基于MATLAB GUI 功能的產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)控可視化

王萬賓，李 森，張星梓，任 靜，賈海峰，陳異暉

(云南省環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境規(guī)劃研究中心，云南 昆明650034)

基于MATLAB GUI 功能的產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)控可視化

王萬賓，李 森，張星梓，任 靜，賈海峰，陳異暉

(云南省環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境規(guī)劃研究中心，云南 昆明650034)

實(shí)現(xiàn)基于資源環(huán)境承載力約束條件下的產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)控可視化將為環(huán)境規(guī)劃管理者提供有效決策依據(jù)。本研究首先在水資源量、土地資源量(耕地面積、建設(shè)用地面積)、污染物環(huán)境容量(COD、NH4-N、SO2、NOx)、糧食產(chǎn)量等約束條件下，分別建立了經(jīng)濟(jì)和人口最大化、資源環(huán)境利用參數(shù)(單位產(chǎn)值用水量、污染物排放量等)最優(yōu)化為目標(biāo)函數(shù)的規(guī)劃模型，然后以MATLAB GUI功能為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了其可視化。最后，通過簡單實(shí)例分析，驗(yàn)證了基于MATLAB GUI功能的產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)控可視化程序的適用性及正確性。

MATLAB；GUI；產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)控；資源環(huán)境承載力；可視化

當(dāng)前，資源環(huán)境承載力分析及產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)控被廣泛應(yīng)用于環(huán)境規(guī)劃中。作為環(huán)境規(guī)劃系統(tǒng)重要的組成部分，基于資源環(huán)境承載力的產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)控研究已引起廣大研究者的興趣[1-5]。目前，對(duì)于部分資源環(huán)境承載力(比如水環(huán)境[6, 7])的產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)控的研究眾多，但缺少綜合及全面的基于資源環(huán)境承載力約束的產(chǎn)業(yè)調(diào)控研究。在大量的產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)控研究中，線性規(guī)劃模型得到了普遍的應(yīng)用。MATLAB GUI功能的可視化及其程序的易于封裝，為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)控可視化提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[8, 9]。本研究將基于線性規(guī)劃的基本理論及MATALB GUI 方法，以資源環(huán)境承載力(水資源、土地資源、污染物環(huán)境容量等)約束為前提，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)控的兩個(gè)子功能：規(guī)劃未來的資源環(huán)境利用效率，獲知最佳發(fā)展人口和經(jīng)濟(jì)規(guī)模；規(guī)劃未來的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，獲知最優(yōu)的資源環(huán)境利用效率。基于資源環(huán)境承載力約束的產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)控規(guī)劃模型的完善，將進(jìn)一步指導(dǎo)規(guī)劃模型在產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)控中的應(yīng)用研究。基于MATLAB GUI功能的產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)控的可視化，將為政府管理部門做出決策提供理論依據(jù)和科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 規(guī)劃模型方法

線性規(guī)劃問題是在一組線性約束條件的限制下，求線性目標(biāo)函數(shù)最大或最小的問題[10]。決策變量、約束條件、目標(biāo)函數(shù)是線性規(guī)劃的三要素。在解決實(shí)際問題時(shí)，把問題歸結(jié)成一個(gè)線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型是很重要的一步，但往往也是困難的一步，模型建立得是否恰當(dāng)，直接影響到求解。而選取適當(dāng)?shù)臎Q策變量，是建立有效模型的關(guān)鍵之一。

