基于模糊c-均值聚類評價城市工業(yè)企業(yè)發(fā)展水平

劉家保，汪田田，包啟鵬，劉一同，蔣 炎，李月洲

(1.安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230601；2.海南師范大學(xué)，海南 海口 570100)

基于模糊c-均值聚類評價城市工業(yè)企業(yè)發(fā)展水平

劉家保1，汪田田1，包啟鵬1，劉一同1，蔣 炎2，李月洲1

(1.安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230601；2.海南師范大學(xué)，海南 ?？?570100)

目的針對城市工業(yè)企業(yè)的能源消耗，建立數(shù)學(xué)模型對城市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及能源消費(fèi)特征進(jìn)行定量分析，并給出能源合理分配的建議。方法以C市為研究對象，通過建模競賽組委會提供的真實(shí)數(shù)據(jù)，由產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等得出衡量工業(yè)企業(yè)發(fā)展水平的主要因素：員工數(shù)和單位GDP能耗。運(yùn)用模糊c-均值聚類分析，將工業(yè)企業(yè)分成3大類，然后用3種貼近度函數(shù)判定樣本均值的類別。結(jié)果最后得出C城市工業(yè)企業(yè)大多為人數(shù)少、能耗高的技術(shù)集中型產(chǎn)業(yè)。結(jié)論C市雖然有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ珱]有順應(yīng)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，短時間內(nèi)收益高，長此以往，不僅會損壞當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)和資源，還會產(chǎn)生勞動力過剩等社會問題。

工業(yè)企業(yè)發(fā)展水平；模糊C均值聚類；貼近度函數(shù)；MATLAB

0 引 言

根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者的研究文獻(xiàn)，能源效率研究主要在于指標(biāo)的選取和計(jì)算這兩方面。一方面選取指標(biāo)必然涉及能源效率的概念從而確定其決定因素，另一方面測算的方式不同得到的結(jié)果及其意義也可能不同。所以選取指標(biāo)也就決定了計(jì)算方式。宏觀上可將能源效率研究分為單要素能源效率研究和全要素能源效率研究。較早期的學(xué)者大多采用前者進(jìn)行能源效率問題的分析，因此產(chǎn)生的分歧和爭議較多。目前國內(nèi)關(guān)于城市工業(yè)企業(yè)能源效率評價的研究主要是使用電子設(shè)計(jì)自動化(electronics design automation,EDA)的方法。

能源是國民經(jīng)濟(jì)的重要物質(zhì)基礎(chǔ),是工業(yè)企業(yè)發(fā)展的動力，但是過度的能耗，不利于經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1]。目前中國正處于經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展離不開能源，國家“十三五”發(fā)展規(guī)劃中明確提出要控制能源的消耗。對工業(yè)企業(yè)而言，能源消耗對其產(chǎn)值、利稅等有直接的影響[2]。能源的合理使用也與社會的穩(wěn)定發(fā)展息息相關(guān)[3]。本文通過對C城市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及能源消費(fèi)特征的定量分析，建立數(shù)學(xué)模型對C市的工業(yè)企業(yè)發(fā)展水平進(jìn)行綜合評價。為了分析該市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源消費(fèi)特征，對其進(jìn)行定量、賦予具體的值來比較。

1 模型的建立與求解

要評價C城市的工業(yè)企業(yè)發(fā)展水平，首先要抓住評價的重點(diǎn)：產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源消費(fèi)特征分析[4]。

產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有許多的分類方法，如兩大領(lǐng)域、兩大部類分類法、三次產(chǎn)業(yè)分類法、資源密集程度分類法。前兩種分類方法都將工業(yè)歸為同一類：按兩大領(lǐng)域、兩大部類分類法，工業(yè)屬于物質(zhì)資料生產(chǎn)部門；按三次產(chǎn)業(yè)分類法，工業(yè)屬于第二產(chǎn)業(yè)[5]。只有按資源密集程度分類才能反映出工業(yè)企業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)[6]。通過觀察相關(guān)數(shù)據(jù)得到企業(yè)的人數(shù)與這種分類方法有密切的聯(lián)系，選取工業(yè)企業(yè)的人數(shù)Pe作為研究產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)。

在中國，能源消費(fèi)特征主要體現(xiàn)在4個方面。第一，消費(fèi)模式：數(shù)量大、品種多、質(zhì)量好；第二，地區(qū)差異突出：山東最多、海南最少；第三，利用效率：彈性系數(shù)從大于1到小于1；第四，未來趨勢：集約節(jié)約利用[7]。一般情況下，在工業(yè)化進(jìn)程中，一個國家的單位GDP能耗會呈現(xiàn)出一種先快速上升然后緩慢下降的過程。由此可見，單位GDP能耗(產(chǎn)值能耗)是研究能源消費(fèi)特征的主要參量。定義產(chǎn)值能耗的計(jì)算式為

其中，Eu(i)代表第i個企業(yè)的產(chǎn)值能耗，Ec(i)代表第i個企業(yè)的綜合能耗，Pr為企業(yè)的現(xiàn)價產(chǎn)值。以企業(yè)人數(shù)Pe和單位GDP能耗Eu作為主要依據(jù)，利用模糊C均值聚類[8]對C城市的工業(yè)企業(yè)進(jìn)行分類。模糊c-均值聚類的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(2)

其中，dik=‖xk-vi‖為第k個序列到第i類中心的歐式距離，N為樣本數(shù)，C為聚類中心個數(shù)，u為隸屬度，Uik為k個樣本屬于第i類的隸屬度，V為聚類中心,Vi為第i類的聚類中心,m為系數(shù),本文取m=2。

