基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的京津冀城市群可持續(xù)發(fā)展綜合評價

孫 湛,馬海濤

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 中國科學(xué)院區(qū)域可持續(xù)發(fā)展分析與模擬重點實驗室,北京 100101

城市群作為我國區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略的核心,發(fā)揮著區(qū)域經(jīng)濟增長極的作用,中心城市的擴散和周邊城市的網(wǎng)絡(luò)化聯(lián)系共同推動當(dāng)?shù)貐^(qū)域的發(fā)展[1]。在城市群快速發(fā)展過程中,過度重視經(jīng)濟的發(fā)展,追求短期效益會導(dǎo)致出現(xiàn)城市之間惡性競爭[2]、城市內(nèi)生態(tài)環(huán)境污染[3]、能源利用率低下、基礎(chǔ)設(shè)施配套不足[4]、空氣污染[5]、水質(zhì)惡化[6]等城市生態(tài)風(fēng)險問題,以至于城市發(fā)展的不可持續(xù)[7]。在京津冀地區(qū),這些問題尤為顯著[8]。城市在大力發(fā)展經(jīng)濟的同時,也須貫徹落實可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,實現(xiàn)經(jīng)濟、社會和生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展,而科學(xué)的評估方法可以為城市制定具體的可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃。因此在全面了解城市發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,建立一套科學(xué)完備的指標(biāo)體系、運用科學(xué)合理的評測方法,評價京津冀城市群的可持續(xù)發(fā)展的基本態(tài)勢成為了亟待解決的問題。

聯(lián)合國世界與發(fā)展委員會在《我們共同的未來》報告中首次提出了可持續(xù)發(fā)展的概念,這一理念已經(jīng)逐漸成為了世界各個國家、城市發(fā)展的重要標(biāo)準(zhǔn)[9]。中國在《中國21世紀(jì)議程》中提出促進經(jīng)濟、社會、資源、環(huán)境相互協(xié)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)[10]。國內(nèi)外學(xué)者在對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展評價領(lǐng)域上進行了大量的探索,主要包括對單一城市的評價、對某一類型的城市進行評價以及城市可持續(xù)發(fā)展評價指標(biāo)體系的構(gòu)建等[11-14]。主要評價方法包括層次分析法、德爾菲法、生態(tài)足跡法等[15-16]。上述方法中層次分析法和德爾菲法需要依托專家打分,存在不同程度的主觀判斷,影響評價結(jié)果的科學(xué)性;生態(tài)足跡法較為科學(xué)且可操作性強,但是難以完整的反映系統(tǒng)的可持續(xù)性狀態(tài)[17]。

城市是一個集經(jīng)濟、社會、生態(tài)環(huán)境為一體的復(fù)雜系統(tǒng),城市之間存在異質(zhì)性,因此在對城市的可持續(xù)發(fā)展能力進行評價時應(yīng)綜合考慮綜合指標(biāo)因素?，F(xiàn)有的評價方式大多是線性映射,在面對多指標(biāo)、多因素系統(tǒng)這類的非線性系統(tǒng)時,無法做到綜合所有指標(biāo)做出評價。而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性映照能力,能夠以任意精度逼近任何非線性連續(xù)函數(shù)[18],從而做到在協(xié)調(diào)所有指標(biāo)的基礎(chǔ)上給出完整評價。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是大量簡單神經(jīng)元聯(lián)接而成的非線性復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),是基于模仿大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能而建立的一種信息處理系統(tǒng),能夠進行復(fù)雜邏輯操作和非線性化關(guān)系實現(xiàn)的非自然系統(tǒng)[18]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包含多種網(wǎng)絡(luò)類型,如SOFM網(wǎng)絡(luò)、BP網(wǎng)絡(luò)、RBF網(wǎng)絡(luò)等等,其中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)類型,這種網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的統(tǒng)計模型相比具有較強的容錯性、自適應(yīng)性、自組織性和魯棒性[19]。目前人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在模式識別、生物分類、預(yù)測預(yù)報以及評價等方面得到了較好的應(yīng)用,并逐漸擴展到資源可持續(xù)利用、區(qū)域綜合評價等領(lǐng)域,如李梅等運用BP網(wǎng)絡(luò)算法對水環(huán)境質(zhì)量進行了評價[20];陳守煜結(jié)合模糊數(shù)學(xué)和BP網(wǎng)絡(luò)兩種方法構(gòu)建了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并應(yīng)用于系統(tǒng)識別[21];許月卿等運用BP網(wǎng)絡(luò)對中國區(qū)域發(fā)展水平的差異進行了判定[22];李雙成以中國1996年31個省市(自治區(qū))的社會、經(jīng)濟、資源和環(huán)境狀況作為樣本,采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行了可持續(xù)發(fā)展區(qū)域差異的判定[23]等等。

