利用AHP-BP法建立水泥企业循环经济评价指标体系的研究.pdf

利用 AHP-BP 法建立水泥企业循环经济 评价指标体系的研究 * 刘鹤1刘鑫1吴文瀚1， 2王博1 1. 兰州大学资源环境学院， 兰州 730000; 2. 西安建筑科技大学粉体工程研究所， 西安 710000 摘要 作为典型的 “两高一资” 行业， 水泥行业的资源环境约束日益凸显， 可持续发展面临严峻挑战。循环经济作为一 种建立在资源节约和循环利用基础上的全新经济发展模式， 其生产的基本特征是低消耗、 低排放、 高效率， 业已成为水 泥工业实现资源能源节约、 污染源头削减、 废物综合利用、 降低环境负荷， 实现可持续发展的必由之路。从资源产出、 能源消耗、 资源综合利用、 污染排放及产品质量五个方面选择了 18 个指标， 利用 AHP- BP 层次分析法 － 反向传播神 经网络 组合模型， 建立了水泥企业循环经济评价指标体系， 用于全面评价水泥企业循环经济发展水平。最后引入制 约因子概念， 并结合该模型进行实例研究， 探讨研究对象下一步开展循环经济的工作方向。 关键词 水泥企业; 循环经济; 评价指标体系; AHP- BP 组合模型; 制约因子 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201406035 THE ESTABLISHMENT OF CEMENT ENTEＲPＲISE CIＲCULAＲ ECONOMY UATION INDEX SYSTEM BY UTILIZING AHP- BP Liu He1Liu Xin1Wu Wenhan1， 2Wang Bo1 1. College of Ｒesource and Environmental Sciences， Lanzhou University， Lanzhou 730000， China; 2. Institute of Powder Engineering，Xian University of Architecture and Technology，Xian 710000，China AbstractDue to the“two high one capital”feature，resources and environment constraints become more emerging in the cement industry，which leads to severe challenge in the sustainable development． As a new kind of economic development model，circular economy aims to realize a low consumption，low discharge and high efficiency，has become an effective way to achieve sustainable development in the cement industry，such as the resource conservation and reducing pollution sources and environment load． The study selected 18 indicators to uate the development level of circular economy for cement enterprises comprehensively，which can be classified into five kinds such as resource output index，energy consumption index，resources utilization index，pollution emission index and product quality index． By means of AHP- BP model analytic hierarchy process- back propagationan uation index system was set up． Finally，the uation index system was used to uate the level of circular economy development in a typical cement enterprise， and the result of assessment agreed with the actual conditions． In the process of uation，the concept of restriction factor was introduced creatively，which can show the direction clearly of circular economy work for the cement enterprise in future． Keywordscement enterprise; circular economy;uation index system; AHP- BP model; restriction factor * 国家自然科学基金项目 50906036 ; 教育部新世纪优秀人才支持计 划 NCET- 10- 0469 ; 中央高校基本科研业务费重点项目 lzujbky- 2012- k36;lzujbky- 2010- 102 。 