基于信息熵的信息環(huán)境污染指數(shù)及其應(yīng)用

曾維華,王慧慧

(北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100875)

基于信息熵的信息環(huán)境污染指數(shù)及其應(yīng)用

曾維華*,王慧慧

(北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100875)

從信息環(huán)境污染理論入手,系統(tǒng)闡述了信息環(huán)境污染概念內(nèi)涵、成因及其危害.利用信息熵理論構(gòu)建信息環(huán)境污染指數(shù)(IEPI)模型來反映事件本身信息污染程度大小,并以某市污水處理廠主要污染物日監(jiān)測數(shù)據(jù)為例對信息環(huán)境污染指數(shù)進(jìn)行分析.研究結(jié)果表明,該廠主要污染物BOD5、CODCr、SS、TN、TP和NH3-N的日處理量監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠個數(shù)分別占15.8%、16.0%、15.8%、15.1%、15.0%和13.4%,則該廠主要污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)存在8.9%的干擾;在受到干擾因素影響下,該廠污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)的信息熵為0.903(bit),其IEPI值為0.158,滿足信息質(zhì)量Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn),說明該廠的主要污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)受污染程度較低,但仍存在一定的不確定性.最后,針對當(dāng)前日趨嚴(yán)重的信息環(huán)境污染現(xiàn)象,從加強(qiáng)各部門間協(xié)同合作、加強(qiáng)公眾參與監(jiān)督、完善污染源信息上報、提高監(jiān)測設(shè)備的性能等方面,提出控制信息環(huán)境污染對策.

信息環(huán)境污染指數(shù)；信息熵；信息環(huán)境污染控制

信息作為一種社會發(fā)展的戰(zhàn)略資源,越來越受到人們重視,一個國家的信息化程度已成為衡量當(dāng)今社會現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一[1].伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,信息給人類社會帶來諸多利益的同時,同樣面臨著日趨嚴(yán)重的信息環(huán)境污染問題.近年來,有學(xué)者針對信息環(huán)境污染及信息污染的概念、產(chǎn)生原因、表現(xiàn)形式、危害以及治理對策等進(jìn)行了研究和探討,并對各自的觀點和看法分別進(jìn)行了闡述[2-8].其中張新華[5]首次提出信息環(huán)境污染命題,分析了信息環(huán)境污染的有關(guān)表現(xiàn)形式,并在此基礎(chǔ)上探討治理信息環(huán)境的對策建議.張業(yè)明[6]首次系統(tǒng)的提出信息環(huán)境污染這個新理念,并對信息環(huán)境污染表現(xiàn)的特征、規(guī)律做了初步探討,同時基于信息環(huán)境污染特點提出建議通過信息墻來控制信息環(huán)境污染的思路.李朝明[7]給出了信息環(huán)境和信息環(huán)境污染的基本概念,并對社會信息環(huán)境問題做了深入探討,進(jìn)而針對性地提出信息環(huán)境保護(hù)建設(shè)的一些策略.于學(xué)華[8]基于互聯(lián)網(wǎng)角度提出為有效控制信息環(huán)境污染應(yīng)采取強(qiáng)制性措施,從而杜絕低質(zhì)信息泛濫和信息失實對社會總體信息環(huán)境的污染.以上學(xué)者均是從信息環(huán)境污染宏觀層面進(jìn)行研究,目前國內(nèi)基于信息環(huán)境污染微觀層面的量化研究還較少.

信息環(huán)境污染問題是當(dāng)今信息化社會普遍存在的一個問題,對信息環(huán)境污染問題進(jìn)行防范和治理、凈化信息市場和維護(hù)信息行業(yè)的發(fā)展是當(dāng)今社會發(fā)展不可推卸的責(zé)任[9-11].信息及其環(huán)境的污染是當(dāng)今信息化時代的必然產(chǎn)物,是人類智力無形的浪費,人類無法完全根除,只能通過采取必要手段對其進(jìn)行控制,降低其影響程度[12-13].因此,測定一個社會的信息環(huán)境污染指數(shù)(Information Environment Pollution Index ,IEPI)及其所能承受的信息環(huán)境污染指數(shù)值就顯得異常重要.當(dāng)前,已有學(xué)者開展了相關(guān)信息污染指數(shù)研究,但還未見將其應(yīng)用到實際生產(chǎn)生活中.夏日等[14]提出構(gòu)建信息污染指標(biāo)體系是對信息污染程度進(jìn)行實時監(jiān)控的有效手段,給出了構(gòu)建信息污染指標(biāo)體系應(yīng)遵循的五項原則和六項通用指標(biāo).夏日[15]對構(gòu)建信息污染測度指標(biāo)體系的基本思路、設(shè)計原則、構(gòu)建方法進(jìn)行了分析,提出通過確定目標(biāo)層、控制層和具體指標(biāo)層來構(gòu)建一個系統(tǒng)的信息污染測度指標(biāo)體系.信息環(huán)境污染指數(shù)是定量反映信息受污染程度的指標(biāo),它對控制信息污染有著重要的作用.本文針對當(dāng)前信息環(huán)境的持續(xù)惡化以及由此造成的決策失準(zhǔn),利用信息熵理論構(gòu)建信息污染指數(shù)反映事件本身所含信息的污染程度大小,并以某市污水處理廠主要污染物日監(jiān)測數(shù)據(jù)為例,對該廠主要污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)受污染程度進(jìn)行分析,從而為今后有效控制信息環(huán)境污染提供科學(xué)依據(jù).

