基于污染物行業(yè)排放容量計算的行業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及環(huán)渤海13城市主要化學污染物排?？偭靠刂频募夹g(shù)領(lǐng)域，具體涉及 一種基于污染物行業(yè)排放容量計算的行業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整方法。 技術(shù)背景
[0002] 渤海是我國唯一的半封閉內(nèi)海，面積77,284km2,具有獨特的資源優(yōu)勢和地源優(yōu) 勢，是環(huán)渤海經(jīng)濟圈的重要支持系統(tǒng)。但是隨著沿海城市工業(yè)化、信息化、城市化進程的不 斷加快，近岸海域水質(zhì)不斷惡化、赤潮災(zāi)害頻發(fā)、海洋生態(tài)系統(tǒng)失衡、漁業(yè)資源衰退等海洋 生態(tài)環(huán)境問題也日趨嚴重。自20世紀70年代末，渤海海洋環(huán)境質(zhì)量總體上呈惡化趨勢，尤 其是在90年代中后期。根據(jù)多年的監(jiān)測和評價結(jié)果，渤海近岸海域的污染范圍呈擴大趨 勢。1992年渤海遭受污染的面積約20%，而到了 1998年，渤海受污染的面積約40%。經(jīng)過 近幾年的治理，2006年，渤海未達到清潔海域水質(zhì)標準的面積約2. 0萬平方公里，占渤?？?面積的26%，共發(fā)生赤潮11次，累計發(fā)生面積達到2980平方公里。污染形勢依然嚴峻，污 染海域主要集中在遼東灣近岸、渤海灣和萊州灣等近岸海域，主要污染物為無機氮、活性磷 酸鹽和石油類等。工業(yè)廢水、生活污水、工業(yè)和生活垃圾、農(nóng)藥、化肥等陸源污染物大量超標 超量排放入海成為當前渤海環(huán)境狀況惡化未能得到遏制的根本原因。由于渤海海洋生態(tài)環(huán) 境問題已成為環(huán)渤海地區(qū)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重大制約因素，自20世紀90年代后期，國 家環(huán)?？偩趾蛧液Ｑ缶窒群蠓謩e制定了《渤海碧海行動計劃》和《渤海綜合整治規(guī)劃》，著 重開展包括主要化學污染物排?？偭靠刂圃趦?nèi)的渤海海洋生態(tài)環(huán)境質(zhì)量預(yù)防、控制和治 理等。
[0003] 當前，在科學發(fā)展觀指導下，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好形社會，特別是促進經(jīng)濟 發(fā)展與人口、資源、環(huán)境相協(xié)調(diào)已成為各地區(qū)實施"十一五"社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃所遵循的共 同原則。污染物排?？偭靠刂蒲芯坎粌H是我國海洋生態(tài)環(huán)境保護，海洋資源的可持續(xù)開發(fā) 以及實現(xiàn)我國"十一五"社會和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展國家目標所必需，同時也是"十一五"中國 海洋科學和環(huán)境科學基礎(chǔ)研究的優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域（馮士笮和王輝，2001)。對于像環(huán)渤海這樣 經(jīng)濟發(fā)展迅速的沿海地區(qū)，盡快科學合理地實施污染物排?？偭靠刂凭统蔀榇龠M經(jīng)濟、環(huán) 境持續(xù)健康發(fā)展最重要的迫切舉措。同時，國家海洋局在本世紀初開始在重點海灣及河口 實施碧海行動計劃，迫切需要總量控制理論和計算方法的進一步完善；而我國的污染物排 海總量控制研究尚在研究探索階段，難以滿足污染物排海總量控制的實際需求。
[0004] 而在研究方法和研究手段上，我國總量控制的數(shù)學模型日臻完善，系統(tǒng)工程方法 已得到普遍應(yīng)用，主要有系統(tǒng)模擬法、數(shù)學規(guī)劃法、投入產(chǎn)出法、系統(tǒng)動力學、大系統(tǒng)分解 法、多目標規(guī)劃法、隨機規(guī)劃和模糊系統(tǒng)理論規(guī)劃法等等。近年來，隨著計算機技術(shù)廣泛用 于環(huán)境規(guī)劃中，各種環(huán)境管理信息系統(tǒng)（EMIS)和水資源規(guī)劃管理決策支持系統(tǒng)（DSS)及 地理信息系統(tǒng)（GIS)大量用于總量控制決策系統(tǒng)中。這些現(xiàn)代化手段和各種數(shù)學模型相結(jié) 合，為系統(tǒng)綜合的分析、評價和預(yù)測環(huán)境質(zhì)量的變化，客觀地掌握環(huán)境中污染物的迀移轉(zhuǎn)化 規(guī)律、確定總量控制的措施提供了有力的支持。