收稿日期 2013 －10 －08 0引言 我国水泥行业的高速发展为满足建设需要、 提高 人民生活水平做出突出贡献， 然而在目前传统生产模 式下， 水泥熟料的平均能耗、 矿产资源消耗、 颗粒排 放、 二氧化硫排放、 氮氧化物排放等指标， 对全国资源 环境约束造成巨大压力［1 ］。为使水泥行业健康持久 地发展， 应按照循环经济理论改造传统的生产方式， 利用 “促进人与自然和谐共处” 的生态水泥发展模式 实现水泥工业的可持续发展。 841 环境工程 Environmental Engineering 国际上对循环经济领域指标体系的研究始于 20 世纪 70 年代的 MFA 即物质流分析 ［2 ］。我国对循 环经济的评价和测度研究主要围绕生态工业园区及 电解铝、 化工等企业的循环经济评价指标体系的构 建 ［3- 4 ］。目前， AHP 法在循环经济评价中的应用比较 广泛 ［5- 6 ］， AHP 法计算简便， 易于掌握， 可定性且定量 地处理复杂决策问题; 但其判断矩阵在很大程度上受 评判者知识结构、 判断水平及个人偏好等主观因素的 影响， 从而造成评价结果离差过大; 且其评价函数采 用线性加权的方式， 不能完全满足循环经济评估体系 中各个指标非线性的相互关系。为克服 AHP 法缺 点， 很多学者构建基于 AHP 法的组合赋权法 ［7 ］。随 着计算机网络科学的发展， BP 算法 反向传播神经网 络 成为目前使用最为广泛的网络算法［8- 9 ］。BP 算法 结构简单， 工作状态稳定， 具有很强的非线性映射能 力及较高的计算准确率， 与传统的逻辑学推理演算相 比更具优势 ［10 ］。BP 算法的主要缺陷在于， 在网络训 练过程中， 非线性规划运算难免会使结果陷入局部最 优解 ［11 ］， 而不能得到全局最优解。 针对各传统指标权重确立模型的优缺点， 本文构 建了 AHP- BP 组合模型以实现指标权重值的初定与 优化。该模型利用 BP 网络在非线性映射能力方面 的优势， 降低了 AHP 法在主观随意性、 思维不定性及 认识模糊性等方面的不利因素影响; 同时， 模型中专 家经验知识的充分应用， 有效弥补了 BP 网络权重任 意赋值的缺陷。本文拟利用 AHP- BP 组合模型， 构建 一套能够同时反映水泥行业特点并体现循环经济本 质属性的综合评价指标体系， 用来全面评价水泥企业 循环经济发展水平。 1指标体系建立及权重确立 图 1 是水泥企业循环经济评价指标体系构建的 流程。首先运用 AHP 方法构建评价指标体系的层次 分析结构， 结合专家打分得出初步指标权重值; 其次， 结合若干家水泥企业的实际生产数据， 利用该权重值 计算出样本企业生产实际指标的线性加权值; 然后将 其作为目标向量， 同时将企业的实际指标数据作为输 入向量， 调用 Matlab 神经网络工具箱函数， 构建 BP 网络进行训练; 最后输出指标权重向量即优化后的各 项指标权重值， 从而实现指标权重优化及体系确立。 这种处理方法一方面可利用 BP 网络在非线性映射 能力和计算准确率方面的优势， 降低 AHP 法在主观 随意性、 思维不定性及认识模糊性等主观方面的不利 因素影响; 另一方面， AHP 法中专家经验知识的充分 应用， 保证了推理过程的正确性和科学性， 能够弥补 BP 网络权重任意赋值的缺陷， 降低其网络计算陷入 局部最小点的概率。 图 1 AHP- BP 组合模型构建流程示意 Fig．1Building up process diagram of AHP- BP model 1. 1AHP 法的层次结构构建与指标权重初定 在对循环经济理论和指标体系理论研究的基础 上， 借鉴国内外相关领域评价指标体系的设计实践， 针对水泥行业特点， 应用分析法、 综合法、 交叉法等方 法， 从资源产出、 能源消耗、 资源综合利用、 污染排放 及产品质量五个方面入手， 选取水泥企业的循环经济 评价指标， 然后应用专家调查法对初步确立的指标进 行咨询， 经过反复的信息交换和归纳综合， 最终选定 18 个评价指标用于评价水泥企业的循环经济发展水 平， 确定层次分析结构如图 2 所示。 本次研究采用专家打分的方法初步确定指标权 重。向水泥行业的相关专家共发放咨询问卷 20 份， 回收问卷 20 份， 回收率 100。问卷采用 1 ～9 标度 法对各指标的重要性进行赋值量化。专家构成如 表 1所示。 