基于AHP和熵權(quán)的跨界突發(fā)性大氣環(huán)境風險源模糊綜合評價＊

邵 磊 陳 郁 張樹深

(大連理工大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)院,工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點實驗室,遼寧大連 116024)

基于AHP和熵權(quán)的跨界突發(fā)性大氣環(huán)境風險源模糊綜合評價＊

邵 磊 陳 郁 張樹深

(大連理工大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)院,工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點實驗室,遼寧大連 116024)

提高跨界突發(fā)性大氣環(huán)境風險源分級評價結(jié)果的客觀性、準確性,可以對下一步合理分配有限的人力、物力和信息資源,對風險源進行分級實時監(jiān)控提供有力依據(jù)。本文結(jié)合層次分析法(AHP)、熵和模糊數(shù)學(xué)方法對跨界突發(fā)性大氣環(huán)境風險源進行風險評估。該方法首先通過構(gòu)造層次分析法中的判斷矩陣,得到主觀權(quán)值;再利用熵權(quán)法對主觀權(quán)值進行修正,得到綜合權(quán)值;最后運用模糊綜合評價的方法對跨界突發(fā)性大氣環(huán)境風險源危害程度進行綜合評估,得到跨界突發(fā)性大氣環(huán)境風險源的風險等級。采用熵權(quán)來調(diào)整主觀賦權(quán)法給出的權(quán)重系數(shù),使評價結(jié)果更加客觀、科學(xué)、合理。運用此法對大連市T化學(xué)有限公司30t液氯儲罐、X化工廠8t液氯儲罐和S化工廠200t液氨儲罐3個潛在跨界大氣環(huán)境風險源以瞬時爆炸事故排放情形進行風險評價,確定了其風險等級。

大氣環(huán)境風險源;跨界污染;模糊綜合評價;層次分析法;熵權(quán)

跨界大氣污染事故是指跨越國內(nèi)行政管理區(qū)域的區(qū)(縣)、市、省界或跨越國界的重大大氣污染事故。預(yù)防或減少跨界突發(fā)性大氣污染事故發(fā)生的根本在于控制潛在的事故風險源,通過確定大氣風險源的風險等級,根據(jù)等級的不同合理分配有限的人力、物力和信息資源,對風險源進行實時監(jiān)控。然而,目前國內(nèi)對跨界突發(fā)性大氣環(huán)境風險源分級評價技術(shù)的研究很少,所提出評價方法均存在一定缺陷。文獻[1]在國內(nèi)首次完整地提出了基于指數(shù)評價法的環(huán)境風險源分級法,但其具有所有指數(shù)評價法的通病,忽視了各因素之間重要性的差別。文獻[2]將模糊綜合評價法與層次分析法(AHP)相結(jié)合,考慮了各因素重要性的差別,但采用AHP確定的權(quán)重缺少客觀性。本文克服傳統(tǒng)AHP法權(quán)值的主觀局限性,利用熵權(quán)來修正AHP法得到各項指標權(quán)重,從而得到綜合權(quán)重,并在此基礎(chǔ)上利用模糊綜合評價方法,對文獻[2]評價指標體系中的大氣環(huán)境風險源危害程度進行綜合評估。

1 基于AHP和熵權(quán)法的跨界突發(fā)性大氣環(huán)境風險源模糊綜合評價法

1.1 指標權(quán)重的確定

給指標賦權(quán)是評價過程中的一個重要環(huán)節(jié),權(quán)重確定是否合理直接關(guān)系到評價的準確性和科學(xué)性。目前,權(quán)重的確定方法主要有主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法兩大類,它們各有利弊。在實際應(yīng)用中,我們可將主、客觀賦權(quán)結(jié)合使用,使兩種方法互補克服各自的不足。本文將層次分析法和熵權(quán)法結(jié)合起來使用,以求得的綜合權(quán)重為評價指標的最終權(quán)重。

1.1.1 層次分析法[3]

層次分析法(AHP)是一種定性和定量分析相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法。鑒于層次分析法應(yīng)用范圍較廣,許多資料中介紹得很詳細,這里不再描述。在跨界突發(fā)性大氣環(huán)境風險源分級評價中,應(yīng)用層次分析法求得各評價指標的權(quán)重為。

