基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)AHP方法的區(qū)域可持續(xù)發(fā)展評價研究——以滄州市為例

劉 琳，劉志新

（1.燕山大學(xué) 外國語學(xué)院，河北 秦皇島 066004；2.燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

一、引言

世界經(jīng)濟在飛速發(fā)展的同時，由于工業(yè)化過程中的處置失當(dāng)，過度追求物質(zhì)目標(biāo)，以及不合理地開發(fā)利用自然資源，造成了全球性的環(huán)境污染、生態(tài)破壞和資源銳減，對人類的生存以及發(fā)展構(gòu)成了嚴重的威脅[1]?？沙掷m(xù)發(fā)展思想是人類長期以來重新思考人類發(fā)展經(jīng)濟與社會、資源和環(huán)境間關(guān)系的結(jié)果，是一種全新的發(fā)展思想。以挪威首相布倫特蘭夫人為首的“聯(lián)合國世界環(huán)境與發(fā)展委員會”（WCED）在1987年出版的《我們共同的未來》一書中首先提出可持續(xù)發(fā)展（Sustainable Development）的概念，其后經(jīng)過30多年的發(fā)展，國際社會已形成共識：可持續(xù)發(fā)展是人類所倡導(dǎo)的一種新的社會發(fā)展模式，走可持續(xù)發(fā)展之路是世界各國共同發(fā)展的必然選擇[2]。

從系統(tǒng)學(xué)的角度看，區(qū)域可持續(xù)發(fā)展是一個由自然、經(jīng)濟和社會三大子系統(tǒng)共同構(gòu)筑的復(fù)合生態(tài)巨系統(tǒng)。在此巨系統(tǒng)中，人類的社會、經(jīng)濟活動與自然環(huán)境之間不斷發(fā)生著相互作用。由于不同國家、不同地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展水平不同，可持續(xù)發(fā)展在不同的國家和地區(qū)應(yīng)有不同的評價標(biāo)準(zhǔn)[3，4]。區(qū)域可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的制定要根據(jù)所在區(qū)域的特點，在不同的時間和空間內(nèi)做動態(tài)的調(diào)整，但應(yīng)遵循基本的原則，即不同階段的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)既要體現(xiàn)當(dāng)代人的利益又要考慮下一代人的利益，既要考慮區(qū)域所處的空間地理特點也要考慮區(qū)域的經(jīng)濟發(fā)展水平。

一般來說，對可持續(xù)發(fā)展能力的評估主要側(cè)重于兩個方面：可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)體系的設(shè)定和賦權(quán)[5，6]。本文以河北省滄州市為例，在充分考慮滄州市區(qū)域特點的基礎(chǔ)上，制定了滄州市可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)體系；運用平滑濾波和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)尋優(yōu)方法智能尋找系統(tǒng)內(nèi)部相互關(guān)聯(lián)程度，實現(xiàn)實時調(diào)整、滾動優(yōu)化，并且結(jié)合專家經(jīng)驗確定了適合滄州市可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)內(nèi)子系統(tǒng)的科學(xué)權(quán)重。

二、滄州市概況

滄州市位于河北省東南部，屬華北平原東部黑龍港河流域，東臨渤海，北靠京津，南接山東，距首都北京240公里，全市南北長165公里，東西寬187公里，總面積1.4萬平方公里，市區(qū)建成區(qū)面積41平方公里，全市總?cè)丝?10萬人?，F(xiàn)轄2個區(qū)（新華區(qū)、運河區(qū)）、4個縣級市（黃驊、任丘、河間、泊頭）、10個縣（吳橋、東光、南皮、獻縣、肅寧、鹽山、海興、滄縣、青縣、孟村回族自治縣）、2個管理區(qū)（中捷、南大港）。新建滄州渤海新區(qū)（包括黃驊市、海興縣、中捷產(chǎn)業(yè)園區(qū)、化工產(chǎn)業(yè)園區(qū)和南大港產(chǎn)業(yè)園區(qū)）面積2 375平方公里、海岸線130公里、總?cè)丝?4.6萬。

滄州市為河北省農(nóng)業(yè)大市，是全國主要的糧棉和水果產(chǎn)區(qū)。近年來緊緊圍繞增加農(nóng)民收入，以“四大產(chǎn)業(yè)、一大工程”為重點，強龍頭，擴基地，調(diào)結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展優(yōu)勢農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)，農(nóng)業(yè)投入產(chǎn)出效益穩(wěn)步提高，2007年完成農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值173.83億元。在國民經(jīng)濟發(fā)展中，工業(yè)是全市經(jīng)濟增長的中堅力量，2007年全市工業(yè)增加值占GDP的比重為47.4%，對GDP增長的貢獻率是53.9%。特別是“九五”和“十五”計劃期間，通過“化工城”建設(shè)和臨港工業(yè)開發(fā)，重點培育以石化、鹽化為基礎(chǔ)的化學(xué)工業(yè)，逐步構(gòu)筑起以化學(xué)工業(yè)為主導(dǎo)，機械電子、輕工、紡織、建材、食品等行業(yè)為骨干的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)格局。區(qū)內(nèi)自然資源主要是石油、海鹽、地?zé)帷⑺a(chǎn)等，區(qū)內(nèi)有華北、大港兩大石油生產(chǎn)基地，地?zé)崦娣e1萬平方公里，海岸線59.3公里，沿海灘涂307.7平方公里，但礦產(chǎn)資源和可利用土地資源不足。