表 1咨询专家构成 Table 1The composition of the consulting experts 从业 领域 高等院校等 科研部门 水泥工业工 程咨询部门 循环经济政府 管理部门 水泥企业 管理部门 水泥企业 生产部门公众 人数544322 问卷回收的统计结果表明， 不同从业领域的评判 者由于知识结构、 判断水平及个人偏好等主观因素的 941 清洁生产与节能减排 Cleaner Production，Energy- Saving ＆ Emission Ｒeduction 图 2水泥企业循环经济发展水平评价层次分析结构 Fig．2Analytic hierarchy structure diagram for uating the developmental level in a cement enterprise circular economy 影响， 在对各项指标的重要性判断时存有较大差异， 如来自水泥企业管理部门的调查问卷大多认为资源 产出指标最为重要， 而来自公众的调查问卷则认为污 染排放指标最为重要。由于专家打分的主观随意性 过强， 导致计算得出的指标权重离差较大， 客观性和 可靠性较低。因此， 为提高指标权重值的有效性和实 用性， 必须对专家打分得出的权重值进行优化处理。 1. 2BP 网络模型指标权重优化 对 BP 网络模型指标权重进行优化分为建立 BP 网络模型、 训练 BP 网络、 检验网络模型、 输出 BP 权 重及体系确立 4 个步骤。 1. 2. 1建立 BP 网络模型 本文选用三层网络结构 单隐含层 ， 输入层节 点数为 18， 目标层节点数为 1; 结合实际研究情况， 确 定隐含层的神经元数为 9。隐含层神经元的传递函 数采用正切 Sigmoid 函数 tansig， 目标层选用纯线性 传递函数 purelin。 1. 2. 2训练 BP 网络 1 训练样本数据。收集 15 家不同地区、 不同规 模水泥企业循环经济指标的实际数据作为样本数据， 经过归一化处理后， 选取前 13 组企业的循环经济实 际指标值作为输入向量， 结合专家权重得出线性加权 值， 并将指标实际值作为目标向量， 组成 BP 网络的 训练样本。 2 网格训练参数。运用 traingdm 训练函数， 学习 速率选为 0. 10， 动量因子选为 0. 90， 最大循环次数设 为 15000 次， 期望误差设为 10 －5。 3 网络训练结果。利用构建好的训练样本， 对 网络进行训练， 经过 13578 次迭代调整后， 精度达到 9. 998 10 －6， 小于设定目标精度 10－5。训练结果如 图 3 所示， 结果表明训练样本的网络实际输出与专家 评价值有一定偏差。 图 3网络仿真值与专家评价值矢量 Fig．3Network simulation value and uation value vector diagram of experts 1. 2. 3检验网络模型 将最后 2 家水泥企业循环经济指标的归一化数 据作为输入向量， 输入到已训练好的 BP 网络中， 网 络输出结果及误差分析如表 2 所示。 表 2网络测试结果及误差分析 Table 2Analysis sheet of network simulation results and error analysis 序号1415 网络输出0. 59830. 6375 期望输出0. 57060. 6625 相对误差0. 0485－0. 0377 从表 2 可以看出 最大测试相对误差为 0. 0485， 在水泥企业的循环经济发展水平评价中， 该误差处于 051 环境工程 Environmental Engineering 可接受范围内。证明网络通过检验， 网络输出权重值 的有效性及可靠度较高。 1. 2. 4输出 BP 权重及确立体系 BP 网络的输出权重向量如表3 中 BP 权重一栏， 由此确定指标体系如表 3 所示。 表 3水泥企业循环经济评价指标体系 Table 3The uation index system of a cement enterprise circular economy 指标分类指标名称 专家 权重 BP 权重 指标 性质 资源产出指标 B1矿产资源产出率 C1 0. 1043 0. 0969正 能源产出率 C2 0. 0907 0. 0936正 水资源产出率 C3 0. 0627 0. 0598正 能源消耗指标 B2单位熟料可比综合能耗 C4 0. 0925 0. 0971负 单位水泥可比综合能耗 C5 0. 0744 0. 0712负 单位熟料取水量 C6 0. 0474 0. 0522负 资源综合利用指标 B3固废综合利用率 C7 0. 0902 0. 0886正 工业水循环利用率 C8 0. 0487 0. 0532正 余热利用率 C9 0. 0705 0. 0843正 出厂水泥散装率 C10 0. 0498 0. 0575正 生产废弃物回收利用率 C11 0. 0252 0. 0195正 污染产生指标 B4单位产品二氧化硫产生量C12 0. 0372 0. 0406负 单位产品氮氧化物产生量 C130. 0538 0. 0488 负 单位产品粉尘产生量 C14 0. 0398 0. 0424负 单位产品二氧化碳产生量 C150. 