1 信息環(huán)境污染的概念內(nèi)涵

1.1 信息污染與信息環(huán)境

對信息污染和信息環(huán)境概念的理解是研究信息環(huán)境污染問題的基礎(chǔ),其內(nèi)容隨著現(xiàn)代科學(xué)信息技術(shù)環(huán)境的發(fā)展變化而不斷發(fā)生變化.當(dāng)前對信息污染概念的理解,不同的人從不同的審視角度對其有不同的表述[16-17].具有代表性的定義有:①信息污染是指由于信息量的急劇增長,信息處理過程中造成誤差從而導(dǎo)致各種判斷意見出現(xiàn)偏離事實的現(xiàn)象[18].②信息污染是指信源中混入有干擾性、誤導(dǎo)性、欺騙性的信息,從而影響人們的正常判斷的現(xiàn)象[19].③信息污染是指信源中無價值或異化的信息泛濫并造成危害的現(xiàn)象[20].④信息污染是指在社會信息流中存在的不完全性、時滯性、可偽性等可污因子和人類在信息生產(chǎn)加工、處理、傳遞過程中形成的多因素的合力作用,它正帶來與其正效用近乎平行的負(fù)面影響等[21].⑤信息污染是指人們的生產(chǎn)生活中存在的虛假、老化、冗余、過剩等不良信息,影響人們對有價值信息的獲取利用,甚至對人類造成危害的現(xiàn)象[22].

在當(dāng)今信息化社會中,環(huán)境的概念從原始的大氣層、水層、巖石層等實實在在地外部世界擴(kuò)展到了新的領(lǐng)域,即信息環(huán)境.通常所說的信息環(huán)境是指一個國家、地區(qū)甚至全球范圍內(nèi)信息的生長、傳播和利用等環(huán)節(jié)的相互關(guān)系的宏觀表現(xiàn)形式或宏觀平衡、協(xié)調(diào)狀態(tài).這種宏觀平衡協(xié)調(diào)狀態(tài)構(gòu)成了人類賴以生存社會環(huán)境.它與其他環(huán)境一樣,其內(nèi)部組成成分與外部環(huán)境之間存在著相互協(xié)調(diào)和平衡關(guān)系[5].但近年來隨著信息科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,信息環(huán)境正遭受嚴(yán)重污染、破壞和失衡,信息環(huán)境的日趨惡化,給人類帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).

1.2 廣義信息環(huán)境污染與狹義信息環(huán)境污染

1.2.1 廣義信息環(huán)境污染 廣義信息環(huán)境污染是指隨著信息量的急劇增長,混有干擾性、誤導(dǎo)性、欺騙性等諸多不良信息以某種介質(zhì)為載體(包括現(xiàn)代媒體設(shè)備)進(jìn)入社會環(huán)境,直接或間接干擾和妨礙人們正常生產(chǎn)、生活,甚至對人類造成危害的現(xiàn)象.其內(nèi)涵主要表現(xiàn)在[23]:一是信息環(huán)境污染對人類是有害的,它阻礙了人們對有價值信息的利用,擾亂人們的正常生活、工作、學(xué)習(xí)及社會秩序;二是信息環(huán)境污染是異常的社會現(xiàn)象,是信息在流動和傳播過程中造成信息的過時、重復(fù)、干擾、失真等與人們所需要的正常信息相違背的現(xiàn)象;三是造成信息環(huán)境污染的形成是有諸多方面原因的,或是人為原因、或是技術(shù)原因、或是信息自身的傳播特征等.