1.1.2 熵權(quán)法

人們在評價決策中所獲信息的多少,是評價精度和可靠性大小的決定因素之一。在信息論中,熵是系統(tǒng)無序程度的度量,如果指標的信息熵越小,該指標提供的信息量越大,在綜合評價中所起作用越大,權(quán)重就應(yīng)該越高[4]。因此,可以用熵值來確定權(quán)重。熵權(quán)向量的計算如下:

(1)評價指標數(shù)據(jù)的標準化處理

由于參與評價的各項指標有越大越優(yōu)型、越小越優(yōu)型,需對矩陣中的特征值進行歸一化處理,方法如下:

式中,xij和x′ij分別為指標的原始值和標準值。據(jù)此得到歸一化矩陣

(2)指標熵權(quán)系數(shù)權(quán)重求解

計算原始指標數(shù)據(jù)矩陣樣本j第i個指標的比重pij

1.1.3 確定綜合權(quán)重

層次分析法考慮了專家的知識和經(jīng)驗,以及決策者的意向和偏好,雖然指標權(quán)重的排序往往具有較高的合理性,但仍然無法克服主觀隨意性較大的缺陷;熵權(quán)法充分挖掘了原始數(shù)據(jù)本身蘊涵的信息,結(jié)果比較客觀,但卻不能反映專家的知識和經(jīng)驗以及決策者的意見,有時得到的權(quán)重可能與實際重要程度不相符,甚至相悖[5]。綜合分析兩種方法的優(yōu)缺點,本文把AHP法和熵權(quán)法的結(jié)果相結(jié)合,得到綜合考慮主客觀因素的指標權(quán)重向量wi。

綜合權(quán)重隨α的改變而改變,當α=1和α=0時,分別對應(yīng)于AHP法和熵權(quán)法。α如何合理地取值,有很多討論。綜合考慮文獻[4,6]的討論結(jié)果,結(jié)合本文指標體系的實際情況,取α=0.5。

由于熵權(quán)法要求有一定量的樣本單位才能使用,并且熵權(quán)與指標值本身大小關(guān)系十分密切,因此只適用于指標層的構(gòu)權(quán)而不適用于中間層的構(gòu)權(quán)[7],本文對于中間層(準則層、領(lǐng)域?qū)印⒅黝}層)的構(gòu)權(quán)只采用層次分析法。

1.2 對跨界大氣風險源危害程度模糊綜合評價的描述

模糊綜合評價就是利用模糊數(shù)學(xué)方法對所討論對象進行綜合評判。利用模糊綜合評判可以有效的處理人們在評價過程中本身所帶有的主觀性,以及客觀所遇到的模糊性現(xiàn)象。跨界大氣風險源危害程度的綜合評價是一個多指標(多屬性)、多層次的綜合評價問題,在模糊綜合評判中屬于多級評判問題。模糊綜合評價通常按以下的步驟進行:

(1)確定評價因素集合U={u1,u2,...,uN}

其中ui(i=1,2,…,N)為評價因素,N是同一層次上單個因素的個數(shù),這一集合構(gòu)成了評價的框架。

(2)確定評價等級標準集合V={v1,v2,…,vn}

其中vj(j=1,2,…,n)是評價等級標準,n是元素個數(shù),即等級數(shù)或評語檔次數(shù)。這一集合規(guī)定了某一評價因素的評價結(jié)果的選擇范圍。評價元素既可以是定性的,也可以是量化的分值。本文依據(jù)國家環(huán)保部編制的《國家突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急預(yù)案》將突發(fā)環(huán)境事件分成4級的方法,與之對應(yīng),將大氣環(huán)境風險源也分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4個等級,即V={特別重大,重大,較大,一般}。

(3)確定隸屬度矩陣R

假設(shè)對第i個評價因素ui,進行單因素評價得到一個相對于vj的模糊向量

rij為因素ui具有vj的程度,0＜rij＜l。若對n個元素進行了綜合評價,其結(jié)果是一個N行n列的矩陣,稱之為隸屬度R。顯然,該矩陣中的每一行是對每一個單因素的評價結(jié)果,整個矩陣包含了按評價標準集合V對評價因素集合U進行評價所獲得的全部信息[8]。

本文應(yīng)用隸屬度函數(shù)計算定量指標隸屬度,生成評語集。隸屬度函數(shù)可以是任意形狀的曲線,取什么形狀取決于應(yīng)用的方便和有效,本文采用環(huán)境科學(xué)中廣泛應(yīng)用的三角形隸屬度函數(shù)計算。