為更全面地認識京津冀城市群的可持續(xù)發(fā)展水平及發(fā)展趨勢,本文從經(jīng)濟、社會、科技創(chuàng)新和生態(tài)環(huán)境4個方面著手構(gòu)建城市可持續(xù)發(fā)展評價指標(biāo)體系,選取該城市群2006—2015年10年間的18項指標(biāo)共計2340項數(shù)據(jù),通過熵值法確定各指標(biāo)的權(quán)重,運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法計算京津冀城市群13個城市的可持續(xù)發(fā)展水平,并對京津冀城市群各城市的可持續(xù)發(fā)展水平進行分類評價。

1 研究設(shè)計

1.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

京津冀城市群位于我國華北地區(qū),包括北京、天津兩大直轄市以及河北省內(nèi)的石家莊、保定、廊坊、唐山、邯鄲、邢臺、衡水、滄州、承德、秦皇島、張家口共11個地級市,國土面積21.8萬km2,2016年末城市群內(nèi)常住人口1.12億人,GDP總量達7.56萬億元,是中國北方經(jīng)濟體量最大的地區(qū)。目前京津冀城市群已經(jīng)成為我國繼長江三角洲城市群、珠江三角洲城市群之后的第三大世界級城市群[24]。

京津冀城市群這13個城市每一個城市都有其獨特的功能定位,而且能夠為區(qū)域的發(fā)展提供相應(yīng)的資源。北京作為國家首都,成為金融、商貿(mào)、高新技術(shù)等高端服務(wù)業(yè)的基地,是區(qū)域內(nèi)的經(jīng)濟和政治核心。天津、石家莊作為交通和貿(mào)易樞紐,連接整個京津冀城市群內(nèi)的經(jīng)濟聯(lián)系。河北省的其他城市則作為區(qū)域內(nèi)的資源供給地,如唐山、邢臺為區(qū)域提供礦產(chǎn)資源;張家口、秦皇島、承德保障了區(qū)域內(nèi)的淡水供應(yīng);張家口、廊坊、衡水等地區(qū)則是區(qū)域內(nèi)的蔬菜、肉類和部分鮮活農(nóng)產(chǎn)品的重要供應(yīng)基地?？沙掷m(xù)發(fā)展不只局限于經(jīng)濟和社會的發(fā)展,還包括生態(tài)、資源、環(huán)境等一系列要素,不同的功能定位決定了各個城市的發(fā)展重心,也決定了不同城市在不同子系統(tǒng)中的可持續(xù)發(fā)展能力的高低。在評價城市的可持續(xù)發(fā)展水平時要以宏觀性、綜合性、動態(tài)性、層次性為原則去構(gòu)建評價指標(biāo)體系。

本文采用的數(shù)據(jù)主要來源于《北京統(tǒng)計年鑒》(2007—2016)、《天津統(tǒng)計年鑒》(2007—2016)、《河北經(jīng)濟年鑒》(2007—2016)等,部分指標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)過原始數(shù)據(jù)計算后得到。

