（环境工程专业论文）基于改进的灰色聚类法的大气环境质量评价方法研究.pdf

摘要 随着现代工业、交通的不断发展，城市大气环境污染问题日趋严重，与此同 时，生活质量提高的人们对自己的生活环境提出了更高的要求。为了有效地治理 大气环境污染，还人们一片蓝天白云，首先须对大气环境质量作出科学的评价。 这对客观认识城市大气污染现状，预测其发展趋势，并有效地进行大气污染控制， 实施可持续发展战略具有重要意义。 目前，全国各个城市在进行环境质量评价时，采用的是国际上通行的空气污 染指数法a p i ( a i rp o l l u t i o ni n d e x ) ，这种方法简便、直观，可定量表征空气 污染的程度，使人们对自己的生活环境有更清楚的认识，给人们的生活提供了很 多的指导。但是在具体操作的时候，该方法具有一个缺点，即不具有可比性。因 此，本文决定对该方法进行改进，使其能更好的反映城市大气环境质量，并且使 不同的城市大气环境质量得到科学客观的比较。 本文以郑州市大气监测数据为例，应用改进的灰色聚类法对郑州市大气环境 质量进行评价。该方法通过构造白化函数，根据各个测点不同级别的隶属度的比 较，即可判断出各测点环境质量的优劣并进行排序比较。本文还运用a r c g i s 和 m a p o b j e c t s ，编制出了一个接口友好，可操作性强的计算机软件以辅助大气环境 质量的评价。 结果表明：该方法既与污染物的实测值有关，又与各级浓度标准值的范围有 关，而且采用不同级别分别计算的方法，信息利用率高，能区分各测点环境质量 的优劣并进行排序。而且和别的评价方法相比有很大优势。该方法科学、简便、 精确、所得结果与郑州市大气环境质量现状相符合，具有较强的实际应用价值。 关键词：大气环境质量评价灰色聚类法白化函数隶属度 a b a s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r ni n d u s t r ya n dt r a n s p o r t a t i o n ，p r o b l e m s o fa i rp o l l u t i o ni nc i t i e sa r ei n c r e a s i n g l ys e r i o u s ；a tt h es a m et i m e ， p e o p l ew h oh a v eh i g hi i v i n gc o n d i t i o n s h a v ea s k e df o rh i g h e re n v i r o n m e n t a l q u a l i t y i no r d e rt oe l i m i n a t ee f f e c t i v e l ya i rp o l l u t i o na n di m p r o v e e n v i r o n m e n t a lq u a l i t y ，s c i e n t i f i ca s s e s s m e n to na i rq u a l i t yi sn e c e s s a r y f i r s t l y i ti sv e r ys i g n i f i c a n tt oi d e n t i f yo b j e c t i v e l yp r e s e n ts t a t u s o fa i rp o l l u t i o n ，f o r e c a s tt r e n do fa i rp o l l u t i o n ，c o n t r o la i rp o l l u t i o n a n di m p l e m e n ts u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t i nt h ec o n t e m p o r a r ys o c i e t y ，a i rp o l l u t i o ni n d e x ( a p i ) t h a ti sw i d e l y u s e di nt h ew o r l di sa p p l i e dt oa s s e s s m e n to na i rq u a l i t yi na l lo f c i t i e so fo u rc o u n t r y t h i sm e t h o di sn o to n l ys i m p l ea n di n t u i t i o n i s t i c b u ta l s os h o wq u a n t i f i c a t i o n a l l yl e v e lo fa i rp o l l u t i o n ； m e a n w h i l e ， i tm a k e sp e o p l ek n o wc l e a r l yt h e i rh a b i t a ta n dp r o v i d e sm a n yd i r