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监 测 与 评 价 熵权多目标决策环境监测优化布点模型及应用 ＊ 许丽忠 张江山 王菲凤 福建师范大学环境科学研究所, 福州 350007 摘要 熵是热力学中的重要概念, 表示一个信息源发出信号状态的不确定程度。 熵权表明某指标在决策或评估问题 中提供有用信息量的多少, 即指标的相对重要程度。本研究介绍熵权的基本概念、性质, 分析其在环境监测优化布点 应用中的独到之处, 建立熵权多目标决策优选模型, 并应用于某市大气环境监测优化布点。 案例分析结果表明, 该优 选模型在污染因子权重分析中优选结果合理。 关键词 熵权 多目标决策 优化布点 ＊福建省教委资助项目环境影响经济评价研究 JA2000158 0 引言 优化布点是环境监测中的重要内容 ,它是让以最 少的人力 、 物力 、 财力发挥最大经济效益的重要保证。 优选数学模型是优化布点的主要手段, 如物元关联分 析法 [ 1,2] 、聚类分析法 [ 3,4] 、群分法 [ 5] 、最优指标法 [ 6] 等。但这些方法往往从环境评价角度出发,应用于优 化布点则存在着权重确定不尽理想的问题,因为监测 优化过程中不仅需注重测点总体质量的差异 ,同时也 应注重指标间内部的差异度。本研究介绍了熵权的 基本概念 、 性质 ,分析其在环境监测优化布点应用中 的独到之处,在此基础上建立了熵权多目标决策优选 模型 ,并将此模型应用于环境监测优化布点。 1 熵权的概念、性质及其在优选模型中的应用 熵是热力学中的重要概念 ,是物质系统无序状态 的量度 ,紊乱程度, 系统越“乱” , 熵就越大 ; 系统越有 序,熵就越小。将熵的概念引入信息论 , 则表示一个 信息源发出的信号状态的不确定的程度 。 1. 1 熵和熵权 熵和熵权是两个不同的概念。对一个待评价问 题,设有 m 个待评价对象 方案 , n 个评价指标, 对 每一评价指标进行标准化处理后得标准化矩阵[ R] [ R] rijmn r11r12r1n r21r22r2n rm1rm2rmn 则第 i 个指标的熵定义为Hi -k∑ n j 1 fijlnfij, i 1, 2, , m 式中 fij rij ∑ n j 1 rij , k 1 lnn , 并假定, 当 fij0 时, fijlnfij0 相应的熵权定义为 wi 1 -Hi m -∑ m i 1 Hi 1. 2 熵权的性质 由熵权的定义和熵函数的性质可以得到熵权如 下的性质 [ 7] 1 评价对象的熵与其熵权成反比,熵越大 ,熵权 越小 ,且满足 0 ≤wi≤1, ∑ m i 1 wi1。 2 各评价对象在指标 i 上的值完全相同时, 熵 值为最大值 1, 熵权为 0,意味着该指标向决策者未提 供任何有用的信息, 可以考虑取消该指标 。 3 各评价对象在指标 i 上的值相差较大、熵值 较小、熵权较大时, 意味着该指标向决策者提供了有 用的信息。同时还表明, 各个对象在该指标上有明显 差异 ,应重点考察。 4 从信息角度考察 ,熵权表明了某指标在决策 或评估问题中提供有用信量的多少 ,即指标的重要程 度。但它并不是某指标实际意义上的重要性系数 ,而 是在给定被评价对象集后 ,各种评价指标值都确定的 情况下,各指标的相对重要性系数。 1. 3 熵权环境监测点优选模型中应用可行性分析 由于环境监测点优化是多目标多因子的决策过 程,在判断分析中各因子的权重确定将直接影响到决 策结果,目前通用的权重确定方法往往基于污染指标 超标指数, 可以反应出不同评价指标 污染因子 对每 61 环 境 工 程 2007年 2 月第25 卷第1 期 一评价对象 监测点位 所表征的环境质量状况的重 要性 如SO2的权重大于 TSP 的权重, 表示 SO2对该 地区的环境质量影响重要性大于 TSP , 却无法体现 出不同监测点位在某一指标上的变异程度 。但在环 境测点的优选过程中 ,不同监测点位上同一指标上的 变异程度却也是关键的因素。假设有一评价区有 A、 B 、 C 等诸多监测点, 各监测点 SO2均严重超标, 但变 化不大,都在国家规定的三级标准线上, 但 TSP 差异 较大 ,有的优于一级 ,有的则超过三级标准,从环境评 价角度应赋予 SO2较大的权重, 而从环境测点优化角 度出发 ,可能更多的是考虑TSP 的变化 。熵权的性质 正好可以满足环境监测点优化的这一不同与环境评 价的特殊要求。 2 熵权多目标决策环境监测优化布点模型构建 第1 步 对于建立初始矩阵 [ P] pijmn 第2 步 构造标准化决策矩阵 [ R] rijm n, 对于大者为优的收益型指标 rij pij- min j pij max j pij - min j pij; 对于小者为优的成本型指标 rij max j pij -pij max j pij - min j pij; 第3 步 根据熵权定义计算各项指标权重 wi 第4 步 构造加权的标准化矩阵 [ Z] zijmn, 其中 zijwirij, i ∈M , j ∈N 第5 步 确定最优方案 x ＊和最劣方案 x- 定义 x ＊ x ＊ 1, x ＊ 2x ＊ n x - x - 1, x - 2 x - n 其中 对于大者为优的收益型指标 x ＊ jmax i zij, x - j min i zij 对于小者为优的成本型指标 x ＊ jmin i zij, x - j max i zij 第6 步 计算各方案分别与最优方案 x ＊与最劣方案 的距离 d ＊ i、d - i d ＊ i ∑ n j 1 zij-x ＊ j 2 ,d - i ∑ n j 1 zij-x - j 2 第7 步 计算各方案与最优方案的相对贴近度 c ＊ i d ＊ i d ＊ id - i 第8 步 排列并优选方案 将 c ＊ i由小到大排列, 表 示与最优方案的贴近程度 ,贴近度为同一级次的方案 可视为水平相近 ,即可从中优选。 3 案例分析 本文以文献[ 1] 中的郑州市 17 个大气监测点的 优选工作为例说明熵权多目标决策优选模型在环境 监测优化布点中的应用。