0193 0. 0155 负 产品指标 B5 抗压富余强度合格率 C16 0. 0488 0. 0367正 水泥烧失量合格率 C17 0. 0307 0. 0316正 产品放射性合格率 C18 0. 0141 0. 0105正 由表 3 可知 经 BP 网络优化后， 部分指标的专 家权重值发生了较大变化， 如专家打分结果表明矿产 资源产出率最重要， 而经 BP 网络优化后， 单位熟料 可比综合能耗所占比例最大。在资源综合利用方面， 固废综合利用率及余热利用率较大。综合利用固废 能提高资源产出指标体系中矿产资源产出率， 一方面 综合利用企业自身固废， 如粉煤灰等; 另一方面可协 同消纳周边区域固废， 如城市生活垃圾等。另外重复 利用余热可相应提高资源产出指标体系中的能源产 出率。经 BP 网络优化后的指标权重与之前的专家 权重相比， 客观性更强， 更符合水泥行业的特点， 从而 使建立的指标体系可靠性更高、 有效性与实用性 更强。 2实例研究 对于特定的待评定企业， 为确定其循环经济整体 发展水平， 引入循环经济发展水平综合得分作为等级 划分依据。其计算按式 1 P ∑ n i 1 WiXi 1 式中 Xi为指标值的归一化数据; Wi为指标的权重值; n 为参与计算的指标总数， n 18。 水泥企业的循环经济发展水平划分为 5 个等级， 见表 4。 表 4水泥企业循环经济发展水平等级划分 Table 4Grade of the developmental level in a cement enterprise circular economy 等级很高较高一般较差很差 综合 分值 P≥0. 900. 90 ＞P≥0. 80 0. 80 ＞P≥0. 600. 6 ＞P≥0. 4P ＜0. 4 另外为了确定制约其循环经济的主要指标， 引入 制约因子 C 作为衡量单项指标的实际值相对于评价 目标整体的制约程度。对于某项指标， 当其权重值越 大， 指标值 归一化数据 越小时， 企业在该项指标方 面的改善对于企业整体循环经济水平的提升越为明 显。相比单一指标的对标管理， 制约因子既考虑指标 实际值在行业所处的水平， 又考虑指标相对评价目标 的重要程度， 在主要制约因素的选择方面更具全 局性。其计算按式 2 Ci Wi Xi 2 式中 Ci为指标 i 的制约因子; Wi为指标 i 的权重值; Xi为指标 i 实际值的归一化数据。 选取水泥企业 A 作为实例研究， 对其循环经济 发展现状进行评价。企业 A 现有三条新型干法窑生 产线， 包括两条 1 000 t/d 级新型干法水泥生产线和 一条 700 t/d 级新型干法水泥生产线， 年设计生产能 力为 81 万 t， 其中普通硅酸盐水泥 558 600 t。2012 年水泥企业 A 循环经济发展水平得分及制约因子计 算结果如表 5 所示。 由公式 1 计算得到企业 A 循环经济发展水平 的综合得分 P 为 0. 5014; 根据等级划分标准 表 4 ， 水泥企业 A 的循环经济发展水平较差。现状分析发 现， 企业 A 中 700t/d 的干法生产线是 20 世纪 80 年 代引进国内的国外先进技术， 受当时国内设备加工在 技术和工艺等方面的限制， 使其与现阶段的国内外同 类型生产线相比， 还存在一定差距， 从而造成企业循 环经济发展水平较差。同时表明指标体系的评价结 果与实际情况相符合。 将企业 A 制约因子大于0. 15 的指标作为制约其 151 清洁生产与节能减排 Cleaner Production，Energy- Saving ＆ Emission Ｒeduction 表 5企业 A 循环经济发展水平得分及制约因子计算表 Table 5The score of developmental level in circular economy of enterprise A and restricting factor calculation 指标名称实际值 最大值 最小值 归一化 数据 指标 权重 制约 因子 矿产资源产出率3584123080. 48080. 09690. 2016 能源产出率2267270519910. 38660. 09360. 2421 水资源产出率8129985330. 60000. 05980. 0997 单位熟料可比综合能耗1431641150. 42860. 09710. 2266 单位水泥可比综合能耗122135950. 32500. 07120. 2191 单位熟料取水量0. 40. 580. 31 0. 66670. 05220. 0783 固废综合利用率121680. 50000. 08860. 1772 工业用水循环利用率9096840. 50000. 05320. 1064 余热利用率5381330. 41670. 08430. 2023 出厂水泥散装率3753280. 36000. 05750. 1597 生产废弃物回收利用率100100981. 00000. 01950. 0195 单位产品二氧化硫排放量0. 150. 280. 09 0. 68420. 04060. 