1.2 研究方法

(1)熵值法

采用熵值法進行城市群可持續(xù)發(fā)展水平的綜合測度可以有效避免人工確定指標(biāo)權(quán)重的主觀性。用熵值的思想確定各個子系統(tǒng)內(nèi)指標(biāo)的變異程度,也即各個指標(biāo)的權(quán)重[25]。指標(biāo)的熵值越大,表明該指標(biāo)的變異程度越大,那么該指標(biāo)在本次評價中起到的作用也越大。具體公式如下:

在n個城市共計p個指標(biāo)中,首先歸一化處理:

正向指標(biāo):

(1)

逆向指標(biāo):

(2)

式中,xij表示第i個第地區(qū)中第j項評價指標(biāo)的數(shù)值;max{xij}、min{xij}分別表示第i個第地區(qū)中第j項評價指標(biāo)的最大值和最小值。

計算第i個第地區(qū)中第j項指標(biāo)的比重:

(3)

計算指標(biāo)的信息熵值:

(4)

計算指標(biāo)j的信息效用值:

gj=1-ej

(5)

計算指標(biāo)xj的權(quán)重:

(6)

(2) BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

誤差反向傳播方法BP網(wǎng)絡(luò)(Back Propagation)是一種多層狀型的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)由輸入層、輸出層和隱含層構(gòu)成,每一層都包含若干個神經(jīng)元,層與層之間通過連接權(quán)重相互關(guān)聯(lián),同一層的神經(jīng)元之間相互獨立。BP網(wǎng)絡(luò)模型是一種監(jiān)督性網(wǎng)絡(luò)類型,輸入信號xi先向前傳播到隱含層,經(jīng)過作用函數(shù)后把隱含層的輸出信息傳播到輸出層yj,最后給出輸出結(jié)果[22](圖1)。

圖1 BP網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1 Topology schematic diagram of back propagation neural network

本文采用的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是在MATLAB環(huán)境下,采用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱中的函數(shù)編程求解。MATLAB的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱提供了初始化權(quán)值、學(xué)習(xí)和訓(xùn)練等函數(shù),可以構(gòu)建出任意輸入、輸出神經(jīng)元和隱含層的BP 網(wǎng)絡(luò)[18]。在本研究中,將城市可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)值作為輸入樣本,評價級別作為網(wǎng)絡(luò)輸出,BP網(wǎng)絡(luò)通過不斷學(xué)習(xí),找到評價指標(biāo)與評價級別之間復(fù)雜的內(nèi)在對應(yīng)聯(lián)系,利用此網(wǎng)絡(luò)模型可以進行城市可持續(xù)發(fā)展水平的綜合評價。

考慮到區(qū)域可持續(xù)發(fā)展綜合評價的大多數(shù)指標(biāo)很難確定其最佳范圍,并且運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價城市可持續(xù)發(fā)展能力的研究目前沒有通用的評價標(biāo)準(zhǔn),故本文根據(jù)樣本數(shù)據(jù)的值域區(qū)間,運用線性內(nèi)插的方式設(shè)定影響等級,將可持續(xù)發(fā)展水平分為四級,Ⅰ表示可持續(xù)發(fā)展水平低、Ⅱ表示可持續(xù)發(fā)展水平較低、Ⅲ表示可持續(xù)發(fā)展水平較高、Ⅳ表示可持續(xù)發(fā)展水平高,并加入熵值法確定的指標(biāo)權(quán)重,完成構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的評價網(wǎng)絡(luò)。同時構(gòu)建拓撲結(jié)構(gòu)為18×5×1的訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò),其中輸入層節(jié)點u1-u18共18個,隱含層節(jié)點為5個[22],輸出層1個節(jié)點s(圖2)。設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值為[0,1]之間的隨機數(shù),基本學(xué)習(xí)速率為0.1,動量參數(shù)為0.4;最大訓(xùn)練批次為10000次,最大誤差為0.01,訓(xùn)練至網(wǎng)絡(luò)收斂,完成BP網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。將歸一化的各個城市各項指標(biāo)的數(shù)據(jù)矩陣輸入到訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)中,輸出的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)在[0,4]之間。