本研究采用線性規(guī)劃方法，對(duì)區(qū)域規(guī)劃的規(guī)劃結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，可以解決規(guī)劃中的規(guī)劃結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。具體為：以區(qū)域規(guī)劃的人口經(jīng)濟(jì)收益最大化為目標(biāo)函數(shù)，以規(guī)劃的各產(chǎn)業(yè)規(guī)模為變量，以區(qū)域水資源、耕地面積、糧食產(chǎn)量、污染物排放量為約束條件，通過線性優(yōu)化分析，可以對(duì)區(qū)域規(guī)劃的產(chǎn)業(yè)規(guī)模結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在不突破區(qū)域資源環(huán)境承載力的情況下實(shí)現(xiàn)人口經(jīng)濟(jì)目標(biāo)最大化(稱為規(guī)劃模型一)；以區(qū)域規(guī)劃的資源環(huán)境利用效率系數(shù)(單位GDP用水系數(shù)、單位GDP污染物排放系數(shù)、單位GDP耕地利用及糧食產(chǎn)量系數(shù)等)最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)，以規(guī)劃的各產(chǎn)業(yè)資源環(huán)境利用系數(shù)為變量，分別以區(qū)域水資源、耕地面積、糧食產(chǎn)量、污染物排放量為約束條件，最終得出資源環(huán)境承載力約束范圍之內(nèi)的單位GDP資源環(huán)境利用系數(shù)等優(yōu)化值(稱為規(guī)劃模型二)。

1.2 MATLAB GUI 方法

MATLAB是目前在國際上被廣泛使用的計(jì)算機(jī)工具，是一種集數(shù)值與符號(hào)運(yùn)算、數(shù)據(jù)可視化、圖形用戶界面設(shè)計(jì)、編程、仿真等多功能于一體的集成軟件，具有功能強(qiáng)大、易于學(xué)習(xí)、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。其圖形用戶界面(Graphical User Interface，GUI)是由窗口、光標(biāo)、按鈕、菜單、文字說明等對(duì)象構(gòu)成的一個(gè)界面，它可以通過鼠標(biāo)激活圖形控件，使計(jì)算機(jī)產(chǎn)生某種動(dòng)作，形成一個(gè)供反復(fù)使用且操作簡單的專業(yè)工具[11]。本研究基于MATLAB自帶LINPROG函數(shù)及GUI功能，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)控的程序封裝。

1.3 案例數(shù)據(jù)方法

為初步驗(yàn)證在MATALB GUI環(huán)境下，基于資源環(huán)境承載力約束條件下的產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)控可視化的效果，本研究以云南某縣城基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行程序驗(yàn)證，數(shù)據(jù)獲取主要資料為：歷年統(tǒng)計(jì)年鑒、歷年水資源公報(bào)、土地利用總體規(guī)劃、歷年環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。

表1 規(guī)劃模型參數(shù)及變量含義一覽表

2 結(jié)果與討論

2.1 規(guī)劃模型的建立

本研究的規(guī)劃模型之一[7,12,13]為：雙目標(biāo)函數(shù)為經(jīng)濟(jì)和人口規(guī)模最大，約束條件為三產(chǎn)業(yè)的用水量必須小于用水總量控制線，污染物排放量(COD、氨氮、SO2、氮氧化物)必須小于該區(qū)域的實(shí)際環(huán)境容量，耕地面積、建設(shè)用地面積必須小于實(shí)際控制線，糧食產(chǎn)量必須大于最低糧食產(chǎn)量，居民生活質(zhì)量必須大于最低生活質(zhì)量保障。其模型表述如下：

MaxGDP=XP+Xs+Xt

≤TW

……水資源約束(1)

Cpxp+Csxs+Ctxt≤TCOD……COD

排放約束(2)

npxp+nsxs+ntxt≤TAN

氨氮排放約束(3)

spxp+ssxs+Stxt≤TSO2

SO2排放約束(4)

NPxp+NSxs+Stxt≤TNOχ

……NOx排放約束(5)

……耕地面積約束(6)

……建設(shè)用地面積約束(7)

……糧食產(chǎn)量約束(8)

