中國(guó)礦業(yè)城市可持續(xù)力聚類分析

蘇順華，余 敬，柯小玲

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074)

礦業(yè)城市是指因礦產(chǎn)資源開發(fā)而形成或發(fā)展起來，在當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)中以礦業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)，礦業(yè)及相關(guān)的社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展到一定規(guī)模后形成的特定區(qū)域。作為礦業(yè)大國(guó)，目前我國(guó)擁有礦業(yè)城市(鎮(zhèn))400余座，資源枯竭城市已達(dá)40多座，占總量的10 %左右；眾多礦山已經(jīng)或即將進(jìn)入資源枯竭期，我國(guó)一些礦業(yè)城市已出現(xiàn)“礦竭城衰”的現(xiàn)象。正是由于礦產(chǎn)資源的不可再生性和可耗竭性，因此，探求和分析我國(guó)礦業(yè)城市的可持續(xù)發(fā)展能力有著十分重要的意義。本文首先運(yùn)用加速遺傳模糊聚類算法，對(duì)中國(guó)78座主要礦業(yè)城市進(jìn)行模糊聚類，然后在此基礎(chǔ)上，根據(jù)礦業(yè)城市所處的發(fā)展階段、空間分布、資源類型和城市規(guī)模等屬性探索其分類規(guī)律，分析中國(guó)主要礦業(yè)城市可持續(xù)力的特點(diǎn)和所處的水平，并找出各類樣本與指標(biāo)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，提煉出指標(biāo)要素和城市屬性與可持續(xù)力之間的規(guī)則。

1 模糊聚類方法的選擇

(1)隨機(jī)產(chǎn)生編碼長(zhǎng)度為e、規(guī)模為n的二進(jìn)制初始群體。

(2)計(jì)算每個(gè)個(gè)體對(duì)應(yīng)的整數(shù)，作為初始分類數(shù)。

(3)對(duì)每一個(gè)個(gè)體的初始分類數(shù)，執(zhí)行模糊C-均值聚類算法。

(5)對(duì)群體實(shí)行遺傳操作，操作選擇適應(yīng)度比例方式，交叉概率取pc=1.0，變異概率取pm=1.0，得到n個(gè)子代個(gè)體，返回步驟2，如此進(jìn)化兩代。

(6)加速遺傳操作。取上面每代進(jìn)化適應(yīng)度值排在前10位的個(gè)體為優(yōu)秀個(gè)體，并用這些優(yōu)秀個(gè)體的變量變化空間，重新設(shè)置比那兩初始變化區(qū)間，并返回步1。如此加速循環(huán)，直到最優(yōu)個(gè)體的適應(yīng)度值達(dá)到某一設(shè)定值或運(yùn)行達(dá)到設(shè)定的加速次數(shù)，運(yùn)行結(jié)束。此時(shí)，群體中的最佳個(gè)體對(duì)應(yīng)的分類數(shù)即為最佳分類數(shù)，最佳分類數(shù)對(duì)應(yīng)的分類結(jié)果為最佳分類結(jié)果。

2 模糊聚類分析

2.1 樣本和指標(biāo)的選取

本文所采用的指標(biāo)體系，是在文獻(xiàn)[3]的指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，通過結(jié)構(gòu)方程建模，進(jìn)行了指標(biāo)的合理合并和剔除而得到的，具體指標(biāo)見表1。選取文獻(xiàn)[3]中中國(guó)78個(gè)主要礦業(yè)城市為模糊聚類的樣本，數(shù)據(jù)也來源于此。并對(duì)數(shù)據(jù)用如下公式進(jìn)行歸一化處理：

正向指標(biāo)：X′=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

逆向指標(biāo)：X′=(Xmax-X)/(Xmax-Xmin)

2.2 分類結(jié)果

當(dāng)參數(shù)e=10，n=300，ε=10-4，h=2，α=2時(shí)，根據(jù)上面加速遺傳迭代自組織模糊C-均值算法，對(duì)78個(gè)主要礦業(yè)城市進(jìn)行聚類，經(jīng)過三次加速遺傳迭代得到最佳聚類數(shù)c=4。根據(jù)最佳軟分類矩陣，由最大隸屬度原則得到最佳分類結(jié)果(表2)。圖1是各類別對(duì)應(yīng)的類中距與類間距曲線圖，其中A線為類中距，B線為類間距。圖2是各類別對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度值曲線圖，可以看出分4類時(shí)適應(yīng)度值最大。

圖1 類中距與類間距曲線圖

圖2 適應(yīng)度函數(shù)值曲線圖

從分類結(jié)果來看，加速遺傳模糊聚類算法，對(duì)中國(guó)主要礦業(yè)城市可持續(xù)力給出了正確的識(shí)別。

首先，從礦業(yè)城市所處的發(fā)展階段、空間分布、資源類型和城市規(guī)模等因素來看：第一類，有4個(gè)城市，都是石油類中年城市，是可持續(xù)力最強(qiáng)的一類城市。第二類，有7個(gè)城市，主要都是中部的大、中型煤炭城市，是可持續(xù)力較強(qiáng)的一類城市。第三類，有32個(gè)城市，都是中年城市，主要是

