中國礦業城市可持續力聚類分析

蘇順華，余 敬，柯小玲

(中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074)

礦業城市是指因礦產資源開發而形成或發展起來，在當地經濟結構中以礦業及相關產業為主導，礦業及相關的社會生產發展到一定規模后形成的特定區域。作為礦業大國，目前我國擁有礦業城市(鎮)400余座，資源枯竭城市已達40多座，占總量的10 %左右；眾多礦山已經或即將進入資源枯竭期，我國一些礦業城市已出現“礦竭城衰”的現象。正是由于礦產資源的不可再生性和可耗竭性，因此，探求和分析我國礦業城市的可持續發展能力有著十分重要的意義。本文首先運用加速遺傳模糊聚類算法，對中國78座主要礦業城市進行模糊聚類，然后在此基礎上，根據礦業城市所處的發展階段、空間分布、資源類型和城市規模等屬性探索其分類規律，分析中國主要礦業城市可持續力的特點和所處的水平，并找出各類樣本與指標數據之間的關系，提煉出指標要素和城市屬性與可持續力之間的規則。

1 模糊聚類方法的選擇

(1)隨機產生編碼長度為e、規模為n的二進制初始群體。

(2)計算每個個體對應的整數，作為初始分類數。

(3)對每一個個體的初始分類數，執行模糊C-均值聚類算法。

(5)對群體實行遺傳操作，操作選擇適應度比例方式，交叉概率取pc=1.0，變異概率取pm=1.0，得到n個子代個體，返回步驟2，如此進化兩代。

(6)加速遺傳操作。取上面每代進化適應度值排在前10位的個體為優秀個體，并用這些優秀個體的變量變化空間，重新設置比那兩初始變化區間，并返回步1。如此加速循環，直到最優個體的適應度值達到某一設定值或運行達到設定的加速次數，運行結束。此時，群體中的最佳個體對應的分類數即為最佳分類數，最佳分類數對應的分類結果為最佳分類結果。

2 模糊聚類分析

2.1 樣本和指標的選取

本文所采用的指標體系，是在文獻[3]的指標體系的基礎上，通過結構方程建模，進行了指標的合理合并和剔除而得到的，具體指標見表1。選取文獻[3]中中國78個主要礦業城市為模糊聚類的樣本，數據也來源于此。并對數據用如下公式進行歸一化處理：

正向指標：X′=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

逆向指標：X′=(Xmax-X)/(Xmax-Xmin)

2.2 分類結果

當參數e=10，n=300，ε=10-4，h=2，α=2時，根據上面加速遺傳迭代自組織模糊C-均值算法，對78個主要礦業城市進行聚類，經過三次加速遺傳迭代得到最佳聚類數c=4。根據最佳軟分類矩陣，由最大隸屬度原則得到最佳分類結果(表2)。圖1是各類別對應的類中距與類間距曲線圖，其中A線為類中距，B線為類間距。圖2是各類別對應的適應度值曲線圖，可以看出分4類時適應度值最大。

圖1 類中距與類間距曲線圖

圖2 適應度函數值曲線圖

從分類結果來看，加速遺傳模糊聚類算法，對中國主要礦業城市可持續力給出了正確的識別。

首先，從礦業城市所處的發展階段、空間分布、資源類型和城市規模等因素來看：第一類，有4個城市，都是石油類中年城市，是可持續力最強的一類城市。第二類，有7個城市，主要都是中部的大、中型煤炭城市，是可持續力較強的一類城市。第三類，有32個城市，都是中年城市，主要是

煤炭、冶金類城市，各占8個；其次是綜合、有色類城市，各占5個；從地區分布和規模來看，東部大中型城市占9個，中部中小型城市占8個，西部中小型城市占9個。這一類的可持續力為一般。第四類，有35個城市，東中部城市占34個，主要是大中型煤炭、有色和石油類城市，分別為17個、4個和4個，且老幼年城市較多。因此，這一類的可持續力是最低的，所識別的結果完全符合實際情況。另外，從各類樣本數可以看出，中國絕大多數礦業城市的可持續力，還處于中、低水平，占據了78個城市中的67個，為85.9%；可持續力處于強、較強水平的只有11個，為14.1%；而且可持續力最強的，全為中年石油類城市。

再者，從各類別礦業城市與指標數據來看：第一類，人均GDP、人均固定資產凈值、每百元固定資產投資實現的利稅、每百元工業總產值實現的利稅及人均儲蓄年末余額5個指標數據值排名非常高，均在前5位。即：可認為，這5項指標高的石油類城市的可持續力強。第二類，人均45種礦產工業儲量潛在價值和主要礦產資源聚集度兩指標數據值排名最高，均排在第1位。即：可認為，這2項指標高的以煤炭為主的城市可持續力較強。第三類，人均儲蓄年末余額、人均45種礦產工業儲量潛在價值、主要礦產資源聚集度及每十萬人擁有醫生數4指標數據值排名較為居中，一般化，這些指標排在9～45位之間的城市有20多個，即：可認為，這4項指標一般化的城市可持續力一般。第四類，人均儲蓄年末余額、人均45種礦產工業儲量潛在價值、主要礦產資源聚集度及每十萬人擁有醫生數4指標數據值排名很靠后。這些指標排在40～78位之間的城市平均有25個左右，即：可認為，這4項指標較差的城市可持續力也低。

由以上分析可以得出如下規則：

①當石油類礦業城市的經濟發展與效益和社會發展與生活質量要素都處于很高水平時，則其有很強的可持續力；②當大中型煤炭礦業城市的資源稟賦和開發條件要素處于較高水平時，則其可持續力較強；③當中年煤炭、冶金類礦業城市的社會發展與生活質量、資源稟賦和開發條件及社會協調度等要素都處于一般水平時，則其可持續力一般；④當東中部的大中型煤炭類礦業城市的社會發展與生活質量、資源稟賦和開發條件及社會協調度等要素的水平很低時，則其可持續力就低。

表1 可持續力指標體系

表2 最佳分類結果

3 結論

本文首先運用改進的加速遺傳模糊聚類算法，對中國78個主要礦業城市進行了模糊分類，將其分成了可持續力強、較強、一般和低四個最佳類別。其次，在模糊聚類的基礎上，得出了中國絕大多數礦業城市的可持續力還處于中、低水平的結論，以及給出了礦業城市所處的發展階段、空間分布、資源類型和城市規模等屬性和指標要素與可持續力之間的4條規則。

[1] 諸克軍，等. 模糊C-均值中的最優聚類與最佳聚類數[J]. 系統工程理論與實踐，2005，(3):52-61.

[2] 金菊良，楊曉華，丁 晶. 標準遺傳算法的改進方案—加速遺傳算法[J]. 系統工程理論與實踐，2001，4(4): 8-13.

[3] Yu, J., Zhang, Z.J., Zhou, Y.F.. The sustainability of China′s major mining cities[J]. Resources Policy, 2008， 33: 12-22.