桂安琪　朱家明　王銳杰　孟　康

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基于智能遺傳算法與支持向量機(jī)的生態(tài)文明建設(shè)體系的研究

桂安琪1朱家明2王銳杰1孟康3

本文針對(duì)生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)問(wèn)題，運(yùn)用層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等方法，構(gòu)建出我國(guó)的生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)體系，從而對(duì)我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)程度進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)；然后運(yùn)用智能遺傳算法與最小二乘支持向量機(jī)這一先進(jìn)的數(shù)學(xué)模型思想，建立出數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型，成功預(yù)測(cè)了落后省市經(jīng)改進(jìn)后生態(tài)文明建設(shè)情況，證明了其實(shí)施效果是有效的。

生態(tài)文明建設(shè)；模糊綜合評(píng)價(jià)模型；智能遺傳算法；支持向量機(jī)；MATLAB

一、引言

從黨的十七大第一次提出“建設(shè)生態(tài)文明”，以此作為全面建設(shè)小康社會(huì)的一項(xiàng)重要目標(biāo)開(kāi)始，我國(guó)就踏上了全方位、多角度、省市聯(lián)動(dòng)地建設(shè)生態(tài)文明的新征程。人類發(fā)展史的實(shí)踐表明，生態(tài)文明是有別于任何一種文明的嶄新文明形態(tài)，其產(chǎn)生和發(fā)展具有必然的歷史演進(jìn)軌跡。人們所熟知的物質(zhì)，精神，政治等文明都是伴隨人類社會(huì)的發(fā)展而產(chǎn)生，惟有生態(tài)文明是現(xiàn)代工業(yè)高度發(fā)展階段的產(chǎn)物。而生態(tài)文明也不單單只是生態(tài)、環(huán)境領(lǐng)域的問(wèn)題，它是人與自然、發(fā)展與環(huán)境、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)、人與人之間關(guān)系協(xié)調(diào)、發(fā)展平衡、步入良性循環(huán)的理論與實(shí)踐，是人類社會(huì)跨入一個(gè)新的時(shí)代的標(biāo)志。因此，對(duì)于生態(tài)文明建設(shè)程度的評(píng)價(jià)體系的研究建立就顯得尤為重要了。一個(gè)城市或地區(qū)可以準(zhǔn)確的判斷出當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)文明的建設(shè)程度，對(duì)于清晰明了之后的發(fā)展方向和進(jìn)度具有深遠(yuǎn)意義。

二、生態(tài)文明建設(shè)程度的定量評(píng)價(jià)

(一)生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

為研究我國(guó)各省域生態(tài)文明建設(shè)程度，本文基于我國(guó)現(xiàn)有評(píng)價(jià)指標(biāo)中國(guó)省域生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)(ECCI)，并結(jié)合其他指標(biāo)體系[1]，剔除那些對(duì)指標(biāo)體系貢獻(xiàn)度不高的指標(biāo)，選入了一些通過(guò)分析認(rèn)為貢獻(xiàn)度較高的指標(biāo)，如生態(tài)經(jīng)濟(jì)文明、生態(tài)環(huán)境文明、生態(tài)社會(huì)文明和生態(tài)意識(shí)文明等；并對(duì)三級(jí)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而得到本文所使用的指標(biāo)體系。

(二)研究方法

1、主要指標(biāo)的選取

由于指標(biāo)體系中指標(biāo)過(guò)多，若全部分析必會(huì)給數(shù)據(jù)搜集工作帶來(lái)較大的麻煩，因此本文決定采用層次分析法，從上述指標(biāo)體系中篩選出權(quán)重較大的指標(biāo)。首先本文根據(jù)上述指標(biāo)體系建立了遞階層次結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)上下層元素間的隸屬關(guān)系構(gòu)造出判斷矩陣，其中二級(jí)指標(biāo)間的判斷矩陣如下：

在得到上述模糊判斷矩陣之后，對(duì)矩陣進(jìn)行歸一化處理，然后求出判斷矩陣中各向量的最大特征值。最后通過(guò)一致性檢驗(yàn)，得到了二、三級(jí)指標(biāo)的權(quán)重大小，其中生態(tài)文明綜合指數(shù)對(duì)生態(tài)經(jīng)濟(jì)文明，生態(tài)環(huán)境文明，生態(tài)社會(huì)文明，生態(tài)意識(shí)文明4個(gè)二級(jí)指標(biāo)的重視程度分別為:生態(tài)環(huán)境文明>生態(tài)經(jīng)濟(jì)文明>生態(tài)意識(shí)文明>生態(tài)社會(huì)文明。而三級(jí)指標(biāo)中人均GDP,城鎮(zhèn)居民可支配收入,基尼系數(shù)，污水處理率，森林覆蓋率，SO2排放量，失業(yè)率，基本社會(huì)保險(xiǎn)覆蓋率，平均預(yù)期壽命，公共生態(tài)文明滿意度，恩格爾系數(shù)，財(cái)政性教育經(jīng)費(fèi)占GDP比重這12個(gè)指標(biāo)是權(quán)重較大的，對(duì)評(píng)價(jià)體系影響較大的指標(biāo)。

