基于模糊模式識別法的我國電源結構優(yōu)化評價

傅毓維，楊 莉

（哈爾濱工程大學 經濟管理學院，哈爾濱 150001）

如何對現(xiàn)有電源結構發(fā)展狀況或未來電源結構調整規(guī)劃方案的科學性、合理性進行評價，如何確定合理的（優(yōu)化的）電源結構的評價標準，以及如何判定怎樣的電源結構(水電、煤電、氣電、核電和新能源結構)等才是優(yōu)化合理的，目前尚未見到明確的、有效的、客觀的研究成果。本文從可持續(xù)發(fā)展的角度，針對我國電力發(fā)展現(xiàn)狀，綜合考慮多方面因素，建立了相對完整的電源結構優(yōu)化程度評價指標體系，并提出了基于模糊模式識別法的評價方法，實現(xiàn)了評價結果的可視化，使得易于比較和分析。

1 模糊模式識別評價模型的建立

本文結合電源結構優(yōu)化合理程度評價問題中影響因素多且相關程度不高等特點，采用多級模糊模式識別評價方法，該方法綜合考慮了評價指標的層次性和模糊性，能夠更客觀地反映電源結構優(yōu)化程度。具體應用過程是：首先，綜合考慮反映電源結構優(yōu)化程度的各種指標，將反映研究對象的指標與劃定的等級指標相比較，結合各指標在整個指標體系中的地位確定權重；然后，依據(jù)隸屬度原則，按照模糊模式識別模型計算出實際情況在不同等級的級別特征值，所對應的就是各年度我國電源結構優(yōu)化合理程度。該方法在水資源的綜合評價中得到了廣泛的應用，并取得了可喜的研究成果。具體計算過程如下：

（1）指標相對隸屬度與指標標準特征值矩陣

對電源結構優(yōu)化合理性A作識別的n個樣本，這n個樣本構成集合X={x1，x2，…，xn}。每個樣本由m個指標特征值描述，則這n個樣本可用m×n型的指標特征值矩陣表示，即：

式中，xij是對象j指標i的實測指標值，每個對象有m個指標特征。

根據(jù)指標與評價目標之間呈正相關或負相關兩種情況，采用不同的屬性規(guī)格化公式。當呈正相關時，取參考連續(xù)統(tǒng)上相對隸屬度為0左極點對應于ximin，相對隸屬度為1的右極點對于應ximax。ximin、ximax分別為可持續(xù)發(fā)展評價指標i的最小、最大標準值。介于ximin與ximax之間的指標xij，則指標相對隸屬度可按下式確定：

式（2），（3）中，rij為樣本 j指標 i的特征值對 A 的相對隸屬度，由此得到評價指標的相對隸屬度矩陣R為：

定義sih為級別h指標i的標準值對A的相對隸屬度，由此可以得到評價指標的指標標準特征值的相對隸屬度矩陣S為：

由矩陣R知樣本j的m個指標相對隸屬度rj=(r1j，r2j，…，，將 rj中指標 1，2，…，m 的相對隸屬度 r1j，r2j，…，rmj分別與矩陣S中的第1，2，…，m行的行向量逐一進行比較，可得指標 i所處的級別區(qū)間[aij，bij]，i=1，2，…，m。 于是 rj落入矩陣S的級別區(qū)間下限aj與級別區(qū)間上限bj可按下式確定：

（2）指標權重的確定

在模糊集合論中，隸屬度被定義為權重。當目標對樣本A的相對隸屬度越大，賦以越大的權重，則可將矩陣R直接作為目標對模糊概念“重要性”B的相對隸屬度矩陣，即W=R=(wij)；當目標對樣本A的相對隸屬度越大，賦以越小的權重，則可將變化為W=I-R=(wij)。