[0005] 因此，在渤海開展總量控制研究具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義，并且對于中國 近海海域污染物排?？偭靠刂频膶嵤┚哂兄匾膮⒖家饬x。本項發(fā)明鑒于多目標函數(shù)模型 與非線性規(guī)劃模型的優(yōu)點，利用綜合了多目標函數(shù)模型與非線性規(guī)劃模型的多目標非線 性規(guī)劃函數(shù)模型得到足夠多的樣本數(shù)據(jù)，從而建立出RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實現(xiàn)跳過復(fù)雜的 計算函數(shù)過程，為優(yōu)化調(diào)整行業(yè)結(jié)構(gòu)提出一種簡單方法。本發(fā)明的方法將為沿海地區(qū)環(huán)保 部門和海洋監(jiān)管部門制定強制性污染物排?？偭肯鳒p方案，并為實現(xiàn)由目標總量管理向容 量總量管理轉(zhuǎn)軌提供科學依據(jù)；同時還為有關(guān)部門制定區(qū)域經(jīng)濟規(guī)劃、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、合理 配置工業(yè)布局等提供必要的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的基于污染物行業(yè)排放容量計算的行業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整方法是基于具有公 平性原則、經(jīng)濟效益原則、經(jīng)濟與環(huán)境及資源利用可持續(xù)原則、以海定陸，河海統(tǒng)籌原則、行 政區(qū)劃分原則的多目標非線性函數(shù)規(guī)劃模型計算所得的數(shù)據(jù)建模而來的，則該方法模型輸 出的結(jié)構(gòu)也是合理可靠的。排污負荷分配到源是污染物排放總量控制的最終目的，合理地、 公平的確定各個污染源的允許排放量也是陸源污染物排放總量控制的關(guān)鍵之一。目前，確 定各個污染源的允許排放容量并行業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整有多種方法，但各有優(yōu)缺點。其中，本發(fā) 明的基于多目標非線性規(guī)劃函數(shù)模型的污染物行業(yè)允許排放量計算的行業(yè)調(diào)整方法是從 大數(shù)據(jù)時代的觀點出發(fā)，使得行業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的問題步驟只有輸入和輸出，大大地直接跨過 中間復(fù)雜的計算過程，達到簡單易操作而又不忽略結(jié)果的有效性的效果。
[0007] 本發(fā)明的基于污染物行業(yè)允許排放容量計算的行業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整方法，通過將行 業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整問題簡單看做是一個輸入輸出問題，根據(jù)以往的優(yōu)秀模型生成合理的樣本 數(shù)據(jù)用于建立RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，用于以后的行業(yè)優(yōu)化調(diào)整。
[0008] 方法包括以下步驟：
[0009] 首先是目標函數(shù)的設(shè)定，目標函數(shù)模型應(yīng)在滿足經(jīng)濟、環(huán)境和社會三者協(xié)調(diào)發(fā)展 的前提下將水環(huán)境容量分配至行政區(qū)域內(nèi)以及區(qū)域內(nèi)各行業(yè)，并計算出污染排放單元的最 大允許排放容量。經(jīng)濟指標包括地區(qū)生產(chǎn)總值（GDP)、水環(huán)境治理費用等，環(huán)境指標包括行 政區(qū)劃或行業(yè)廢水和污染物的排放數(shù)量以及排放水平（萬元產(chǎn)值排放強度）。