e c t i o n s f o rp e o p l e h o w e v e r ，t h i sm e t h o dh a sas e r i o u sd i s a d v a n t a g ew h e ni t i s a p p l i e dt h a ti sn o tc o m p a r a b l e t h e r e f o r e ，t h i st h e s i si si m p r o v i n gt h e p r e s e n tm e t h o ds oa st om a k ei tr e f l e c ta i rq u a l i t ym o r er e a s o n a b l ya n d c o m p a r ea i rq u a l i t yo fd i f f e r e n tc i t i e ss c i e n t i f i c l y t a k ee x a m p l ef o ra i rq u a l i t yd a t ao fz h e n g z h o u ，t h i st h e s i sa s s e s s e s t h ea t m o s p h e r ee n v i r o n m e n t a lq u a l i t yw i t ht h em e t h o do fi m p r o v e dg r e y c l u s t e rm e t h o d t h i sm e t h o ds e t su pa l b e f a c t e df u n c t i o nf i r s t ，t h e n a s s e s s e sa i rq u a l i t yo fd i f f e r e n tp l a c e s a c c o r d i n gt oc o m p a r i s o no f d e g r e eo fm e m h e r s h i po fd i f f e r e n tl e v e l t h i st h e s i sa l s od e v e l o p sf l p r o g r a mb a s e do na r c g i sa n dm a p o b j e c t st oa s s e s s t h er e s u l tp r o v e s ：t h i sm e t h o di sr e l a t e dt oa i rq u a l i t yd a t aa n d r a n g eo fg r a d i n gs t a n d a r d s 。t h u st h ep r e s i o no ft h er e s u l ti sh i g h a t t h es o m et i m e ，t h i sm e t h o da d o p t sc a l c u l a t i o n a lm e t h o d sr e s p e c t i v e l y a c c o r d i n g t od i f f e r e n tl e v e la n dt a k e s a d v a n t a g eo fi n f o r m a t i o n s u f f i c i e n t l y i tc a nn o to n l ya s s e s sa i rq u a l i t yo fd i f f e r e n tp l a c e sb u t a l s oc o m p a r ea i rq u a l i t yo fd i f f e r e n tc i t i e ss c i e n t i f i c l y t h e r e f o r e ， t h i sm e t h o di ss c i e n t i f i c ，s i m p l e ，a c c u r a t e i ti ss u c c e s s f u la p p l i e dt o a n a l y z ea n de v a l u a t et h ea t m o s p h e r ee n v i r o n m e n tq u a l i t yo fz h e n g z h o u c i t v k e y l r o r d s ：a t m o s p h e r ee n v i r o n m e n tq u a l i t ya s s e s s m e n t ，g r e yc l u s t e r m e t h o d ，a l b e f a c t e df u n c t i o n ，d e g r e eo fm e m b e r s h i p 1 1 1 第一章引言 第一章引言 1 1 大气环境质量评价的产生与发展 2 0 世纪4 0 年代起，随着世界范围工业化和城市化的速度加快，在工业发达 国家中不断发生大规模的污染事件。