1.2.2 狹義信息環(huán)境污染 狹義信息環(huán)境污染是指信息中存在干擾項引起信息環(huán)境的混亂以及由此引發(fā)的社會問題.即信息在傳遞過程中受到各種因素的影響,使信息接收者不能完全、有效而準(zhǔn)確地獲得所需要的信息[16,24-26].其中信息干擾是最主要的表現(xiàn)形式,它不僅會加劇信息污染程度,增加信息不確定性程度,阻礙信息市場的正常發(fā)育,而且會給人類社會的生產(chǎn)實踐活動帶來難以估計的損失;同時還由于未及時掌握真實準(zhǔn)確的信息,通過干擾的信息進(jìn)行決策判斷,從而導(dǎo)致決策失誤造成諸多不良后果.本文主要針對的是狹義信息環(huán)境污染,通過判斷信息不確定程度來量化信息環(huán)境污染程度.表1給出了5種常見的狹義信息環(huán)境污染類型、內(nèi)涵及其處置對策.

1.3 信息環(huán)境污染的成因

隨著信息爆炸帶來各類信息污染,考慮信息的時效性,因時間的進(jìn)遞而造成的信息過時.當(dāng)前,信息的大量交叉產(chǎn)生重復(fù)的污染等導(dǎo)致信息污染并在持續(xù)加劇.造成信息環(huán)境污染原因十分復(fù)雜,具體可分為以下幾種[27-30]:

1.3.1 信息環(huán)境不完善 隨著社會信息化的快速發(fā)展,信息化呈現(xiàn)出互聯(lián)網(wǎng)化、移動化、智慧化的新特點,但尚不具備完善的信息環(huán)境.信息環(huán)境主要由四大要素組成,包括人、信息資源、信息基礎(chǔ)設(shè)施以及信息管理體制.其中人在信息環(huán)境中充當(dāng)建設(shè)者和管理者角色,但當(dāng)前在科技人員的知識結(jié)構(gòu)、配比結(jié)構(gòu)、專業(yè)結(jié)構(gòu)及地域分配結(jié)構(gòu)等諸多環(huán)節(jié)上都不盡合理,加上管理體制的限制,嚴(yán)重影響信息產(chǎn)品的質(zhì)和量.同時由于各方的經(jīng)費不足,造成可獲取信息資源匱乏.而在信息基礎(chǔ)設(shè)施中各信息行業(yè)重硬輕軟的現(xiàn)象普遍存在.當(dāng)前由于信息環(huán)境法、資源法和商品法以及個人隱私和數(shù)據(jù)庫保護(hù)法等各類法規(guī)的不健全,信息市場競爭環(huán)境的建立、信息產(chǎn)品質(zhì)量地控制、信息市場交易秩序的維護(hù)等活動都無法可依,從而導(dǎo)致信息環(huán)境污染.

表1 五種常見的狹義信息環(huán)境污染Table 1 The common several of special information environment pollution

1.3.2 信息市場發(fā)展不完善 現(xiàn)代信息市場是進(jìn)行信息商品流通、交易的主要場所,同時也是造成信息環(huán)境污染的重要場所.就現(xiàn)代信息市場主體而言,信息商品的生產(chǎn)方或供應(yīng)方由于受到各種因素的限制,信息機(jī)構(gòu)的處理手段相對落后,未能形成規(guī)模經(jīng)營,商品價值觀念較薄弱,其信息產(chǎn)品內(nèi)容單一,質(zhì)量無法保證.信息市場管理方在對市場進(jìn)行管理時,無相應(yīng)的管理條例、法規(guī)可依.而就信息市場的客體而言,未充分挖掘信息產(chǎn)品的價值,開展不符合規(guī)范的信息有償服務(wù),沒有統(tǒng)一的信息商品加工層次、深度標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致信息產(chǎn)品價格混亂.從而在較大程度上限制信息產(chǎn)品的正常交易.與此同時,伴隨信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展,信息網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中大量重復(fù)、質(zhì)量低劣的信息被放于網(wǎng)上,干擾人們的判斷選擇,無法更好的利用網(wǎng)絡(luò)信息資源.

1.3.3 人為主觀環(huán)境的影響 信息環(huán)境污染通常會受到政治、經(jīng)濟(jì)、文化等各方面主觀環(huán)境的影響.從政治環(huán)境看,國內(nèi)外的敵對勢力千方百計地制造假信息造成各種混亂,這種污染主要是為達(dá)到某種政治目.同樣在國內(nèi)由于信息從業(yè)人員素質(zhì)較低,缺乏基本的信息科學(xué)理論修養(yǎng)和現(xiàn)代信息技術(shù)(特別是文字處理技術(shù)、信息存儲和再現(xiàn)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù))的能力,為了經(jīng)濟(jì)利益,鉆國家信息政策空子,利用信息機(jī)構(gòu)從事與信息毫不相干的活動,從而造成信息混亂,產(chǎn)生信息污染,成為新的信息污染的傳播源.在社會主義初級階段,不可避免地存在著拜金主義現(xiàn)象,導(dǎo)致各種虛假信息產(chǎn)品泛濫,制造偽科學(xué)的信息產(chǎn)品,利用高科技手段故意制造信息污染.

