应用多目标规划模型分析规划的产业结构

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1、应用多目标规划模型分析规划的产业结构刘花台 蔡群飞（厦门大学 海洋与环境学院 厦门 361005）摘要：产业结构是区域发展规划的重要内容，其合理性是规划环评中必须回答的问题，而规划的社会、经济、环境、资源、可持续发展等多目标性使得产业结构的分析变得更加复杂。本文应用多目标规划模型对福建省永定县南部工业园区规划的产业结构进行分析，突出经济和环境两大主要目标，提出满足经济优先和环境优先的资源分配方案，使得产业结构的定位更趋合理，为地方决策提供了依据，有利于促进地区经济与环境的协调发展。关键词：多目标规划模型；工业园区规划；产业结构；永定Analyzing industrial structure

2、of planning using multiple-objective programming modelAbstract: Industrial structure is an important component of the regional development planning, its rationality must be answered in PEIA(Planning Environmental Impact Assessment). The multiple-objective of planning, such as those objectives from s

3、ociety, economy, environment, resource, sustainable development etc., makes the analyzing of industrial structure more complicated. This paper applied a multiple-objective planning model to analyze the industrial structure in southern industry zone of Yongding, Fujian, focusing on the economic and e

4、nvironmental target. Based on modeling analyses, we proposed the distribution scheme with the priority of economy and environment, making the planning of industrial structure more rational. The study result will provide a scientific proof for local government, and will be beneficial to harmonious de

5、velopment between economy and environment.Key word: multiple-objective programming model; planning of industrial zone; industrial structure; Yongding 1 前言规划的产业结构是否合理是规划环评中必须回答的问题，而规划的多目标性使得产业结构的分析更加复杂。郭怀成（1999）提出不确定性多目标混合整数规划模型（IMOMIP），并运用于厦门海沧投资区环境经济系统研究，得到了关于优化行业动态结构、大气污染排放份额分配、水污染物排放分配、水资源利用分配、污水

6、处理厂扩展、森林扩展等方面的实践结果1。王吉华、郭怀成等（2004）运用模糊理论和多目标方法建立起IMOPREES规划环境模型，在综合了规划方案的经济、社会和环境多元目标的基础上，用区间参数反映规划决策系统的不确定性，克服了传统环境影响评价方法忽视系统模糊性和目标多元性的缺陷，能更好地满足规划环境影响评价的要求，成功应用于沈阳市浑南新区规划环境影响评价，对新区规划中的产业结构调整、污染物排放、资源利用、污水处理厂扩展等方面进行分析、优化，并为该规划的进一步完善提出了合理化建议2。本文应用多目标规划模型对福建省永定县南部工业园区规划的产业结构进行分析，以经济和环境为主要目标和约束指标，提出满足经

7、济优先和环境优先两个方案的资源分配方案，通过对比，分析规划产业结构定位的合理性。2 多目标规划模型简介3-7一个规划问题,常常有若干个目标，任何多目标规划的问题，都由两个以上的目标函数和若干个约束条件组成，多目标规划方法是解决复杂规划问题的有效方法。决策者对各个目标的考虑，往往是有主次或轻重缓急的。求解就意味着需要做出复合选择：每一个目标函数取什么值，原问题可以得到最满意的解决？每一个决策变量取什么值，原问题可以得到最满意的解决？凡要求第一位达到的目标赋予优先因子p1，次位的目标赋予优先因子p2，并规定pl pl+1(l=1,2,L)表示pl+1比pl有更大的优先权。这就是说，首先保证p1级目

8、标的实现，这时可以不考虑次级目标；而p2级目标是在实现p1级目标的基础上考虑的；依此类推。若要区别具有相同优先因子pl的目标的差别，就可以分别赋予它们不同的权系数lk(k=1,2,K)。这些优先因子和权系数都由决策者按照具体情况而定。当目标函数处于冲突状态时，就不会存在使所有目标函数同时达到最大或最小值的最优解，这时只能寻求非劣解，即有效解。（1）约束法基本思路：在多个目标函数中选择一个主要目标作为目标函数，其它目标处理为适当的约束。(VP) (1) s.t (2) 无妨设f1（x）为主要目标，对其它各目标f2（x），fp（x）可预先给定一个期望值，不妨记为f20，f30，fp0，则有： (3