著名的有英国伦敦烟雾事件、美国洛杉矶光 化学烟雾事件、美国多诺拉烟雾事件、比利时马斯河谷烟雾事件等等，给社会造 成了很大的危害。人们逐渐认识到，人类不能不加节制的开发利用环境，在寻求 利用自然资源改善人类物质和精神生活的同时，必须尊重自然规律，否则，将会 给自然环境带来不可逆转的破坏，最终毁了人类的家园“1 。在公众强烈要求下， 各工业发达国开始强化以法制手段控制污染物向空气、水体和土壤中排放，此种 举措对保护环境起到重要作用。与此同时，用以监督执法的环境监测，包括污染 气象和气质，水文和水质的同步监测和研究工作也普遍开展起来。为了能使环境 监测取得的大量数据资料概括反映环境现状、判断环境污染程度或评价环境现状 的质量是否符合法规要求及其对人体健康和其它方面的影响，从5 0 年代起，许 多环境科学家研究和编制出各种环境指数，如最早的格林大气污染综合指数等。 6 0 年代以来，世界各国都越来越重视环境质量评价工作，如美国在1 9 7 7 1 9 8 1 年环境科学规划中曾多次提出进行环境质量评价的研究，由此，大气环境质量评 价便应用而生“。 环境保护作为一项事业，在中国的萌芽是在2 0 世纪7 0 年代。1 9 7 2 年，中 国派团出席斯德哥尔摩人类环境会议，接着在1 9 7 3 年召开了第一次全国环境保 护会议，随后环境保护工作在全国范围开展起来。环境保护的第一步是了解环境 状况，因此，从1 9 7 3 年起，中国陆续开展了环境质量评价工作。最早的是北 京西郊环境质量评价研究，以后许多城市如南京等地开展城市环境质量评价， 在许多水域如松花江流域等开展了水环境质量评价。可以说，我国的环境保护工 作从一开始就和环境质量评价工作紧密联系在一起的，是环境保护工作的重要组 成部分。我国环境质量评价工作大体经历了四个发展阶段：第一阶段为初步尝试 阶段( 1 9 7 2 - 1 9 7 6 年) ，此时主要以引进、宣传为主。随后是广泛探索阶段 ( 1 9 7 7 1 9 7 9 年) ，在此期间，虽然已经开始广泛试用、摸索，但主要还是沿用 外国的评价模式。从1 9 7 9 - 1 9 8 1 年，这个阶段为全面发展阶段，是以现状评价为 主，以治理污染为重要目的，走的仍然是先污染后治理的道路。最后一个阶段即 环境影响评价阶段( 1 9 8 1 - 至今) ：环境质量现状评价与环境质量影响评价并重， “防”与“治”相结合“1 。 郑州大学硕士学位论文 1 2 国内外大气环境质量评价方法的研究现状 具体的讲，环境质量评价就是确定、说明和预测一定区域范围内人类活动对 人体健康、生态系统和环境的影响程度，简单地说，就是对环境素质的优劣进行 定性和定量的评述和分级n 】。 自5 0 年代以来，国内外不断有文献对大气环境质量的评价方法进行了探讨， 近年来发展已经有几十余种。格林在1 9 6 6 年提出了美国格林大气污染综合指数。 1 9 7 1 年9 月，美国原子能委员会橡树岭国立实验室提出美国橡树岭大气质量指数 ( o r a q i ) 。加拿大的哈勃使用了由三个指数( 特定污染物指数、城际大气质量指 数和工业排放量指数) 组成的加拿大大气质量指数。1 9 7 4 一1 9 7 6 年在开展“北 京西郊环境质量评价研究”工作中使用了均值型指数法。上海第一医学院姚志麒 教授提出了上海型大气质量指数。环境质量评价专业委员会提出了分级评价法， 按国务院环境保护办公室制订的中华人民共和国大气质量暂行标准，并参照 1 2 个城市大气污染实际水平，将大气质量划分为五级。其中第一、第二、第三级 相当于保护大多数人的健康和城市一般植物需要达到的水平，第四、第五级相当 于污染和重污染水平。分级评分的计算方法，采用百分制。评分愈高，大气质量 愈好嘲。徐肇忠等运用f u z z y - - g r e y 模型进行黄石市环境质量评价“1 杨文东采 用模糊综合评判法，建立了加权平均型数学模型，并采用该方法评价和分析武汉 市大气环境质量旧。杨继东等对灰色聚类法中的白化函数进行改进，以等斜率方 式构造梯形结构式的白化函数，提出了一种等斜率灰色聚类法，并以实例说明了 该法在大气环境质量评价中的具体应用嗍。杨立民等运用双极性压缩函数适应度 定标和基于排挤方法的选择算子改进标准遗传算法( s g a ) ，使其成为简单通用、 快速收敛的并行全局搜索算法，利用该算法优化误差反向传播网络( b p n ) ，克服 了b p n 收敛慢和不具有全局收敛性的缺陷，在此基础上，建立大气环境质量评价 模型，并将该模型用于实例”1 。魏云鹤等采用灰色关联度模型综合评判法对水泥 厂周围大气的环境质量进行了综合评价鲫。林衍等提出了利用物元分析对大气环 境质量评价的新方法9 1 。李银山将密切值法应用在大气环境质量评价中“”。郑成 德等利用主成分分析法对城市大气环境质量评价n 1 1 。肖新平结合灰色聚类法和灰 色关联法，首次提出了灰色聚类关联分析的新方法，并用于大气环境质量的综合 评价之中“”。张勇应用灰色局势决策级数法对武汉市大气环境质量进行评价“”。 王中根等将灰关联评价方法首次引入大气环境质量评价，并用实例加以说明，充 分显示了灰关联评价方法的优越性及其在大气环境质量评价中的应用前景“”。