0593 单位产品氮氧化物排放量1. 521. 990. 58 0. 33330. 04880. 1464 单位产品粉尘排放量0. 370. 560. 26 0. 63330. 04240. 0669 单位产品二氧化碳排放量7227856920. 67030. 01550. 0231 抗压富余强度合格率99100950. 80000. 03670. 0459 水泥烧失量合格率97100940. 50000. 03160. 0632 产品放射性合格率1001001001. 00000. 01050. 0105 循环经济发展的主要因素， 即能源产出率、 单位熟料 可比综合能耗、 单位水泥可比综合能耗、 余热利用率、 矿产资源产出率、 固废综合利用率及出厂水泥散装 率。通过现场标定， 该 7 项主要制约因素与企业现状 符合。在企业 A 的下一步循环经济工作中， 应该针 对改善以上 7 项指标以提高企业循环经济整体发展 水平， 例如降低熟料烧成阶段的燃料消耗及粉磨工序 的电量消耗以提高能源产出率; 通过循环利用窑头窑 尾废气热及煅烧窑筒体表面热以提高余热利用效率; 通过加大替代原料使用比例以提高矿产资源产出率; 通过利用企业自身固废或协同消纳城市垃圾以逐步 提高固废综合利用率等。 3总结 本文在对循环经济理论和指标体系理论研究的 基础上， 借鉴国内外相关领域评价指标体系的设计实 践， 对水泥企业的循环经济评价指标体系进行了研 究， 研究结论如下 1 利用 AHP- BP 组合模型系统构建了水泥企业 的循环经济评价指标体系。针对水泥行业特点， 利用 AHP- BP 组合模型从资源产出、 能源消耗、 资源综合 利用、 污染排放及产品质量五个方面选择了 18 个指 标用于水泥企业的循环经济发展水平评价， 同时为其 他行业的循环经济指标体系研究提供一定借鉴。 2 引入制约因子确定企业开展循环经济工作的 主要制约因素。在评价过程中， 创造性引入了制约因 子概念用于确定企业开展循环经济工作的下一步方 向。制约因子可同时反映企业某一指标值在行业中 所处的水平和该指标对于企业整体的重要程度。相 比传统的单一指标对标管理， 制约因子在确定主要制 约因素的选择方面更具针对性和全局性。 3 应用研究证明了指标体系的实用性。选取一 家典型水泥企业作为应用案例， 利用已建立的循环经 济评价指标体系对其循环经济发展现状水平进行了 评价， 评价结果与实际相符合。最后， 根据各项指标 的制约因子大小确定了制约案例企业循环经济发展 水平的主要因素， 并给出了相应的解决方案， 从而为 水泥企业的下一步循环经济工作指明了方向。 参考文献 ［1］左振军． 水泥窑氮氧化物排放标准应大幅提高［J］ ． 中国科技 投资， 2012 25 31- 32. ［2］Wernick I K，Irwin F H． Material Flows AccountsA Tool for Making Environmental Policy［C］． WＲI，Washington DC， 2005. ［3］柴玲玲， 万忠， 张禄祥． 区域农业循环经济发展评价研究综述 ［J］． 广东农业科学， 2009 6 235- 239． ［4］李彩红． 化工行业循环经济的指标体系及效果评价［J］． 工业 技术经济， 2007， 26 4 91- 93. ［5］刘玉萍， 郭郡郡． AHP 模糊综合评价法在循环经济发展评价中 的应用［ J］ ． 资源开发与市场， 2009， 25 9 801- 803. ［6］陈勇， 童作锋， 蒲勇健． 钢铁企业循环经济发展水平评价指标体 系的构建及应用［ J］ ． 中国软科学， 2009 12 102- 110. ［7］于景元， 涂元季． 从定性到定量综合集成方法 案例研究 ［J］． 系统工程理论与实践， 2002， 22 5 1- 7. ［8］刘洪， 金林． 基于人工神经网络的湖北省循环经济发展水平评 价［ J］ ． 决策与统计， 2011 24 68- 70. ［9］管祥兵， 鲍宏礼， 代静． 基于未确知 BP 神经网络的农村循环经 济综合评价［ J］ ． 当代经济， 2007 5 89- 90. ［ 10］Basheer I A，Hajmeer M． Artificial neural networksfundamentals， computing，design and application［J］ ． Journal of Microbiological s， 2000， 43 1 3- 31. ［ 11］裴静， 王安国， 刘楠． 人工神经网络在天线设计中的应用［J］． 电子测量技术， 2010， 33 11 105- 109. 第一作者 刘鹤 1988 ， 硕士， 主要从事循环经济评价指标体系和旋风 分离器减租机理进行实现及数值模拟研究。liuhe12 lzu． edu． cn 通讯作者 王博 1978 － ， 男， 博士， 教授， 主要从事离心分离理论与设 备研究、 大气污染控制模拟与工程。wangbo lzu． edu． cn 251 环境工程 Environmental Engineering