根據(jù)最小二乘方優(yōu)化準則，選擇歐式距離，確定目標i對重要性的相對隸屬度，即得到目標權重為：

這樣就得到了非歸一化目標權向量為：w(i)=(w(1)，w(2)，…，w(m))，i=1，2，…，m

歸一化目標權向量為：

（3）樣本集對各級別的相對隸屬度矩陣

欲將n個對象依據(jù)其m個指標特征按c級標準值加以識別，則模糊識別矩陣為：

式中：uhj為對象j隸屬于h級指標標準值的相對隸屬度，滿足條件：0≤uhj≤ 。 一般地，級別區(qū)間[aj，bj]有aj≥1，bj≤c，要求同時滿足約束條件，必有 uhj=0，當 h＜aj或 h＞bj。

根據(jù)已確定的 rij，sih，wij(i=1，2，…，m，j=1，2，…，n，h=1，2，…，c)選擇歐氏距離，則由下式確定對象j隸屬于h級指標標準值的最優(yōu)相對隸屬度：

（4）級別特征值

設參考連續(xù)統(tǒng)的右極點表示模糊概念A級別1，自右向左的中介級別依次用2，3，…，直到左極點表示級別c，而1，2，…，c稱為極別變量，以 h表示。 若元素 u對級別 1，2，…，c 的相對隸屬度分別為 μA1(u)，μA2(u)，…，μAc(u)，級別變量h與相對隸屬度μAc(u)的對應關系稱H(u)為極別變量的相對隸屬度分布列，滿足歸一化條件(u)=1

以級別變量h對應的相對隸屬度μAc(u)為權重，其總和為：

稱為級別（或類別）變量的特征值，簡稱為級別特征值。

2 評價指標體系的建立

指標的選擇是判別我國電源結構優(yōu)化程度的關鍵環(huán)節(jié)。本文參閱了大量文獻、咨詢有關專家意見，并分析了我國電力發(fā)展特點，結合可持續(xù)發(fā)展理論，應用系統(tǒng)分析方法，定性分析和定量研究相結合，依據(jù)客觀性、可操作性、可比性等原則，初步擬定了60項指標，力求涵蓋與電源結構相關的各個方面。然后在充分考慮了評價指標的充分性、穩(wěn)定性和必要性的基礎上，對指標體系進行了篩選，刪減了明顯冗余、高度相關，以及各年份指標值變化不大的指標，并根據(jù)建立指標體系的可操作性原則，把指標數(shù)據(jù)無法得到，或者獲得指標數(shù)據(jù)成本太高的指標刪除，保證指標數(shù)據(jù)從官方統(tǒng)計數(shù)據(jù)中的可獲得性。經過初步篩選，原有的指標集還剩下19個，把這些指標根據(jù)上面介紹的建模思想，分成5類，這樣得到了遞階層次結構的電源結構優(yōu)化程度評價指標體系，如圖1所示。整個評價指標體系是一個三層遞階結構系統(tǒng)，組織成樹型結構的指標體系。按目標的大小分為三個層次：自上而下分別為目標層——控制層——指標層。第一層是系統(tǒng)的總目標層，描述了評價的總目標，即我國電源結構優(yōu)化合理程度的評價；第二層是直接影響總目標的控制層，即對我國電源結構優(yōu)化程度的評價應該從發(fā)供電水平、電源結構水平、電力消費水平、資源承載水平以及環(huán)境容量水平5個方面展開，這5個方面構成了5個子系統(tǒng)，從不同側面反映了前文建模思想中需要考慮的主要因素；第三層是指標層，各個具體指標根據(jù)對應子系統(tǒng)的不同評價目標進行設定，這是進行定量綜合評價的基礎。這樣就構建了目標層次清晰、目標明確的電源結構優(yōu)化評價總體指標體系框架。

3 我國電源結構優(yōu)化程度評價的實證

針對以上指標，本文收集整理了我國1995～2004年電力發(fā)展相關數(shù)據(jù)（篇幅所限，原始數(shù)據(jù)略，全部數(shù)據(jù)來自于歷年中國統(tǒng)計年鑒、中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒、中國電力年鑒），利用模糊識別評價模型，采用MATLAB 7.0軟件編程，對原始數(shù)據(jù)進行了計算，全部計算分第三層、第二層兩部分進行逐層分步計算。