2、模糊綜合評(píng)價(jià)方法

3、綜合評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

根據(jù)上述分析所得，本文建立了生態(tài)文明建設(shè)程度評(píng)價(jià)模型，具體如下：

三、對(duì)我國(guó)主要省域生態(tài)文明建設(shè)程度的研究分析

(一)研究思路

為了結(jié)合我國(guó)各省域生態(tài)文明的不同情況，需要對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。因此本文首先根據(jù)不同省市的所處的地域與經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，選出10個(gè)最具代表性的省市，然后利用之前確定的12個(gè)指標(biāo)，通過(guò)查閱相關(guān)資料找出10個(gè)省市12個(gè)指標(biāo)最新的數(shù)據(jù)；最后，利用相對(duì)優(yōu)屬度評(píng)價(jià)的方法，求出各個(gè)省市的綜合評(píng)價(jià)激勵(lì)指數(shù)與綜合評(píng)價(jià)約束指數(shù)，排序分析。

(二)各省域生態(tài)建設(shè)情況的評(píng)價(jià)分析

根據(jù)相對(duì)偏差模糊矩陣評(píng)價(jià)方法，結(jié)合Fuzzy AHP方法模型中所求出的權(quán)重，能夠得到各個(gè)項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)程度。利用EXCEL軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，在得到激勵(lì)型矩陣之后通過(guò)數(shù)據(jù)加權(quán)求和可得到相應(yīng)指標(biāo)值。其中綜合評(píng)價(jià)激勵(lì)指數(shù)排序表如下所示：

表1　綜合評(píng)價(jià)激勵(lì)指數(shù)排序表

從上表我們可以得到，這十個(gè)省市中，北京、海南、云南等地區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)排名相對(duì)靠前，寧夏、山西、甘肅等地區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)排名相對(duì)靠后；重慶、安徽、上海、江蘇等省份生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)排名居于中等。其排名靠前的省份一是由于社會(huì)發(fā)展程度高，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高；另一些省份如云南是由于生態(tài)環(huán)境較好，生態(tài)資源基礎(chǔ)雄厚[3]；排名中等的省份，各項(xiàng)指標(biāo)處于中等水平；排名靠后的省份，大部分處于中部地區(qū)，相較而言，經(jīng)濟(jì)水平發(fā)展不高，環(huán)境也較脆弱。

四、基于智能遺傳算法與支持向量機(jī)的生態(tài)文明建設(shè)預(yù)測(cè)研究

(一)研究思路

根據(jù)上述研究分析發(fā)現(xiàn)，所研究的十個(gè)省市中其中山西省和甘肅省的生態(tài)文明建設(shè)程度最低。因此為了研究分析這兩個(gè)省份未來(lái)的生態(tài)文明建設(shè)程度，本文決定采用基于智能遺傳算法與支持向量機(jī)模型，并利用所收集的該兩省份近十年的數(shù)據(jù)對(duì)其未來(lái)生態(tài)文明建設(shè)程度進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而針對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果向該兩省份提出合理解決措施。

(二)研究方法

本文之所以采用基于智能遺傳算法與支持向量機(jī)模型來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析[4]，是考慮到常用的人口預(yù)測(cè)模型有人口自然增長(zhǎng)法、線性回歸法(一元和多元)、灰色系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等等，這些方法一般在使用上有較大的局限性，不能很好地結(jié)合實(shí)際進(jìn)行預(yù)測(cè)，而且在實(shí)際應(yīng)用中誤差較大。因此為了更科學(xué)、更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)某地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)程度，決定采用該模型。

1、支持向量回歸

一般支持向量回歸的函數(shù)形式為：

其中式中f(x)是一個(gè)高維的特征空間中的函數(shù),b是一個(gè)常數(shù)。w和b通過(guò)將下式最小化來(lái)求解:

通過(guò)引進(jìn)核函數(shù),上述可以寫(xiě)成如下形式：

2、智能遺傳算法

(1)設(shè)計(jì)適應(yīng)度函數(shù)

本文將負(fù)平均絕對(duì)百分誤差(MAPE)作為適應(yīng)度函數(shù)。平均絕對(duì)百分誤差定義為:

其中ai表示實(shí)際值,fi表示預(yù)測(cè)值,N是訓(xùn)練數(shù)據(jù)樣本的數(shù)目。

適應(yīng)度函數(shù)通常也稱為評(píng)價(jià)函數(shù),它是根據(jù)目標(biāo)函數(shù)所確定的用于區(qū)分群體中個(gè)體好壞的標(biāo)準(zhǔn),是進(jìn)行自然選擇的唯一依據(jù)，也是算法演化過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力。