社會指標主 要是要滿足人口與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展；然后是約束條件的設(shè)定，約束條件應(yīng)基于經(jīng)濟效益原 貝1J、公平原則、最低生活水平保障原則，并在滿足經(jīng)濟、環(huán)境和社會三者協(xié)調(diào)發(fā)展的前提下 將水環(huán)境容量分配至各行政區(qū)劃或區(qū)域內(nèi)各行業(yè)。因而，從約束條件的設(shè)定內(nèi)容上講，約束 條件基本包括經(jīng)濟、環(huán)境保護、社會三方面進行。其中經(jīng)濟方面主要考慮各城市地區(qū)生產(chǎn)總 值（GDP)、環(huán)境保護的投資費用，環(huán)境方面主要考慮各城市所在流域的分配容量、污水及污 染物排放數(shù)量和排放水平等，而社會方面主要考慮人口的發(fā)展水平。然后是根據(jù)目標函數(shù) 模型于約束函數(shù)模型求得樣本數(shù)據(jù)，建立RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，用于以后的行業(yè)優(yōu)化調(diào)整。具 體如下：
[0010] 基于污染物行業(yè)允許排放容量計算的行業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整方法，其特征在于，該方 法是基于多目標函數(shù)非線性規(guī)劃的污染物行業(yè)排放量計算方法，通過多目標函數(shù)非線性規(guī) 劃法計算出污染物行業(yè)的允許排放量，得到足夠多的樣本數(shù)據(jù)，然后用這些樣本數(shù)據(jù)建立 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，用于行業(yè)的優(yōu)化調(diào)整。該方法使得對行業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整的過程跳過了復(fù) 雜的計算過程，在操作上也簡單易行。
[0011] 該方法是基于多目標區(qū)域水污染物總量行業(yè)優(yōu)化分配模型，模型能夠較好地協(xié)調(diào) 經(jīng)濟、環(huán)境與資源的關(guān)系，實現(xiàn)了區(qū)域行業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整和資源優(yōu)化配置。該方法模型是目 前在污染物行業(yè)允許排放容量計算方面比較優(yōu)秀的，選用該模型計算得到的數(shù)據(jù)結(jié)果也是 更符合公平性原則、經(jīng)濟效益原則、經(jīng)濟與環(huán)境及資源利用可持續(xù)原則、以海定陸，河海統(tǒng) 籌原則、行政區(qū)劃分原則這五大原則的。如此使用這樣的樣本數(shù)據(jù)去建立網(wǎng)絡(luò)模型輸出的 數(shù)據(jù)也是相對合理，可靠，切合實際應(yīng)用的。
[0012]RBF網(wǎng)絡(luò)能夠逼近任意的非線性函數(shù)，可以處理系統(tǒng)內(nèi)的難以解析的規(guī)律性，具有 良好的泛化能力，而且RBF網(wǎng)絡(luò)是局部逼近網(wǎng)絡(luò)，即對于輸入空間的某個局部區(qū)域只有少 數(shù)幾個連接權(quán)值影響輸出，故學習收斂速度比較快。
[0013] 所述的基于污染物行業(yè)允許排放容量計算的行業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整方法綜合了權(quán)利 要求2和3所述的方法模型的優(yōu)點，為行業(yè)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整提供了可靠合理的技術(shù)支持。
[0014] 一種基于污染物行業(yè)允許排放容量計算的行業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整方法，其具體步驟如 下：
[0015] (1)目標函數(shù)模型建立：
[0016]
[0017]i為污染物排放單元，Xl分別為沿海城市的污染物允許排放容量，10 4t/a;(2)約束 條件函數(shù)模型建立
[0018] (2. 1)經(jīng)濟效益約束模型
[0019] 依據(jù)經(jīng)濟效益增長的原則，各城市單元最大允許排放量的確定同時要保證經(jīng)濟的 持續(xù)增長，因而上式中GDP要滿足一定的增長，即：