……居民生活保障約束(9)

xp≥0；xs≥0；xt≥0

本研究的規(guī)劃模型之二[6]為水資源約束條件下的單位GDP用水量系數(shù)最優(yōu)化，其為：

Maxw=Wp+Ws+Wt

Wi≤Wp(Ws,Wt)≤Wu

污染物排放約束條件下的單位GDP排放量系數(shù)最優(yōu)化，其為：

Max=Cp+Cs+Ct

Cpxp+Csxs+Ctxt+≤TC

Ct≤Cp(Cs,Ct)≤Cu

耕地面積、糧食產(chǎn)量、建設(shè)用地面積、居民生活保障約束條件下單位耕地面積及建設(shè)用地所能產(chǎn)生增加值、單位耕地面積糧食產(chǎn)量、人均GDP系數(shù)最優(yōu)化，其為：

以上規(guī)劃模型的變量及參數(shù)含義單位見表1。

表2 產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)控軟件主程序

%雙目標(biāo)線性規(guī)劃優(yōu)化f1=[-1;-1;-1];%目標(biāo)函數(shù)fori=1∶3%循環(huán)模式f21=-1/e(i)*Pp(i);f22=-1/e(i)*Ps(i);f23=-1/e(i)*Pt(i);f2=[f21;f22;f23];A11=Wp(i)+Wu(i)*0.001*u(i)*365/e(i)*Pp(i)+Wr(i)*0.001*365*(1-u(i))/e(i)*Pp(i);A12=Ws(i)+Wu(i)*0.001*u(i)*365/e(i)*Ps(i)+Wr(i)*0.001*365*(1-u(i))/e(i)*Ps(i);A13=Wt(i)+Wu(i)*0.001*u(i)*365/e(i)*Pt(i)+Wr(i)*0.001*365*(1-u(i))/e(i)*Pt(i);%水資源約束A21=-(1-PGDP(i)/e(i)*Pp(i));A22=-(1-PGDP(i)/e(i)*Ps(i));A23=-(1-PGDP(i)/e(i)*Pt(i));%居民生活保障約束A31=-0.50/ap(i);A32=0;A33=0; %耕地面積約束A41=-0.50*yp(i)/ap(i);A42=0;A43=0; %糧食產(chǎn)量約束A51=Cp(i);A52=Cs(i);A53=Ct(i);%COD約束A61=np(i);A62=ns(i);A63=nt(i);%氨氮約束A71=Sp(i);A72=Ss(i);A73=St(i); %SO2約束A81=Np(i);A82=Ns(i);A83=Nt(i); %氮氧化物約束A91=0;A92=1/Is(i);A93=0;%建設(shè)用地面積約束A=[A11,A12,A13;A21,A22,A23;A31,A32,A33;A41,A42,A43;A51,A52,A53;A61,A62,A63;A71,A72,A73;A81,A82,A83;A91,A92,A93];Ib=[0;0;0];ifi==1Aeq11=1;Aeq12=-Ra1(1);Aeq13=0;Aeq21=0;Aeq22=1;Aeq23=-Ra1(2);elseifi=2=Aeq11=1;Aeq12=-Ra2(1);Aeq13=0;Aeq21=0;Aeq22=1;Aeq23=-Ra2(2);elseifi=3Aeq11=1;Aeq12=-Ra3(1);Aeq13=0;Aeq21=0;Aeq22=1;Aeq23=-Ra3(2);endendend%不同產(chǎn)業(yè)比約束Aeq=[Aeq11,Aeq12,Aeq13;Aeq21,Aeq22,Aeq23];beq=[0;0];[x1,fval]=linprog(f1,A,b,Aeq,beq,Ib,[])%求GDP目標(biāo)最大值XG(:,i)=x1;%GDP目標(biāo)下的三產(chǎn)增加值優(yōu)化值XGt(i)=fval;%最大GDP值[x2,fval2]=linprog(f2,A,b,Aeq,beq,Ib,[])%求人口目標(biāo)最大值XP(:,i)=x2;%人口目標(biāo)下的三產(chǎn)增加值優(yōu)化值XPt(i)=fval2;%最大人口數(shù)

