水利工程論文-大連市水資源利用與宏觀經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展規(guī)劃多目標(biāo)群決策模型與方法.doc

水利工程論文-大連市水資源利用與宏觀經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展規(guī)劃多目標(biāo)群決策模型與方法摘要：以大連市水資源開發(fā)利用與宏觀經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展為研究背景，建立了大連市宏觀經(jīng)濟(jì)水資源發(fā)展規(guī)劃多目標(biāo)群決策模型。根據(jù)該決策模型具有的多層次多目標(biāo)多決策者的特點(diǎn)，結(jié)合陳守煜建立的工程模糊集理論與切比雪夫決策方法，提出了模糊切比雪夫多目標(biāo)群決策方法。結(jié)果表明，該決策模型與模糊切比雪夫多目標(biāo)群決策方法是有效和可行的。關(guān)鍵詞：水資源規(guī)劃宏觀經(jīng)濟(jì)多目標(biāo)群決策水資源是國民經(jīng)濟(jì)和人民生活不可或缺的資源，它們相互制約相互矛盾；通過合理的規(guī)劃，又可以做到共生共榮、互相促進(jìn)，達(dá)到水資源利用與經(jīng)濟(jì)、環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的目的1。大連市是全國發(fā)展最快和最嚴(yán)重的缺水城市之一，其人均水資源占有量不足全國人均的四分之一，嚴(yán)重缺水的緊張局面多次出現(xiàn)；干旱和對地下水的不合理開采，造成了大面積下降漏斗區(qū)、海水倒灌等嚴(yán)重的環(huán)境問題。水資源已經(jīng)而且還將成為大連市國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸之一。本文以國家科委全國地方科技攻關(guān)項(xiàng)目“大連市水資源綜合開發(fā)利用研究”為背景，以滿足大連市國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展、環(huán)境質(zhì)量改善和人民生活水平的提高為總目的，將大連市的水資源系統(tǒng)、社會經(jīng)濟(jì)和環(huán)境3個子系統(tǒng)作為一個相互聯(lián)系的大系統(tǒng)，建立了大連市宏觀經(jīng)濟(jì)水資源發(fā)展規(guī)劃多目標(biāo)決策模型，并提出了模糊切比雪夫多目標(biāo)群決策方法，以生成和選擇水資源供需調(diào)控策略，為大連市政府在制定該市發(fā)展規(guī)劃和水資源的合理利用決策時提供科學(xué)依據(jù)。1大連市宏觀經(jīng)濟(jì)水資源發(fā)展規(guī)劃多目標(biāo)決策模型根據(jù)大連市宏觀經(jīng)濟(jì)水資源發(fā)展規(guī)劃的總目的，其所要求的結(jié)果可用多種目標(biāo)來描述。由于區(qū)域宏觀經(jīng)濟(jì)水資源系統(tǒng)是一多目標(biāo)、多效益、多矛盾的復(fù)雜系統(tǒng)，與其相關(guān)的部門和團(tuán)體有著各自不同的利益要求和目標(biāo)，而這些要求和目標(biāo)通常都是相互沖突、不可公度的?？紤]到不使決策模型規(guī)模過份寵大，在充分調(diào)查研究與參考其它地區(qū)研究的基礎(chǔ)上2-4，我們選擇了國民生產(chǎn)總值(GNP)、生物化學(xué)需氧量(BOD)、糧食總產(chǎn)量(FOOD)3個目標(biāo)。1.1經(jīng)濟(jì)目標(biāo)與約束條件?選擇各規(guī)劃水平年各地區(qū)國民生產(chǎn)總值之和(GNP)最大為主要經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，即：式中：j=1,2,，10為地區(qū)序號，分別為中山、西崗、沙河口、甘井子、旅順、金州、瓦房店、普蘭店、莊河、長海；s=1,2分別代表規(guī)劃水平年2010和2020年；(j,s)是各水平年各地區(qū)的附加值率。