1.3.4 信息環(huán)境管理滯后 一方面,由于信息資源的缺乏,在現(xiàn)行管理體制約束中各行業(yè)、各部門之間各自為政,造成僅有10%左右的信息資源是對公眾開放的.眾所周知信息資源中最重要的是數(shù)據(jù)庫資源,然而迄今還沒有一個嚴(yán)密的數(shù)據(jù)庫信息資源發(fā)展規(guī)劃,沒有一個統(tǒng)籌各行業(yè)的信息發(fā)展服務(wù)網(wǎng)絡(luò),同時還未建立一個具有規(guī)模經(jīng)濟(jì)和統(tǒng)一規(guī)劃協(xié)調(diào)的數(shù)據(jù)庫資源管理體系.另一方面,基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的信息政策還不完善.由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的開放性、雙向性,信息傳遞的無序性和失控性,使得來自網(wǎng)上信息海量劇增,這些信息中不可避免地出現(xiàn)干擾信息、垃圾信息、冗余信息等.然而目前的網(wǎng)絡(luò)信息法、網(wǎng)上知識產(chǎn)權(quán)、網(wǎng)絡(luò)安全教育等法規(guī)條例還尚不成熟,信息安全技術(shù)、信息優(yōu)化研究還處在起步階段,這些因素都可能會造成信息環(huán)境污染.

1.4 信息環(huán)境污染的危害

隨著信息社會化的飛速發(fā)展,信息給人類社會帶來巨大效益的同時也帶來了嚴(yán)重的信息環(huán)境污染問題,它不僅能干擾和破壞社會信息化建設(shè),還給整個社會帶來極大的危害[10,31-33].

1.4.1 導(dǎo)致決策失誤 大量干擾、垃圾和冗余信息的存在對人類社會產(chǎn)生了諸多的不良影響,制約了人們對有效信息資源的利用,阻礙了各行業(yè)科研活動的有效開展.同時健康的信息環(huán)境是政府宏觀決策和企業(yè)微觀決策的保障,而受污染的信息環(huán)境會增加宏觀決策的風(fēng)險,導(dǎo)致宏觀決策的失誤,從而給國家、企業(yè)造成重大損失.信息是領(lǐng)導(dǎo)決策的重要依據(jù),由于信息環(huán)境受到污染,決策者所獲得的信息可能由于含有雜質(zhì)而將高質(zhì)量信息泯滅在無用的信息中.尤其是由于信息體系紊亂、傳遞信息的渠道混亂、流程過長、以及信息冗余度增大等引起信息失真;同時由于信息對決策邊際效應(yīng)具有遞減作用,導(dǎo)致決策者對所需信息真?zhèn)坞y辨,最終導(dǎo)致決策偏離實際情況,造成重大決策失誤[30].

1.4.2 增加獲取信息的成本 近年來,由于計算機(jī)病毒造成的信息丟失或滯后造成的經(jīng)濟(jì)損失難以估計.在經(jīng)濟(jì)部門,由于信息失真和噪聲干擾造成的信息滯后或失真,以及被偽劣信息的欺騙,以至于難以獲得真實可靠的信息,導(dǎo)致在生產(chǎn)過程中消耗超出預(yù)期的物質(zhì),浪費大量資金,同時在經(jīng)營過程中失去先機(jī),丟失了市場,從而給造成重大損失.據(jù)估計,每年由信息問題而發(fā)生的生產(chǎn)低效、投資失誤、重復(fù)建設(shè)等給國家造成的經(jīng)濟(jì)損失數(shù)以億元計.另外,因偽劣、虛假信息導(dǎo)致消費者上當(dāng)受騙、蒙受經(jīng)濟(jì)損失和給其身心造成傷害的事例更是多不勝舉.

1.4.3 增加社會信息負(fù)載 由于人們對信息的真假與偽劣性判斷有限,從而導(dǎo)致信息的接收過程中產(chǎn)生大量的信息污染.在信息的傳遞過程中,信息的質(zhì)和量受到破壞,使得那些受到信息轟炸影響的人們必須付出更多的人力、物力、財力來凈化受到污染的信息.為此,需要有強(qiáng)烈的信息利用責(zé)任加快信息技術(shù)的更新,提高信息處理速度,增加信息傳遞容量,提高信息管理水平來改善信息環(huán)境.當(dāng)前,由信息環(huán)境污染引起的信息環(huán)境的惡化充分說明了當(dāng)前社會的信息管理體制的低效性.因此,保護(hù)信息環(huán)境和信息資源,加強(qiáng)信息產(chǎn)業(yè)管理已成為當(dāng)前社會的一大課題.同時,加強(qiáng)信息環(huán)境污染治理,清理信息垃圾也是當(dāng)前信息管理工作的重要任務(wù).

