基于智能遺傳算法與支持向量機的生態(tài)文明建設(shè)體系的研究

桂安琪　朱家明　王銳杰　孟　康

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基于智能遺傳算法與支持向量機的生態(tài)文明建設(shè)體系的研究

桂安琪1朱家明2王銳杰1孟康3

本文針對生態(tài)文明建設(shè)評價問題，運用層次分析法、模糊綜合評價法等方法，構(gòu)建出我國的生態(tài)文明建設(shè)評價體系，從而對我國生態(tài)文明建設(shè)程度進行了綜合評價；然后運用智能遺傳算法與最小二乘支持向量機這一先進的數(shù)學(xué)模型思想，建立出數(shù)學(xué)預(yù)測模型，成功預(yù)測了落后省市經(jīng)改進后生態(tài)文明建設(shè)情況，證明了其實施效果是有效的。

生態(tài)文明建設(shè)；模糊綜合評價模型；智能遺傳算法；支持向量機；MATLAB

一、引言

從黨的十七大第一次提出“建設(shè)生態(tài)文明”，以此作為全面建設(shè)小康社會的一項重要目標(biāo)開始，我國就踏上了全方位、多角度、省市聯(lián)動地建設(shè)生態(tài)文明的新征程。人類發(fā)展史的實踐表明，生態(tài)文明是有別于任何一種文明的嶄新文明形態(tài)，其產(chǎn)生和發(fā)展具有必然的歷史演進軌跡。人們所熟知的物質(zhì)，精神，政治等文明都是伴隨人類社會的發(fā)展而產(chǎn)生，惟有生態(tài)文明是現(xiàn)代工業(yè)高度發(fā)展階段的產(chǎn)物。而生態(tài)文明也不單單只是生態(tài)、環(huán)境領(lǐng)域的問題，它是人與自然、發(fā)展與環(huán)境、經(jīng)濟與社會、人與人之間關(guān)系協(xié)調(diào)、發(fā)展平衡、步入良性循環(huán)的理論與實踐，是人類社會跨入一個新的時代的標(biāo)志。因此，對于生態(tài)文明建設(shè)程度的評價體系的研究建立就顯得尤為重要了。一個城市或地區(qū)可以準(zhǔn)確的判斷出當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)文明的建設(shè)程度，對于清晰明了之后的發(fā)展方向和進度具有深遠意義。

二、生態(tài)文明建設(shè)程度的定量評價

(一)生態(tài)文明建設(shè)評價指標(biāo)的選取

為研究我國各省域生態(tài)文明建設(shè)程度，本文基于我國現(xiàn)有評價指標(biāo)中國省域生態(tài)文明建設(shè)評價指標(biāo)(ECCI)，并結(jié)合其他指標(biāo)體系[1]，剔除那些對指標(biāo)體系貢獻度不高的指標(biāo)，選入了一些通過分析認為貢獻度較高的指標(biāo)，如生態(tài)經(jīng)濟文明、生態(tài)環(huán)境文明、生態(tài)社會文明和生態(tài)意識文明等；并對三級指標(biāo)進行優(yōu)化，進而得到本文所使用的指標(biāo)體系。

(二)研究方法

1、主要指標(biāo)的選取

由于指標(biāo)體系中指標(biāo)過多，若全部分析必會給數(shù)據(jù)搜集工作帶來較大的麻煩，因此本文決定采用層次分析法，從上述指標(biāo)體系中篩選出權(quán)重較大的指標(biāo)。首先本文根據(jù)上述指標(biāo)體系建立了遞階層次結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)上下層元素間的隸屬關(guān)系構(gòu)造出判斷矩陣，其中二級指標(biāo)間的判斷矩陣如下：

在得到上述模糊判斷矩陣之后，對矩陣進行歸一化處理，然后求出判斷矩陣中各向量的最大特征值。最后通過一致性檢驗，得到了二、三級指標(biāo)的權(quán)重大小，其中生態(tài)文明綜合指數(shù)對生態(tài)經(jīng)濟文明，生態(tài)環(huán)境文明，生態(tài)社會文明，生態(tài)意識文明4個二級指標(biāo)的重視程度分別為:生態(tài)環(huán)境文明>生態(tài)經(jīng)濟文明>生態(tài)意識文明>生態(tài)社會文明。而三級指標(biāo)中人均GDP,城鎮(zhèn)居民可支配收入,基尼系數(shù)，污水處理率，森林覆蓋率，SO2排放量，失業(yè)率，基本社會保險覆蓋率，平均預(yù)期壽命，公共生態(tài)文明滿意度，恩格爾系數(shù)，財政性教育經(jīng)費占GDP比重這12個指標(biāo)是權(quán)重較大的，對評價體系影響較大的指標(biāo)。