圖2 可持續(xù)發(fā)展水平的BP網(wǎng)絡(luò)模型 Fig.2 Back propagation neural network model for sustainable development level

1.3 指標(biāo)體系建立

在指標(biāo)體系的建立上,不同國家不同地區(qū)有著不同的評判標(biāo)準(zhǔn)。如英國政府發(fā)布的城市可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)分為五大類,分別是可持續(xù)的生產(chǎn)和消費、氣候轉(zhuǎn)變和能源、自然資源和環(huán)境保護以及可持續(xù)發(fā)展的社區(qū)與世界平等[26]。美國國家環(huán)保局建立的可持續(xù)發(fā)展綜合指標(biāo)體系包括經(jīng)濟、教育、環(huán)境、政府、健康、居住、人口、公共安全、娛樂、資源利用、社會和人類共12大類[27]。中國國家統(tǒng)計局和中國21世紀(jì)議程管理中心提出了中國可持續(xù)發(fā)展的指標(biāo)體系中包括經(jīng)濟、資源、環(huán)境、社會、人口和科教共6大類[10,28]。國內(nèi)學(xué)者在可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)的構(gòu)建上也有不同的見解。如王祥榮[29]、趙國杰[30]、李雙成[23]等均在城市可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)構(gòu)建上做出貢獻。

雖然不同學(xué)者在評價城市可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)的選取上有所差異,但都認為城市是有社會、經(jīng)濟、生態(tài)3個基本要素相互作用,相互制約而形成的復(fù)雜的系統(tǒng)[31],在評價城市的可持續(xù)發(fā)展能力上,社會,經(jīng)濟、生態(tài)是三大重要的指標(biāo)[32]。而在當(dāng)今時代,科學(xué)的發(fā)展是城市能否進步的前提[33],創(chuàng)新是城市可持續(xù)發(fā)展的動力[34]。綜合前文提到的不同國家的國家標(biāo)準(zhǔn)以及學(xué)者的見解,本文提出應(yīng)該從經(jīng)濟、社會、科技創(chuàng)新、生態(tài)環(huán)境四類子系統(tǒng)對城市群的可持續(xù)發(fā)展進行測度評判。綜上構(gòu)建京津冀城市群可持續(xù)發(fā)展綜合評價指標(biāo)體系(表1)。

該指標(biāo)體系由經(jīng)濟發(fā)展、社會發(fā)展、科技創(chuàng)新和生態(tài)環(huán)境4個子系統(tǒng)組成,考慮數(shù)據(jù)的科學(xué)性與可獲取性,選取了18個三級指標(biāo)。其中經(jīng)濟發(fā)展子系統(tǒng)是可持續(xù)發(fā)展的前提和基礎(chǔ),分為人均GDP、人均財政收入、人均社會固定資產(chǎn)投資、人均進出口總額、GDP增速共5個三級指標(biāo);社會發(fā)展子系統(tǒng)分為城鎮(zhèn)化水平、人口綜合增長率、平均工資、人均衛(wèi)生機構(gòu)床數(shù)、人均公路里程數(shù)共5個三級指標(biāo);科技創(chuàng)新子系統(tǒng)分為科研投入、萬人在校大學(xué)生數(shù)、平均受教育年限、互聯(lián)網(wǎng)戶數(shù)共4個三級指標(biāo);生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)分為人均水資源、人均綠地面積、廢水處理率、單位GDP能耗共4個三級指標(biāo)。

表1 京津冀地區(qū)可持續(xù)發(fā)展水平綜合指標(biāo)體系

2 結(jié)果與分析

2.1 可持續(xù)發(fā)展水平時間序列

運用熵值法計算出京津冀城市群2006—2015年10年間逐年的客觀權(quán)重,取均值得到城市群可持續(xù)發(fā)展測度指標(biāo)的權(quán)重(表2)。