2.2 產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)控可視化

基于2.1節(jié)的規(guī)劃模型的建立，首先利用MATLABGUI功能新建相關(guān)可視化窗口見圖1，點(diǎn)擊“進(jìn)入”按鈕進(jìn)行輸入?yún)?shù)及輸出窗口的設(shè)置(部分展示見圖2)。其中，主程序的編寫在“計(jì)算”按鈕里，部分程序見表2[14]。

2.3 案例分析與應(yīng)用

通過規(guī)劃模型的建立及產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)控可視化，基于云南某縣城的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得出模型的部分輸入?yún)?shù)數(shù)據(jù)見表3(模式一)。為了驗(yàn)證模式的正確性，現(xiàn)通過增加單位耕地面積所能產(chǎn)生增加值、單位耕地面積糧食產(chǎn)量、第一產(chǎn)業(yè)單位增加值用水量等參數(shù)(見表3模式二和模式三)。

表3 案例分析驗(yàn)證部分參數(shù)

運(yùn)行模型后，部分結(jié)果顯示：在人為增加耕地利用系數(shù)、第一產(chǎn)業(yè)用水量系數(shù)及減少排污系數(shù)的條件下，其在資源環(huán)境承載力范圍之內(nèi)，能容納的人口和經(jīng)濟(jì)規(guī)模逐步增大(見圖3)；在加大GDP規(guī)模(一產(chǎn)、二產(chǎn)、三產(chǎn)產(chǎn)值相應(yīng)增大)的情況下，其在COD排放容量限制范圍內(nèi)，不同產(chǎn)業(yè)的COD排放系數(shù)需相應(yīng)減小，以便滿足GDP的進(jìn)一步發(fā)展(見圖4)。

3 結(jié)論

(1)通過MATLABGUI功能，建立了完整的基于資源環(huán)境承載力約束的產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)控規(guī)劃模型之一：以產(chǎn)業(yè)增加值為變量，以資源環(huán)境承載力為約束條件，以人口和經(jīng)濟(jì)最大化為目標(biāo)函數(shù)。通過案例驗(yàn)證，模型應(yīng)用可靠。

(2)通過MATLABGUI功能，分別建立了全面的基于資源環(huán)境承載力約束的產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)控規(guī)劃模型之二：分別以資源環(huán)境利用系數(shù)為變量，以資源環(huán)境承載力為約束條件，以資源環(huán)境利用系數(shù)最大化為目標(biāo)函數(shù)。通過案例驗(yàn)證，模型應(yīng)用可行。

(3)通過MATLABGUI功能建立的基于資源環(huán)境承載力約束的產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)控可視化，將在一定程度上為區(qū)域環(huán)境規(guī)劃決策提供理論基礎(chǔ)及實(shí)踐參考。

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The Visualization of Industry Development Regulation based on the MATLAB GUI

WANG Wan-bin, LI Sen, ZHANG Xing-zi, REN Jing, JIA Hai-feng, CHEN Yi -hui

(Yunnan Institute of Environmental Science, Kunming Yunnan 650034, China)

The visualization of industry development regulation would provide a basis for environmental planning to make effective decision under the carrying capacity of resources and environment. In this study, firstly, the planning models with the maximum total output value of population and economy were built up. Some parameters of consumption of resources and environment(e.g. the quantity of water consumption and pollutant discharge each added-value of industrial output) have been determined under the constraint condition of water resources, land resources (plough, construction land, environmental capacity of pollutant (COD、NH4-N、SO2、NOx) and grain output. Then, the visual simulation was achieved using the function of MATLAB GUI. The visualization of industry development regulation based on the MATLAB GUI has been verified by a simple and practical example.

MATLAB; GUI; industry development regulation; carrying capacity of resources and environment; visualization

2016-10-12

王萬賓(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橘Y源環(huán)境承載力分析與產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)控。

X321

A

1673-9655(2017)03-0018-06