2、模糊綜合評價方法

3、綜合評價模型的構(gòu)建

根據(jù)上述分析所得，本文建立了生態(tài)文明建設(shè)程度評價模型，具體如下：

三、對我國主要省域生態(tài)文明建設(shè)程度的研究分析

(一)研究思路

為了結(jié)合我國各省域生態(tài)文明的不同情況，需要對其進行評價分析。因此本文首先根據(jù)不同省市的所處的地域與經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r，選出10個最具代表性的省市，然后利用之前確定的12個指標(biāo)，通過查閱相關(guān)資料找出10個省市12個指標(biāo)最新的數(shù)據(jù)；最后，利用相對優(yōu)屬度評價的方法，求出各個省市的綜合評價激勵指數(shù)與綜合評價約束指數(shù)，排序分析。

(二)各省域生態(tài)建設(shè)情況的評價分析

根據(jù)相對偏差模糊矩陣評價方法，結(jié)合Fuzzy AHP方法模型中所求出的權(quán)重，能夠得到各個項目的風(fēng)險程度。利用EXCEL軟件對數(shù)據(jù)進行處理后，在得到激勵型矩陣之后通過數(shù)據(jù)加權(quán)求和可得到相應(yīng)指標(biāo)值。其中綜合評價激勵指數(shù)排序表如下所示：

表1　綜合評價激勵指數(shù)排序表

從上表我們可以得到，這十個省市中，北京、海南、云南等地區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)評價排名相對靠前，寧夏、山西、甘肅等地區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)評價排名相對靠后；重慶、安徽、上海、江蘇等省份生態(tài)文明建設(shè)評價排名居于中等。其排名靠前的省份一是由于社會發(fā)展程度高，經(jīng)濟發(fā)展水平高；另一些省份如云南是由于生態(tài)環(huán)境較好，生態(tài)資源基礎(chǔ)雄厚[3]；排名中等的省份，各項指標(biāo)處于中等水平；排名靠后的省份，大部分處于中部地區(qū)，相較而言，經(jīng)濟水平發(fā)展不高，環(huán)境也較脆弱。

四、基于智能遺傳算法與支持向量機的生態(tài)文明建設(shè)預(yù)測研究

(一)研究思路

根據(jù)上述研究分析發(fā)現(xiàn)，所研究的十個省市中其中山西省和甘肅省的生態(tài)文明建設(shè)程度最低。因此為了研究分析這兩個省份未來的生態(tài)文明建設(shè)程度，本文決定采用基于智能遺傳算法與支持向量機模型，并利用所收集的該兩省份近十年的數(shù)據(jù)對其未來生態(tài)文明建設(shè)程度進行預(yù)測，從而針對預(yù)測結(jié)果向該兩省份提出合理解決措施。

(二)研究方法

本文之所以采用基于智能遺傳算法與支持向量機模型來進行預(yù)測分析[4]，是考慮到常用的人口預(yù)測模型有人口自然增長法、線性回歸法(一元和多元)、灰色系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等等，這些方法一般在使用上有較大的局限性，不能很好地結(jié)合實際進行預(yù)測，而且在實際應(yīng)用中誤差較大。因此為了更科學(xué)、更準(zhǔn)確地預(yù)測某地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)程度，決定采用該模型。

1、支持向量回歸

一般支持向量回歸的函數(shù)形式為：

其中式中f(x)是一個高維的特征空間中的函數(shù),b是一個常數(shù)。w和b通過將下式最小化來求解:

通過引進核函數(shù),上述可以寫成如下形式：

2、智能遺傳算法

(1)設(shè)計適應(yīng)度函數(shù)

本文將負平均絕對百分誤差(MAPE)作為適應(yīng)度函數(shù)。平均絕對百分誤差定義為:

其中ai表示實際值,fi表示預(yù)測值,N是訓(xùn)練數(shù)據(jù)樣本的數(shù)目。

適應(yīng)度函數(shù)通常也稱為評價函數(shù),它是根據(jù)目標(biāo)函數(shù)所確定的用于區(qū)分群體中個體好壞的標(biāo)準(zhǔn),是進行自然選擇的唯一依據(jù)，也是算法演化過程的驅(qū)動力。