周 慧以灰色系统理论为基础，提出了以层次分折法( a h p ) 进行赋权的灰色加权关联 度综合评价法。经大气实例分析表明，该方法可较好地反映出环境系统的灰色性 特征，使评价结果更为客观、合理“”。陶宝先等以山东省淄博市为例，采用二次 2 第一章引言 灰色关联分析模型对环境质量进行评价“”。赵同谦等在对模糊综合评判方法应用 于大气环境质量评价中所存在的几个问题讨论的基础上，选择适当的复合运算、 权重计算和评价方法对焦作城区大气环境质量状况进行了评价，并通过对照和比 较，证明了评价结果的正确性“”。袁静等运用模糊聚类理论对上海市近一年的各 十月份的大气环境作了评价“”。于相毅等以环境污染指数为基础，提出了综合集 成方法一模糊关联分析法( f r a ) ，并将其应用于大气环境质量评价之中“”。禹 华谦等利用可拓学理论建立了大气环境质量综合评判的物元分析模型，并以一实 例说明了模型的应用。 1 , 3 评价方法分析 虽然目前的评价方法有很多种，但大体上可分成以下几类：专家评价法、经 济分析法，大气污染生物评价法、模糊综合评价法和指数评价法等嘲。 专家评价法是种古老的方法，但至今仍有重要地位，它是一种借助于专家 坚实的理论基础和丰富的工作经验，对环境质量进行评价的方法。专家评价法的 突出特点在于对于那些数学方法难以表达的因素，专家们可以比较客观地定量评 价；在缺乏足够数据和原始资料的情况下，专家们可以根据理论和经验作出较准 确的定量估计；专家们可以对定性评价赋予权值，以打分的方法作出定量评价， 以确定环境质量的级别。这种评价方法是以评价者的主观判断为基础的一种评价 方法，参与这些评价的大都是某一方面的权威，其评价意见具有权威性，但同时 也具有一定的主观性。 经济分析法是考虑环境质量的经济价值，是以事先拟定好的某一环境质量综 合经济指标来评价不同对象，从经济的角度对环境质量进行评价的方法。它的运 用只能是从另一角度，宏观地、粗略地进行评价，而且常常因人的主观愿望的变 化而变化啪。 大气污染生物评价法是从生物学的角度来评价受污染大气环境给植物生长 带来的影响，根据不同生物对不同污染物引起的反应症状来判断生物的污染程 度。大气污染生物评价法的适用需要在调查了解受害物质地区附近是否有排放有 害气体的工厂、车间或装置以及排放有害气体的种类、特性和长期仔细观察，叶 子受害症状的基础上作出判断。但由于冻害、病虫害、干旱、施肥不足、农药药 害等原因也可使植物受害，并且有时它们所产生危害症状与污染物污染症状十分 相似，因而往往容易混淆，对正确评价大气环境质量带来一定的困难。1 。 模糊综合评价法主要依据客观事物具有的一种普通性不确定性而运用 模糊数学工具对大气环境质量进行评价的一种方法。其关键是求某一评价因素属 于第j 级评价的隶属度。此法对处理由于不确定性造成难以确切表达的模糊问题 3 郑州大学硕士学位论文 很有用处。它不仅能反映不同空间、时间大气质量状况和各污染因子的“贡献率”， 评价过程不受污染因子种类的限制，而且充分考虑了各因子之间的相互联系和相 互作用关系，更能全面客观地反映一定区域的大气环境质量，使评价结果更符合 实际情况。这种方法的特点是用隶属度来刻画环境质量分级的界限，并注意界 限的模糊性啪，但是它在赋权的问题上还有待进一步研究。 鉴于以上分析，专家评价法、经济分析法、大气污染生物评价法和模糊综合 评价法在实际应用中受到了一定的限制。 指数评价法是目前进行环境质量评价的一种主要的方法。指数评价法是在环 境质量评价中最早应用而且目前也在广泛应用的一种评价方法。它依据的是指标 体系和指标值。它可以作为环境质量分级的依据，可以将大量的监测数据归纳为 有规律的指数表达式，对不同的环境质量进行比较，可为专家评价法提供比较客 观的量化依据，可作为评价标准的替代形式进行交流。因此它具有相当的客观性 和可比性。我国大气污染监测评价大多采用大气质量指数法“。 主要的指数方法包括“： 1 、叠加型猬毅 p ：专鱼 智墨 式中：c i 污染物i 的实测浓度； s i 污染物i 的评价标准值。 2 、均值型大气质量指数 均值型指数的通式是： j t 昙砉只 只t 导 其中，p i 是单因子污染指数，即实测污染浓度与相应的环境标准值的比值。 北京、广州等城市在大气质量评价中曾采用过均值型指数。上述三个指数 的分级，均以超标倍数的大小来分级。 拣麟一1 2 ( k c s o , + 净 4 第一章引言 愀式一弓售+ 嚣+ 鼍x 夸 广州公式将s 0 2 单因子指数与降尘单因子指数相乘，注意了光化学污染问 题。 3 、上海大气质量指数 i 一 式中：n 公式中采用的污染因子个数。 在大气污染的诸多因子中，总是有某种因子对该区大气污染有重要作用，而 其它因子的作用相对次要。 4 、加权均值型指数 ，目三n 善彬只 芝形a 1 式中：w i i 污染物的加权值。 5 、南京的大气质量指数 ，一形只 但研究表明，指数评价法也存在着一些缺陷，比如均值型大气质量指数通过 将污染物浓度与环境标准值相除得到无量纲化的污染指数，从而使得不同污染物 之间以及不同地点之间的环境质量的比较成为可能。