各指標(biāo)值代入得單因素評價矩陣R。

原煤生產(chǎn)電耗：

井工原煤生產(chǎn)水耗：

礦井水化學(xué)需氧量產(chǎn)生量：

圖3 各參數(shù)的隸屬函數(shù)

采煤煤矸石產(chǎn)生量：

當(dāng)年產(chǎn)生煤矸石綜合利用率：

礦井水利用率：

塌陷土地治理率：

綜上得單因素評價矩陣 ，即

3.5 確定各因素的權(quán)重W＝（W1,W2,W3,W4,W5）

（1）通過專家對該例指標(biāo)體系中的指標(biāo)兩兩比較得判斷矩陣A為

（2）由式④計(jì)算判斷矩陣A的最大特征根所對應(yīng)的特征向量

W=（W1,W2,W3,W4,W5,W6,W7）=（0.261,0.246,0.1340, 150,0.071,0.067,0.071）為各指標(biāo)的權(quán)重。

（3）進(jìn)行一致性檢驗(yàn)

根據(jù)式⑤和式⑥計(jì)算：

所以判斷矩陣A具有滿意一致性，可用作綜合評價模型各指標(biāo)的權(quán)重。

（4）清潔生產(chǎn)綜合評價結(jié)果由式⑦得綜合評價結(jié)果為：

據(jù)此判斷，該煤礦清潔生產(chǎn)水平為Ⅱ級，即：國內(nèi)清潔生產(chǎn)先進(jìn)水平。

4 結(jié)論

煤礦的清潔生產(chǎn)水平綜合評價，問題復(fù)雜，涉及因素眾多，本文將模糊數(shù)學(xué)和層次分析法相結(jié)合建立了模型，考慮了煤礦的清潔生產(chǎn)水平評價結(jié)果的模糊性，用層次分析法確定權(quán)重在一定程度上克服了專家直接給定法的主觀任意性，并且可同時考慮不同方面的生產(chǎn)情況對清潔生產(chǎn)的整體影響。實(shí)例運(yùn)用證明模糊層次綜合評價的模型是客觀、合理、可行的。

[1]中華人民共和國環(huán)保部.清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn) 煤炭采選業(yè)[Z].2009.

[2]陸雍森.環(huán)境評價（第二版）[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1999.

[3]閆家杰，趙萬忠，遲鳳起.模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及應(yīng)用初級[M].鄭州：河南教育出版社，1993.

[4]趙煥臣，許樹柏，和金生.層次分析法[M].北京：科學(xué)出版社，1986.

Comprehensive Assessment Model of Fuzzy Administrative Levels of Cleaner Production in Coal-mine and Its Application

JIAO rui-feng, HUNGFU Zhuo-ran, WANG lei
(Yellow River Protection Institute of Water Resources, Zhenzhou 450004, China)

Based on the characteristics and intent of cleaner production assessment in coal-mine, the paper expatiates to establish the principle, content, structure and the assessment basic consideration of index system of the cleaner production comprehensive assessment in coal-mine. The paper integrates the fuzzy mathematics with the analyzing method of administrative levels, establishes a comprehensive assessment decision-making model of cleaner production, discusses its methods and principle, and uses the examples to validate the practicability and effectiveness of the model.

cleaner production in coal-mine; index system; fuzzy integration; analyzing method of administrative levels; assessment method

X382

A

1006-5377（2015）10-0033-05

注：本文為水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201101006）。