步驟2：令迭代步數(shù)l=0，按照如下公式計(jì)算聚類中心：

步驟3：再根據(jù)以下公式對U進(jìn)行修正：

分類之后，利用3種不同的貼近度將企業(yè)人數(shù)和產(chǎn)值能耗的均值Pe、Eu作為樣本進(jìn)行判斷，再根據(jù)最大隸屬度原則確定其符合哪一種聚類中心。下面給出3種貼近度函數(shù)。

(1)海明貼近度[9]：

(2)歐幾里得貼近度[10]：

(3)最大最小貼近度[11]：

表1 聚類結(jié)果和類別特點(diǎn)

表2 貼近度判別結(jié)果

其中“∨”、“∧”分別為取大、取小運(yùn)算。首先，根據(jù)(1)式算出產(chǎn)值能耗Eu，將企業(yè)人數(shù)Pe和產(chǎn)值能耗作為X矩陣，利用模糊c-均值聚類[12]將其分為3類，見表1。

接著，算出企業(yè)人數(shù)和產(chǎn)值能耗的均值，并利用3種貼近度進(jìn)行判斷得到的結(jié)果(表2)。

由表2可知，3種貼近度的判斷結(jié)果一致，均認(rèn)為該城市的工業(yè)水平屬于第1類，其主要特點(diǎn)是人數(shù)較少、耗能較高。

然后，統(tǒng)計(jì)出每種類別企業(yè)人數(shù)和產(chǎn)值能耗總數(shù)，并計(jì)算出其所占的比例(表3、圖1)。

圖1 分類統(tǒng)計(jì)比例

類別人數(shù)產(chǎn)值耗能總數(shù)所占比例(%)總數(shù)所占比例(%)175203E+07735042087E+058933212702E+07124146066E+04978314405E+07140842080E+03089總和10231E+081000047114E+0510000

2 結(jié)果分析

通過對不同類別的企業(yè)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，城市C的大部分工業(yè)企業(yè)已經(jīng)發(fā)展到相對較高的階段：對勞動力的使用較少，而對能源的消耗較大，屬于技術(shù)密集型的高耗能企業(yè)。

3 結(jié)論與建議

從工業(yè)企業(yè)發(fā)展這一方面來看，該市具有無窮大的潛力，但并不能夠順應(yīng)國家可持續(xù)發(fā)展政策，在短時間內(nèi)可能會獲得較高的收益，但長此以往，不僅會在經(jīng)濟(jì)、資源等方面缺失，還會出現(xiàn)勞動力過剩。在能源總量控制的前提下，對城市工業(yè)企業(yè)進(jìn)行合理的能源分配，以提高能源利用效率和質(zhì)量是十分重要的。由此提出以下幾點(diǎn)建議[13]。

第一，實(shí)行企業(yè)轉(zhuǎn)型。鼓勵大企業(yè)進(jìn)行企業(yè)轉(zhuǎn)型，同時帶動小企業(yè)一起加大對技術(shù)工作的要求，實(shí)行社會主義工業(yè)企業(yè)技術(shù)化改革。

第二，合理安排勞動力。本文認(rèn)為合理安排該市的勞動力資源，應(yīng)該進(jìn)行其他產(chǎn)業(yè)勞動力分配，使各個行業(yè)的勞動力分配均勻，防止由于該市實(shí)行企業(yè)轉(zhuǎn)型導(dǎo)致員工下崗失業(yè)。

第三，發(fā)展創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)。因?yàn)樵摮鞘械膭趧恿Χ?，能源依賴過大，所以可適當(dāng)引進(jìn)外資，提高企業(yè)對外輸出力和品牌影響力，同時加強(qiáng)企業(yè)的創(chuàng)新能力，使企業(yè)獲得更多更環(huán)保的發(fā)展方式。

[1] 周德群，查冬蘭，周鵬.中國能源效率研究[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

[2] 袁菲菲.我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對能源消費(fèi)影響的研究[D].濟(jì)南：山東財(cái)經(jīng)大學(xué),2012.

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[責(zé)任編輯：劉志媛英文編輯：劉彥哲]

EvaluationofUrbanIndustrialEnterprise’sDevelopmentLevelBasedonFuzzyC-MeansClustering

LIUJia-bao1,WANGTian-tian1，BAOQi-peng1，LIUYi-tong1,JIANGYan2,LIYue-zhou1

(1.Anhui Jianzhu University，Hefei,Anhui 230601, China;2.Hainan Normol University,Haikou,Hainan 570100,China)

ObjectiveAiming at the energy consumption of urban industrial enterprises,the mathematical model is established to quantitatively analyze the urban industrial structure and energy consumption characteristics and give the reasonable allocation of energy.MethodsBased on the C city as the research object and the real data provided by the organizing committee of the competition,the main factors measuring the development level of the industrial enterprises were obtained from the industrial structure. They were the number of employees and the energy consumption per unit of GDP.By using fuzzy c-means clustering analysis,industrial enterprises were divided into three categories,and then the three close-degree function was used to determine the sample mean category.ResultsThe C city industrial enterprises were mostly small-sized,high energy consumption and high-tech industries.ConclusionAlthough the city has a huge potential for development,it does not conform to the sustainable development strategy.They can bring high income in a short term,but in the long run,not only will they damage the local economy and resources,but also produce surplus labor and other social problems.

industrial enterprise’s development level;fuzzy c-means clustering;close-degree function;MATLAB

來稿日期：2016-11-16

劉家保(1982-)，男，安徽六安人，安徽建筑大學(xué)教師，博士。研究方向?yàn)閺?fù)雜網(wǎng)絡(luò)、國論及其應(yīng)用。

TP 391

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2017.11.010