(2)設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)

(3)改進(jìn)措施下的生態(tài)文明建設(shè)程度的預(yù)測(cè)

通過(guò)對(duì)兩省市近十年數(shù)據(jù)的收集，我們得到下表：

本文采用Matlab7.2編程，設(shè)定種群大小N=100;進(jìn)化代數(shù)為500;交叉概率為0.5;變異概率為0.004 5。其中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[5]是三層根據(jù)Kolmogorov 定理隱節(jié)點(diǎn)數(shù)取m=2n+1,其中n 為輸入節(jié)點(diǎn)數(shù),這里取13 個(gè)隱節(jié)點(diǎn),設(shè)定均方誤差為0.000 1,最大進(jìn)化代數(shù)為3 000 次。并按照山西人均GDP年增長(zhǎng)率不低于20%，SO2排放量年增長(zhǎng)率不高于3.5%,公共生態(tài)文明滿意度年增長(zhǎng)率不低于5%；甘肅人均GDP年增長(zhǎng)率不能低于20%,森林覆蓋率年增長(zhǎng)率不能低于10%，基本社會(huì)保險(xiǎn)覆蓋率年增長(zhǎng)率不能低于1%的條件下進(jìn)行預(yù)測(cè)，經(jīng)計(jì)算后分別得到兩省未來(lái)在上述措施[6]下的生態(tài)文明建設(shè)程度。最終發(fā)現(xiàn)，2014—2023十年間，生態(tài)綜合約束指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，未來(lái)發(fā)展前景很樂(lè)觀。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文在建立新的生態(tài)文明評(píng)價(jià)體系之前，參考查閱了相關(guān)資料，仔細(xì)研究了已有的比較常用的評(píng)價(jià)體系，剔除了部分影響不明顯、數(shù)據(jù)不容易收集的指標(biāo)，轉(zhuǎn)而用影響比例更大的指標(biāo)進(jìn)行替換，并對(duì)評(píng)價(jià)體系的整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化，從而得到了本文中的最終的生態(tài)文明評(píng)價(jià)體系，該體系與之前的體系相比，數(shù)據(jù)來(lái)源更易獲得，分析的結(jié)果也更加準(zhǔn)確。另外，文章的重點(diǎn)研究課題在于利用建立的評(píng)價(jià)體系，對(duì)選出的我國(guó)具有代表性的10個(gè)城市的生態(tài)文明建設(shè)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)并提出改進(jìn)建議，同時(shí)對(duì)這10個(gè)城市十年之后，是否按照改進(jìn)建議進(jìn)行的建設(shè)程度分別進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。研究結(jié)果表明，經(jīng)濟(jì)條件較好或是先天生態(tài)較好的城市，通常生態(tài)文明的建設(shè)程度都相對(duì)高一些，相反地，經(jīng)濟(jì)條件落后或者先天環(huán)境較差的城市，生態(tài)文明建設(shè)的程度就會(huì)比較落后了；同時(shí)，按照改進(jìn)建議進(jìn)行建設(shè)的數(shù)據(jù)要明顯優(yōu)于未按照建議改進(jìn)的建設(shè)程度。因此表明，評(píng)價(jià)體系有效，改進(jìn)建議也是有效的。(作者單位：1.安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)金融學(xué)院；2.安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)統(tǒng)計(jì)與應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)院；3.安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院)

[1]張靜,夏海勇.生態(tài)文明指標(biāo)體系的構(gòu)建與評(píng)價(jià)方法[J].統(tǒng)計(jì)與決策,2009,21:60-63.

[2]嚴(yán)耕,林震,吳明紅.中國(guó)省域生態(tài)文明建設(shè)的進(jìn)展與評(píng)價(jià)[J].中國(guó)行政管理,2013,10:7-12.

[3]田智宇,楊宏偉,戴彥德.我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)研究[J].中國(guó)能源,2013,11:9-13.

[4]楊繼奎.關(guān)于長(zhǎng)江水質(zhì)污染預(yù)測(cè)的兩種數(shù)學(xué)模型[J].數(shù)學(xué)理論與應(yīng)用,2011,03:44-51.

[5]戴宏亮.基于智能遺傳算法與支持向量回歸的人口預(yù)測(cè)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2008,21:9-11+40.

[6]谷樹(shù)忠,胡詠君,周洪.生態(tài)文明建設(shè)的科學(xué)內(nèi)涵與基本路徑[J].資源科學(xué),2013,01:2-13.

桂安琪，女，安徽六安人，本科，安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)金融學(xué)院，研究方向：金融學(xué)。

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510378050)

朱家明，男，安徽泗縣人，碩士，安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)統(tǒng)計(jì)與數(shù)學(xué)應(yīng)用學(xué)院，副教授，研究方向：應(yīng)用數(shù)學(xué)與數(shù)學(xué)建模。