依据优化布点的技术规范, 郑州市应设环境空气质量监测点 5个 其中 1 个清洁 对照点 ,即要从 17 个监测点中优选出 4 个。 对于环境监测 ,SO2、 NOX、TSP 均为成本型指标。 根据文献[ 1] 提供的原始监测资料, 建立样本矩阵 [ P] ,各矩阵为3 个评价指标 S1、 S2、 S3 m 3 , 12 个 待评价样本 A1、A2A12 n 12 。将样本矩阵归一 化处理后得到标准化决策矩阵[ R] 。 根据各样本各评价指标的变异程度确定各指标 的熵及熵权 ,计算结果为 熵 HSO20. 96; HNOx0. 93; HTSP 0. 90; 熵权 wSO20. 18; wNOx 0. 34; wTSP 0. 48; 从熵和熵权的计算结果可以看出 ,熵越大, 则熵 权越小。在该评价区各监测点位间, SO2的变化较 小,TSP 的变化比较显著 。这也从实测数据中得到验 证。因此从优化角度出发 ,应对 TSP 的变化给予更多 的关注。 在求出各污染物的熵权后 ,构造加权的标准化矩 阵[ Z] ,进而确定最优方案 x ＊和最劣方案 x- x ＊ 0,0,0 , x - 0. 178,0. 342,0. 480 ; 确定了最优方案与最劣方案后 ,计算各样本点与 最优方案与最劣方案的距离, 并进一步计算出各方案 与最优方案的相对贴近度 。见表 1。 由于在监测优化过程中不仅需注重测点间总体 质量的差异 比照 GB3095-1996 对各监测点进行评 价 , 同时也应注重指标间的差异 熵权的计算结果表 明,该区 TSP 差异较大, 优选时应关注 TSP 的变化 , 根据熵权多目标决策的排序结果 表 1 及各监测点 实际监测数据及评价分析结果 ,优选出 4 个监测点位 5,17,15, 14 点位 ; 在条件许可情况下, 增加 1 号监测 点位 。各优选点所代表的组合特征见表 2。 4 优选结果比较分析 现将本文的优选结果与其他方法的优选结果进 行比较 表 2 , 可以看出 ,本方法取了众家之长 ,其中 9 新华厂家属院 作为该区环境质量最好的监测点 位,其环境质量与 5 监测站 没有本质的区别, 从 62 环 境 工 程 2007年 2 月第25 卷第1 期 表 1 环境监测点位贴近度排序及优选结果表 排序 点位d＊ i d- i C＊ i 优选组合分析说明5个优选点 4个优选点 1 2 3 9 5 6 0. 5964 0. 5980 0. 5780 0. 0235 0. 0310 0. 0445 0. 9620 0. 9507 0. 9283 9,5,6 环境质量优,总体 可达二 级标准, TSP符合三级 5 4 5 6 7 2 3 1 8 0. 4404 0. 4412 0. 4478 0. 4535 0. 1775 0. 1840 0. 1920 0. 2023 0. 7127 0. 7057 0. 6999 0. 6915 2,3,1,8 环境质量良,总体 可达二 级标准, TSP符合三级 1 5 8 9 10 11 10 17 7 12 0. 3985 0. 3889 0. 3527 0. 3170 0. 2223 0. 2402 0. 3183 0. 3006 0. 6419 0. 6182 0. 5256 0. 5133 10,17, 7,12 环境质量中,总体 可达三 级标准, TSP超三级 1717 12 13 14 4 15 16 0. 1719 0. 1506 0. 1501 0. 4733 0. 4756 0. 5166 0. 2664 0. 2405 0. 2251 4,15,16 环境质量差,总体 可达三 级标准, TSP超三级 1515 15 16 17 13 11 14 0. 1068 0. 1033 0. 0930 0. 5565 0. 5752 0. 5477 0. 1610 0. 1522 0. 1452 13,11,14 环境质量最差,总 体可达三级标准, TSP超三级 1414 注 环境质量评价中的优、良、中、差均为相对而言。 表 2 各种优化方法比较 优选方法优选点 物元分析[ 1]5171214 系统聚类法[ 1]511714 模糊聚类法[ 1]5171514 最优指标法[ 6] 95171215 熵权多目标决策5 1171514 监测的效用及便利角度分析 , 以 5 为佳 ; 12 烟 厂 与 17 郑纺厂 环境质量相近 ,从功能区划分而 言同属工业区, 两者可以合并; 而 1 肉联厂 作为 环境质量相对良好的监测点位的代表, 在条件许可情 况下应增设。 5 结束语 熵是热力学中的重要概念 ,信息熵表示一个信息 源发出的信号状态的不确定的程度 ,熵权则表明了某 指标在决策或评估问题中提供有用信量的多少,即指 标的相对重要程度 。监测优化过程中不仅需注重测 点间总体质量的差异 ,同时也应注重指标间的差异, 熵权的性质正好可以满足环境监测点优化的这一不 同与环境评价的特殊要求。本文建立了熵权多目标 决策环境监测优选模型, 并应用于某市大气环境监测 优化布点, 结果表明该优选模型在污染因子权重分析 中有独到之处, 环境监测点优选结果合理 。 参考文献 [ 1] 孙中党, 赵勇, 李静等. 郑州市大气监测优化布点的研究. 重庆 环境科学, 1999, 21 6 16-18. [ 2] 李祚泳. 用物元分析法优选大气环境测点. 环境科学研究, 1996,9 6 45 -48. [ 3] 窦素珍, 王黎虹, 侯存东等. 城市大气环境监测优化布点模糊优 选模型及应用实例. 城市环境与城市生态, 2001, 14 5 55 -58. [ 4] 罗龙胜, 熊维川, 黎红. 广安市大气环境质量现状评价与优化布 点监测. 四川环境, 2002, 21 3 55 -60. [ 5] 王晓军, 柳毅, 冯治宇等. 沈阳经济技术开发区环境空气监测点 位优化布点研究, 环境保护科学,2001, 27 12 36 -38. [ 6] 张苗云, 张迎, 钱益跃等. 最优指标法在环境监测优化布点中的 应用. 安全与环境学报, 2004, 4 2 66 -67. [ 7] 邱宛华. 管理决策与应用熵学. 