滄州市林木分布少，全市有林地面積370萬畝，其中經(jīng)濟林280萬畝，用材林、灌木林71.5萬畝，森林覆蓋率19%。全市共有醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)417個；平均每千人擁有病床數(shù)1.88張；全市共有衛(wèi)生技術(shù)人員18 720人，平均每千人擁有醫(yī)生數(shù)1.21人。醫(yī)療衛(wèi)生總體水平較低。滄州市水資源匱乏，供需矛盾十分突出，本地水資源遠遠不能滿足社會需求量，而目前引入的客水主要為黃河水及王快水庫水源，只能緩解局部供水困難。

三、滄州市可持續(xù)發(fā)展評價模型與評價指標(biāo)體系

由于區(qū)域發(fā)展是個動態(tài)的過程，對其進行評價不可能只用一個指標(biāo)。事實上，在現(xiàn)實的經(jīng)濟發(fā)展過程中，往往會出現(xiàn)“頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳”的現(xiàn)象，要么單一地注重經(jīng)濟快速增長而忽視對環(huán)境資源的保護，造成經(jīng)濟增長、環(huán)境惡化的局面；要么是當(dāng)出現(xiàn)環(huán)境污染程度嚴重的時候，又單一強調(diào)對環(huán)境的治理，“一刀切”關(guān)掉污染源，這樣往往會造成部分產(chǎn)業(yè)大起大落，區(qū)域總體發(fā)展反而得不償失。因此要實現(xiàn)區(qū)域的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展，避免片面追求局部利益，忽視整體利益，我們傾向于使用基于區(qū)域特色的可持續(xù)發(fā)展綜合評價方法。利用綜合性協(xié)調(diào)性評價，便于及時發(fā)現(xiàn)發(fā)展中的失衡問題。一旦出現(xiàn)不可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境資源問題，或是經(jīng)濟增長低效率問題時，就及時預(yù)警、適時干預(yù)，避免經(jīng)濟和社會發(fā)展中的大幅振蕩，保證經(jīng)濟的可持續(xù)長期發(fā)展[6]。

在可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域內(nèi)，人口、資源、經(jīng)濟、環(huán)境、科技的相互作用、相互制約構(gòu)成了一個動態(tài)開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)，如圖1所示。指標(biāo)體系建立的指導(dǎo)思想為立足本地實際，力求全面反映和度量可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)與內(nèi)涵。人民生活水平的不斷提高是可持續(xù)發(fā)展的目的，人類社會的發(fā)展歸根結(jié)底是以切實提高人民群眾的物質(zhì)文化水平為出發(fā)點和歸宿點；自然資源的永續(xù)利用是確保社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，特別是不可再生資源的合理高效利用是關(guān)鍵；社會經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展是其他子系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的有力保障，只有經(jīng)濟效益的提高才能保證和促進其他方面的發(fā)展；良好的自然生態(tài)環(huán)境是人類賴以生存的空間，是可持續(xù)發(fā)展的前提；科學(xué)技術(shù)的進步為人類社會的方方面面提供智力支持和有力工具，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的動力。根據(jù)以上原則，結(jié)合地區(qū)特點，制定滄州市可持續(xù)發(fā)展綜合評價指標(biāo)體系如表1所示。

表1 滄州市可持續(xù)發(fā)展評價指標(biāo)體系

四、判定矩陣確定及評價方法

層次分析法在多級目標(biāo)系統(tǒng)評價中有著廣泛的應(yīng)用，該方法采用的多層次分別賦權(quán)可避免大量指標(biāo)同時賦權(quán)時造成混亂和失誤，從而提高預(yù)測或評價的準(zhǔn)確性和簡便性。但目標(biāo)的權(quán)重確定問題始終是研究人員關(guān)注的重點問題之一。區(qū)域可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)綜合評價屬于多目標(biāo)決策問題，指標(biāo)的權(quán)重應(yīng)能反映其對整體可持續(xù)發(fā)展的重要程度。指標(biāo)權(quán)重的合理與否將直接影響綜合評價結(jié)果的正確性和科學(xué)性。

傳統(tǒng)AHP法的難點在于權(quán)重的確定缺乏統(tǒng)一的客觀標(biāo)準(zhǔn)，而且忽略了可持續(xù)發(fā)展的動態(tài)性。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自尋優(yōu)特性，且充分考慮系統(tǒng)自發(fā)展動態(tài)過程（各項指標(biāo)的歷史數(shù)據(jù)）的慣性影響，確定同一級指標(biāo)下各組成權(quán)重。人，特別是管理者，既是這一復(fù)雜系統(tǒng)的一部分，同時也是系統(tǒng)的調(diào)控者，其專家經(jīng)驗同樣不容忽視。結(jié)合專家對滄州特點（優(yōu)缺點）的已有經(jīng)驗，確定最終權(quán)重及各項指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)程度。在此基礎(chǔ)上利用AHP法，對滄州可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)進行綜合評價。

