基于神经网络AHP方法的区域可持续发展评价研究——以沧州市为例<br/>

基于神经网络AHP方法的区域可持续发展评价研究——以沧州市为例

2012-10-09刘志新

河北经贸大学学报 2012年4期

刘琳，刘志新

（1.燕山大学外国语学院，河北秦皇岛 066004；2.燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛 066004）

一、引言

世界经济在飞速发展的同时，由于工业化过程中的处置失当，过度追求物质目标，以及不合理地开发利用自然资源，造成了全球性的环境污染、生态破坏和资源锐减，对人类的生存以及发展构成了严重的威胁[1]。可持续发展思想是人类长期以来重新思考人类发展经济与社会、资源和环境间关系的结果，是一种全新的发展思想。以挪威首相布伦特兰夫人为首的“联合国世界环境与发展委员会”（WCED）在1987年出版的《我们共同的未来》一书中首先提出可持续发展（Sustainable Development）的概念，其后经过30多年的发展，国际社会已形成共识：可持续发展是人类所倡导的一种新的社会发展模式，走可持续发展之路是世界各国共同发展的必然选择[2]。

从系统学的角度看，区域可持续发展是一个由自然、经济和社会三大子系统共同构筑的复合生态巨系统。在此巨系统中，人类的社会、经济活动与自然环境之间不断发生着相互作用。由于不同国家、不同地区的经济发展水平不同，可持续发展在不同的国家和地区应有不同的评价标准[3，4]。区域可持续发展目标的制定要根据所在区域的特点，在不同的时间和空间内做动态的调整，但应遵循基本的原则，即不同阶段的可持续发展目标既要体现当代人的利益又要考虑下一代人的利益，既要考虑区域所处的空间地理特点也要考虑区域的经济发展水平。

一般来说，对可持续发展能力的评估主要侧重于两个方面：可持续发展指标体系的设定和赋权[5，6]。本文以河北省沧州市为例，在充分考虑沧州市区域特点的基础上，制定了沧州市可持续发展指标体系；运用平滑滤波和神经网络寻优方法智能寻找系统内部相互关联程度，实现实时调整、滚动优化，并且结合专家经验确定了适合沧州市可持续发展系统内子系统的科学权重。

二、沧州市概况

沧州市位于河北省东南部，属华北平原东部黑龙港河流域，东临渤海，北靠京津，南接山东，距首都北京240公里，全市南北长165公里，东西宽187公里，总面积1.4万平方公里，市区建成区面积41平方公里，全市总人口710万人。现辖2个区（新华区、运河区）、4个县级市（黄骅、任丘、河间、泊头）、10个县（吴桥、东光、南皮、献县、肃宁、盐山、海兴、沧县、青县、孟村回族自治县）、2个管理区（中捷、南大港）。新建沧州渤海新区（包括黄骅市、海兴县、中捷产业园区、化工产业园区和南大港产业园区）面积2 375平方公里、海岸线130公里、总人口54.6万。

沧州市为河北省农业大市，是全国主要的粮棉和水果产区。近年来紧紧围绕增加农民收入，以“四大产业、一大工程”为重点，强龙头，扩基地，调结构，大力发展优势农产品生产，农业投入产出效益稳步提高，2007年完成农林牧渔业总产值173.83亿元。在国民经济发展中，工业是全市经济增长的中坚力量，2007年全市工业增加值占GDP的比重为47.4%，对GDP增长的贡献率是53.9%。特别是“九五”和“十五”计划期间，通过“化工城”建设和临港工业开发，重点培育以石化、盐化为基础的化学工业，逐步构筑起以化学工业为主导，机械电子、轻工、纺织、建材、食品等行业为骨干的产业结构格局。区内自然资源主要是石油、海盐、地热、水产等，区内有华北、大港两大石油生产基地，地热面积1万平方公里，海岸线59.3公里，沿海滩涂307.7平方公里，但矿产资源和可利用土地资源不足。

沧州市林木分布少，全市有林地面积370万亩，其中经济林280万亩，用材林、灌木林71.5万亩，森林覆盖率19%。全市共有医疗卫生机构417个；平均每千人拥有病床数1.88张；全市共有卫生技术人员18 720人，平均每千人拥有医生数1.21人。医疗卫生总体水平较低。沧州市水资源匮乏，供需矛盾十分突出，本地水资源远远不能满足社会需求量，而目前引入的客水主要为黄河水及王快水库水源，只能缓解局部供水困难。

三、沧州市可持续发展评价模型与评价指标体系

由于区域发展是个动态的过程，对其进行评价不可能只用一个指标。事实上，在现实的经济发展过程中，往往会出现“头痛医头，脚痛医脚”的现象，要么单一地注重经济快速增长而忽视对环境资源的保护，造成经济增长、环境恶化的局面；要么是当出现环境污染程度严重的时候，又单一强调对环境的治理，“一刀切”关掉污染源，这样往往会造成部分产业大起大落，区域总体发展反而得不偿失。因此要实现区域的可持续协调发展，避免片面追求局部利益，忽视整体利益，我们倾向于使用基于区域特色的可持续发展综合评价方法。利用综合性协调性评价，便于及时发现发展中的失衡问题。一旦出现不可持续发展的环境资源问题，或是经济增长低效率问题时，就及时预警、适时干预，避免经济和社会发展中的大幅振荡，保证经济的可持续长期发展[6]。