9、) 求解下列问题： minf1(x)（P） s.t gi(x)0,i=1,2,，m (4) fj（x）-fj00，j=2，3，p（2）分层序列法基本步骤：把（VP）中的p个目标f2（x），fp（x）按其重要程度排序。依次求单目标规划的最优解。过程：设其次序为f1，f2，fp先求解 (P1)minf1(x) (5) s t xS 得到最优值f1*，记 (6) 再解 (P2)minf2(x) (7)s t xS1得到最优值f2*，记 (8) 依次进行，直到 (Pp)minfp(x) (9)s t xSP-1得到最优值fp*，则是在分层序列意义下的最优解集合。从最优解集合中选择出非劣解。多目标规划模

10、型（Multi-goals Linear Goal Programming）LINGO8,9模型是一种专门用于求解数学规划问题的软件包。本文应用该模型对永定县南部园区规划的产业结构进行分析，试图寻求适合永定县南部工业园区产业发展的方向。3 多目标规划模型在规划产业结构分析中的应用3.1规划区概况永定县地处福建省西南部，地理位置在东经11625至11705，北纬2423至2505，东与福建省南靖县、平和县接壤，南和广东省大埔县、梅州市相连，西与福建省上杭县交界，北和福建省龙岩市新罗区毗邻，东西宽68km，南北长79.5km，总面积约为2223km2。农业以畜牧、渔业、蔬菜、水果、林竹、烟草为六大

11、主导产业，工业以采掘业、食品加工业、纺织服装制造业、非金属矿产品制造、机械制造等行业为主。永定南部工业园区位于永定县城西侧，规划区面积15.38km2。规划范围包括西环路至新城区及古二片区，东至老城中心区及书院次中心区，南至梅坎铁路及古镇组团，西至保留山体，北至永杭线。规划目标为：具独立自主知识产权和高科技创新能力的以轻工产业、高新科技产业为主的综合性生态新城，是永定县城城区的组成部分。规划期限为：近期20092015年，远期2016年2025年。功能定位为：建设为生态型轻工产业园，以发展高科技型、环保型、劳动密集型轻工业为主，同时辅助发展机械装备业，重点发展高科技电子信息、生物医药、光电光伏

12、、新型环保材料及农林产品加工产业等。3.2环境、经济多目标规划模型的建立（1）多目标规划模型决策变量的选择为实现区域环境、经济社会协调发展的总体目标，考虑各个子系统和约束条件，建立多目标线性目标规划模型。本文选取的决策变量为经济增加值，变量符号用Xij表示，即第i产业中的第j个行业的总经济增加值，单位为万元。决策变量与自然系统之间的定量关系可以用单位经济增加值的资源消耗量或污染物排放量来建立，包括水资源消耗量、能源消耗量和污染物排放量，单位均为吨/万元。（2）环境、经济多目标规划的目标函数MIN a=g1（n1），g2（p2+p3），g3（p4+p5） (10)（3）环境、经济多目标规划的约束

13、条件经济约束条件 X2j第二行业各行业经济增加值，万元。y1第二行业经济增加值。COD排放约束 (3-29（)A2j第二行业各行业单位经济增加值COD排放量，吨/万元。X2j第二行业各行业经济增加值，万元。y2第二行业COD排放总量。SO2排放约束 （3-30）B2j第二行业各行业单位经济增加值SO2排放量，吨/万元。X2j第二行业各行业经济增加值，万元。y3第二行业SO2排放总量。新鲜水资源消耗约束 （3-31）C2j第二行业各行业单位经济增加值新鲜水资源消耗量，吨/万元。X2j第二行业各行业经济增加值，万元。Y4第二行业新鲜水资源消耗总量。能源消耗约束 （3-32）D2j第二行业各行业单位

14、经济增加值能源消耗量，吨标准煤/万元。X2j第二行业各行业经济增加值，万元。Y5第二行业能源消耗总量根据永定县实际情况，永定县未来经济的增长主要靠工业经济和旅游产业来实现，第一产业相对稳定，第三产业增长对资源和环境约束的响应不灵敏。本文模型着重研究在既定经济增长目标和环境资源约束目标下，工业经济增长流的最佳分配，决策变量Xij表示第i产业中的第j个行业的产值，如表1所示。表1 数学模型决策变量决策变量行业经济增加值（万元）决策变量行业经济增加值（万元）X21采矿业X212塑料制品制造业X22农副食品制造业X213非金属矿制品业X23饮料制造X214黑色金属冶炼业X24服装、鞋帽制造业X215有

