基于模糊识别理论的上海市十一五节能减排评价

1基于模糊识别理论的上海市十一五节能减排评价摘要本文利用模糊识别理论对上海市十一五期间节能减排情况进行了分析，根据网上数据，选取了定量评价指标，通过定量分析得出了每年的隶属度指标。通过查阅资料，我们确定了五项反映节能减排效果的指标：化学需氧量排放量、二氧化硫排放量、环保投资占国民生产总值的比例、烟尘排放量、单位GDP耗电量，并定量描述了评价等级何时为优秀、达标、未达标或差。通过确立节能减排评价标准值矩阵、监测值矩阵以及对应的模糊矩阵，而后求得距离矩阵，最后得出归一化隶属度矩阵，根据取大原则确定了每年的最优分级隶属度和评价结果，具体如下表：年度优秀达标未达标差评价结果2005-20060.079180.132390.403680.38476未达标2006-20070.001000.997510.001000.00050达标2007-20080.542760.219500.137570.10017优秀2008-20090.389720.259730.194760.15579优秀在模型检验中，我们利用BP神经网络进行检验，发现结论与上述结果一致，验证了模型的正确性。关键词：模糊识别节能减排评价系统神经网络聚类分析2一、问题重述1.1问题背景节能减排是我国应对资源紧缺、减轻环境压力、实现经济可持续发展的必然选择。关于节能减排考核体系的研究,目前多限于广泛的定性论述,定量研究成果尚不多见。为了更好的服务于国防经济建设以及加快实现我国经济建设转型，关于节能减排定量评价的数学模型势在必行。1.2目标任务通过对题目的理解，我们对上海市十一五期间的节能减排情况进行了分析，主要包括以下两个方面：任务一：通过阅读附件和查阅资料，确立能够反映节能减排实际效果的评价体系，并利用上海市十一五期间的数据进行具体评价。任务二：根据所建的模型以及分析的结果，为上海市政府决策提供合理的建议。二、模型假设1.所有数据来源真实可靠；2.仅选取化学需氧量排放量、二氧化硫排放量、环保投资占国民生产总值的比例、烟尘排放量、单位GDP耗电量作为节能减排的评价指标，忽略其他次要因素的影响；2.不考虑所选取评价指标的相关性；3.定义各指标的评价等级时，国务院制定的五年减排目标平均分担到每年；4.各个评价指标的权重是相同的。三、模型建立和求解3.1评价指标体系的建立3.1.1指标的选取我们通过查阅资料，确定了如下评价指标：废水COD排放总量COD是指化学需氧量，表示在强酸条件下重铬酸钾一升污水中有机物所需的氧量，可大致表示污水中的有机物量。COD是水体有机污染的一项重要指标，能够反映水体的污染程度。一般制纸业、制药业、化工、垃圾渗滤液中COD的化学需氧量排放较高。十一五期间，国务院下发的文件中也明确提出废水COD的排放指标，以及下降量。所以选取这个指标能够反映一个城市减排的效果，排放量越大说明减排效果越差。二氧化硫排放量二氧化硫是空气质量的一项重要指标，是酸雨形成的重要组成部分，其主要来源于煤和石油的燃烧，浓度高时使人呼吸困难，甚至死亡。因此一个城市的二氧化硫排放量是评价城市节能减排的重要指标，城市节能越多，减排越多，说明该城市发展了新能源以及公民环保意识有所增强，进而也就说明了节能减排效果好。环保投资占国民生产总值的比例众所周知，在经济大建设中，资金是影响发展的重要因素，没有了资金的支持，发展便失去了支柱。同样一个城市靠搞好环保，不投资是不行的。在忽略其他因素的前提下，投资是与环保效果成正比的。3而环保的好坏是政府执行节能减排力度的重要体现。烟尘排放量烟尘的主要成分是燃料的灰尘颗粒物、未燃尽颗粒物、可见其他颗粒物质等，它的排放量一般根据燃烧载体—锅炉、炉窑、熔炼炉等的容量来衡量。同样它也是节能减排的重要指标之一。单位GDP耗电量根据国务院的报告，现在中国社会发电量的主要来源还是石化燃料的热能，新能源所占比例依然很小，同样经济的发展也绝不能以牺牲环境为代价，单位GDP耗电量越少，经济发展的健康程度越好，越符合可持续发展科学发展的理念，同时节能减排的效果就很明显。图1节能减排评价体系3.1.2各指标分级标准的确定根据文件《国务院关于进一步加大工作力度确保实现“十一五”节能减排目标的通知》的指示要求，要实现“十一五”单位国内生产总值能耗降低20%左右，主要污染物的排放量降低10%的目标。我们据此定义了各指标的评价等级。废水COD排放总量、二氧化硫排放量、烟尘排放量鉴于要求该三类指标的排放量在十一五期间要减少10%，所以对于每一年而言，我们定义了每一年的减排量达到2005年排放量的2%即为达标，在此基础上，我们又定义了优秀、未达标、差三个等级。单位GDP耗电量同理，鉴于要求单位GDP能耗在十一五期间要减少20%，所以对于每一年而言，我们定义了每一年的减排量达到2005年排放量的4%即为达标，在此基础上，我们又定义了优秀、未达标、差三个等级。环保投资占国民生产总值的比例由于GDP是逐年递增的，所以相同比例的GDP量也是逐年递增的，并且相关数据【8】表明十一五期间上海市的环保投资占GDP的比重在3%左右。因此，我们定义了3%即为达标，在此基础上，我们又4定义了优秀、未达标、差三个等级。综上所述，我们可以得到各指标的分级标准表如下：表1定量指标分级标准表指标级别优秀达标未达标差废水COD排放减少率（%）＞３２～３１～２＜１二氧化硫排放减少率＞３２～３１～２＜１环保投资占GDP比例＞３.０５３～３.０５２.９５～３＜２.９５烟尘排放减少率＞３２～３１～２＜１单位GDP耗电减少率＞６４～６２～４＜２3.2模糊识别理论评价模型的建立与求解3.2.1模型的建立应用模糊识别理论，以模糊集理论中的权距离概念来表示带评价的检测值。