基于蟻群算法的生態(tài)工業(yè)園區(qū)環(huán)境效益評價

萬林葳

（中國礦業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，江蘇徐州 221008）

0 引言

生態(tài)工業(yè)園區(qū)最早是由美國經(jīng)濟(jì)學(xué)家Indigo教授于上世紀(jì)90年代提出的，隨后該思想先后在美國、日本、加拿大、英國等發(fā)達(dá)國家得到普遍推廣和應(yīng)用[1]。我國生態(tài)工業(yè)園區(qū)規(guī)劃與建設(shè)的系統(tǒng)性探索工作是從2000年前后開始的，截至2010年4月，我國已批準(zhǔn)建設(shè)的國家級生態(tài)工業(yè)示范園區(qū)就達(dá)36個，省級政府批準(zhǔn)設(shè)立的近120個?？偟膩碚f，生態(tài)工業(yè)園區(qū)就是將循環(huán)經(jīng)濟(jì)理論與工業(yè)生態(tài)學(xué)原理相結(jié)合，遵循清潔生產(chǎn)要求而建立的一種新型工業(yè)組織形態(tài)，其目標(biāo)是通過模擬自然系統(tǒng)中的“生產(chǎn)者——消費(fèi)者——分解者”的循環(huán)途徑，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)閉環(huán)循環(huán)和能量多級利用，盡量減少區(qū)域廢物，即園區(qū)內(nèi)不同的生產(chǎn)單位之間通過物質(zhì)交換、能量循環(huán)形成物質(zhì)能量的閉合回路，一個單位的副產(chǎn)品或廢棄物成為另一個單位的原材料得以從新投入生產(chǎn)，最終實(shí)現(xiàn)整個工業(yè)園區(qū)的污染物“零排放”。在不影響經(jīng)濟(jì)效益的同時，兼顧了環(huán)境效益與社會效益，它實(shí)現(xiàn)了物質(zhì)閉環(huán)循環(huán)和能量多級利用，最終達(dá)到物質(zhì)、能量的最大利用[2]。因此，在倡導(dǎo)生態(tài)文明的今天，生態(tài)工業(yè)園區(qū)憑借其協(xié)調(diào)的共生網(wǎng)絡(luò)體系以及閉合的物質(zhì)能量循環(huán)系統(tǒng)成為最具環(huán)保意義的綠色工業(yè)園區(qū)，它的發(fā)展和壯大在某種程度緩解了當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)的矛盾。為使我國生態(tài)工業(yè)園區(qū)得到長足發(fā)展，不斷提高其環(huán)境效益與可持續(xù)發(fā)展水平，一套科學(xué)、合理的環(huán)境效益評價體系和評價模型是必不可缺少的。本文借鑒蟻群算法，針對生態(tài)工業(yè)園區(qū)的特點(diǎn)構(gòu)建出環(huán)境效益評價模型，并以具體生態(tài)工業(yè)園區(qū)為例進(jìn)行實(shí)證研究。

1 蟻群算法建模思路[3-5]

蟻群算法（簡稱ACL）是由意大利學(xué)者Dorigo M.等人受自然界螞蟻的行為啟發(fā)而發(fā)展起來的一種新的啟發(fā)優(yōu)化算法。它是一種隨機(jī)搜索的方法，同其他啟發(fā)方式一樣，通過由候選解組成的群體的進(jìn)化過程來尋找最優(yōu)解。最初的蟻群算法研究起源于離散型優(yōu)化問題，本文研究的問題是將蟻群算法應(yīng)用于生態(tài)工業(yè)園區(qū)環(huán)境效益評價之中，屬于多參數(shù)連續(xù)函數(shù)優(yōu)化問題。

對于多參數(shù)連續(xù)函數(shù)優(yōu)化問題，首先要劃分參數(shù)節(jié)點(diǎn)以便于模擬實(shí)際螞蟻尋徑的行為，方法是在各參數(shù)Ag（g=1,2，…，g；g是待優(yōu)化參數(shù)數(shù)目）的取值范圍內(nèi)進(jìn)行劃分，按一定的方式對劃分的參數(shù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序和編號，并將劃分點(diǎn)成為參數(shù)節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 連續(xù)函數(shù)多參數(shù)優(yōu)化蟻群算法路徑圖

從圖1我們可以看出，與旅行商問題(TSP)建模不同，多參數(shù)優(yōu)化蟻群算法是將m只螞蟻均勻分布在A1定義范圍內(nèi)的參數(shù)點(diǎn)上，首次周游的螞蟻k由A1內(nèi)的參數(shù)節(jié)點(diǎn)i向A2定義域內(nèi)隨機(jī)確定的參數(shù)節(jié)點(diǎn)j移動。如果螞蟻k移動到A2域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)j時，它便進(jìn)行第二次隨機(jī)移動，即任意在A3定義域范圍內(nèi)選擇節(jié)點(diǎn)移動；按照這個法則無限進(jìn)行下去，直到螞蟻k的移動軌跡遍布了Ag個域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)，這整個過程完成了第一次游走并可以輸出相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值。在接下來的周游過程中，不同路徑的信息素濃度將會影響螞蟻k選擇不同的參數(shù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，在此期間，信息素的強(qiáng)度以及轉(zhuǎn)移的概率將會不斷更新。螞蟻k在T時刻從參數(shù)節(jié)點(diǎn)i轉(zhuǎn)移到節(jié)點(diǎn)j的概率可以表示為：