(2)設(shè)計正交實驗

(3)改進措施下的生態(tài)文明建設(shè)程度的預(yù)測

通過對兩省市近十年數(shù)據(jù)的收集，我們得到下表：

本文采用Matlab7.2編程，設(shè)定種群大小N=100;進化代數(shù)為500;交叉概率為0.5;變異概率為0.004 5。其中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[5]是三層根據(jù)Kolmogorov 定理隱節(jié)點數(shù)取m=2n+1,其中n 為輸入節(jié)點數(shù),這里取13 個隱節(jié)點,設(shè)定均方誤差為0.000 1,最大進化代數(shù)為3 000 次。并按照山西人均GDP年增長率不低于20%，SO2排放量年增長率不高于3.5%,公共生態(tài)文明滿意度年增長率不低于5%；甘肅人均GDP年增長率不能低于20%,森林覆蓋率年增長率不能低于10%，基本社會保險覆蓋率年增長率不能低于1%的條件下進行預(yù)測，經(jīng)計算后分別得到兩省未來在上述措施[6]下的生態(tài)文明建設(shè)程度。最終發(fā)現(xiàn)，2014—2023十年間，生態(tài)綜合約束指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，未來發(fā)展前景很樂觀。

五、結(jié)束語

本文在建立新的生態(tài)文明評價體系之前，參考查閱了相關(guān)資料，仔細研究了已有的比較常用的評價體系，剔除了部分影響不明顯、數(shù)據(jù)不容易收集的指標(biāo)，轉(zhuǎn)而用影響比例更大的指標(biāo)進行替換，并對評價體系的整個結(jié)構(gòu)進行了進一步的優(yōu)化，從而得到了本文中的最終的生態(tài)文明評價體系，該體系與之前的體系相比，數(shù)據(jù)來源更易獲得，分析的結(jié)果也更加準(zhǔn)確。另外，文章的重點研究課題在于利用建立的評價體系，對選出的我國具有代表性的10個城市的生態(tài)文明建設(shè)程度進行評價并提出改進建議，同時對這10個城市十年之后，是否按照改進建議進行的建設(shè)程度分別進行預(yù)測，并對預(yù)測結(jié)果進行比較。研究結(jié)果表明，經(jīng)濟條件較好或是先天生態(tài)較好的城市，通常生態(tài)文明的建設(shè)程度都相對高一些，相反地，經(jīng)濟條件落后或者先天環(huán)境較差的城市，生態(tài)文明建設(shè)的程度就會比較落后了；同時，按照改進建議進行建設(shè)的數(shù)據(jù)要明顯優(yōu)于未按照建議改進的建設(shè)程度。因此表明，評價體系有效，改進建議也是有效的。(作者單位：1.安徽財經(jīng)大學(xué)金融學(xué)院；2.安徽財經(jīng)大學(xué)統(tǒng)計與應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)院；3.安徽財經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院)

[1]張靜,夏海勇.生態(tài)文明指標(biāo)體系的構(gòu)建與評價方法[J].統(tǒng)計與決策,2009,21:60-63.

[2]嚴耕,林震,吳明紅.中國省域生態(tài)文明建設(shè)的進展與評價[J].中國行政管理,2013,10:7-12.

[3]田智宇,楊宏偉,戴彥德.我國生態(tài)文明建設(shè)評價指標(biāo)研究[J].中國能源,2013,11:9-13.

[4]楊繼奎.關(guān)于長江水質(zhì)污染預(yù)測的兩種數(shù)學(xué)模型[J].數(shù)學(xué)理論與應(yīng)用,2011,03:44-51.

[5]戴宏亮.基于智能遺傳算法與支持向量回歸的人口預(yù)測[J].計算機工程與應(yīng)用,2008,21:9-11+40.

[6]谷樹忠,胡詠君,周洪.生態(tài)文明建設(shè)的科學(xué)內(nèi)涵與基本路徑[J].資源科學(xué),2013,01:2-13.

桂安琪，女，安徽六安人，本科，安徽財經(jīng)大學(xué)金融學(xué)院，研究方向：金融學(xué)。

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201510378050)

朱家明，男，安徽泗縣人，碩士，安徽財經(jīng)大學(xué)統(tǒng)計與數(shù)學(xué)應(yīng)用學(xué)院，副教授，研究方向：應(yīng)用數(shù)學(xué)與數(shù)學(xué)建模。