宋 潔 張 紅 李 芳

(山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,山西太原 030006)

基于FCM的煤礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析研究＊

宋 潔 張 紅 李 芳

(山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,山西太原 030006)

煤炭的開采活動(dòng)使得煤礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了一系列的改變,尤其是與人類生活息息相關(guān)的土地資源,植被資源,水資源等遭到了嚴(yán)重的破壞,給當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展及人民的生產(chǎn)生活帶來了巨大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。本文在模糊認(rèn)知圖理論的基礎(chǔ)上,建立了基于單個(gè)agent認(rèn)知的煤礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)模型,通過融合相同認(rèn)知單元,將各個(gè)agent的模糊認(rèn)知圖合成能清晰地表示各個(gè)認(rèn)知單元間的整個(gè)因果關(guān)系的群體認(rèn)知圖。分析群體認(rèn)知圖可知,由煤炭開采所引發(fā)的各種風(fēng)險(xiǎn)因子中,地面塌陷所造成的危害最大,當(dāng)?shù)刎?cái)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(dòng)的產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展、當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)設(shè)施建設(shè)、財(cái)政收入、治安問題、恢復(fù)治理費(fèi)用、生活水平提高等九個(gè)社會(huì)因素之間既互相促進(jìn)又互相制約,通過建立群體認(rèn)知圖我們可以清楚的認(rèn)識(shí)到影響煤炭生態(tài)系統(tǒng)各因子之間的關(guān)系。進(jìn)一步探索了多agent對(duì)礦區(qū)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)知方式、聯(lián)系程度及影響因素,從而為礦區(qū)環(huán)境規(guī)劃和管理決策行為提供有力的技術(shù)支持。

模糊認(rèn)知圖;煤礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng);agent;生態(tài)模型;因果關(guān)系

在煤炭開采區(qū),區(qū)域經(jīng)濟(jì)以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在很大程度上依賴于煤炭資源的開發(fā)利用,但由采礦引起的諸多環(huán)境問題也已成為影響區(qū)域環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要制約因素。采礦活動(dòng)不僅破壞地層結(jié)構(gòu),而且也為周邊地區(qū)帶來了一系列影響深遠(yuǎn)的環(huán)境問題[1],如土地過量被征用,植被的生態(tài)調(diào)節(jié)功能被削弱,區(qū)域水土流失呈加重趨勢(shì),塌陷區(qū)存在地質(zhì)災(zāi)害隱患、大氣、地表水、地下水、土壤的質(zhì)量下降,生態(tài)系統(tǒng)退化,生物多樣性喪失,景觀受到破壞,農(nóng)作物減產(chǎn)等等,以上由于煤礦開采造成的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)已威脅到人類正常的生產(chǎn)生活。而這些由礦產(chǎn)資源開發(fā)引起的生態(tài)環(huán)境問題需要花費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力去恢復(fù),而且難以恢復(fù)到原來的水平,如今,它已不單純是一個(gè)環(huán)境污染問題,而是關(guān)系到一個(gè)國(guó)家、民族經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類生存根本性問題。因此,如何協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞已成為中國(guó)當(dāng)前所面臨的緊迫任務(wù)之一,也是中國(guó)實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略應(yīng)先關(guān)注的問題之一。

在礦區(qū)生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和整治過程中,不同利益主體對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)不同,導(dǎo)致環(huán)境政策和管理措施在孕育、制定、修訂、執(zhí)行、傳導(dǎo)的過程中產(chǎn)生一系列矛盾[2]。產(chǎn)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(rèn)知、構(gòu)建協(xié)調(diào)有效的環(huán)境管理機(jī)制是不容回避的。

本文以工程技術(shù)人員這一利益群體為例,通過對(duì)多個(gè)agent進(jìn)行訪談,構(gòu)建模糊認(rèn)知圖(Fuzzy Cognitive Map,FCM),建立基于模糊認(rèn)知圖的煤礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的認(rèn)知系統(tǒng),將多個(gè)agent的模糊認(rèn)知圖構(gòu)成一幅清晰地表示各個(gè)認(rèn)知單元間的整個(gè)因果關(guān)系有正反兩方面意見的FCM,使每個(gè)agent的知識(shí)表示和推理技術(shù)認(rèn)知更加完整、透明、清晰。實(shí)現(xiàn)決策的科學(xué)化和民主化,有助于進(jìn)一步探索和諧有效的礦區(qū)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理機(jī)制。