1.4.4 阻礙現(xiàn)代信息化進(jìn)程 隨著現(xiàn)代科技、經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,整個社會的信息意識有了較大提高,特別是隨著信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,大量信息服務(wù)機(jī)構(gòu)的建立,信息產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員快速增加,帶來信息產(chǎn)值的不斷上升.然而,與發(fā)達(dá)國家相比,我國的信息化建設(shè)起步較晚,特別是當(dāng)前的信息市場機(jī)制還不健全,信息技術(shù)手段還很落后,加之缺乏完善的信息法律和政策體系以及有效的信息質(zhì)量監(jiān)督系統(tǒng),導(dǎo)致信息污染的發(fā)生不僅威脅我國信息產(chǎn)業(yè)的正常運行和健康發(fā)展,還給整個社會帶來極大的危害,阻礙現(xiàn)代信息化的進(jìn)程.

2 信息環(huán)境污染指數(shù)評價方法與標(biāo)準(zhǔn)建立

信息環(huán)境污染作為社會信息化進(jìn)程中不可能完全避免的現(xiàn)象,就如同自然環(huán)境污染是社會工業(yè)化不可避免的結(jié)果一樣,人類無法將其根除,只能對其進(jìn)行控制,使其負(fù)面影響降低到最小程度.因此,對測定信息環(huán)境污染程度的信息環(huán)境污染指數(shù)就顯得很重要.1948年,香農(nóng)(Shannon)[34]把熵的概念引入信息論中,提出了“信息熵”理論,并構(gòu)建了信息熵計量模型來度量一個隨機(jī)事件的信息量或不確定性,以發(fā)現(xiàn)隨機(jī)事件統(tǒng)計數(shù)據(jù)的規(guī)律性.根據(jù)該理論,信息量是把某種不確定性趨向確定的一種度量.信息量的大小,取決于信息的不確定程度.信息的不確定程度大,則發(fā)出的信息量就大,信息的不確定程度小,則發(fā)出的信息量就小.在Shannon信息論中,可以用概率來表示信源所含有的信息量的大小.信息量是指隨機(jī)事件中含有信息的多少,信息量的存在往往伴隨著事物的不確定性[35-36],設(shè)離散隨機(jī)變量X有n種不同的類型,即:, 每種類型的概率為,那么變量X的信息熵可定義為:

若將樣本中某一屬性視為一個離散的隨機(jī)變量,那么可根據(jù)式(1)計算出該變量的信息熵,如果變量的類型越少,那么它的信息熵就會越小,即這個變量不確定性越小;如果變量只擁有一個類型,此時不確定性消失,那么它的信息熵將為0.因此,本文將使用信息熵來度量一個隨機(jī)樣本中所含信息量的大小,并利用信息熵理論構(gòu)建信息環(huán)境污染指數(shù)(IEPI)模型來反映樣本中信息環(huán)境污染程度,即:

式中: IEPI為樣本的信息環(huán)境污染指數(shù), )(XH′為樣本中存在干擾因素時的信息熵, )(XH為原樣本的信息熵.

表2 信息質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The classification standard of information quality

3 污水處理廠監(jiān)測信息環(huán)境污染評價

近年來,隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展,城市基礎(chǔ)設(shè)施得到日益完善,各級政府愈加重視城市環(huán)境建設(shè)和保護(hù),尤其是對水環(huán)境的治理與改善,在各地先后建成多座城市污水處理廠.日處理規(guī)模達(dá)幾十萬噸,取得了可觀的社會和環(huán)境效益,對減輕水環(huán)境污染做出了重要的貢獻(xiàn).但當(dāng)前受利益驅(qū)使,一些企業(yè)單位為了減輕年度考核壓力、環(huán)境質(zhì)量達(dá)標(biāo)等目的,對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行編造、篡改的情況時有發(fā)生,嚴(yán)重?fù)p害了政府和環(huán)保部門的公信力,同時也嚴(yán)重影響了國家宏觀決策的科學(xué)性和宏觀調(diào)控的有效性,增加宏觀決策的風(fēng)險,甚至導(dǎo)致宏觀決策的失誤,同時它還直接影響微觀決策,從而給國家、企業(yè)造成重大損失.本研究以某市第一污水處理廠為例,對該廠處理的主要污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)真實度進(jìn)行分析.該廠在設(shè)計中采用氧化溝曝氣脫氮工藝,日處理規(guī)模12萬t,污泥含水率80%,污泥產(chǎn)量100t/d.數(shù)據(jù)采用該市污水處理廠2011～2012年主要污染物日處理量監(jiān)測數(shù)據(jù),主要污染物包括BOD5、CODCr、SS、TN、TP、NH3-N(污水處理廠各污染指標(biāo)樣本數(shù)為731個).