在可持续发展领域内，人口、资源、经济、环境、科技的相互作用、相互制约构成了一个动态开放的复杂巨系统，如图1所示。指标体系建立的指导思想为立足本地实际，力求全面反映和度量可持续发展的目标与内涵。人民生活水平的不断提高是可持续发展的目的，人类社会的发展归根结底是以切实提高人民群众的物质文化水平为出发点和归宿点；自然资源的永续利用是确保社会经济持续发展的物质基础，特别是不可再生资源的合理高效利用是关键；社会经济的持续快速发展是其他子系统协调发展的有力保障，只有经济效益的提高才能保证和促进其他方面的发展；良好的自然生态环境是人类赖以生存的空间，是可持续发展的前提；科学技术的进步为人类社会的方方面面提供智力支持和有力工具，是实现可持续发展的动力。根据以上原则，结合地区特点，制定沧州市可持续发展综合评价指标体系如表1所示。

表1 沧州市可持续发展评价指标体系

四、判定矩阵确定及评价方法

层次分析法在多级目标系统评价中有着广泛的应用，该方法采用的多层次分别赋权可避免大量指标同时赋权时造成混乱和失误，从而提高预测或评价的准确性和简便性。但目标的权重确定问题始终是研究人员关注的重点问题之一。区域可持续发展系统综合评价属于多目标决策问题，指标的权重应能反映其对整体可持续发展的重要程度。指标权重的合理与否将直接影响综合评价结果的正确性和科学性。

传统AHP法的难点在于权重的确定缺乏统一的客观标准，而且忽略了可持续发展的动态性。利用神经网络自寻优特性，且充分考虑系统自发展动态过程（各项指标的历史数据）的惯性影响，确定同一级指标下各组成权重。人，特别是管理者，既是这一复杂系统的一部分，同时也是系统的调控者，其专家经验同样不容忽视。结合专家对沧州特点（优缺点）的已有经验，确定最终权重及各项指标之间的关联程度。在此基础上利用AHP法，对沧州可持续发展系统进行综合评价。

（一）数据预处理

1.归一化

为更好捕捉系统内部各部分动态关系，输入量xi，j采用增量形式。xi，j，σj分别为统计指标的均值与方差，如下式所示。

2.平滑滤波

为去除统计误差及上一统计期内不确定因素的影响，采用滤波形式滤除干扰成分。滤波形式可采用一次滤波、二次滤波甚至高次滤波，其形式如下所示。

一次滤波

二次滤波

3.神经网络关联权值优化

假设某一统计指标的变化与同一层其他指标之间隐含关系为确定但未知的非线性映射关系，我们利用神经网络（BP网络）来逼近这个关系，即利用神经网络求取某一指标与其他同级指标的关联程度。如图2所示，假设某一层指标共ABC 3个，现求取ABC变化量对上层指标D变化量的贡献程度，即关联程度 wAD，wBD，wCD，wDD，显然 wDD=1。

4.归一化

5.综合判定权重

（二）层次分析法

在判定矩阵确定后，应用AHP法的主要任务为确定层次权重值及一致性检验，计算层次组合权重，最后加权求和。各层次指标子系统或指标项的相对权重就是判定矩阵最大特征根及其对应的特征向量，即WX=λX，其中W是判定矩阵，λ是特征根，X是特征向量，解出max｛λ｝及对应的Xmax，将Xmax归一化就得到各指标项的权重值。

应用AHP法的另一个重要环节是要进行一致性检验。对于一个具有完全一致性的互反判定矩阵而言，其最大特征根为分量个数，其余特征根均为零。若不具有完全一致性，则其最大特征根max｛λ｝＞n，此时需根据偏离程度及置信区间调整判定矩阵。

（三）本方法的特点

1.动态性。利用动态数据进行优化，既包含着当前状态信息，又体现了历史动态信息。系统的输入采用增量的形式，更便于分析动态发展趋势。且随着不同时期统计数据的不同，可以实现滚动优化，在线调整。

2.综合性。数据预处理过程中数据滤波过程可以削弱不确定统计误差及其他干扰的影响，且可得到指标数据的历史综合信息；利用神经网络自寻优的方法确定系统各个同级指标的关联程度，同时发挥专家对系统的认知优势，折中考虑权重。

3.针对性。针对沧州市本身特点指定的指标体系及专家对本地区系统的深刻理解，对于考察沧州市可持续发展问题有较强的针对性。

（四）本方法的不足

神经网络训练过程中利用误差反传方法得到输入与输出之间的优化权值，但其精确度依赖于统计数据的精确程度和样本数据的数量。

（五）沧州市可持续发展评价实例

1993年，沧州地市合并后，充分发挥地域优势，扬长避短，沧州地区整体实力得到较大程度提升。在表1的指标体系下，运用上述评价方法，既可实现子系统的评价，也可实现区域综合可持续发展水平的评价。图3、图4分别为沧州市1993—2008年归一化经济子系统可持续发展度和综合可持续发展度评价结果。在目前社会发展形势下，经济子系统不可避免地对区域综合发展起着支撑作用，因此其权重较大，直接影响整体系统。预测结果也印证了这种关系。但近年来，对于环境和科教发展的政策倾斜也较好地弥补了原有经济发展模式对可持续发展水平带来的负面冲击。当然，经济体制自身的适时调整和改革是解决问题的主要途径，是维持可持续发展的关键。