1 研究方法

1.1 模糊認(rèn)知圖(FCM)

認(rèn)知圖(cognitive map,CM)是表達(dá)和推理系統(tǒng)中概念間因果關(guān)系的圖模型,節(jié)點(diǎn)和邊分別表示概念及概念間的因果關(guān)系[3]。Kosko于1986年在概念間因果關(guān)系中引入模糊測(cè)度,把概念間的三值{-1,0,1}邏輯關(guān)系擴(kuò)展為區(qū)間[-1,1]上的模糊關(guān)系,提出模糊認(rèn)知圖模型(fuzzy cognitive map,FCM),用于概念間模糊因果關(guān)系的表達(dá)與推理。模糊認(rèn)知圖是一種定性分析的知識(shí)網(wǎng)絡(luò),并基于模糊推理規(guī)則來表達(dá)專家知識(shí),其節(jié)點(diǎn)取值為[0,1],節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)接權(quán)值取值為[-1,1],越靠近臨界值則代表節(jié)點(diǎn)之間的影響越強(qiáng)烈。目前,模糊認(rèn)知圖在社會(huì)及行為科學(xué)方面、股票交易市場(chǎng)方面、軍事政策方面都有所研究[4],作為決策制定的一個(gè)分支,它將為大型煤礦開采區(qū)的生態(tài)整治和環(huán)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(qū),人們對(duì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)知中,通常會(huì)同時(shí)考慮“促進(jìn)”、“抑制”或“不確定”因素對(duì)煤礦區(qū)發(fā)展的影響,雖然經(jīng)典的二值邏輯為計(jì)算機(jī)技術(shù)奠定了基礎(chǔ),模糊邏輯對(duì)不確定性推理提供了一種方法,但他們不能結(jié)合正面、負(fù)面或不確定三方的影響直接對(duì)環(huán)境建立模型,基于NPN邏輯理論的模糊認(rèn)知圖可以實(shí)現(xiàn)此目的[5]。在FCM中.模型圖示化中主要由節(jié)點(diǎn)和連線組成。其中節(jié)點(diǎn)表征概念,可以表示系統(tǒng)的動(dòng)作、原因、結(jié)果、目的、感情、傾向及趨勢(shì)等,反映系統(tǒng)的屬性、性能與品質(zhì)[6];概念間的連線表示概念間的因果關(guān)系(用帶箭頭的連線表示,箭頭的方向表示因果聯(lián)系的方向)。

在FCM中,通過權(quán)值wij來描述認(rèn)知單元Ci對(duì)認(rèn)知單元Cj的因果關(guān)系或關(guān)聯(lián)作用,wij∈[1,1],其中wij＞0表示認(rèn)知單元Ci對(duì)Cj具有正向作用。wij＜0則相反,wij=0表示認(rèn)知單元Ci對(duì)Cj不關(guān)聯(lián)(互相之間沒有直接影響),可得整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)矩陣W=[wij]n×n[7]

圖1 模糊認(rèn)知圖表示

1.3 FCM的合成

認(rèn)知圖的合成的過程體現(xiàn)了知識(shí)的聚合。在分布式環(huán)境中,知識(shí)聚合(pooling)用來合成不同專家、不同組織、不同但相關(guān)領(lǐng)域的部分知識(shí)。以下方法常用于合成相同認(rèn)知單元間的因果關(guān)系:設(shè)有K個(gè)agent,m個(gè)agent提出Ci對(duì)Cj有負(fù)面作用,n個(gè)agent提出有正面作用,即m個(gè)agent提出μR(x,y)是負(fù)的,強(qiáng)度分別為μ1,μ2,…μm,而n個(gè)專家提出μR(x,y)是正的,強(qiáng)度分別為v1,v2…vn,則綜合各agent的意見后得到一個(gè)合成的因果關(guān)系值即NPN值[a,b][8],它可由以下計(jì)算得到

其中ci為各個(gè)agent的置信度。當(dāng)有不同agent在不同的但相關(guān)或重疊的領(lǐng)域有專長(zhǎng)時(shí),按式(1)融合相同的認(rèn)知單元(相同認(rèn)知單元間設(shè)雙向權(quán)值均為1),而后組成一個(gè)集成FCM。一個(gè)集成的FCM也可以看做是一個(gè)大環(huán)境中的一個(gè)部分FCM,以作進(jìn)一步的合成。