[0020]⑶Pt彡⑶P ? · (l+rg)~t
[0021] 式中⑶P。為i城市的基準年地區(qū)生產(chǎn)總值，⑶Pt為第t年的地區(qū)生產(chǎn)總值，本文 指規(guī)劃年的地區(qū)生產(chǎn)總值，單位均為1〇4元/a，rg為⑶P年均增長率，％ ;
[0022] (2. 2)污染物排放強度約束模型
[0023]a^ai0
[0024]或 ％S
[0025]α1(]、％為基準年i城市的萬元產(chǎn)值排放強度和環(huán)渤海地區(qū)萬元產(chǎn)值排放強度的 平均值，單位均為t/ΙΟ4元。
[0026] 假設(shè)經(jīng)濟的增長與污染物的排放存在一定的關(guān)系：
[0027] c^x^DPi
[0028] 式中i城市的污染物允許排放容量，單位為10 4t/a;GDP$i城市的地區(qū)生 產(chǎn)總值，1〇4元/a;ai城市的污染物萬元產(chǎn)值排放強度，單位為t/10 4元，（2. 3)人口約 束模型
[0029] Pt^ P〇· (l+rp)'t
[0030]P。為i城市的基準年常住人口數(shù)量，Pt為規(guī)劃年的人口數(shù)量，單位均為10 4人/a。 rp為人口機械增長率，％。。同時人口與生活污水中污染物的排放存在定量關(guān)系：
[0031] β ,= Wh^
[0032] 式中：βi城市的人均污染物排放強度，Kg/人;WHl為生活污水中污染物的排 放量，l〇4t/a，Pi為人□數(shù)量，10 4人/a;
[0033] (2. 4)環(huán)境投資約束模型
[0034] Rl0^R1^R,x
[0035]式中民為i城市環(huán)境治理投資占地區(qū)生產(chǎn)總值的比例，I。為基準年環(huán)境治理投資 占地區(qū)生產(chǎn)總值的比例，Wi為最大環(huán)境治理投資比例，單位均為％。W 根據(jù)現(xiàn)狀污 染物排放強度，所在流域分配容量，以及基準年環(huán)境投資的比例確定；
[0036] 對于每個城市，環(huán)境投資的比例與污染物排放強度存在反比例關(guān)系，即環(huán)境投資 的比例越大，污染物的排放強度越小，環(huán)境投資的比例越小，污染物的排放強度越大：
[0037] Rt/R〇=a〇/at
[0038] (2. 5)非負約束條件
[0039] a ^〇；β ^ 0 ；χ ^ 0
[0040] (3)由步驟（1)、（2)的模型求出各污染物行業(yè)允許的排放容量為輸出數(shù)據(jù)，原模 型參數(shù)為輸入數(shù)據(jù)，作為后邊網(wǎng)絡(luò)模型的樣本數(shù)據(jù)；
[0041] (4)RBF(徑向基函數(shù)）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立
[0042] (4. 1)徑向基函數(shù)
[0043]RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)基本滿足所有樣本訓練數(shù)據(jù)，即要求所選擇的徑向基函數(shù)經(jīng) 過每個訓練數(shù)據(jù)，即F(Xh) =dh，h=η，η是所選徑向基函數(shù)個數(shù)；
[0044] 現(xiàn)選擇η個基函數(shù)，每個基函數(shù)對應(yīng)一個訓練數(shù)據(jù)，各基函數(shù)形式為：
[0045]
[0046] (4. 2)確定基于徑向基函數(shù)的預(yù)測模型為：
[0047] 其中，X=Xh;
[0048] (4. 3)徑向基函數(shù)中心的確定
[0049] (4. 3. 1)網(wǎng)絡(luò)初始化
[0050] 隨機前面的多目標非線性規(guī)劃函數(shù)模型計算得到的樣本數(shù)據(jù)中選取η個訓練樣 本作為聚類中心Ci(i= 1，2, ···，]!);
[0051] (4. 3. 2)將輸入的訓練樣本集合按最近鄰規(guī)則分組。
[0052] 按照所有樣本數(shù)據(jù)xh與中心ci之間的歐氏距離將Xh分配到輸入樣本的各個聚類 集合Θh(h= 1，2,…，η)中；
[0053] (4. 3. 3)重新調(diào)整聚類中心
[0054] 計算各個聚類集合Θh中訓練樣本的平均值，即新的聚類中心ci，如果新的聚類中 心不再發(fā)生變化，則所得到的Cl即為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最終的基函數(shù)中心，否則返回（4. 3. 2)， 進入下一輪的中心求解；
[005