基于FCM的煤礦區生態系統環境風險分析研究＊

宋 潔 張 紅 李 芳

(山西大學環境與資源學院,山西太原 030006)

基于FCM的煤礦區生態系統環境風險分析研究＊

宋 潔 張 紅 李 芳

(山西大學環境與資源學院,山西太原 030006)

煤炭的開采活動使得煤礦區生態系統發生了一系列的改變,尤其是與人類生活息息相關的土地資源,植被資源,水資源等遭到了嚴重的破壞,給當地的經濟發展及人民的生產生活帶來了巨大的環境風險。本文在模糊認知圖理論的基礎上,建立了基于單個agent認知的煤礦區生態系統的風險模型,通過融合相同認知單元,將各個agent的模糊認知圖合成能清晰地表示各個認知單元間的整個因果關系的群體認知圖。分析群體認知圖可知,由煤炭開采所引發的各種風險因子中,地面塌陷所造成的危害最大,當地財政收入受到各種因素的制約影響最大,而由煤炭開采所帶動的產業鏈發展、當地基礎設施建設、財政收入、治安問題、恢復治理費用、生活水平提高等九個社會因素之間既互相促進又互相制約,通過建立群體認知圖我們可以清楚的認識到影響煤炭生態系統各因子之間的關系。進一步探索了多agent對礦區環境風險的認知方式、聯系程度及影響因素,從而為礦區環境規劃和管理決策行為提供有力的技術支持。

模糊認知圖;煤礦區生態系統;agent;生態模型;因果關系

在煤炭開采區,區域經濟以及相關產業的發展在很大程度上依賴于煤炭資源的開發利用,但由采礦引起的諸多環境問題也已成為影響區域環境、社會和經濟發展的主要制約因素。采礦活動不僅破壞地層結構,而且也為周邊地區帶來了一系列影響深遠的環境問題[1],如土地過量被征用,植被的生態調節功能被削弱,區域水土流失呈加重趨勢,塌陷區存在地質災害隱患、大氣、地表水、地下水、土壤的質量下降,生態系統退化,生物多樣性喪失,景觀受到破壞,農作物減產等等,以上由于煤礦開采造成的環境風險已威脅到人類正常的生產生活。而這些由礦產資源開發引起的生態環境問題需要花費大量人力、物力和財力去恢復,而且難以恢復到原來的水平,如今,它已不單純是一個環境污染問題,而是關系到一個國家、民族經濟發展和人類生存根本性問題。因此,如何協調經濟發展與礦區生態環境破壞已成為中國當前所面臨的緊迫任務之一,也是中國實施可持續發展戰略應先關注的問題之一。

在礦區生態環境風險評價和整治過程中,不同利益主體對礦區生態環境風險的認識不同,導致環境政策和管理措施在孕育、制定、修訂、執行、傳導的過程中產生一系列矛盾[2]。產生這些矛盾的原因是多方面的,其中綜合不同利益主體的認知、構建協調有效的環境管理機制是不容回避的。

本文以工程技術人員這一利益群體為例,通過對多個agent進行訪談,構建模糊認知圖(Fuzzy Cognitive Map,FCM),建立基于模糊認知圖的煤礦區生態系統的認知系統,將多個agent的模糊認知圖構成一幅清晰地表示各個認知單元間的整個因果關系有正反兩方面意見的FCM,使每個agent的知識表示和推理技術認知更加完整、透明、清晰。實現決策的科學化和民主化,有助于進一步探索和諧有效的礦區環境風險管理機制。

1 研究方法

1.1 模糊認知圖(FCM)

認知圖(cognitive map,CM)是表達和推理系統中概念間因果關系的圖模型,節點和邊分別表示概念及概念間的因果關系[3]。Kosko于1986年在概念間因果關系中引入模糊測度,把概念間的三值{-1,0,1}邏輯關系擴展為區間[-1,1]上的模糊關系,提出模糊認知圖模型(fuzzy cognitive map,FCM),用于概念間模糊因果關系的表達與推理。模糊認知圖是一種定性分析的知識網絡,并基于模糊推理規則來表達專家知識,其節點取值為[0,1],節點之間的聯接權值取值為[-1,1],越靠近臨界值則代表節點之間的影響越強烈。目前,模糊認知圖在社會及行為科學方面、股票交易市場方面、軍事政策方面都有所研究[4],作為決策制定的一個分支,它將為大型煤礦開采區的生態整治和環境管理決策提供一種新的思路和模式。