公式（1）中，allowedk={0，1，…，n-1}，tabuk（k=1,2，…，m）用以記憶螞蟻k當(dāng)前所經(jīng)過的參數(shù)節(jié)點(diǎn)，而-tabuk表示螞蟻k下一步允許選擇的參數(shù)節(jié)點(diǎn)，在整個評價過程中，可以集合tabuk隨進(jìn)化過程作動態(tài)調(diào)整。α為殘留信息的相對重要程度；β是期望值的相對重要程度。ηij為螞蟻從節(jié)點(diǎn)i游歷到節(jié)點(diǎn)j的期望程度，由共式（2）計(jì)算得出。

τij(i，j=1，2，…，P)代表參數(shù)節(jié)點(diǎn)i，j不同路徑之間的信息量，也稱為信息強(qiáng)度，用τij(0)=δ（較小的正數(shù)）表示。在最初時點(diǎn)，信息素的強(qiáng)度在每條路徑上是完全相同的，但是隨著時間的推移它會逐漸變小直至消失，我們用ρ表示信息保留程度，1-ρ則表示信息消失程度。蟻群每次周游結(jié)束之后，每條路徑上的信息強(qiáng)度便會根據(jù)公式（3）更新一次。

2 實(shí)證分析

2.1 數(shù)據(jù)樣本及指標(biāo)的優(yōu)化

當(dāng)前生態(tài)工業(yè)園區(qū)按照生產(chǎn)要素不同可以劃分為綜合類、行業(yè)類和靜脈產(chǎn)業(yè)類三種不同的類型[6]，本文以煤炭行業(yè)類生態(tài)工業(yè)園區(qū)為研究對象，運(yùn)用蟻群算法構(gòu)造模型對河南省中國平煤神馬能源化工集團(tuán)工業(yè)園區(qū)生態(tài)建設(shè)前后的環(huán)境效益進(jìn)行分析評價。

本文借鑒城市可持續(xù)發(fā)展評價指標(biāo)體系的構(gòu)建模式[7-8]，將生態(tài)工業(yè)園區(qū)環(huán)境效益評價體系分為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類、資源利用類、環(huán)境效果類以及經(jīng)濟(jì)效果類四大類指標(biāo)，從而體現(xiàn)生態(tài)工業(yè)園區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)、生態(tài)建設(shè)等多元目標(biāo)之間應(yīng)有的兼顧性。對煤炭類工業(yè)生態(tài)園區(qū)進(jìn)行環(huán)境效益綜合評價分析，指標(biāo)值均依靠礦區(qū)實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)經(jīng)處理后獲得。各級指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)需要經(jīng)過如下指數(shù)公式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)算，以便得到標(biāo)準(zhǔn)值。

公式（5）中，PIj表示各類發(fā)展指數(shù)(j=1，2，…，4)；αj和 βj表示各類指標(biāo)待優(yōu)化的參數(shù)（ αj∈[0，15]，βj∈[0，10]）；Kj表示各類中包括指標(biāo)的項(xiàng)數(shù)；xij表示第j類指標(biāo)中第i項(xiàng)指標(biāo)規(guī)范化后的數(shù)值；uij表示第j類指標(biāo)中第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)值，若取等權(quán)系數(shù)，則uij=1/Kj。

而總的環(huán)境效益評價公式可以表示為：

公式（6）中，PI為綜合指標(biāo)公式中待優(yōu)化參數(shù)；uj為綜合指標(biāo)中第j類指標(biāo)權(quán)值。

2.2 基于蟻群算法的生態(tài)工業(yè)園區(qū)環(huán)境效益評價過程及結(jié)果

首先可以根據(jù)螞蟻群分類指標(biāo)優(yōu)化公式（5）和總的境效益評價公式（6）構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)：