但它的缺点也比较突出，首 先，该法未考虑到个别分数出现高浓度的情况，当有一个分指数很高，而其余不 高时，其综合结果可能偏低而掩盖了高浓度那个参数的影响，即掩盖了最大值的 污染作用。再者，该指数的分级，均以超标倍数的大小来分级，而没有结合评价 区污染物浓度与危害状况进行分级，这样做会使评价结果与实际情况不太符合。 加权均值型指数在确定加权值时还存在一个合理性的问题，缺乏明确的生物毒理 学依据。上海大气质量指数虽然不仅考虑到了多种污染物的平均污染状况，而且 还考虑了某种污染物的最大污染水平。这种指数形式简单，适应污染物个数的增 减，是比较适用的大气质量指数。但是，由于这种方法有时过于突出最大分指数 5 郑州大学硕上学位论文 的作用，因此，国内外的一些单位在实际应用时常常在最大分指数前乘上一个经 验系数来加以校正“1 。 总之，大气大污染综合指数法采用指数形式反映大气环境质量状况，形式简 单，计算方便，适用面广，而且其结果的表达方式比较符合中国人的习惯，因而 在我国相当大的范围内都在使用。但从方法本身和当今的国际环境监测发展趋势 来说，综合指数法还需要进一步的改进。从2 0 0 0 年6 月5 日起，中央电视台象 天气预报一样，每天向公众发布北京、上海、天津、重庆等4 1 个重点城市空气 质量日报，空气质量日报就是在市区内经优化布点，选取几个具有代表性的点位， 通过大气自动监测仪器对大气中的小于l o 微米的悬浮颗粒物( p m 。) 、二氧化硫 ( s 0 2 ) 、二氧化氮( n o ：) 含量进行一天内每小时一次的连续监测，将结果统计、 整理，按一定的技术规范计算出市区内的污染指数、首要污染物、空气质量状况 及级别，并于当日报送国家环境监测总站及各有关新闻单位和领导，同时经媒体 向社会公布的一种大气环境质量报告形式。污染指数为当日一定区域内大气中各 污染物的综合污染指数，因其简便、直观，可定量表征空气污染的程度，为国际 上普遍使用。首要污染物为当日本区域内最主要的空气污染成分，空气质量状况 及级别指每日该区域内大气环境质量的优劣程度。这种评价方法即空气污染指数 法h p i ( a i rp o l l u t i o ni n d e x ) ，也是指数法。 空气污染指数的计算方法是： 1 、基本计算式： 设i 为某污染物的污染指数，c 为该污染物的浓度。则： ，一筹( c c 小) + ，小 式中： c 丈与c 十一在a p l 分级限值表( 表卜1 ) 中最贴近c 值的两个值， c 太为大于c 的限值，c 十为小于c 的限值。 i 与i + 在a p l 分级限值表( 表1 - 1 ) 中最贴近i 值的两个值， i 大为大于i 的值，i 小为小于i 的值。 2 、全市a p i 的计算步骤 ( 1 ) 求某污染物每一测点的日均值 罗c f 一 白 靠聃。 式中：c i 测点逐时污染物浓度； n 测点的日测试次数。 第一章引言 ( 2 ) 求某一污染物全市的日均值 f 一 瓦魄 c 和均。午 式中：l 全市监测点数。 ( 3 ) 将各污染物的市日均值分别代入a p i 基本计算式所得值，便是每项污染物 的a p l 分指数。 ( 4 ) 选取a p l 分指数最大值为全市a p i 。 3 、全市主要污染物的选取 各种污染物的污染分指数都计算出以后，取最大者为该区域或城市的空气污 染指数a p i ，则该项污染物即为该区域或城市空气中的首要污染物。 a p i = 陋x ( i 。，1 2 ，i 。) 空气污染指数范围及相应的空气质量类别见表i - 2 。 举个例子，假定某地区的p m 。日均值为0 2 1 5m g 3 ，s 如日均值为0 1 0 5 m g m 3 ，n 倪日均值为0 0 8 0 嘴岔，则其污染指数的计算如下： 即 p m 。的污染分指数为：i = 1 6 5 ： s 0 2 的分指数i = 7 6 ； n 0 2 的分指数i - - 5 0 。 取污染指数最大者报告该地区的空气污染指数： a p i = m a x ( 1 6 5 ，7 6 ，5 0 ) = 1 6 5 首要污染物为可吸入颗粒物( p m 。) 。 7 郑州大学硕士学位论文 表1 - 2 空气污染指数范围及相应的空气质量类别 目前，全国各个城市在进行环境质量评价时，仍采用的是这种方法，使人们 对自己的生活环境有更清楚的认识，给人们的生活提供了很多的指导。但是在具 体操作的时候，该方法具有一个缺点，即不具有可比性。以2 0 0 7 年3 月2 2 日国 家环境保护总局发布的重点城市空气质量日报为例，数据如表1 - - 3 所示。 表l 一3 重点城市空气质量日报 表中一共列出了9 个城市的空气质量，虽然我们能很清楚的看到天津、秦皇 岛、太原、大同和呼和浩特5 个城市的空气质量为“良”，另外我们也可以根据 污染指数比较出各地的空气质量，即呼和浩特 秦皇岛 天津 太原 大同。但 是，该方法给出的环境质量是根据首要污染物来决定的，也就是说各城市在进行 8 第一章引言 环境质量比较时，依据的只是首要污染物，这就忽略了其它污染因子对环境所做 的贡献。