（1）求第三層各系統(tǒng)的輸出

現(xiàn)以發(fā)供電水平子系統(tǒng)e1為例對求解過程作一說明：

取模式識別的級別為 5級，用 1，2，3，4，5級分別對應很合理、合理、中級、不合理、很不合理共5個級別，每個指標在每個級別所對應指標標準值本文略，這樣得到發(fā)供電水平子系統(tǒng)的5級指標標準值相對隸屬度矩陣：

采用公式（2）、（3）可得到該子系統(tǒng)各指標的相對隸屬度矩陣如下：

將得到的矩陣R的數(shù)據(jù)代入公式（7），并歸一化，得到該子系統(tǒng)指標的權重向量為w1=(0.278,0.298,0.237,0.188)

將R矩陣中的元素值逐個與矩陣S中的元素值作比較后，得到 aj，bj，并將以上數(shù)據(jù)代入到公式（10）中，得到發(fā)供電水平子系統(tǒng)的相對隸屬度為：

應用公式（11），得到發(fā)供電水平子系統(tǒng)的級別特征值向量：

H1=(3.941,3.509,4.225,4.633,4.095,3.482,3.574,2.665,1.932,1.007)

得到相對優(yōu)屬度向量：

u1=(0.265,0.373,0.194,0.092,0.226,0.379,0.357,0.584,0.767,0.998)

同理計算其它子系統(tǒng)，得到第3層其它4個系統(tǒng)的輸出。

（2）求第2層各系統(tǒng)的輸出

將第3層5個子系統(tǒng)的輸出組成第2層系統(tǒng)的輸入，由公式（7）得到5個子系統(tǒng)的權重向量為：

w=(0.209，0.196，0.157，0.251，0.188)

應用公式（10）、（11），得到以級別 1為最高級別的級別特征值：

H=（4.429，4.159，4.118，4.058，3.941，3.409，3.218，3.004，2.722，1.873）

4 結論

（1）本文首次采用模糊模式識別方法對我國電源結構優(yōu)化程度進行分析，評價結果表明，從1995到2004年，我國電源結構的優(yōu)化和調整是循序漸進的過程，從明顯不合理逐步向合理穩(wěn)定發(fā)展的良性方向轉變。1995～1999年以前我國電源結構優(yōu)化程度還處在4級和5級之間，即電源結構還很不合理，2000年以后逐漸改善，2004年趨于合理，這是我國不斷調整電源結構、加大環(huán)境治理力度、保證電力供需平衡、提高發(fā)供電效率、開發(fā)和合理利用多種電力資源等政策逐漸得到落實的結果。

（2）通過5個子系統(tǒng)的權重計算結果可知，在影響電源結構優(yōu)化的5個主要因素中，資源承載水平對電源結構優(yōu)化程度的影響最大，其次是發(fā)供電水平和電源結構水平，再次是環(huán)境容量水平，最后是電力消費水平。由此可知加大能源開采力度、提高能源利用率、加大電力投資是改善電源結構優(yōu)化程度的有效措施，其次提高供電效率、調整煤電比重、加大核電、水電和新能源發(fā)電比重也是行之有效的方法。以上計算結果表明，雖然我國電源結構還存在一些問題，但電源結構優(yōu)化和調整還有很大潛力，依靠科技進步，促進我國經濟、社會、環(huán)境和資源相互協(xié)調和可持續(xù)發(fā)展必將極大地促進我國電源結構向更加合理的方向發(fā)展。

（3）實證分析表明，模糊模式識別方法是進行電源結構優(yōu)化評價的有力工具，具有理論嚴謹、概念清晰、可操作性強、計算結果有說服力等優(yōu)點。相對于模糊綜合評價法，不需要建立隸屬度函數(shù)，并綜合考慮了各評價因素的有效信息，方法簡單，計算量少，易于推廣應用，是一種簡單高效的方法。

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