15、色金属冶炼业X25烟草X216通用设备制造业X26皮革及其制品业X217专用设备制造业X27木材加工及竹、木制品业X218交通运输设备制造业X28家具制造业X219电器机械器材制造业X29造纸及纸制品业X220通信设备及电子设备制造业X210化学原料及化学药品业X221电力燃气、水供应X211医药制造业3.3环境、经济多目标规划模型的求解方法用LINGO求解多目标规划，可以按多目标的优先级展开，将多目标转化为线性规划。对于目标规划，其目标函数的形式如下：Fi(X) +ni pi = Bi式中：Fi(X) 为约束函数，ni为负偏差，pi为正偏差，Bi为目标。获得目标的步骤如表2：表2 获得目标的

16、步骤种类目标步骤（1）等于或大于Bi极小化Ni（2）等于或小于Bi极小化Pi（3）等于Bi极小化Ni+Pi根据实际需要，在确定了目标函数的优先等级之后，可以获得如下的达到函数：Min = g1(n, p), g2(n, p), gk(n, p) 式中：为达到函数，gk(n, p)为优先等级，是决策变量的线性函数。设计不同的方案，根据Pk(n, p)的不同，可以得到不同的达到函数。3.4设计方案由于永定县权威发布的2007年永定县污染源普查数据比较完整和全面，能够满足本文需要，因此以2007年为基准年，假定永定县按照2007年的工业技术水平发展下去，计算至2015年永定县产业结构调整的方向及其环

17、境、经济目标的达到情况。永定县工业经济在2003至2007年间发展迅速，工业总产值平均年增长率25%以上，规模以上工业总产值平均年增长率近30%，部分行业的个别年份年增长率甚至达到100%以上。2007年永定县主要工业经济技术指标见表3。考虑全球经济危机影响，预计2007至2015年规划期间，永定县各行业增加值年增长率不大于40%。表3 主要经济技术指标行业经济增加值（万元）增加值率万元增加值水耗 （吨/万元）万元增加值能耗（吨标准煤/万元）万元增加值COD排放（万元/吨）万元增加值SO2排放（吨/万元）X21109571.9869.841.370.070.00450.0080X221101.

18、3927.8222.700.10.12020.0066X231673.3030.8583.671.210.15370.0239X242359.7635.8315.260.040.00240.0015X258260.0394.5343.580.830.00050.0128X26530.8719.5137.670.120.01600.0025X271238.7020.36129.174.890.01200.0670X281200.2133.1021.660.070.00030.0010X29849.4125.961189.060.360.23310.0824X2101514.7322.85627.

19、1822.980.02300.0821X211581.7034.4227.330.390.00340.0007X212657.9436.3522.800.270.00100.0010X21337896.0928.15116.1114.390.00570.0382X2141257.9614.0149.299.670.00710.0270X215669.9623.9140.301.050.00380.0400X216201.2534.529.940.040.00110.0030X217265.0622.85113.180.540.00190.0040X2182708.2416.7073.852.8

20、10.00260.0020X219721.0829.4827.740.130.00110.0018X220922.2121.9019.520.690.00080.0003X22165722.0959.89155.201.820.00200.0358数据来源：永定统计年鉴2008、2007年永定县污染源普查数据。依据2008年永定县社会经济统计年鉴和2007永定县污染源普查数据，多目标规划模型基础年2007年永定县的GDP为765110万元，三大产业比重为18.7：51.9：29.5。其中规模以上工业增加值为241559.2万元，占全部工业增加值的68.1%；规模以上工业耗水总量1786.69万

21、吨，耗能总量为77.5万吨标准煤，COD排放1519吨，SO2排放5187吨。根据永定县国民经济和社会发展“十一五”规划纲要中的规划指标，“十一五”期间工业增加值平均年递增率要达到22%。考虑到2008年金融危机的影响，本文将2007-2015年期间经济增加值年平均增长率定为20%，即至2015年实现规模以上工业增加值1031314万元的目标，为2007年规模以上工业增加值的4.2倍；根据福建省龙岩市“十一五”环境保护规划和永定县生态建设和环境保护“十一五”规划中的规划指标，本文将2015年环境目标值为：单位GDP能耗减少40%，规模以上工业耗能总量为1921443吨标准煤；单位GDP新鲜水耗