也就是说，假如一个地区有4 种污染物是处于i 级的质量，另外一种污 染物显示的大气质量是级，那么最后报告该地区的空气污染指数显示是级， 而另外一个地区，其中有2 种污染物显示的大气质量是级，其余3 种污染物显 示的大气质量是级，那最后报告该地区的空气污染指数仍然是级，但很显然， 这两个地区的污染程度是不同的。所以，这种方法是存在着一定缺陷的。因此， 本文决定对该方法进行改进，使其能更好的反映城市大气环境质量，并且使不同 的城市大气环境质量得到科学客观的比较。 考虑到在环境质量评价中，“环境污染”本身就是一个模糊概念，本文将采 用灰色系统理论方法来进行大气环境质量的评价。 9 郑卅 大学硕士学位论文 第二章灰色系统评价法的研究 2 1 灰色系统的基本理论 1 9 8 2 年，北荷兰出版公司出版的系统与控制通讯( s y s t e m s c o n t r o l l e t t e r s ) 杂志刊载了我国学者邓聚龙教授的第一篇灰色系统论文“灰色系统的 控制问题”( t h ec o n t r o lp r o b l e m so f6 r e ys y s t e m s ) ：同年， 华中工学院学 报刊载了邓聚龙教授的第一篇中文灰色系统论文“灰色控制系统”。这两篇开 创性论文的公开发表，标志着灰色系统理论这一新兴横断学科经过其创始人邓聚 龙教授多年卓有成效的努力，开始问世。这一新理论刚一诞生，就受到国内外学 术界和广大实际工作者的积极关注，尤其是它在众多科学领域中的成功应用，赢 得了国际学术界的肯定和关注。”。 2 1 1 灰色系统的基本概念 社会、经济、农业、工业、生态、生物等许多系统，是根据研究对象所属的 领域和范围命名的，而灰色系统却是按颜色命名的。在控制论中，人们常用颜色 的深浅形容信息的明确程度，如艾什比( a s h b y ) 将内部信息未知的对象称为黑 箱( b l a c kb o x ) 。因此，人们用“黑”表示信息未知，用“白”表示信息完全 明确，用“灰”表示部分信息明确、部分信息不明确。相应地，信息完全明确的 系统称为白色系统，信息未知的系统称为黑色系统，部分信息明确、部分信息不 明确的系统称为灰色系统”。 2 1 2 灰色系统理论的主要内容 灰色系统理论经过2 0 年的发展，现己基本建立起一门新兴学科的结构体系。 其主要内容包括以灰色代数系统、灰色方程、灰色矩阵等为基础的理论体系，以 灰色序列生成为基础的方法体系，以灰色关联空间为依托的分析体系，以灰色模 型( g m ) 为核心的模型体系，以系统分析、评估、建模、预测、决策、控制、优 化为主体的技术体系1 。 灰色系统理论的研究对象是“部分信息已知，部分信息未知”的“贫信息” 不确定性系统，它通过对“部分”已知信息的生成、开发实现对现实世界的确切 描述和认识。”。 第二章灰色系统评价法的研究 2 1 3 灰数“1 灰色系统用灰数、灰色方程、灰色矩阵等来描述，其中灰数是灰色系统的基 本“单元”或“细胞”。 我们把只知道大概范围而不知道其确切值的数称为灰数，通常用记号“o ” 表示灰数。 灰数有以下几类： 1 、仅有下界的灰数。 有下界而无上界的灰数记为固 皇，一 ，其中皇为灰数 的下确界，它是一 个确定的数，我们称c a ，一 为 的取数域，简称 的灰域。 2 、仅有上界的灰数。 有上界而无下界的灰数记为固 一一，虿 ，其中医为灰数 的上确界，它是 一个确定的数， 3 、区间灰数。 既有下界又有上界的灰数称为区间灰数，记为固 垒，a 。 4 、连续灰数与离散灰数。 在某一区间内取有限个值的灰数称为离散灰数，取值连续地充满某一区间的 灰数称为连续灰数。 5 、黑数与白数 当 ( 一o o ，一) ，即当。的上界、下界皆为无穷或上、下界都是灰数时， 称 为黑数，当 瞳，劲且垦= a - 时，称 为白数。 2 1 4 区间灰数的运算 设有灰数o a ，明，a 6 c ，胡，c d ，用符号幸表示 与间的运算，若 = 。 固2 ，则 亦应为区间灰数，因此应有 e ， ， ，e ，。 法则1 设& b ，明，8 b ： c ，d ，c , j ，则囝与 2 的和 记为 + ，且 l + a + c ，b + d 。 法则2 设o a ，6 】，a b ，贝u 一固 - b ，一8 法贝0 3 设 e a ，6 】，a b ，逞b c ，d ，口 d ，贝q & 一 2 = 。+ ( ) i n - - d ，6 一c 。 法则4 设o a ，明，a 0 ，则 11 1 【，二1 郑州大学硕士学位论文 法则5 设国 a ，明，a b ，q c ，d ，c d ，则 国 2 r a i n a c ，日d ，幻，鲥 ，腑x a oa d ，肋，6 d 法则6 设。i a ，明，a ，l 。，o ) 所以可判定出该监测点该日的首要污染物是p m 。 最后将该测点的评价因子的白化值相加，即 一 。，g ) + ，l o ) + ，1 3 3 ( 力= 0 1 9 5 + o 2 8 2 + 0 8 6 6 = 1 3 4 3 为该测点对第级别的隶属度。 同理可得郑纺机同一日的环境质量，也就是对第级别的隶属度 ，4 = 厶。