北京 机械工业出版社, 2002 193 -196. 作者通讯处 张江山 350007 福州市 福建师范大学环境科学研究所 E -mail xxgglp 163. com 2006- 04-17 收稿 上接第 60页 2 造纸污泥填料经表面处理后, 可以提高复合 材料的综合力学性能 。 3 在复合材料中引入增容剂 PEMA 可以有效地 改善基体与填料之间的相互作用, 使材料的性能得到 提高 。 参考文献 [ 1] 田中建, 邱化玉. 二次纤维的造纸特性. 黑龙江造纸, 2004, 3 14-15. [ 2] 王海毅, 郝妮 译 . 直接加填与纤维加填对碳酸钙在循环中留着 的影响. 国际造纸,2005, 24 2 37 -40. [ 3] U. Yilmazer, R. J. Farris, J. Appl. Polym. 1983, 28 3369 -3372. [ 4] A. Y. Kandeil . R. R. Zahran, ect. Polymers and other advanced material Emerging technologies and business opportunities, Plenum, New York, 1995 125 -128. [ 5] R. R. Zahran. Effect of sand addition on the tensile properties of compression moulded sand polyethylene composite system. Materials Letters, 1998, 34 161 -167. [ 6] H. S. 卡茨, J. V . 米路西凯. 塑料用填料及增强剂手册. 北京 化学 工业出版社, 1985, 24. 作者通讯处 柴希娟 650093 昆明理工大学莲花校区宿舍 5栋 2006- 03-24 收稿 63 环 境 工 程 2007年 2 月第25 卷第1 期 STUDY ONPOLYETHYLENE WASTE SLUDGE OF PAPERMAKING WASTE COMPOSITE Chai Xijuan Sun Kewei Wang Muping 59 Abstract The effect of filler particle size and content on the mechanical behavior of waste sludge of papermaking -reinforced polyethylene waste composite was investigated. In order to improve the general perance of the composite, the sodium hydroxide andKH -550 silane acting as filler modification agents and maleic anhydride modified polyethylene acting as additive of the system were applied. The results show the two kinds of agents can enhance the mechanical perance of the composite. At the same time, the maleic anhydride modified polyethylene canimprove the adhesion between the matrix and the filler. Keywords polyethylene, waste sludge of papermaking and waste composite OPTIMIZATION OF ENVIRONMENTAL MONITORING SITES BY ENTROPY WEIGHT MULTI- OBJECT DECISION MODELXu Lizhong Zhang Jiangshan Wang Feifeng 61 Abstract Entropy, one of the important concepts in thermodynamics, indicates the uncertain degree of a signal from the ination source, while entropy weight indicates the relatively important degree of a index inthe multi-object decision. It isintroduced the concept of entropy weight, property, analysis of its originality in the application to the optimization of environmental monitoring sites, and the entropy multi -object decision model is set up,which is proved to be feasible and reasonable in the case study . Keywords entropy weight, multi -object decision and optimal number of sites THE VELOCITY FIELD CONSTANT AND ITS AUTOMATIC CHECKING DEVICE Wang Shilong Wang Zhicheng 64 Abstract By means of study on velocity field constant for a flue, a to measure average velocity of gasin flue by constant of velocity fieldwas