GNP(j,s)是地區(qū)j在水平年s的國民生產(chǎn)總值。國民經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)約束為(I-A)X(j,s,k)=HO(j,s,k)XHO(j,s)+BSO(j,s,k)XSO(j,s)+BFI(j,s,k)XFI(j,s)+BST(j,s,k)XST(j,s)+XEP(j,s,k)-XIM(j,s,k)式中：I是單位矩陣；A是投入產(chǎn)出系數(shù)矩陣；k=1,2,，7分別代表農(nóng)、輕工、重工、建筑、運(yùn)輸郵電、商業(yè)和非物質(zhì)部門；XHO()、XSO()、XFI()、XST()分別表示居民消費(fèi)、社會消費(fèi)、固定資產(chǎn)積累、流動資金積累；BHO()、BSO()、BFI()、BST()分別為相應(yīng)變量的分配系數(shù)；XEP()、XIM()為各水平年各地區(qū)各部門的進(jìn)出口變量；X()為各水平年各地區(qū)各部門的產(chǎn)值變量，它們與國民生產(chǎn)總值的關(guān)系為：式中：IOC()是各水平年各地區(qū)各部門的附加值率。各地區(qū)固定資產(chǎn)積累與投資關(guān)系為：KT(j,s)+IW(j,s)=K1(s)KT(j,s-1)+K2(s)GNP(j,s)+K3(s)GNP(j,s-1)式中：KT()是各水平年各地區(qū)總資產(chǎn)存量；K1()是前一時段總資產(chǎn)存量在本時段的剩余系數(shù)；K2()是本時段國民生產(chǎn)總值對固定資產(chǎn)存量的貢獻(xiàn)；K3()是前一時段國民生產(chǎn)總值對本時段固定資產(chǎn)存量的貢獻(xiàn)；IW()是各規(guī)劃水平年各地區(qū)分擔(dān)的水投資。1.2社會目標(biāo)與約束條件根據(jù)大連市農(nóng)業(yè)的實(shí)際，選擇各規(guī)劃水平年各地區(qū)糧食產(chǎn)量與其目標(biāo)期望偏差之和最小：式中：TFOOD()、FOOD()分別是各地區(qū)各規(guī)劃水平年的糧食消耗量期望目標(biāo)和實(shí)際糧食生產(chǎn)總量。糧食生產(chǎn)目標(biāo)方程由下式確定TFOOD(j,s)=KFO(j,s)PLO(j,s)其中，KFO()、PLO()是各規(guī)劃水平年各地區(qū)的人均糧食消耗量和人口總數(shù)。糧食產(chǎn)量方程為其中YD1()、AR1()分別是各地區(qū)規(guī)劃年旱地作物單產(chǎn)和播種面積；YD2()、AR2()分別是灌溉作物單產(chǎn)和播種面積；l=1,2,3是作物種類，代表水稻、小麥和玉米。農(nóng)業(yè)產(chǎn)值方程為：式中：PR1()、PR2()分別是各地區(qū)各規(guī)劃年旱地單位面積產(chǎn)值和灌溉地單位面積產(chǎn)值；LMF()為各地區(qū)的林、牧、副、漁總產(chǎn)值，a=1，2，3，4；l=4，5，分別代表蔬菜和經(jīng)濟(jì)作物。1.3環(huán)境目標(biāo)與約束條件?考慮到城市化帶來的人口增加等環(huán)境壓力，選擇各規(guī)劃水平年各地區(qū)城鎮(zhèn)生物需氧量(BOD)負(fù)荷排放量最小作為環(huán)境目標(biāo)，即式中，BOD()是各規(guī)劃水平年各地區(qū)的BOD負(fù)荷排放總量，可由下列方程確定：式中：B()是各地區(qū)單位產(chǎn)值的BOD排放量；UP()是城鎮(zhèn)人均生活BOD排放量；PU()是城鎮(zhèn)人口總數(shù)；KSE()是各地區(qū)污水處理百分率；BSE()是城鎮(zhèn)污水處理后BOD的剩余量。污水排放量關(guān)系式為：式中：M()、DB分別是各地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)污水處理廠個數(shù)和每個廠的污水處理能力；WX()是單位產(chǎn)值的污水排放量；WPU()是城鎮(zhèn)人均生活污水排放量。1.4水供需平衡關(guān)系方程上述3個目標(biāo)除相互促進(jìn)相互制約外，還同時都受水資源系統(tǒng)的控制與制約。