根據(jù)樣本數(shù)據(jù)中各項指標(biāo)的最大值與最小值,歸一化后運用線性內(nèi)插的方式設(shè)定影響等級,構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)(表3),其中每一縱列為每一個子系統(tǒng)中所包含的三級指標(biāo),各項指標(biāo)均為最高值1時則為最高等級可持續(xù)發(fā)展水平,均為最低值時為最低等級可持續(xù)發(fā)展水平。

將歸一化后的城市各項指標(biāo)數(shù)據(jù)輸入訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)并運行至最大批次后,得到京津冀13個城市的可持續(xù)發(fā)展4個子系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)以及綜合指數(shù),以其為縱軸、時間為橫軸,做出其可持續(xù)發(fā)展水平的時序圖(圖3)。

在2006—2015年這10年間,京津冀地區(qū)城市的各類發(fā)展指數(shù)較為穩(wěn)定。從經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展指數(shù)來看,多數(shù)城市的指數(shù)變化較為穩(wěn)定。其中北京和天津有輕微下降的趨勢,分別從2005年的3.88和3.15降到2015年的3.55和2.81,降低幅度不大。唐山、石家莊、廊坊和滄州的經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展指數(shù)上升幅度較大,河北省其他城市的經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展指數(shù)在上下波動中相對穩(wěn)定的態(tài)勢。

從社會可持續(xù)發(fā)展指數(shù)來看,北京和天津呈現(xiàn)出逐年下降的趨勢,分別從2005年的3.70和3.07降低到2015年的2.70和2.92,下降幅度較大,說明北京和天津的社會發(fā)展的可持續(xù)發(fā)展水平逐年下降。由于北京和天津市京津冀城市群的核心城市,大量的人口涌入這兩座城市中,導(dǎo)致城市有限的的資源分攤在不斷增加的人口上,人均受到的社會福利待遇降低,社會可持續(xù)發(fā)展能力下降。河北省城市社會發(fā)展指數(shù)相對穩(wěn)定,在近年來呈現(xiàn)出上升的趨勢。

表2 京津冀地區(qū)可持續(xù)發(fā)展綜合測度指標(biāo)權(quán)重

表3 城市可持續(xù)發(fā)展水平BP網(wǎng)絡(luò)評價標(biāo)準(zhǔn)

從科技創(chuàng)新指數(shù)來看,北京的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)一枝獨秀,遠高于其他城市,且變化相對穩(wěn)定。天津排在第二位,并且呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢。天津的經(jīng)濟發(fā)展水平更高、經(jīng)濟實力強大,且近年來天津一直積極發(fā)展“雙創(chuàng)”事業(yè),政府鼓勵、扶持創(chuàng)新產(chǎn)業(yè),以及《科技創(chuàng)新“十三五”規(guī)劃》的實施,使得天津的科技創(chuàng)新可持續(xù)發(fā)展能力逐年上升。河北省內(nèi)排名靠前的是石家莊和秦皇島,其余城市的指數(shù)差距不大,且年變化較為穩(wěn)定。在生態(tài)環(huán)境方面,承德和張家口的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)最高,雖有波動但整體趨勢較為穩(wěn)定。北京的生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展指數(shù)居中,且在近年來呈現(xiàn)出上升趨勢,說明在近年來,北京注重于生態(tài)環(huán)境的治理,如“疏解整治促提升”專項行動、清潔空氣行動計劃、垃圾處理、河長制、水環(huán)境和水污染治理、緩解交通擁堵等九類責(zé)任書的簽訂以及一系列環(huán)境治理整頓的行為,均為北京的生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展能力的提升做出貢獻。衡水、秦皇島和北京位于第二梯隊,其余城市位于第三梯隊,年變化相對穩(wěn)定。

圖3 京津冀城市群各子系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)動態(tài)變化 Fig.3 Dynamic changes of subsystem scores of urban sustainability in Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration

從城市可持續(xù)發(fā)展綜合水平(圖4)來看,京津冀城市群內(nèi)13個城市可持續(xù)發(fā)展表現(xiàn)為如下兩個方面的特點:①各城市的可持續(xù)發(fā)展綜合水平具有較大差異:2006—2015年綜合可持續(xù)發(fā)展指數(shù)以北京為最高,表明2006—2015年北京可持續(xù)發(fā)展水平在京津冀地區(qū)居首位,其次是天津,北京和天津可持續(xù)發(fā)展指數(shù)遠高于河北省內(nèi)城市;②從時間序列來看,各個城市的可持續(xù)發(fā)展水平發(fā)展趨勢雖有小幅波動,但總體上較為平穩(wěn)。北京可持續(xù)發(fā)展指數(shù)呈現(xiàn)出輕微下降的趨勢,天津及河北省內(nèi)城市均呈現(xiàn)出上升的趨勢,反映了京津冀城市群中大型城市的可持續(xù)發(fā)展面臨著巨大壓力。

圖4 京津冀地區(qū)可持續(xù)發(fā)展綜合水平動態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes in the comprehensive level of sustainable development in Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration

2.2 可持續(xù)發(fā)展水平分類

從子系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展水平(圖5)來看,北京和天津處在經(jīng)濟和社會子系統(tǒng)的首位,且在2006—2015年間這一特點始終存在。說明在京津冀地區(qū),北京和天津在經(jīng)濟和社會方面的發(fā)展要優(yōu)于河北省,作為區(qū)域經(jīng)濟核心的地位穩(wěn)定不動搖。北京在經(jīng)濟、社會、科技創(chuàng)新子系統(tǒng)中都是位于高可持續(xù)發(fā)展水平,主要是由于北京內(nèi)有著眾多的高校和研究院所,聚集著大量的大學(xué)生與科研工作者,科技創(chuàng)新能力強。但在生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)中屬于較高水平,這是由于北京的資源儲量較大,人口基數(shù)大,從而導(dǎo)致人均資源較少,因此其資源環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展水平處在較高的位置上;天津在經(jīng)濟和社會兩個系統(tǒng)中處于高水平,在科技創(chuàng)新子系統(tǒng)中屬于較高水平;張家口和承德在生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)中是高可持續(xù)發(fā)展水平,這是由于承德和張家口是京津冀地區(qū)的水資源涵養(yǎng)地,同時也是京津冀地區(qū)的生態(tài)屏障和綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)基地,生態(tài)環(huán)境良好,且有著大量的自然資源,故這兩座城市的資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展能力較強。但是在其他子系統(tǒng)中的可持續(xù)發(fā)展水平一般。在生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)中,北京、滄州處于較高水平,而邯鄲、邢臺、衡水和石家莊則處于低水平低位。唐山、秦皇島和廊坊各個子系統(tǒng)中幾乎處于較高水平低位,保定、衡水總體上是較低水平,邯鄲和邢臺處于低水平。從不同子系統(tǒng)的排名中可以看出,京津冀城市群中不同城市由于不同的資源優(yōu)勢導(dǎo)致不同子系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力有所差異。因此在城市群的發(fā)展中應(yīng)該發(fā)揮各個城市的比較優(yōu)勢,合理分工,形成合理,取長補短,實現(xiàn)協(xié)調(diào)發(fā)展。

從2015年京津冀城市群可持續(xù)發(fā)展綜合水平(圖6)可以看出,處在高可持續(xù)發(fā)展水平有北京和天津;位于較高可持續(xù)發(fā)展水平的有石家莊、唐山、秦皇島、張家口、承德、滄州、廊坊;位于較低可持續(xù)發(fā)展水平的是衡水、保定;處在低可持續(xù)發(fā)展水平的是邯鄲和邢臺。

圖5 2015年京津冀城市群子系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展水平分類結(jié)果Fig.5 Classification results of the level of sub system sustainable development in Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration(2015)