2 結(jié)果與分析

2.1 影響因子識(shí)別

山西省是一個(gè)煤炭資源大省,山西煤炭資源豐富,是我國(guó)的能源重化工基地,長(zhǎng)期以來,山西省形成了以挖煤、發(fā)電、冶金、化工、建材等工業(yè)為主體的超重型產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),發(fā)展模式以煤炭的大量消耗和粗放的外延發(fā)展為特征。近20年來,山西在為支援國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)輸送了大量能源和原材料[8-9],然而,在長(zhǎng)期大規(guī)模、高強(qiáng)度開采煤炭資源的過程中,由于缺乏保護(hù)資源環(huán)境的意識(shí),加之相關(guān)法律制度不健全,土地塌陷、地表擾動(dòng)、崩塌、泥石流等礦山地質(zhì)環(huán)境問題和地質(zhì)災(zāi)害日益凸顯[10]。這種高投入、高消耗、重污染導(dǎo)致的環(huán)境狀況惡化,使得山西省經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展正面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

本研究先識(shí)別出煤炭開采中的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因子以及因子之間的關(guān)系,確保各因子彼此獨(dú)立,之后選取了山西省3個(gè)典型煤礦區(qū)的工程技術(shù)人員作為agent進(jìn)行訪談,這些工程技術(shù)人員均工作在一線,對(duì)煤炭區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)有深刻的認(rèn)識(shí)。訪談過程中,首先清晰地表達(dá)本次訪談的內(nèi)容和意義,并解釋如何作出一幅因子間互不相關(guān)的認(rèn)知圖,訪談?wù)吡谐鲎约赫J(rèn)為的所有影響因子后,對(duì)因子的相關(guān)性、包含性進(jìn)行識(shí)別,篩選出所有不相關(guān)的因子[11],構(gòu)建這個(gè)訪談?wù)邆€(gè)體的FCM。

由于不同的訪談?wù)哌x取的風(fēng)險(xiǎn)因子不同,在FCM的構(gòu)建過程中可以不斷的加入新的影響因子。當(dāng)增加訪談對(duì)象時(shí),因子數(shù)量也不再增加的時(shí)候,訪談結(jié)束。本次研究中,當(dāng)訪談到第十五個(gè)agent時(shí),基本已經(jīng)沒有新增的影響因子(見圖2)。

圖2 認(rèn)知圖數(shù)

2.2 個(gè)體認(rèn)知圖的建立

不同的agent對(duì)煤礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知可構(gòu)建一個(gè)FCM,圖3為某一agent提供的FCM。

它的關(guān)聯(lián)矩陣為

煤炭開采對(duì)自然和社會(huì)造成的因子之間的相關(guān)性用認(rèn)知單元間的權(quán)值代表,正向權(quán)值越大表示正相關(guān)性越大,反之亦然。各因子間的相關(guān)性均來自工程技術(shù)人員日常工作積累的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),它具有動(dòng)態(tài)可調(diào)節(jié)性。

在FCM中,節(jié)點(diǎn)集C={1,2,…,n}為有限集,對(duì)于C中兩個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)i、j,若存在wij≠O,則稱ci對(duì)cj有直接的關(guān)聯(lián)作用,記作ci→cj;若存在互不相同的節(jié)點(diǎn)k1,k2,…,k(m-1)使得ci→ck1,ck2,→ck2,…,ck(m-1)→cj成立,則稱ci通過節(jié)點(diǎn)ck1,ck2,…,ck(m-1)對(duì)cj間接關(guān)聯(lián)(關(guān)系)作用,記為i→＜e1,e2,…,em＞ →j,si對(duì)sj的間接關(guān)聯(lián)的權(quán)值可由下式得到:

每個(gè)工程技術(shù)人員由于工作對(duì)象和側(cè)重點(diǎn)不同,對(duì)煤炭開采所造成的自然和社會(huì)方面影響的認(rèn)知程度是不同的,于是給出另外兩個(gè)agent的個(gè)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(rèn)知圖的融合