煤炭、冶金類城市，各占8個(gè)；其次是綜合、有色類城市，各占5個(gè)；從地區(qū)分布和規(guī)模來看，東部大中型城市占9個(gè)，中部中小型城市占8個(gè)，西部中小型城市占9個(gè)。這一類的可持續(xù)力為一般。第四類，有35個(gè)城市，東中部城市占34個(gè)，主要是大中型煤炭、有色和石油類城市，分別為17個(gè)、4個(gè)和4個(gè)，且老幼年城市較多。因此，這一類的可持續(xù)力是最低的，所識(shí)別的結(jié)果完全符合實(shí)際情況。另外，從各類樣本數(shù)可以看出，中國(guó)絕大多數(shù)礦業(yè)城市的可持續(xù)力，還處于中、低水平，占據(jù)了78個(gè)城市中的67個(gè)，為85.9%；可持續(xù)力處于強(qiáng)、較強(qiáng)水平的只有11個(gè)，為14.1%；而且可持續(xù)力最強(qiáng)的，全為中年石油類城市。

再者，從各類別礦業(yè)城市與指標(biāo)數(shù)據(jù)來看：第一類，人均GDP、人均固定資產(chǎn)凈值、每百元固定資產(chǎn)投資實(shí)現(xiàn)的利稅、每百元工業(yè)總產(chǎn)值實(shí)現(xiàn)的利稅及人均儲(chǔ)蓄年末余額5個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)值排名非常高，均在前5位。即：可認(rèn)為，這5項(xiàng)指標(biāo)高的石油類城市的可持續(xù)力強(qiáng)。第二類，人均45種礦產(chǎn)工業(yè)儲(chǔ)量潛在價(jià)值和主要礦產(chǎn)資源聚集度兩指標(biāo)數(shù)據(jù)值排名最高，均排在第1位。即：可認(rèn)為，這2項(xiàng)指標(biāo)高的以煤炭為主的城市可持續(xù)力較強(qiáng)。第三類，人均儲(chǔ)蓄年末余額、人均45種礦產(chǎn)工業(yè)儲(chǔ)量潛在價(jià)值、主要礦產(chǎn)資源聚集度及每十萬人擁有醫(yī)生數(shù)4指標(biāo)數(shù)據(jù)值排名較為居中，一般化，這些指標(biāo)排在9～45位之間的城市有20多個(gè)，即：可認(rèn)為，這4項(xiàng)指標(biāo)一般化的城市可持續(xù)力一般。第四類，人均儲(chǔ)蓄年末余額、人均45種礦產(chǎn)工業(yè)儲(chǔ)量潛在價(jià)值、主要礦產(chǎn)資源聚集度及每十萬人擁有醫(yī)生數(shù)4指標(biāo)數(shù)據(jù)值排名很靠后。這些指標(biāo)排在40～78位之間的城市平均有25個(gè)左右，即：可認(rèn)為，這4項(xiàng)指標(biāo)較差的城市可持續(xù)力也低。

由以上分析可以得出如下規(guī)則：

①當(dāng)石油類礦業(yè)城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與效益和社會(huì)發(fā)展與生活質(zhì)量要素都處于很高水平時(shí)，則其有很強(qiáng)的可持續(xù)力；②當(dāng)大中型煤炭礦業(yè)城市的資源稟賦和開發(fā)條件要素處于較高水平時(shí)，則其可持續(xù)力較強(qiáng)；③當(dāng)中年煤炭、冶金類礦業(yè)城市的社會(huì)發(fā)展與生活質(zhì)量、資源稟賦和開發(fā)條件及社會(huì)協(xié)調(diào)度等要素都處于一般水平時(shí)，則其可持續(xù)力一般；④當(dāng)東中部的大中型煤炭類礦業(yè)城市的社會(huì)發(fā)展與生活質(zhì)量、資源稟賦和開發(fā)條件及社會(huì)協(xié)調(diào)度等要素的水平很低時(shí)，則其可持續(xù)力就低。

表1 可持續(xù)力指標(biāo)體系

表2 最佳分類結(jié)果

3 結(jié)論

本文首先運(yùn)用改進(jìn)的加速遺傳模糊聚類算法，對(duì)中國(guó)78個(gè)主要礦業(yè)城市進(jìn)行了模糊分類，將其分成了可持續(xù)力強(qiáng)、較強(qiáng)、一般和低四個(gè)最佳類別。其次，在模糊聚類的基礎(chǔ)上，得出了中國(guó)絕大多數(shù)礦業(yè)城市的可持續(xù)力還處于中、低水平的結(jié)論，以及給出了礦業(yè)城市所處的發(fā)展階段、空間分布、資源類型和城市規(guī)模等屬性和指標(biāo)要素與可持續(xù)力之間的4條規(guī)則。

[1] 諸克軍，等. 模糊C-均值中的最優(yōu)聚類與最佳聚類數(shù)[J]. 系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2005，(3):52-61.

[2] 金菊良，楊曉華，丁 晶. 標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法的改進(jìn)方案—加速遺傳算法[J]. 系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2001，4(4): 8-13.

[3] Yu, J., Zhang, Z.J., Zhou, Y.F.. The sustainability of China′s major mining cities[J]. Resources Policy, 2008， 33: 12-22.