1.2 FCM的表示方式

在煤礦區,人們對環境風險的認知中,通常會同時考慮“促進”、“抑制”或“不確定”因素對煤礦區發展的影響,雖然經典的二值邏輯為計算機技術奠定了基礎,模糊邏輯對不確定性推理提供了一種方法,但他們不能結合正面、負面或不確定三方的影響直接對環境建立模型,基于NPN邏輯理論的模糊認知圖可以實現此目的[5]。在FCM中.模型圖示化中主要由節點和連線組成。其中節點表征概念,可以表示系統的動作、原因、結果、目的、感情、傾向及趨勢等,反映系統的屬性、性能與品質[6];概念間的連線表示概念間的因果關系(用帶箭頭的連線表示,箭頭的方向表示因果聯系的方向)。

在FCM中,通過權值wij來描述認知單元Ci對認知單元Cj的因果關系或關聯作用,wij∈[1,1],其中wij＞0表示認知單元Ci對Cj具有正向作用。wij＜0則相反,wij=0表示認知單元Ci對Cj不關聯(互相之間沒有直接影響),可得整個系統的關聯矩陣W=[wij]n×n[7]

圖1 模糊認知圖表示

1.3 FCM的合成

認知圖的合成的過程體現了知識的聚合。在分布式環境中,知識聚合(pooling)用來合成不同專家、不同組織、不同但相關領域的部分知識。以下方法常用于合成相同認知單元間的因果關系:設有K個agent,m個agent提出Ci對Cj有負面作用,n個agent提出有正面作用,即m個agent提出μR(x,y)是負的,強度分別為μ1,μ2,…μm,而n個專家提出μR(x,y)是正的,強度分別為v1,v2…vn,則綜合各agent的意見后得到一個合成的因果關系值即NPN值[a,b][8],它可由以下計算得到

其中ci為各個agent的置信度。當有不同agent在不同的但相關或重疊的領域有專長時,按式(1)融合相同的認知單元(相同認知單元間設雙向權值均為1),而后組成一個集成FCM。一個集成的FCM也可以看做是一個大環境中的一個部分FCM,以作進一步的合成。

2 結果與分析

2.1 影響因子識別

山西省是一個煤炭資源大省,山西煤炭資源豐富,是我國的能源重化工基地,長期以來,山西省形成了以挖煤、發電、冶金、化工、建材等工業為主體的超重型產業結構,發展模式以煤炭的大量消耗和粗放的外延發展為特征。近20年來,山西在為支援國家經濟建設輸送了大量能源和原材料[8-9],然而,在長期大規模、高強度開采煤炭資源的過程中,由于缺乏保護資源環境的意識,加之相關法律制度不健全,土地塌陷、地表擾動、崩塌、泥石流等礦山地質環境問題和地質災害日益凸顯[10]。這種高投入、高消耗、重污染導致的環境狀況惡化,使得山西省經濟和社會可持續發展正面臨嚴峻挑戰。

本研究先識別出煤炭開采中的環境風險因子以及因子之間的關系,確保各因子彼此獨立,之后選取了山西省3個典型煤礦區的工程技術人員作為agent進行訪談,這些工程技術人員均工作在一線,對煤炭區生態系統的環境風險有深刻的認識。訪談過程中,首先清晰地表達本次訪談的內容和意義,并解釋如何作出一幅因子間互不相關的認知圖,訪談者列出自己認為的所有影響因子后,對因子的相關性、包含性進行識別,篩選出所有不相關的因子[11],構建這個訪談者個體的FCM。

由于不同的訪談者選取的風險因子不同,在FCM的構建過程中可以不斷的加入新的影響因子。當增加訪談對象時,因子數量也不再增加的時候,訪談結束。本次研究中,當訪談到第十五個agent時,基本已經沒有新增的影響因子(見圖2)。

圖2 認知圖數

2.2 個體認知圖的建立

不同的agent對煤礦區生態系統的環境風險認知可構建一個FCM,圖3為某一agent提供的FCM。

它的關聯矩陣為

煤炭開采對自然和社會造成的因子之間的相關性用認知單元間的權值代表,正向權值越大表示正相關性越大,反之亦然。各因子間的相關性均來自工程技術人員日常工作積累的知識和經驗,它具有動態可調節性。

