基于AHP-GEM模型的工业低碳发展评价

张纪录

0 引言

“九省通衢”的武汉市是典型的重化工业集聚型城市，也是我国工业最发达的城市之一。近年来，随着工业化进程的不断推进，以重化工为特色的经济增长模式带来了巨大的化石能源消耗和温室气体排放。作为国家“两型社会”的试点城市和中部地区的龙头城市，如何科学地评价工业的低碳发展并合理选择具有低碳前景的工业部门成为武汉市产业经济发展的一项重要课题。当前，低碳产业仍是一个新兴的概念，对产业的低碳发展评价也是一个全新的课题，从理论到实践都缺乏一套权威的统计评价方法。为此，本文结合传统的AHP和GEM决策评价模型，各取优点，从产业的经济效益、能源消费、二氧化碳排放、环境治理等方面设计低碳评价指标体系，并建立工业部门低碳发展评价的AHP-GEM模型。同时，以武汉市工业行业为例进行实证评价研究，以期为我国工业的低碳化发展评价提供一种新的统计方法，也为武汉市工业低碳化升级和发展提供理论依据。

1 工业低碳发展AHP-GEM评价模型的构建

在决策评价的研究方法上，AHP（层次分析法）和GEM（群组决策特征根法）都是应用较为广泛的统计方法，两者由于在标度、算法及适用性等方面各具优劣而受到不同学者的推崇。本文尝试建立工业低碳发展的AHP-GEM模型，一方面保留AHP中工业低碳发展指标的递阶层次结构模型，另一方面基于GEM模型构建专家评分矩阵并确定指标权重，从而更加科学、准确地建立工业低碳发展的指标体系和评价模型。

1.1 选取评价指标并建立AHP递阶层次结构

在低碳经济背景下，产业的发展不仅仅要注重经济效益，更加要强调生态环境效益。基于数据的可得性及完备性、科学性的指标选取原则，本文从工业部门的经济产值、能源消费、二氧化碳排放及环境治理等4个方面筛选出综合反映产业经济及资源环境状况的9项指标如表1所示。

表1 工业行业低碳化评价指标的选取及属性

产业的经济发展方面，行业总产值或增加值以及规模以上企业个数是常见的衡量产业经济效益和发展水平的重要指标，其总产值或增加值越大，企业个数越多，则说明该行业的经济效益和经济规模越优。

能源消费方面，一次能源消费总量反映的是一个行业对煤炭、石油和天然气的绝对消费量。而能源消费强度反映的是单位GDP的能源利用效率，其值越小，则说明该行业生产活动中对能源的利用程度越高，发展低碳经济的基础越好。

碳排放指标方面，二氧化碳排放总量反映了一个行业碳排放的整体状况，而碳强度衡量的是单位GDP的碳生产效率，它是目前国际社会制定碳减排目标的有效指标，其值越小，说明碳利用效率越高。由于我国目前尚未公布区域的碳排放数据，因此这两个指标依据IPCC（2006）提供的碳排放测算方法估算得出[6]：

上式中，TEi表示第i种能源的消费量，csi表示第i种能源未被氧化的比率，其值一般为0；efi和Oi分别表示第i种能源的含碳量和氧化率。为避免重复计算，本文只考虑一次能源煤、石油和天然气，其建议排放系数和氧化率如表2所示。

表2 各种能源的含碳量及氧化率

在低碳环境治理方面，选取行业的节能减排力度和资源利用化程度进行衡量。这两者均属于定性指标，节能减排力度越大或资源的利用化程度越高，则说明行业的低碳发展潜力越大。

为便于分析，本文依照《中国统计年鉴》的行业分类准则及行业特性将38个工业部门合并为11类（见表3），并分别定义为C1、C2……C11。同时，将表1中的4类综合指标分别定义为B1、B2、B3和B4，自上而下设计工业低碳发展评价的目标层A、准则层B和方案层C，并构建相应的AHP递阶层次结构模型如图1所示。

表3 工业部门分类结果

图1 工业低碳化发展评价的AHP递阶层次结构模型

1.2 构造GEM专家评分矩阵并确定指标权重

假设在一个群组中存在m个专家Si(i=1,2...,m)，每位专家可凭借自身的专业水平、实际经验等对准则层Bj(j=1,2...,n)相对于目标层A的重要性进行打分，并组成m*n阶评分矩阵：

其中，ij表示第i个专家Si对第 j个待评目标Bj的评分值。xij值越大，说明对研究目标的评价越优。依据各指标的相对重要性，本文采用1～5分评分法进行专家打分（见表4）。

表4 1～5分评分法

在专家评分矩阵（2）的基础上，可以得到准则层B对于目标层A的相对权重以及方案层C对于准则层B的相对权重。假设存在一个决策水平最高的理想专家，使其评分向量与其他专家个体间的差异最小，则该向量就是所求的最优评分向量。根据邱苑华（1997）提出的计算方法[3]，记矩阵F=XTX，则F的最大特征根所对应的特征向量就是最优评分向量x*i。在精度要求为ε的条件下，向量x*i可通过用数值代数中的幂法求出：

（2）令 k=1,2,…,则：

（3）用 | zk→zk+1|表示zk与zk+1对应分量之差的绝对值最大者，判断 | zk→zk+1|＜ε。若满足条件，则zk+1即为所求的x∗；否则转入步骤（2）。

依据以上模型所计算出来的理想专家的评分，即是各指标的相对权重。最后，根据方案层各指标对于目标层A的组合权重，可以确定指标评价的最终排序。

2 工业低碳发展评价实证

2.1 指标权重的确定

基于图1中的工业低碳发展评价指标体系，本文采用上述AHP-GEM评价方法对武汉市工业产业的低碳化发展进行实证研究。为使评价结果更全面、准确，本文从专家的专业水平、经验、知识面和综合能力等方面综合选取4位专家组成专家小组，并依据5分评分法分别对准则层B1、B2、B3和B4相对于目标层的重要性打分，结果如表5所示。