+ 芘( 幻+ ，4 3 3 0 ) = 0 3 4 3 + 0 0 4 3 + 0 9 9 7 = 1 3 8 3 可以得出，4 ，即虽然河医大和郑纺机某目的环境质量是相同的，都 为级，但是河医大的环境质量要优于郑纺机的环境质量。 下面仍用上述方法取郑州市城区2 0 0 5 年某7 目的6 个监测点的环境空气日 均监测值，具体评价郑州市城区大气质量，计算结果见表3 5 。 表3 5 郑州市2 0 0 5 年环境质量评价结果 污染物河医大市监测站 郑州烟厂郑纺机银行学校供水公司 评价级别i i 级i i 级i i 级级级级 l 隶属度1 0 2 3o 8 0 21 2 6 51 3 0 2o 5 9 00 8 5 7 首要污染物p m l op m l op h i op m l o p m l op m l o 大气质量良良 轻污染 良 良良 评价级别i i 级i i 级 i 级i i 级级i i 级 隶属度o 。8 0 01 2 6 7o 6 6 21 1 5 50 7 1 7l9 2 2 2 首要污染物 p m i op m l os 0 2 s gp m l op m l o 大气质量良良 4 轻污染良轻污染良 评价级别级i i i 级m 级i i 级级i 级 隶属度1 9 2 21 3 5 30 4 2 11 9 3 5 0 9 7 91 5 0 2 3 首要污染物 s o z p i t os ( hs 如p m i o p m l o 大气质量良 轻污染轻污染良中污染优 评价级别级i i i 级m 级级i 缓 级 隶属度0 8 9 31 1 9 1 1 3 4 0 1 5 9 9 1 5 0 91 0 5 0 4 首要污染物 p i i l o p m l op m l op m l op m p m l o 大气质量轻污染轻污染 轻污染轻污染轻污染良 郑州大学硕士学位论文 表3 5 郑州市2 0 0 5 年环境质量评价结果 ( 续表3 5 ) 污染物河医大市监测站郑州烟厂郑纺机银行学校供水公司 评价级别 级 i 级 i 级i 级级级 隶属度 1 3 0 1 1 5 6 11 3 2 31 5 9 1 1 3 9 3 o 6 5 2 5 首要污染物 p m l op m l op m j op m i op m l op m i o 大气质量轻污染轻污染轻污染轻污染轻污染良 评价级别级级级i 级级i i 级 隶属度1 3 4 3l0 6 61 2 5 41 3 8 20 9 6 32 2 4 2 6 首要污染物 p m m p m i o p 甜i o p m i o p m i o p m l o 大气质量轻污染中污染 中污染 轻污染 轻污染良 评价级别级级m 级级级i 级 隶属度 1 - 3 6 40 9 0 21 4 4 01 3 2 81 4 3 40 9 1 2 7 首要污染物p m i op m l op m l op m l op m l op m t o 大气质量轻污染轻污染轻污染中污染轻污染良 根据评价结果，以第1 天6 个监测点的环境空气日均监测值为例，可以看出， 改进的灰色聚类法不仅可以正确的评价出大气环境质量实际已经到达的级别，描 述大气质量，并且能评价出该日的首要污染物，更为重要的是，该方法能够根据 隶属度区分各测点环境质量的优劣并进行排序，即环境质量从好到差依次为市监 测站 供水公司 河医大 郑州烟厂 郑纺机 银行学校。同理，该方法也能评 价同一测点的环境质量随时问的变化趋势。 3 2 5 与其它方法的比较 下面分别用灰色关联法和灰色聚类法对郑州城区河医大处第1 日的大气环 境质量进行评价。 3 z 5 1 与灰色关联法的比较 ( 1 ) 灰色关联法的基本原理 假设有参考数列 x 。( k ) ，比较数列 x ，( k ) ) ： x ，( k ) = x 。( 1 ) ，x 。( 2 ) ，x 。( m ) l ， x j ( k ) = x j ( 1 ) ，x j ( 2 ) ，x j ( n ) ， 式中：i = l ，2 ，m ；j = 1 ，2 ，n 。 则 x 。( k ) ) 对 x 。( k ) ) 在第i 点k 项的关联系数( 表征比较数列与参考数列在某 一点上的关联程度) 定义为： 第三章大气环境质量评价数学模型的建立 式中：a ) a k ) 一x ， 1 x i ( k ) ) 与 x ，( k ) 在第i 点k 项的绝对差； n 乎n 唧n 体) 两级最小差： m n j ， ) 两级最大差； p 分辨系数，其值在0 l 之间，一般取0 5 。 汇总各项( k = 1 ，2 ，m ) 的关联系数，得到整个比较数列 x ，( k ) 与参 考数列 x 。( k ) 的关联度， 即 白。吉荟岛( 七) 若 x 。( k ) ， x 。( k ) ， x 。( k ) ) 是已知的i 2 个比较数列， x ，( k ) 是已知的 参考数列，而且有 r “= m a x r l j ( 1 j n ) ， 则称参考数列 x 。( k ) 与比较数列( x j ( k ) ) 的关联性最好。 以郑州城区河医大处第1 日的大气环境质量监测值为例，关联度计算结果见 表3 6 。 