圖6 2015年京津冀地區(qū)綜合可持續(xù)發(fā)展水平分類結(jié)果 Fig.6 Classification results of the level of comprehensive sustainable development in Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration(2015)

從空間分布來看,京津冀地區(qū)可持續(xù)發(fā)展水平呈現(xiàn)出“中高北平南低”的格局?？沙掷m(xù)發(fā)展水平以京、津兩市為最高,處在較高可持續(xù)發(fā)展水平的城市多集中于京津冀城市群的北部,且除了河北省會石家莊外均與京、津兩市接壤。較低可持續(xù)發(fā)展水平的保定和衡水距北京和天津的距離較遠,而位于京津冀地區(qū)南部邊緣的邢臺和邯鄲則是低可持續(xù)發(fā)展水平的城市?？沙掷m(xù)發(fā)展水平的地理分布反應(yīng)了一座城市的地理位置的優(yōu)劣也影響著可持續(xù)發(fā)展水平的高低。這里所說的地理位置優(yōu)越指與核心城市的距離較近,交通便利,利于貿(mào)易、經(jīng)濟、資源等的往來,利于人口流動,保持經(jīng)濟活力。相反,如果距離核心城市較遠,不利于城市之間的交流,就會使城市內(nèi)的經(jīng)濟、資源等逐漸閉塞,不利于可持續(xù)發(fā)展。

3 結(jié)論與討論

本文運用熵值法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對2006—2015年京津冀地區(qū)13個城市的可持續(xù)發(fā)展水平進行綜合評價與水平分類。得到如下結(jié)論:(1)經(jīng)濟較發(fā)達的城市(如北京、天津)在各個子系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力方面也表現(xiàn)出較高的水平。但是隨著時間的推移,大城市的可持續(xù)發(fā)展能力出現(xiàn)下滑。大型城市在發(fā)展過程中,吸引了大量的人口流入,在帶來了人力資源的同時也分攤了有限的自然資源和社會資源,導(dǎo)致大城市的可持續(xù)發(fā)展面臨著巨大壓力;(2)城市的地理位置對其可持續(xù)發(fā)展的能力水平有一定的影響。處于較高可持續(xù)發(fā)展的城市除石家莊外均在北京、天津的周邊,處于低可持續(xù)發(fā)展的城市均在京津冀城市群的南部邊緣地區(qū)。優(yōu)越的地理位置對于推動城市的經(jīng)濟、貿(mào)易、設(shè)施建設(shè)、環(huán)境治理等等綜合實力的發(fā)展有一定的影響;(3)城市群地區(qū)內(nèi)的各個城市在經(jīng)濟、社會、科技創(chuàng)新、生態(tài)環(huán)境等各個方面中分別存在著優(yōu)勢和劣勢。如承德和張家口雖然在經(jīng)濟社會方面較為落后,但是在生態(tài)環(huán)境方面卻有著巨大的優(yōu)勢;而石家莊雖然在經(jīng)濟社會方面較為領(lǐng)先,然而在生態(tài)建設(shè)、污染控制方面上存在不足,導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境方面可持續(xù)發(fā)展水平較低。因此在追求城市發(fā)展時,需要考慮自身的優(yōu)勢與不足,因地制宜地制定合理、科學(xué)的發(fā)展對策。

本文所采用的熵值法和BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法均有效的避免了人工確定指標(biāo)帶來的主觀性,評價客觀合理,并且BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有高度非線性映射功能,在對京津冀地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展水平進行分類時,科學(xué)的分成了4個層次,結(jié)果較為理想。不足的是本次研究所選取的樣本數(shù)量較少,因此BP網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練時只用了較少的次數(shù)就達到了收斂,故訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性不夠強。若加大訓(xùn)練樣本量,如選取全國市域范圍內(nèi)逐年的數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練,可以使構(gòu)建的訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)具有更強的適應(yīng)性,從而實現(xiàn)更準(zhǔn)確的分類以及預(yù)測。