在本问题中评价指标分为4级，分别为优秀、达标、未达标、差，5项评价因子，分别为废水COD排放减少率、二氧化硫排放减少率、环保投资占GDP比例、烟尘排放减少率、单位GDP耗电减少率。根据此构建上海市节能减排评价标准值矩阵：1112131421222324313233344142434451525354yyyyyyyyYyyyyyyyyyyyy其中，矩阵的每一行表示每一个评价指标的各个等级的评价值，每一列表示某一等级各指标的评价值。现在有上海市五年间的节能减排情况需要根据以上评价标准进行分级评价，组成评价标准的评价样本集，其相应的5项节能减排评价指标的考核值构成的监测矩阵为：1112131421222324313233344142434451525354xxxxxxxxXxxxxxxxxxxxx其中，矩阵的每一行表示每一个评价指标对于各个年度的评价值，每一列表示某年的各指标的评价值。由于各个评价指标的量纲是不同的，所以我们需要对数据进行标准化处理。规定第i级评价指标的第一级（即为优秀级）标准值对于模糊子集“好坏”的隶属度11is；而最后一级（即为差级）标准值的隶属度40is，介于第一及和最后一级的隶属度ihs的隶属度可用以下线性内插公式来计算：5141ihiihiiyysyy（1）根据以上公式可以将评价标准值矩阵变换为标准值模糊矩阵：1112131421222324313233344142434451525354ssssssssSssssssssssss根据公式：141ihiihiixyryy（2）将各个监测指标值规格化为指标隶属度，从而监测值矩阵转化为监测值模糊矩阵：1112131421222324313233344142434451525354rrrrrrrrRrrrrrrrrrrrr在这里我们假设不同的评价指标对上海节能减排的总体效用是相同的，即它们的权重是相同的，那么指标的权向量为：12345,,,,0.2,0.2,0.2,0.2,0.2根据标准值模糊矩阵，第h级别标准可用向量表示为：12345,,,,ThhhhhSsssss类似地，由监测值模糊矩阵，第j年的各项指标数据用向量表示为：12345,,,,Tjjjjjrrrrrr根据模糊集理论中权距离的概念和定义，第j年数据与评价标准第h级别的差异可用考虑了评价指标权重的广义权距离来计算：51phjiijihidpwrs（3）其中p为距离参数，1p时是海明距离，2p是欧氏距离，在本模型中采用欧氏距离。根据以上公式可以得到差异性矩阵：611121314212223243132333441424344ddddddddDdddddddd其中，矩阵的每一行表示第h级指标对每一年的权距离，每一列表示第j年度与每一级的权距离。差异矩阵D反映了各年数据对于各级评价标准的贴近程度。hjd越小表明第j年数据越贴近于第h级指标，即隶属度越大，进而定义隶属程度与广义权距离之间的关系：'1hjhjud（4）为直观和便于比较，将同一年的隶属度值进行归一化处理，得到第j年数据对于第h级指标的分级隶属度，其计算公式为：'4'1hjhjhjhuuu（5）根据以上计算结果，确定归一化后的隶属度，根据最大原则，可以得出每年所对应的评价指标。3.2.2模型的求解通过查阅相关数据【8】，我们确定了2005～2009年的各指标的值如下表:表2十一五期间上海市各指标数据年份20052006200720082009废水COD排放总量（万吨）30.4430.2029.4426.6724.34二氧化硫排放量（万吨）51.2850.8049.7844.6137.89环保投资占GDP比例（%）3.042.942.933.003.06烟尘排放总量（万吨）11.5211.2910.6010.6310.18用电量（亿千瓦时）921.97990.151072.381138.221153.38GDP（亿元）9247.6610572.2412494.0114069.8715046.45单位GDP耗电量（元/千瓦时）0.09970.09370.085870.08090.0767对上述数据进行处理可以得到各个指标的增减率：表3十一五期间上海市各指标数据的相对于2005年的增减率年份2005-20062006-20072007-20082008-2009废水COD排放增减率-0.79%-2.50%-9.10%-7.65%二氧化硫排放增减率-0.94%-1.99%-10.08%-13.10%环保投资占GDP比例2.94%2.93%3.00%3.06%烟尘排放增减率-2.00%-5.99%0.26%-3.91%单位GDP耗电增减率-6.06%-7.85%-4.95%-4.26%根据表一可以得到节能减排绩效矩阵：7432143213.13.0532.9543218642Y根据表三可以得到监测矩阵为：0.792.59.17.650.941.9910.0813.102.942.933.003.062.005.990.263.916.067.854.954.26X标准化的绩效模糊矩阵为：10.670.33010.670.33010.670.33010.670.33010.670.330S标准化的监测模糊矩阵为：0.070.52.72.220.020.333.034.030.070.130.330.730.331.660.420.970.680.980.490.38R利用公式（3），通过MATLAB求解可得差异性矩阵为：1.850.740.511.491.110.00071.252.230.360.752.002.980.381.492.743.72D则隶属度矩阵为：'0.541.341.980.670.9013410.800.452.751.340.500.342.620.670.36