22、减少30%，规模以上工业耗新鲜水量为5378万吨；单位GDP的COD排放减少50%，规模以上工业COD排放总量为3266吨；单位GDP的SO2排放减少50%，规模以上工业SO2排放总量为11152吨。3.5模型计算结果根据设计方案进行计算，计算结果见表4、表5。表4 决策变量求解结果决策 变量行业行业经济增加总值初始值（万元）经济优先环境优先调整值（万元）增长率调整值（万元）增长率x1采矿业109572.0 66587025.3%43240018.7%x2农副食品加工业1101.4 11010.0%11010.0%x3饮料制造1673.3 16730.0%16730.0%x4服装2359.8

23、3482540.0%3482540.0%x5烟草加工业8260.0 11128738.4%11128638.4%x6皮革、羽毛加工业530.9 5310.0%5310.0%x7木材加工业1238.7 12390.0%12390.0%x8家具制造1200.2 1771240.0%12000.0%x9造纸业849.4 8490.0%8490.0%x10化学原料1514.7 15150.0%15150.0%x11医药581.7 858540.0%858540.0%x12塑料657.9 971040.0%971040.0%x13非金属矿制品业37896.1 378960.0%378960.0%x14黑

24、色金属冶炼1258.0 12580.0%12580.0%x15有色金属冶炼670.0 6700.0%6700.0%x16通用设备制造业201.3 297040.0%297040.0%x17专用设备制造265.1 391140.0%391140.0%x18交通运输设备制造2708.2 3996840.0%3996840.0%x19电器机械器材制造721.1 1046239.7%1046239.7%x20通信设备及电子922.2 1360940.0%1360940.0%x21电力燃气、水供应65722.1 657720.0%657220.0%表5 选择目标的值及求解结果目标及意义目标值经济目标优先

25、环境目标优先结果与目标比结果与目标比第二产业规模以上经济增加值10313141031413178138075.8%规模以上耗水总量5378281152.3%274351%规模以上耗能总量192144399414651.7%97655650.8%规模以上COD排放总量32664308132%32661规模以上SO2排放总量11152111521926983.2%单位：经济增加值，万元；耗水总量，万吨；耗能总量，万吨标准煤；污染物排放总量，吨。计算结果认为：按照当前的技术条件发展下去，以经济目标优先的情况下，经过模型产业优化调整，到2015年，规模以上工业要实现预期的经济增加值目标，能量消耗预计达

26、到99.4万吨标准煤，比2007年增加28%，单位GDP能耗指标为规划指标的51.7%；新鲜水消耗预计达到5378万吨，比2007年增加仅57.3%；单位新鲜水耗指标为规划指标的52.3%；COD排放预计达到4308吨，比07年增加183.6%，单位COD排放指标为规划指标的132%；SO2排放预计达到11152吨，比07年增加115%，单位SO2排放指标为规划指标的100%。工业经济增长主要流向服装行业、烟草加工业、家具制造、医药、塑料、通用设备制造业、专用设备制造业、交通运输设备制造业、电器机械制造业、通信设备及电子设备制造业、采矿业。按照当前的技术条件发展下去，经过模型产业优化调整，到2

27、015年，规模以上工业要实现预期的环境目标值，规模以上工业经济增加值预计达到731380万元，为规划经济增加值的75.8%。工业经济增长主要流向服装行业、烟草加工业、医药、塑料、通用设备制造业、专用设备制造业、交通运输设备制造业、电器机械制造业、通信设备及电子设备制造业、采矿业。3.6 模型结果分析2007年，永定规模以上工业中采掘业年工业增加值为109572万元，占规模以上工业经济增加总值的43.9%；非金属矿制品业增加值为37896万元，占规模以上工业经济增加总值的15.7%；电力、燃气和水供应行业增加值为65755.1万元，占规模以上工业经济增加总值的27.2%，各个指标所占比重如表6所