本研究通過利用簡單隨機(jī)抽樣方法對污水處理廠主要污染指標(biāo)樣本進(jìn)行隨機(jī)抽樣,在簡單隨機(jī)抽樣下,通常使用誤差限和估計量的標(biāo)準(zhǔn)差來確定所需的樣本量[37-38].即總體均值估計量的標(biāo)準(zhǔn)差(即抽樣平均誤差)的表達(dá)式為:

式中, σ^為總體標(biāo)準(zhǔn)差的估計值.極限誤差為:

根據(jù)公式(3)和公式(4),對樣本在置信度為95%,誤差限為5%,P=0.5的情況下,用簡單隨機(jī)抽樣估計對應(yīng)總體大小所需各污染物的樣本量,得256=n.即通過隨機(jī)抽樣方法獲得各污染物樣本分別為256個.由于污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)、水量受雨季影響較大,因此根據(jù)隨機(jī)抽取的樣本獲得雨季和非雨季的污水處理廠日處理量可信區(qū)間分別為12.33～12.95萬t和10.59～11.00萬t.通過對抽樣獲得的樣本進(jìn)行分析得干擾項(異常值)136=m.

3.1 主要污染指標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)受污染程度分析

根據(jù)污水處理廠2011～2012年主要污染物(BOD5、CODCr、SS、TN、TP、NH3-N)監(jiān)測數(shù)據(jù)對這6種污染指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知其主要污染物BOD5、CODCr、SS、TN、TP和NH3-N的日處理量在雨季的可信區(qū)間分別為12.23～65.72t、24.25～121.74t、23.53～161.81t、1.70～6.22t、0.44～2.56t和1.29～3.37t;而6種污染物在非雨季的可信區(qū)間分別為10.18～38.11t、20.27～64.44t、15.65～74.94t、1.73～3.98t、0.32～1.05t和1.75～3.28t.依據(jù)各類污染物的日處理量可信區(qū)間對抽取的樣本分析發(fā)現(xiàn)污水處理廠BOD5日處理量監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠個數(shù)為242個,占15.8%; CODCr日處理量監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠個數(shù)為246個,占16.0%;SS日處理量監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠個數(shù)為243個,占15.8%;TN日處理量監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠個數(shù)為232個,占15.1%;TP日處理量監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠個數(shù)為230個,占15.0%; NH3-N日處理量監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠個數(shù)為207個,占13.4%.因此根據(jù)該處理廠主要污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)分析實際上存在8.9%的干擾.表3為各類污染物指標(biāo)可信及異常值個數(shù).

表3 各類污染物指標(biāo)受干擾程度Table 3 The disturbance degree of every pollutants index

3.2 基于信息環(huán)境污染指數(shù)主要污染指標(biāo)分析

根據(jù)信息熵理論對該污水處理廠主要污染指標(biāo)(BOD5、CODCr、SS、TN、TP、NH3-N)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,由公式(1)可知該信息熵為:

式中:bit(比特)為信息熵單位.

表4為根據(jù)表1得到該信息質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn).

①受干擾因素影響下的概率:

②未受干擾因素影響下的概率:

根據(jù)公式(1)可知:

而根據(jù)信息環(huán)境污染指數(shù)公式(2)可知:

根據(jù)信息熵理論對該污水處理廠的主要污染指標(biāo)(BOD5、CODCr、SS、TN、TP、NH3-N)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知該信息熵為0.780(bit).通過利用構(gòu)建的信息環(huán)境污染指數(shù)模型對污水處理廠主要污染指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知受到干擾的信息熵為0.903(bit),該信息環(huán)境污染指數(shù)為0.158,根據(jù)信息質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)可知為Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn),說明該廠的監(jiān)測數(shù)據(jù)受污染程度較低,但仍存在一定的不確定性.眾所周知受污染的信息數(shù)據(jù)可能會影響人們的判斷,嚴(yán)重的甚至?xí)绊憞液暧^決策.近年來,發(fā)生環(huán)保監(jiān)測數(shù)據(jù)作假事件愈演愈烈,針對此類情形,環(huán)保部門利用污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)對污染源進(jìn)行實時監(jiān)控,有針對性地執(zhí)法以減輕環(huán)境監(jiān)理人員的勞動強(qiáng)度,提高環(huán)境執(zhí)法效率.但這些都須建立在污染源自動監(jiān)測設(shè)備處于正常運行,不存在監(jiān)測數(shù)據(jù)造假情況的基礎(chǔ)之上.然而在現(xiàn)實情況中,一些污染源企業(yè)或者自動監(jiān)控設(shè)施第三方運營企業(yè)為了追逐自身利益最大化,通過對在線監(jiān)測設(shè)備動手腳以對在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行造假,而且造假手法層出不窮,造假手段千奇百怪,導(dǎo)致在線監(jiān)控平臺獲得的監(jiān)控數(shù)據(jù)失實,致使環(huán)保部門“千里眼”失效.本身環(huán)境監(jiān)測是環(huán)境保護(hù)的基礎(chǔ)性工作,數(shù)據(jù)質(zhì)量是環(huán)境監(jiān)測的保障,是保護(hù)環(huán)境的底線,對數(shù)據(jù)造假必須零容忍.因此環(huán)保部門應(yīng)加快對污染源監(jiān)測數(shù)據(jù)造假問題進(jìn)行研究,制定應(yīng)對策略和措施,以保障污染源在線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的正常有效運行.

表4 信息質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)Table 4 The classification standard of information quality

4 信息環(huán)境污染控制措施建議

4.1 加強(qiáng)各部門間協(xié)同合作

各部門之間應(yīng)加強(qiáng)對污染源自動監(jiān)控設(shè)施的管理.這項工作亟須部門之間加強(qiáng)協(xié)作配合,形成齊抓共管、上下聯(lián)動的強(qiáng)大合力,以對污染源形成強(qiáng)大的監(jiān)管態(tài)勢,同時加強(qiáng)污染源法規(guī)與管理體制建設(shè),使其不敢造假,如果造假被查出,必被重罰.例如建議由環(huán)保局組織成立污染源自動監(jiān)控系統(tǒng)管理辦公室,成員單位包括污染防治部門,環(huán)境監(jiān)察部門,監(jiān)測站,在線監(jiān)控設(shè)備社會運營企業(yè)以及污染源,以形成環(huán)保系統(tǒng)內(nèi)部聯(lián)動、環(huán)保部門與監(jiān)控設(shè)備社會運營企業(yè),以及污染源之間的聯(lián)動,以充分發(fā)揮環(huán)境執(zhí)法的效力與效率.

4.2 加強(qiáng)公眾參與監(jiān)督

眾多周知,僅依靠環(huán)保部門對污染源進(jìn)行監(jiān)督是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,廣大人民群眾的參與才是根本,因此亟須調(diào)動人民群眾來參與,強(qiáng)化監(jiān)督.在安裝污染源自動監(jiān)控設(shè)備初期,應(yīng)當(dāng)在各類污染源就近聘請環(huán)保監(jiān)督員,并對其進(jìn)行必要的相關(guān)培訓(xùn).如果某個污染源附近的環(huán)保監(jiān)督員覺察到超標(biāo)排放或偷排行為,應(yīng)及時向環(huán)保部門反映相關(guān)情況.環(huán)保部門根據(jù)其反映的情況,對相關(guān)污染源自動監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)閱,核對相應(yīng)時間段的監(jiān)測數(shù)據(jù),若自動監(jiān)測數(shù)據(jù)與監(jiān)督員提供的情況不一致,環(huán)保執(zhí)法部門可將該污染源列入關(guān)注對象,必要時不定期去污染源現(xiàn)場對檢查自動監(jiān)控設(shè)施,調(diào)查污染源自動監(jiān)控設(shè)施是否存在造假情況.

4.3 完善污染源信息上報

當(dāng)前多數(shù)污染源監(jiān)控系統(tǒng)采用實時上報和存儲污染源站點對應(yīng)監(jiān)測因子的數(shù)據(jù),存儲污染源位置,聯(lián)系方式等少量信息,從而阻礙環(huán)保部門對污染源進(jìn)行全面監(jiān)控.隨著現(xiàn)代設(shè)備的智能化,在上報和存儲污染源信息時,應(yīng)提供真實反映污染源的信息.同時還應(yīng)包括污染源的排放規(guī)律、污染源類型、生產(chǎn)工藝流程、污染源處理設(shè)施設(shè)計處理量等各類詳細(xì)信息,使環(huán)保部門對污染源監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行審核時能掌握其詳細(xì)情況,方便環(huán)保部門及時和全面了解相關(guān)情況,從而對上報的污染源監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行有效判別審核.