表3 - 6 关联度计算结果 l 关联度珀 r l lr 1 2r 1 3r r r 1 6 i河医大 0 9 7 4 20 9 5 4 50 7 6 4 1o 6 6 9 7 o 6 1 2 2o 5 6 1 6 从表3 6 中的关联度计算结果可以看出，河医大处对各级大气环境质量标准 的关联度中以r 。为最大，即 r h = m a x r l l ，r 船，r 船，r “，r l s ，r l e ) = 0 。9 7 4 2 = r i l 则s ：1 ，即河医大处属于一级。 从以上结果可以看出，运用灰色关联法评价结果与改进的灰色聚类法评价结 果不太相符，运用灰色关联法的评价结果与实际相比环境质量偏好，这主要是因 为关联度难以体现污染级别是一个范围( 或区间) ，而不是某个确定值这个实际 情况。 3 2 5 2 与灰色聚类法的比较 下面再用灰色聚类法对郑州城区河医大处第1 日的大气环境质量进行评价。 灰色聚类法的基本原理前已述及，此处不再重复。 一 群 ! 峄 竺誓、 ”一p “一+ 以西 础_ j 笥 蟊 岛 郑州大学硕士学位论文 以郑州城区河医大处第1 日的大气环境质量监测值为例，灰色聚类法计算结 果见表3 7 。 表3 7 灰色聚类法计算结果 i 聚类对象灰类1灰类2 灰类3灰类4灰类5灰类6评价结果 l 河医大 0 9 4 5 20 6 1 9 7 0 4 2 1 9o 1 3 9 10 0 8 5 30 0 8 2 4i 级 从以上结果可以看出，运用灰色聚类法评价结果与改进的灰色聚类法评价结 果不太相符，运用灰色聚类法的评价结果与实际相比环境质量偏好，这主要是因 为灰色聚类法是建立在灰数的白化函数生成为基础上的一种多维灰色评估方法， 它通过建立指标的白化函数可以反映级别指标值的区间性，信息利用率较高，且 其评价结果的分辨率也有所提高，但当评价指标较多时，有可能掩盖主要因素的 影响。另外，由于白化函数采用了“降半梯形”的形式，每一级别的白化函数仅 与相邻上、下两个级别存在隶属关系，当污染级别浓度分布过于离散时，可能会 遗失很多有用的信息。 第四章郑州市大气环境监测与灰色聚类评价系统的系统设计和实现 第四章郑州市大气环境监测与改进的灰 色聚类评价系统的系统设计和实现 由于在应用改进的灰色聚类法评价当前监测点的污染等级的时候，需要进行 多次的计算。为了能够避免繁琐的人工手算，快捷，高效地得到评价结果并确定 各个评价等级的隶属度，需要自行编制一套软件来实现评价模型，使数据录入， 计算和存档通过友好的人杌界面进行。并将历史数据存档，便于今后的查询和统 计分析，对郑州市的大气污染状况进行跟踪，并在一个比较长的时间范围内，与 实际情况相验证，从而逐步改进该模型。 本文在进行大气环境监测评价系统的开发过程中，充分利用当前的软件开发 技术，并引入的g i s 技术，给系统预留充分的扩展空间，以便将来进行空间分析， 使研究能够进一步的深入。 4 1 大气监测基础数据库 在大气环境监测评价系统里面，比较重要的一步是进行数据库的设计和实 现。由于监测活动每天都在进行，每天记录的基础数据不断增长，而且由于环境 质量评价的方法的深入，需要研究的变量的关系也愈加复杂，所以需要我们要引 入数据库技术，利用数据库的强大能力来使后期的数据统计和分析功能的实现变 得比较简便。建立一个监测数据的基础数据库，既是大气环境评价的基础依据， 也是环境历史资料的积累。本文根据郑州市各个测点的大气监测数据设计出大气 环境监测数据库，并根据本文采用的改进的灰色聚类评价方法对其进行优化，为 建立郑州市大气环境监测与评价系统提供基础数据。 4 1 1 数据的来源 数据库是为环境质量评价服务的，所以数据的真实性和准确性直接影响着环 境质量评价的准确与否。本文监测数据来自于郑州市环境监测中心站的监测结 果。在郑州城区的5 个地面监测子站( 供水公司，银行学校，郑纺机，监测站， 河医大) 进行监测的结果。目前郑州市环境监测站提供的监测数据主要有二氧化 硫( s 0 2 ) ，二氧化氮( n 0 2 ) 和可吸入颗粒物( p 。) 等三类。在程序开发过程中所选取 的数据为时间段在2 0 0 7 一0 4 一1 4 日到2 0 0 7 0 4 - 2 0 日共一周的监测数据。 郑州大学硕士学位论文 由于本文引入了地理信息系统技术，目的是为了今后进行空间分析，找到地 理要素与污染等级之间的空间关系，所以还有空间数据的建立。空间数据的来源 为郑州市环保局提供的郑州市环境空气监测点位分布图( 如图4 1 所示) ，本 文利用r 2 v 和a r c g i s 进行矢量化和基本地物空间属性的录入将其制作成为矢量 图。 图4 1 郑州市环境空气监测点位分布图 4 1 2 数据库的设计 在郑州市大气环境监测与评价系统的设计中，数据库的设计是比较重要的一 步，因为数据库是存储基础数据的地方，数据库设计的好坏对于系统将来的扩展 性和系统的稳定性起着重要的作用。 本系统是一个主要建立在改进的灰色聚类评价法基础之上的一个信息系统， 所以关注的数据量和业务有限，因此在数据库设计上主要是考虑到本模型的需要 和一些基本的大气环境监测和