presented. Automatic checking device for velocity field constant simultaneously was developed. The technical difficult problem for automatic monitoring average velocity of flue gas was solved. Keywords velocity field constant, automatic continuous monitoring, average flow rate and gross emission EXPERIMENTONFLUEGASCONTINUOUSEMISSIONMONITORINGBASEDON DIFFERENTIAL OPTICAL ABSORPTION SPECTROSCOPYZheng Haiming Cai Xiaoshu 66 Abstract Differential optical absorption spectroscopy DOASmakes use of the flue gas pollutant different optical absorption characteristic at the UV -VIS wave band to measure their average concentration. By DOAS principle, experimental study was carried out to measure different concentration of SO2, NO2andNO. The DOAS technology can eliminate the influence of dust etc. The DOAS can be applied to monitoring the flue gas emission concentration and should correct the temperature effect on flue gas differential absorption characteristics. Keywords flue gas continuous emission monitoring , differential optical absorption spectroscopy DOAS, gas contamination and on -line monitoring APPLICATION OF BP MODELING BASED -ON RANDOM SAMPLES TO ASSESSMENT ON NATURAL WATER QUALITYZou Zhihong Wang Xueliang 69 Abstract This paper presents an error back propagation model to uate water quality comprehensively. Aiming at the problems of few training samples and no testing sampleswhen error back propagation model is applied in the field of water quality assessment, a great number of data can be generated through uni distribution random function as training samples and testing samples. Trying to anlysize the relationships of the output of testing samples and the expecting output using the MSE function inMATLAB 7 could raise the accountability of new sampling. This can greatly improve the accurancy of the ANN model in the water quality uation. Keywords BPANN, water quality synthetic uation, random samples and testing TECHNIQUES OF CORN STARCH WASTEWATER TREATMENT Cai Jing Chai Sheli Rui Mingxian et al 72 Abstract It is presented the characteristics of corn starch wastewater, the processes for this kind of wastewater treatment, some problems worth of considering and the choices of parameters in process design. Keywords corn starch wastewater and treatment processes THEINFLUENCEOFXIAOLANGDIRESERVOIRONRIVERWAYWATERQUALITY PURIFICATION ABILITYShi Yang Xu Zhixiu Mao Yuxia 74 Abstract According to “ Surface Water Environment Quality Standard” GB3838 -2002, it was uated the riverway water quality of 5 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 25, No. 1,Feb. , 2007