其中PIs為第s級目標(biāo)值，將目標(biāo)值在[0，10]區(qū)間按等比賦值，等差分級原則分為4級，各級分別為PIo1=0.8，PIo2=1.5，PIo3=4.8，PIo4=9.5。然后，將表1中的各類指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)值和相應(yīng)目標(biāo)值代入公式（1）和公式（8）進(jìn)行優(yōu)化處理，并運(yùn)用MATLAB語言進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。由于蟻群算法在環(huán)境效益評價的應(yīng)用中還處于探索階段，信息素增加強(qiáng)度Q、信息啟發(fā)因子λ、期望啟發(fā)因子γ和螞蟻總數(shù)m等有關(guān)參數(shù)的設(shè)定，尚無嚴(yán)格的理論依據(jù)，至今仍然沒有確定最優(yōu)參數(shù)組合的有效方法，一般情況下都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而定的。本模型中選擇各參數(shù)為：信息啟發(fā)因子λ=0.5；期望啟發(fā)因子γ=1；信息素?fù)]發(fā)系數(shù)?為=0.9，信息殘留因子1-?=0.1；蟻群數(shù)量為m=30，信息素增加強(qiáng)度Q=1，迭代次數(shù)k=60。最終用蟻群算法優(yōu)化得出各級標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類(PI1)、資源利用類(PI2)、環(huán)境效果類(PI3)和經(jīng)濟(jì)效果類(PI4)的單項(xiàng)指數(shù)公式如下：

分別將表1中分類環(huán)境效益指數(shù)中各級評價標(biāo)準(zhǔn)值和煤炭工業(yè)園區(qū)各類指標(biāo)值代入公式（8）～（11），得到四類生態(tài)工業(yè)園區(qū)環(huán)境效益指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)值以及2000年和2010年各類環(huán)境效益實(shí)際值（見表2）。將各類環(huán)境效益指標(biāo)的各級標(biāo)準(zhǔn)值代入公式（6），并滿足目標(biāo)函數(shù)（7），用蟻群算法優(yōu)化公式（6）中的參數(shù)α、β得出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類(PI1)、資源利用類(PI2)、環(huán)境效果類(PI3)和經(jīng)濟(jì)效果類(PI4)環(huán)境效益的綜合指數(shù)（PI）公式為：

表1 生態(tài)工業(yè)園區(qū)環(huán)境效益單項(xiàng)評價標(biāo)準(zhǔn)及標(biāo)準(zhǔn)值

分別將四類4級環(huán)境效益指標(biāo)值和生態(tài)工業(yè)園區(qū)各類指標(biāo)值代入公式（12），得出園區(qū)環(huán)境效益綜合分級標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)關(guān)系為：I級：(0，1.027]；II級(1.027，1.975]；III級(1.975，2.573]；IV級(2.573，3.806]。由此可以得到環(huán)境效

表2 各類環(huán)境效益指標(biāo)和綜合指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)及園區(qū)各類指標(biāo)值和綜合指標(biāo)值

由上表我們可以判定：2000年園區(qū)環(huán)境效益綜合評價為I級（低水平），經(jīng)過十年生態(tài)重建工作之后2010年園區(qū)效益綜合評價為III級(較高水平)。這說明該工業(yè)園區(qū)大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、實(shí)施塌陷土地復(fù)墾技術(shù)、清潔生產(chǎn)技術(shù)等一系列生態(tài)重建與修復(fù)措施卓有成效，切實(shí)可行，使得工業(yè)園區(qū)逐漸走上“環(huán)境友好型、資源節(jié)約型”可持續(xù)發(fā)展道路。

3 結(jié)論

（1）將蟻群算法應(yīng)用于生態(tài)工業(yè)園區(qū)環(huán)境效益分類指數(shù)模型和綜合指數(shù)評價模型的構(gòu)建之中，模型不受指標(biāo)體系中指標(biāo)個數(shù)的限制，容易操作，計(jì)算簡單易行。

（2）基于蟻群算法的環(huán)境效益評價模型綜合了層次分析法（AHP）與模糊數(shù)學(xué)（FUZZY）的優(yōu)點(diǎn)，在多目標(biāo)分析與決策時突破了指標(biāo)體系中指標(biāo)個數(shù)的限制，而且不需要對各指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重，整個評價過程無人為主觀色彩，評價結(jié)果更加客觀公正，表現(xiàn)出較強(qiáng)的通用性。

（3）縱觀國內(nèi)外文獻(xiàn)，目前針對行業(yè)類生態(tài)工業(yè)園區(qū)，尤其是煤炭工業(yè)類工業(yè)園區(qū)環(huán)境效益綜合評價指標(biāo)體系的研究方面還處于探索階段。因此，對其環(huán)境效益評價中涉及到的評價標(biāo)準(zhǔn)選擇、評價模型選取等問題尚缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，使評價質(zhì)量受到一定的影響。今后還應(yīng)大力加強(qiáng)行業(yè)類生態(tài)工業(yè)園區(qū)環(huán)境效益與可持續(xù)發(fā)展評價指標(biāo)體系的研究，逐步建立以提升生態(tài)工業(yè)園區(qū)環(huán)境效益為目標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)，將環(huán)境效益、社會效益、經(jīng)濟(jì)效益三者相結(jié)合，重點(diǎn)構(gòu)建行業(yè)類工業(yè)園區(qū)生態(tài)建設(shè)綜合效益評價指標(biāo)體系，并能有效地應(yīng)用于環(huán)境效益的評價實(shí)踐當(dāng)中。

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