在FCM中,節點集C={1,2,…,n}為有限集,對于C中兩個不同的節點i、j,若存在wij≠O,則稱ci對cj有直接的關聯作用,記作ci→cj;若存在互不相同的節點k1,k2,…,k(m-1)使得ci→ck1,ck2,→ck2,…,ck(m-1)→cj成立,則稱ci通過節點ck1,ck2,…,ck(m-1)對cj間接關聯(關系)作用,記為i→＜e1,e2,…,em＞ →j,si對sj的間接關聯的權值可由下式得到:

每個工程技術人員由于工作對象和側重點不同,對煤炭開采所造成的自然和社會方面影響的認知程度是不同的,于是給出另外兩個agent的個體FCM。

圖3 某一agent給出的FCM

圖4 多agent集成后的FCM

2.3 群體認知圖的融合

綜合若干個agent的信息后開始工作。通過連接相同認知單元得到一個集成FCM,群體認知圖只能及時的反映某一點情況,但他并不是靜態的,而能逐漸變成為一個集體形式。群體認知圖隨著時間在動態的改變,損耗的部分離開集體,其他的部分再重新結合[11]。從多agent集成的群體認知圖(見圖4)可知,由煤炭開采所引發的各種環境風險中,地面塌陷對煤礦生態系統所造成的危害最大,它與破壞植被、土地利用類型改變等9個因子有直接關聯,且恢復治理費用因子得到最大關聯權值0.8,。當地的財政收入受到各種因子的制約程度最大,大氣污染、地下水資源破壞等8個因子都對財政收入有負面影響,其中恢復治理費用因子的負向最大關聯權值最大,為-0.7。煤炭開采造成的大氣污染、粉塵污染、地下水資源破壞、土地利用類型改變、噪聲污染、水資源缺乏、破壞生態環境這七個風險因子都直接或間接的影響到了地方財政收入;而由煤炭開采所帶動的產業鏈發展、當地基礎設施建設、財政收入、治安問題、恢復治理費用、生活水平提高、物價上漲、居民房屋安全隱患、增加就業這九個社會因素之間既互相促進又互相制約,如增加就業后人們的生活水平提高了,但造成了物價上漲,煙氣污染等自然因素又影響了人們生活水平的提高。總之,群體認知圖的建立可以讓我們看清楚影響煤炭生態系統中各因子間的關系,又對進一步采取有效合理的措施治理生態系統提供了有力的決策依據。

3 結束語

模糊認知圖通過概念間的關系來模擬模糊推理,通過整個圖中各概念節點的相互作用來模擬系統的動態行為。本文將單個agent的FCM集成一個群體認知圖,綜合了煤炭開采對自然以及社會所造成的影響因子。由于FCM可以描述認知單元間正反兩方面的信息,使得認知更加完整、清晰,從而減少由于信息缺乏而帶來的認知偏差。本文研究結果也表明模糊認知圖模型在煤礦區環境風險認知與管理的實踐中是可行的。

(編輯:李 琪)

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AbstractCoalmining ecological system are complicated and interactedwith many bioplant and nonbioplant.So it is difficult to define the factors and weight of environmental risk according to one view.This paper intends to explore the application of fuzzy cognitive map(FCM)based on stakeholders in ecological risk assess ment and management.First,all risk factors and their relationship were identified,then agent list the variables exsisted in their mind,and afterwords a completely unrelated FCM based on agent’s cognitive were drawn.Second,a composed FCM that aggregated each FCM was described.Based on the group FCM,these environmental risk factors are not only imperil ecological system but also restrict the development of local ecomomy.Sinking of ground hasmade seriously disserve for ecological system in the factors.Thispaper provides amethod to resolvemulti-agent conflict in coalmining ecologicalplan andmanagement.

Key wordsFuzzy cognitive-map;ecologicalmodels;coal-mining ecological system;agent;consequence

Study on Environmental Risk of Coal-m in ing EcologicalM odels Based on Fuzzy Cogn itive-map

SONG Jie ZHANG Hong L I Fang
(College of Environmental Science and Resources,ShanxiUniversity,Taiyuan Shanxi 030006,China)

X24

A

1002-2104(2010)03專-0142-04

2010-03-16

宋潔,碩士生,主要研究方向為環境規劃與管理。

張紅,博士,副教授,主要研究方向為環境科學。

＊教育部人文社會科學研究項目(項目批準號:08JC630054)。