一般評價指標可分為兩類:第一類指標(正指標):風險源危害程度與指標值呈正相關(guān),指標值越大,風險源危害程度越高;第二類指標(負指標):風險源危害程度與指標值呈負相關(guān),指標值越大,風險源危害程度越低。兩類指標的隸屬度函數(shù)計算方法如下:

①第一類指標(正向指標)

當xi的實際值大于其對應(yīng)的第Ⅰ級標準時,它對第Ⅰ級的隸屬度為1,而對其它等級的隸屬度為0。

當xi的實際值介于其對應(yīng)的第j級和第j+1級標準Vj和Vj+1之間時,即當Vj≥xi≥Vj+1時,它對j+1等級的隸屬度為:

而對其它級別的隸屬度均為0。

當xi的實際值小于其對應(yīng)的第Ⅳ級標準時,它對第Ⅳ級的隸屬度為1,而對其它等級的隸屬度為0。

②第二類指標(逆向指標)

當xi的實際值小于其對應(yīng)的第Ⅰ級標準時,它對第Ⅰ級的隸屬度為1,而對其它等級的隸屬度為0。

當xi的實際值介于其對應(yīng)的第j級和第j+1級標準Vj和Vj+1之間時,即當Vj≤xi≤Vj+1時,它對j+1等級的隸屬度為:

對第j等級的隸屬度為:

而對其它級別的隸屬度均為0。

當xi的實際值大于其對應(yīng)的第Ⅳ級標準時,它對第Ⅳ級的隸屬度為1,而對其它等級的隸屬度為0。

根據(jù)式(6-13),計算評價指標i隸屬于評價等級j的隸屬度rij,生成隸屬函數(shù)R

當對跨界大氣風險源危害程度進行評價時,首先用模糊綜合評價模型M(·,+)對主題層指標D1-D6分別進行第一級評價,計算出模糊綜合評判向量SD1-SD6,從而得到第二級隸屬度矩陣(SD1,SD2,SD3)T,(SD1,SD2,SD4)T,(SD1,SD2,SD5,SD6)T,(SD1,SD2,RE21)T。然后進行第二級評價,求出領(lǐng)域?qū)幽：C合評價向量SC1-SC6(SC5和SC6直接由指標層元素評價得出)和第三級隸屬度矩陣(SC1,SC2,SC3,SC4)T,(SC5,SC6)T。以此類推,最終求出目標層評價結(jié)果向量

最后,根據(jù)最大隸屬原則,確定跨界大氣風險源所屬的評價等級,給出評價結(jié)論。

2 跨界大氣環(huán)境風險源模糊綜合評價實例

經(jīng)研究表明[9],我國化工系統(tǒng)中應(yīng)優(yōu)先考慮并進行控制的危險性物質(zhì)依次是:液氯、液氨、液化石油氣、氯乙烯等,其中液氯、液氨排在前兩位。本文以大連市T化學(xué)有限公司30t液氯儲罐(例1)、X化工廠8t液氯儲罐(例2)和S化工廠200t液氨儲罐(例3)為潛在跨界環(huán)境風險源,運用文獻[2]中的評價指標體系對其進行評價,確定其風險源級別。

2.1 危害范圍的確定

本文選取《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值》(GBZ2-2002)中的短時間接觸容許濃度(15min,PC-STEL)為氯和氨在環(huán)境中對人或其他承受體構(gòu)成危害的濃度,分別記為CSTEL=1mg/m3和30 mg/m3。經(jīng)查閱大連地區(qū)多年氣象資料,以最易引起跨界污染的氣象條件(風向ss w,風速1.5m/s,F穩(wěn)定度)和事故排放情形(瞬時爆炸),用SLAB軟件模擬出了例1、2、3儲罐爆炸后的危害范圍,見圖1。

圖1 跨界大氣環(huán)境風險源危害范圍模擬圖

由圖1可見,例1位于大連市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū),其最遠危害距離為125.779km,危害面積為360.245km2,危害范圍橫跨大連、營口兩市,為跨市界風險源;例2位于大連市金州區(qū),其最遠危害距離為62.243km,危害面積為118.884km2,危害范圍橫跨經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)和瓦房店兩區(qū),為跨區(qū)界風險源;例3位于大連市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū),其最遠危害距離為138.306km,危害面積為170.149km2,危害范圍橫跨大連、營口兩市,為跨市界風險源。