綜合若干個(gè)agent的信息后開始工作。通過連接相同認(rèn)知單元得到一個(gè)集成FCM,群體認(rèn)知圖只能及時(shí)的反映某一點(diǎn)情況,但他并不是靜態(tài)的,而能逐漸變成為一個(gè)集體形式。群體認(rèn)知圖隨著時(shí)間在動(dòng)態(tài)的改變,損耗的部分離開集體,其他的部分再重新結(jié)合[11]。從多agent集成的群體認(rèn)知圖(見圖4)可知,由煤炭開采所引發(fā)的各種環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)中,地面塌陷對(duì)煤礦生態(tài)系統(tǒng)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(gè)因子有直接關(guān)聯(lián),且恢復(fù)治理費(fèi)用因子得到最大關(guān)聯(lián)權(quán)值0.8,。當(dāng)?shù)氐呢?cái)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(gè)因子都對(duì)財(cái)政收入有負(fù)面影響,其中恢復(fù)治理費(fèi)用因子的負(fù)向最大關(guān)聯(lián)權(quán)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(tài)環(huán)境這七個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子都直接或間接的影響到了地方財(cái)政收入;而由煤炭開采所帶動(dòng)的產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展、當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)設(shè)施建設(shè)、財(cái)政收入、治安問題、恢復(fù)治理費(fèi)用、生活水平提高、物價(jià)上漲、居民房屋安全隱患、增加就業(yè)這九個(gè)社會(huì)因素之間既互相促進(jìn)又互相制約,如增加就業(yè)后人們的生活水平提高了,但造成了物價(jià)上漲,煙氣污染等自然因素又影響了人們生活水平的提高?？傊?群體認(rèn)知圖的建立可以讓我們看清楚影響煤炭生態(tài)系統(tǒng)中各因子間的關(guān)系,又對(duì)進(jìn)一步采取有效合理的措施治理生態(tài)系統(tǒng)提供了有力的決策依據(jù)。

3 結(jié)束語

模糊認(rèn)知圖通過概念間的關(guān)系來模擬模糊推理,通過整個(gè)圖中各概念節(jié)點(diǎn)的相互作用來模擬系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。本文將單個(gè)agent的FCM集成一個(gè)群體認(rèn)知圖,綜合了煤炭開采對(duì)自然以及社會(huì)所造成的影響因子。由于FCM可以描述認(rèn)知單元間正反兩方面的信息,使得認(rèn)知更加完整、清晰,從而減少由于信息缺乏而帶來的認(rèn)知偏差。本文研究結(jié)果也表明模糊認(rèn)知圖模型在煤礦區(qū)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知與管理的實(shí)踐中是可行的。

(編輯:李 琪)

[1]Failing L,Gregory R,Harstone M.Integrating Science and Local Knowledge in Environmental Risk Management:A Decision-focused Approach[J].Ecological Economics,2007,64:47-60.

[2]Smyth Clint,Dearden Philip.Attitudes of Environmental Management Personnel Involved in Surface CoalMine Reclamation in Alberta and British Columbia,Canada[J].Applied Geography,1998,18(3):275-295.

[3]Kosko B.Fuzzy Cognitive Maps[J]Int J Man-machine Studies,1986,24:65-75.

[4]于江濤,錢積新.基于模糊認(rèn)知圖的Agent推理模型[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2004,38(6):697-701.

[5]Wen RaZhang,Su Shingchen.A Cognitive Map:Based Approach to the Coordination ofDistributed CooperativeAgents[J].IEEE Tram on S MC,1992,22(1):103-113.

[6]汪成亮,李云峰.模糊認(rèn)知圖在物流中心選址中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2006,13:194-196.

[7]劉海龍,吳鐵軍.基于模糊認(rèn)知圖的多Agent協(xié)調(diào)模型[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐,2002,2:49-54.

[8]楊亞萍,胡俊杰.模糊認(rèn)知圖在協(xié)同式醫(yī)療診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2006,7:218-220.

[9]寇薇.山西煤炭工業(yè)的持續(xù)發(fā)展研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,35(7):1980-1981.

[10]李訓(xùn)安,張國(guó)林.煤礦生態(tài)環(huán)境影響因素及對(duì)策[J].煤炭技術(shù),2006,25(9):2-3.

[11]?zesmiU,Stacy L.?zes mi.EcologicalModels Based on People’s Knowledge:aMulti-step FuzzyCognitiveMappingApproach[J].EcologicalModelling,2004,176:43-64.

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?yàn)榄h(huán)境規(guī)劃與管理。

張紅,博士,副教授,主要研究方向?yàn)榄h(huán)境科學(xué)。

＊教育部人文社會(huì)科學(xué)研究項(xiàng)目(項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào):08JC630054)。