4.4 提高監(jiān)測設(shè)備的性能

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展,應(yīng)通過不斷完善污染源在線監(jiān)測設(shè)備性能,對出現(xiàn)以下情況監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)造假行為.①若是人為對監(jiān)測設(shè)備歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行修改,設(shè)備日志應(yīng)及時記錄,同時向環(huán)境執(zhí)法人員進(jìn)行報警和發(fā)送信息.②若是人為對監(jiān)測設(shè)備的探頭或重要部件有移動過,設(shè)備日志應(yīng)及時記錄,同時向環(huán)境執(zhí)法人員進(jìn)行報警和發(fā)送信息.③在自動監(jiān)控設(shè)備附近布設(shè)智能裝置,當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)檢測到某類監(jiān)測因子出現(xiàn)嚴(yán)重超標(biāo)時,智能裝置能即時進(jìn)行采樣以便后期的人工分析和環(huán)境訴訟時作為環(huán)境執(zhí)法證據(jù);也可通過人為設(shè)置智能裝置自動采樣時間,對采取的樣本通過實驗室分析獲得的數(shù)據(jù)和同一時間段自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的進(jìn)行對比來判定數(shù)據(jù)是否造假.一旦發(fā)現(xiàn)污染源在線監(jiān)測數(shù)據(jù)造假,將給予嚴(yán)厲的處罰,甚至是承擔(dān)刑事責(zé)任.

5 結(jié)論

5.1 利用信息熵理論構(gòu)建信息環(huán)境污染指數(shù)模型來定量反映信息環(huán)境污染程度,并某市污水處理廠主要污染物日監(jiān)測數(shù)據(jù)為例,根據(jù)各類污染物的日處理量可信區(qū)間對抽取的樣本進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),污水處理廠BOD5、CODCr、SS、TN、TP和NH3-N的日處理量監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠個數(shù)分別占15.8%、16.0%、15.8%、15.1%、15.0%和13.4%.因此根據(jù)該污水處理廠主要污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)分析實際上存在8.9%的干擾.

5.2 根據(jù)信息熵理論對該廠主要污染物(BOD5、CODCr、SS、TN、TP和NH3-N)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知該信息熵為0.780(bit),并利用構(gòu)建的信息環(huán)境污染指數(shù)模型進(jìn)一步分析可知受到干擾的信息熵為0.903(bit),該信息環(huán)境污染指數(shù)為0.158滿足信息質(zhì)量Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn),說明該廠的主要污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)受污染程度較低,但仍存在一定的不確定性.

5.3 當(dāng)前信息環(huán)境污染已到了非治理不可的時候了,應(yīng)該引起全社會的重視,應(yīng)把它同環(huán)境污染的治理放在同等重要的位置上.為了有效地控制信息環(huán)境污染,凈化信息市場,有針對性地提出從加強(qiáng)各部門間協(xié)同合作、加強(qiáng)公眾參與監(jiān)督、完善污染源信息上報、提高監(jiān)測設(shè)備的性能等方面來控制信息環(huán)境污染.

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Information environment pollution index and its applications based on in formation entropy.

ZENG Wei-hua*,WANG Hui-hui
(School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China). China Environmental Science, 2017,37(2)：768～776

The connotation, causes and harmof information environment pollution were elaborated based on its theory. Information entropy theory was employed to build information environment pollution index (IEPI) model so as to reflect the size of information pollution of event. Moreover, the monitoring data of main pollutants in municipal sewage treatment plant were taken as examples to analyze the information environment pollution index. The reliable numbers of day processing monitoring data of the plant main pollutants of BOD5, CODCr, SS, TN, TP and NH3-N were 15.8%, 16.0%, 15.8%, 15.1%, 15.0% and 13.4%, respectively. Therefore, the rate of interference of the plant main pollutant monitoring data is 8.9%. Under the influence of interference factors, the information entropy of monitoring data of main pollutants in the plant was 0.903 (bit) and its IEPI is 0.158, which lies in the Ⅰ level of the information quality standard. It suggested that the contamination degree of monitoring data of the plant's main pollutant was low, but there were still some uncertainties. Considering the increasingly serious information environmental pollution, some measures were put forward to control information environment pollution, such as strengthening the coordination between departments, advocating the public participation and supervision, improving the submission of pollution source information and promoting the performance of monitoring equipment, etc.

information environment pollution index；information entropy；control of information environment pollution

X83

A

1000-6293(2017)02-0768-09

曾維華(1965-),男,北京人,教授,博士,主要從事環(huán)境評價、規(guī)劃與管理,水資源與水環(huán)境以及環(huán)境信息學(xué)與環(huán)境系統(tǒng)工程等研究.發(fā)表論文150余篇.

2016-05-24

中國清潔發(fā)展機(jī)制基金贈款項目(2013049);國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07102- 002-05)

* 責(zé)任作者, 教授, zengwh@bnu.edu.cn