2.2 指標賦值

在危害范圍內(nèi),對指標體系中涉及到的相關(guān)因素做深入調(diào)查,搜集人口數(shù)、主要農(nóng)作物種類、種植面積等數(shù)據(jù),并對危險源所屬單位的生產(chǎn)和管理狀況進行調(diào)研,經(jīng)整理得到定量指標值。

2.3 基于AHP和熵權(quán)法的跨界突發(fā)性大氣環(huán)境風險源

模糊綜合評價

按照文獻[2]中的評價指標體系,對圖1中的3個大氣環(huán)境風險源按照本文上述介紹的基于ANP和熵權(quán)法的跨界突發(fā)性大氣環(huán)境風險源模糊綜合評價法進行模糊綜合評價,可以得到各級評判結(jié)果。3個實例的第四級(準則層對目標層)評價結(jié)果經(jīng)歸一化處理后見表1。

最后,由最大隸屬度原則知目標元素A的評價等級分別為Ⅱ、Ⅲ、Ⅲ級,即例1為Ⅱ級大氣環(huán)境風險源,例2為Ⅲ級大氣環(huán)境風險源,例3為Ⅲ級大氣環(huán)境風險源。

表1 第四級評價結(jié)果

3 結(jié)論與建議

本文全面考慮各因素的重要性,將定性和定量的分析有機地結(jié)合起來,運用模糊綜合評價法結(jié)合案例對指標體系進行評價。在指標權(quán)重的確定過程中,本文將AHP與熵權(quán)法相結(jié)合,互相彌補缺陷,減少了專家確定權(quán)重過程中的人為影響,提高了權(quán)重確定的準確性。評價結(jié)果為T化學(xué)有限公司30t液氯儲罐為是重大環(huán)境風險源,X化工廠8t液氯儲罐是較大環(huán)境風險源,S化工廠200t液氨儲罐是較大環(huán)境風險源。

本文主要是對這一方法的介紹,在跨界大氣環(huán)境風險源綜合評價時僅選取3個風險源作為評價對象。在實際的運用中,可以選取更多的風險源進行評價,以求在熵權(quán)確定的過程中提高準確性。(編輯:田 紅)

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AbstractI mproving the objectivity and the veracity of classification evaluation resultsof cross-border emergent atmospheric environment risk sources is available for a rational allocation of limited human,material and information resources next,and is also available for reference to classified monitor environment risk sources in real time.Combining the Analytic Hierarchy Process(AHP),the entropywith the fuzzymathematics,a method of cross-border emergent atmospheric environment risk sources synthetic evaluation is proposed.At first the subjective weights are obtained by constructing the judgmentmatrixofAHP;then bymeansof the entropyweight the subjectiveweights is amended,and the synthetic weights are for med;at last the extend of harm from the atomspheric environmental risk sources is evaluated synthetically by the fuzzy synthetic evaluation method and the risk levels of cross-border emergent atmospheric environment risk sources are obtained.In order to make the result of evaluation more objective,scientific and reasonable,the entropyweight is put forward to adjust the weight,which is given by subjective method.The method has been used to evaluate the risk grades for three examples,a 30-tonne liquid chlorine storage tank from T Chemical Co.Ltd,an 8-tonne liquid chlorine storage tank from X Chemistry plant and an 200-tonne liquid ammonia storage tank from S Chemistry plant in Dalian City,where the incident considered is an instant explosion.

Key wordsat mospheric environment risk sources;cross-border pollution;fuzzy synthetic evaluation;analytic hierarchy process;entropyweight

Fuzzy Synthetic Evaluation of Cross-border Atmospheric Environment Risk Source Based on Entropy and AHP

SHAO Lei CHEN Yu ZHANG Shu-shen
(KeyLaboratory of Industrial Ecology and Environmental Engineering,School of Environmental and Biological Science and Technology,Dalian University of Technology,Dalian Liaoning 116024,China)

X823

A

1002-2104(2010)03專-0135-04

2009-07-23

邵磊,碩士生,主要研究方向為工業(yè)生態(tài)與環(huán)境規(guī)劃管理。

陳郁,博士生,講師,主要研究方向為環(huán)境規(guī)劃與評價。

＊863計劃重大項目(編號:2007AA06A411)。