（一）數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.歸一化

為更好捕捉系統(tǒng)內(nèi)部各部分動態(tài)關(guān)系，輸入量xi，j采用增量形式。xi，j，σj分別為統(tǒng)計指標(biāo)的均值與方差，如下式所示。

2.平滑濾波

為去除統(tǒng)計誤差及上一統(tǒng)計期內(nèi)不確定因素的影響，采用濾波形式濾除干擾成分。濾波形式可采用一次濾波、二次濾波甚至高次濾波，其形式如下所示。

一次濾波

二次濾波

3.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)權(quán)值優(yōu)化

假設(shè)某一統(tǒng)計指標(biāo)的變化與同一層其他指標(biāo)之間隱含關(guān)系為確定但未知的非線性映射關(guān)系，我們利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BP網(wǎng)絡(luò)）來逼近這個關(guān)系，即利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求取某一指標(biāo)與其他同級指標(biāo)的關(guān)聯(lián)程度。如圖2所示，假設(shè)某一層指標(biāo)共ABC 3個，現(xiàn)求取ABC變化量對上層指標(biāo)D變化量的貢獻程度，即關(guān)聯(lián)程度 wAD，wBD，wCD，wDD，顯然 wDD=1。

4.歸一化

5.綜合判定權(quán)重

（二）層次分析法

在判定矩陣確定后，應(yīng)用AHP法的主要任務(wù)為確定層次權(quán)重值及一致性檢驗，計算層次組合權(quán)重，最后加權(quán)求和。各層次指標(biāo)子系統(tǒng)或指標(biāo)項的相對權(quán)重就是判定矩陣最大特征根及其對應(yīng)的特征向量，即WX=λX，其中W是判定矩陣，λ是特征根，X是特征向量，解出max｛λ｝及對應(yīng)的Xmax，將Xmax歸一化就得到各指標(biāo)項的權(quán)重值。

應(yīng)用AHP法的另一個重要環(huán)節(jié)是要進行一致性檢驗。對于一個具有完全一致性的互反判定矩陣而言，其最大特征根為分量個數(shù)，其余特征根均為零。若不具有完全一致性，則其最大特征根max｛λ｝＞n，此時需根據(jù)偏離程度及置信區(qū)間調(diào)整判定矩陣。

（三）本方法的特點

1.動態(tài)性。利用動態(tài)數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，既包含著當(dāng)前狀態(tài)信息，又體現(xiàn)了歷史動態(tài)信息。系統(tǒng)的輸入采用增量的形式，更便于分析動態(tài)發(fā)展趨勢。且隨著不同時期統(tǒng)計數(shù)據(jù)的不同，可以實現(xiàn)滾動優(yōu)化，在線調(diào)整。

2.綜合性。數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中數(shù)據(jù)濾波過程可以削弱不確定統(tǒng)計誤差及其他干擾的影響，且可得到指標(biāo)數(shù)據(jù)的歷史綜合信息；利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自尋優(yōu)的方法確定系統(tǒng)各個同級指標(biāo)的關(guān)聯(lián)程度，同時發(fā)揮專家對系統(tǒng)的認知優(yōu)勢，折中考慮權(quán)重。

3.針對性。針對滄州市本身特點指定的指標(biāo)體系及專家對本地區(qū)系統(tǒng)的深刻理解，對于考察滄州市可持續(xù)發(fā)展問題有較強的針對性。

（四）本方法的不足

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中利用誤差反傳方法得到輸入與輸出之間的優(yōu)化權(quán)值，但其精確度依賴于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的精確程度和樣本數(shù)據(jù)的數(shù)量。

（五）滄州市可持續(xù)發(fā)展評價實例

1993年，滄州地市合并后，充分發(fā)揮地域優(yōu)勢，揚長避短，滄州地區(qū)整體實力得到較大程度提升。在表1的指標(biāo)體系下，運用上述評價方法，既可實現(xiàn)子系統(tǒng)的評價，也可實現(xiàn)區(qū)域綜合可持續(xù)發(fā)展水平的評價。圖3、圖4分別為滄州市1993—2008年歸一化經(jīng)濟子系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展度和綜合可持續(xù)發(fā)展度評價結(jié)果。在目前社會發(fā)展形勢下，經(jīng)濟子系統(tǒng)不可避免地對區(qū)域綜合發(fā)展起著支撐作用，因此其權(quán)重較大，直接影響整體系統(tǒng)。預(yù)測結(jié)果也印證了這種關(guān)系。但近年來，對于環(huán)境和科教發(fā)展的政策傾斜也較好地彌補了原有經(jīng)濟發(fā)展模式對可持續(xù)發(fā)展水平帶來的負面沖擊。當(dāng)然，經(jīng)濟體制自身的適時調(diào)整和改革是解決問題的主要途徑，是維持可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

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