28、示。表6 2007年永定县三大行业指标比重一览表经济增加值比重耗水比重耗能比重COD排放比重SO2排放比重采掘业43.9%0.83%1%32.3%17%非金属矿制品业15.7%24.6%73.2%14.3%28%电力燃气和供水27.2%57.1%16.1%8.7%45.4%从表6可以看出，永定县的工业产业结构很不协调，工业增加值主要依靠采掘业、非金属矿制品业、电力燃气和供水行业，三行业经济增加值比重占86.8%，其它行业处于起步阶段，经济增加值所占比例太低。三行业都依靠消耗大量不可再生矿藏资源来获取经济的增长，属于资源高耗、高耗能、高排污型行业，产品附加值和科技含量低，属于粗放型发展方式，不利

29、于区域经济环境的可持续发展。从模型运算结果来看，区域经济发展的环境限制因子主要是COD，除了造纸厂、食品加工厂等个别行业外，其他行业的COD排放系数差别不是很大，由于造纸厂、食品加工等行业的经济增加值比重很小，因此，模型调整产业资源流向减小COD排放的效果没有其它限制因子显著。能源消耗主要集中在非金属矿制品业，该行业单位产值能耗系数大，年消耗能源占规模以上工业能源消耗的70%以上，因此，规划期间通过限制该行业的发展，能源资源流向其他低耗能行业，与基础年相比，能耗指标降低比较明显。基础年水资源消耗和SO2排放主要集中在在电力燃气和供水行业，模型计算结果使得该行业被限制发展，现实中，电力燃气和供水

30、与工业经济、产业结构和城市规模的发展壮大紧密相关，工业经济的高速发展和城市人口增加，必然对电力、燃气和供水有更多的需求，此为模型计算结果较为欠缺的地方，需要根据相关能源规划对模型进行进一步优化。 模型计算结果表明规划期资源流向行业主要为：烟草加工业、医药、塑料、通用设备制造业、专用设备制造业、交通运输设备制造业、电器机械制造业、通信设备及电子设备制造业、采矿业，这些行业的单位产值污染物排放系数较低，经济附加值和科技含量相对较高，具有较好的经济效益和环境效益。3.7优化结论永定南部工业园区作为永定县新的经济增长点和支柱产业集中分布区，其产业的发展方向应与永定县合理的产业结构相一致。从多目标规划模

31、型对产业结构的分析可知：永定县应优先大力发展通讯设备及电子行业、生物医药、塑料、通用设备制造业、专用设备制造业、交通运输设备制造业、电器机械制造业、服装行业；适当、合理发展采矿业、烟草加工业和家具制造业；限制发展非金属矿制品业、造纸业、金属冶炼业、木材加工业等。综合永定县整体产业的发展，通过优化，制造业将不再作为永定南部工业园区发展的方向，而是重点突出高科技电子信息、生物医药类，同时考虑地方资源优势，加强发展环保型和劳动力密集型轻工业，力推地方特色农林产品加工产业。参考文献1郭怀成,邹锐,刘磊.不确定性条件下经济开发区环境规划方法与应用研究-厦门海沧投资区环境经济系统规划研究J.北京大学学报,

32、 1999 ,35(6):802-808.2王吉华,刘永,郭怀成.基于不确定性多目标的规划环境影响评价研究J.环境科学学报,2004,24(5):922-929.3刘绮.多目标规划在预测区域总产值-排污-水质协调解中的应用研究J.重庆环境科学,2000,22(5):21-27.4王有乐.区域水污染控制多目标组合规划模型研究J.环境科学学报,2002,22(1):107-110.5奇新安.区域经济规划的多目标最优化问题探讨J.安徽农业大学学报,2001,10(3):8-10.6江道琪,何建坤,陈松华.多目标线性规划M.实用线性规划方法及其支持系统,2006:234-235.7江道琪,何建坤,陈松华.目标规划模型的应用及求解思路M.实用线性规划方法及其支持系统,2006:266-270.8罗罡辉,叶艳妹.多目标规划的LINGO求解方法J.计算机应用与软件,2004,21(2):108-110.9袁新生,廖大庆.用LINGO6.0求解大型数学规划J.工程数学,2001,17(5):73-74.第一作者：刘花台，女， 1967年生，汉族，河北石家庄市人，厦门大学环境科学副教授，研究方向为规划和建设项目的环境影响评价。通讯地址：福建省厦门市思明南路厦门大学映雪楼308，邮编361005。联系电话,。