城鎮(zhèn)水供需平衡方程為：式中：WP()是城鎮(zhèn)人均年供水量；WEA()是每畝蔬菜灌溉定額；WG()為各地區(qū)可利用水量；WE(j,s)各地區(qū)水平年環(huán)境用水量。農(nóng)村水供需平衡方程為：式中：WPV()是農(nóng)村人均年供水量；PV()是地區(qū)農(nóng)村總?cè)丝?；WL()(a=1,2,3,4)分別是林、牧、副、漁業(yè)單位產(chǎn)值耗水量；WAG()是地區(qū)農(nóng)村可利用水資源量。2模糊切比雪夫多目標(biāo)群決策方法根據(jù)大連的實(shí)際，可將決策者分為市政府與地區(qū)二層次。前者的地位與決策權(quán)顯然高于地區(qū)類決策者，其作出的決策應(yīng)當(dāng)給予高度的重視；地區(qū)類決策者為大連所轄的10個區(qū)縣市。因此，上節(jié)建立的模型是半結(jié)構(gòu)化、風(fēng)險型、多層次和多目標(biāo)的群決策問題。2.1模糊多目標(biāo)切比雪夫模型Steuer5，是一種通過與決策者交互逐步縮小決策空間，最終達(dá)到滿意解的決策方法，也是求解單決策者多目標(biāo)決策問題較理想的方法。為敘述方便，將上節(jié)的宏觀經(jīng)濟(jì)水資源發(fā)展規(guī)劃多目標(biāo)決策模型簡述為：(1)其中，f1(X)=TGNP,f2(X)=TFOOD,f3(X)=M-TBOD,X是所有變量組成的向量，M是一個適當(dāng)大的正數(shù)，S是上節(jié)中所有約束條件所組成的集合。分別求解單目標(biāo)規(guī)劃(i=1,2,3)：maxfi(X)(2)可得最優(yōu)解與最大值。再分別求解單目標(biāo)規(guī)劃：minfi(X)maxfi(X)(3)可得最小值fi*。這樣，可構(gòu)造出目標(biāo)函數(shù)fi(X)的相對隸屬度6為(4)顯然，*=(1，1，1)是相對隸屬度的理想點(diǎn)值。為在應(yīng)用切比雪夫方法時不易丟失滿意解，在相對隸屬度空間中將移動一個很小的距離i0，可得到一個“更好的理想點(diǎn)”。由于，從而已不再有相對隸屬度的意義。我們把稱為超理想點(diǎn)。i一般取0.010.1之間的任意值。結(jié)合傳統(tǒng)切比雪夫方法，并按使所有達(dá)到最小值進(jìn)行求解滿意方案，其中=(1，2，3)是切比雪夫權(quán)重向量，也即目標(biāo)權(quán)重向量，滿足。但為使所得的解總是有效解，避免模型可行域的局部病態(tài)給求解帶來的不良影響，在模型中增加光滑項(xiàng)。于是，可建立如下的決策優(yōu)化模型：其中為一綜合比例系數(shù)，一般取較小的值。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，通常取0.0010.01之間的某個值為宜2。為了求解方便，令，于是可將上述決策優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化成下列決策模型2.2模糊切比雪夫多目標(biāo)群決策方法多目標(biāo)切比雪夫決策方法是一種交互式算法，能充分體現(xiàn)決策者的偏好和判斷。首先，根據(jù)隨機(jī)產(chǎn)生的權(quán)重空間和權(quán)重向量，計算并抽取若干個模型解，并將其提供給決策者挑選出“滿意解”；然后以該解為核心進(jìn)行離散和抽樣7，計算縮小了的權(quán)重空間，并隨機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的權(quán)重向量和模型解，供決策者選擇。交互過程是在不斷縮小的滿意解搜索空間中反復(fù)進(jìn)行的，直至求出決策者的滿意解或不可能產(chǎn)生的新解。但我們的決策問題是多層次多決策者的群決策，各決策者對切比雪夫過程提供的備選方案的選擇不一定完全一致。因此各決策者在選取各自滿意決策方案時必須進(jìn)行協(xié)商，以形成群的最滿意方案，才能繼續(xù)下一輪切比雪夫過程。為此，通過引入“不滿意度”概念，將兩層決策轉(zhuǎn)化為單層決策問題。最后利用廣義加權(quán)切比雪夫模型式(5)將多目標(biāo)問題式(1)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)