表5 专家评分表

根据公式（2）～（4），令精度要求ε=0.005，利用MATLAB软件进行迭代运算可得出结论：

（1）在满足 | zk→zk+1|＜0.005的条件下，基准层Bj(j=1,2,3,4)对目标层 A的权向量X=(0.7048,0.4182,0.3919,0.4182)，将其进行归一化处理得：

wB-A=(0.3646,0.2163,0.2027,0.2163)T

（2）类似地，方案层Cj(j=1,2,...,11)对基准层B，即武汉市11个工业行业在经济发展、能源消费、碳排放及环境治理方面的得分权向量为：

wC-B1=(0.0561,0.068,0.0607,0.0803,0.0553,0.1095,0.116,0.1351,0.1351,0.1351,0.0489)

wc-B2=(0.1139,0.0462,0.0675,0.1023,0.0623,0.1282,0.0616,0.134,0.1224,0.1208,0.0408)

wc-B3=（0.0789,0.0497,0.0506,0.0923,0.0715,0.0995,0.1074,0.1427,0.1143,0.086,0.107）

wc-B4=(0.0644,0.0493,0.0654,0.0823,0.0886,0.1047,0.0651,0.1459,0.1221,0.0654,0.1467）

（3）综合得出方案层各指标Cj(j=1,2,...,11)相对于目标层A的组合权重：

wC-A=(0.075,0.0555,0.0611,0.0879,0.0673,0.1105,0.0915,0.1387,0.1253,0.107,0.0801)

2.2 评价结果分析

为便于分析，将上述指标权重的计算结果进行整合并排序如表6所示。

表6 武汉工业低碳发展评价结果及排序

由表6可以看出，武汉市低碳化特征明显的工业行业主要集中在煤矿、金属及非金属矿采选业（C1）、农副食品加工业（C2）、纺织服装加工制造业（C3）、石油加工业（C5）以及水电气等能源供应业（C11）中，这些行业不仅具有较好的经济效益，更具有良好的环境效益，低碳化发展评价位居前列，是在低碳经济背景下应大力扶持及重点发展的行业。

与此相反，一些加工制造业及化工行业，如通用专用设备及交通运输设备制造业（C8）、电气机械器材、通信设备计算机及其它电子设备制造业、仪器仪表及文办机械、工艺品及其他制造业（C9）、化学工业、医药及橡胶塑料制品业（C6），这些行业虽然是拉动武汉市经济发展的主要动力，但也是能源消耗和污染物排放的主体，高能耗、高碳排放特征十分明显，低碳发展评价在11个工业部门中排名最低。因此，这些行业在未来的发展中必须合理权衡经济效益与环境效益之间的平衡，不能以资源的过度消耗和碳排放的增加来换取经济利益的扩大。

除此之外，木材家具、造纸印刷及文教体用品制造业（C4）、非金属矿物制品业、黑色及有色金属冶压加工业（C7）和废弃物回收利用业（C10）等一些行业虽然在产值和产量上不具经济规模优势，但也不属于高能耗和高碳密集型行业，因此其低碳发展评价在武汉11个行业中处于中等水平。

3 政策建议

（1）加大对低碳化特征明显产业的扶持力度

根据武汉工业部门的AHP-GEM低碳评价结果，在未来的产业发展规划中，应有所侧重的发展采选业、农副食品加工业、纺织服装加工制造业、石油加工业等评分较高的行业。这些行业在目前虽然不是武汉市的支柱产业，但在低碳经济背景下具有良好的发展潜力和前景，应在保持其能源效率和碳效率提高的同时，扩大经济产值，实现经济效益与环境效益的“双赢”。

（2）推动高碳产业节能化和低碳化升级

目前，武汉市仍处于工业化中期阶段，短期内以钢铁、汽车、机械设备制造、化工等为支柱的重化工产业结构难以改变，但这些行业属于高耗能和高排放范畴，AHP-GEM低碳评价结果较为落后，因此未来必须对其加大节能减排的力度。一方面严格限制高耗能行业的过度增长；另一方面通过培育新型产业和高新技术，以循环经济和低碳经济改造高碳产业，使环境污染降到最低。

（3）以技术进步带动整体产业的低碳化发展

武汉市现有的工业部门大多以劳动密集型为主，产业的总体技术水平较为落后。未来武汉市应积极发展可产业化的碳捕集与封存技术、资源综合利用方面的先进技术等，并研发一批效益高且易于推广的前沿低碳技术，提高产品的技术含量和附加值，逐步推进产业的跨越式发展。

[1]胡鞍钢,管清友.中国应对全球气候变化的四大可行性[J].清华大学学报(哲学社会科学版),2008,(6).

[2]洪源源,邱菀华.AHP、GEM及其综合算法[J].中国管理科学,2000,8(4).

[3]邱菀华.群组决策特征根法[J].应用数学与力学,1997,18(11).

[4]殷少美,金晓斌,周寅康,赵姚阳,李纪军.基于主成分分析法和AHP-GEM模型的区域新增建设用地指标合理配置——以江苏省为例[J].自然资源学报,2007,22(3).

[5]李如忠,金菊良,钱家忠,汪家权.基于指标体系的区域水资源合理配置初探[J].系统工程理论与实践,2005,(3).

[6]IPCC.2006 IPCCGuidelinesfor National Greenhouse Gas Inventories[Z].Japan:Hayama National Greenhouse Gas Inventories Institution for Environmental Strategies,2006.