《武汉工程大学学报》 2014年11期
23-31
出版日期：2014-11-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
铜冶炼行业清洁生产评价指标权重分析
0引言铜冶炼行业是国民经济中的基础性行业，特别是我国正处于工业化阶段，对铜的需求保持高速增长，铜冶炼行业在国民经济中的地位将不断提高.铜冶炼行业历来是重污染行业，冶炼企业一般装备水平较低，生产工艺落后，原料的转化率和产品产出率均较低.直观的表现就是消耗高、损耗大、废弃物多［1］.清洁生产是以综合预防为目的，是实施可持续发展战略的重要组成部分，是实现经济和环境协调发展的一项重要措施.研究一套系统的、具有科学性、激励性、符合我国先进环境管理水平的简单易行的铜冶炼行业的清洁生产评价指标体系，可指导铜冶炼生产企业推行清洁生产，对推动我国铜冶炼行业清洁生产具有一定的现实意义.在构建指标体系中，清洁生产评价指标的权重值反映了该指标在整个清洁生产评价指标体系中所占的比重，其确定原则是根据该项指标对铜冶炼生产企业清洁生产实际效益与水平影响程度的大小，以及实施的难易程度.确定指标的权重值，可以反映该指标的重要程度，以及该指标对总目标的贡献大小.在实际清洁生产评价应用中，通常根据企业清洁生产特征从指标体系中选取一些最能反映清洁生产属性的指标，以构建清洁生产评价指标体系［23］.1分析方法权重值的确定方法很多，如：专家咨询法、主成分分析法和层次分析法.本研究采用层次分析法(AHP法)对铜冶炼行业清洁生产各项指标进行权重分析.1.1层次分析法概念美国运筹学家A.L.Saaty于20世纪70年代提出的层次分析法（Analytic hierarchy process，简称AHP方法)，是一种定性与定量相结合的决策分析方法.它是一种将决策者对复杂系统的决策思维过程模型化、数量化的过程.将一个复杂问题转化为有条理的有序层次，一个递阶层次图能够直观地反映系统内部因素之间各子系统的分解情况，然后再逐级地进行综合［4］.它是将目标问题作为一个系统，建立各问题所包含的因素相互独立又能反映系统整体的层次结构，对各因素的重要性进行两两比较，直到最后形成单一的最高层次因素［5］.1.2层次分析法特点层次分析法能够将定量分析和定性分析相结合具有系统性和综合性，还充分考虑了指标的相对重要性.该方法简洁实用，所需定量数据少，准确度高，结果容易被决策者了解和掌握.2层次分析法步骤层次分析法适用于确定各个评价指标权重值，具体步骤如下.2.1评价指标重要性标度假设事件U有n个因素：u1，u2，…，ui，…，un，其中ui表示因素i的重要性，而ui/uj则表示因素i相对于因素j重要的倍数.这个倍数用aij表示，则可得到如表1矩阵A.表1矩阵ATable 1array Auu1u2…uj…unu1a11a12…a1j…a1n………uiai1ai2…aij…ain………unan1an2…anj…ann根据各指标重要标度构建权重判断矩阵.判断矩阵是表示本层所有因素针对上层某一个因素的相对重要性的比较.判断矩阵的元素aij用Santy的1～9标度方法给出［6］，见表2.表2判断矩阵元素aij的标度方法Table 2The scaling method of determine the matrix elements aij 标度含义1表示两个因素相比，具有同样重要性3表示两个因素相比，一个因素比另一个因素稍微重要5表示两个因素相比，一个因素比另一个因素明显重要7表示两个因素相比，一个因素比另一个因素强烈重要9表示两个因素相比，一个因素比另一个因素极端重要2，4，6，8上述两相邻判断的中值倒数因素i与j比较的判断aij，则因素j与i比较的判断aji=1/aij第11期王营茹,等：铜冶炼行业清洁生产评价指标权重分析武汉工程大学学报第36卷为表征方便，将各评价指标以下列代号来表示：A为资源与能源消耗指标.A1：铜精矿耗量；A2：石英石耗量；A3：新水耗量；A4：天然气耗量；A5：煤耗量；A6：重油耗量；A7：综合能耗.B为污染物产生指标.B1：废水；B2：废气；B3：废渣.C为资源综合利用指标.C1：粗铜单位产品综合耗能（拆标煤）；C2：粗铜冶炼回收率；C3：单位产品新水耗量.D为产品特征指标.D1：阴极铜；D2：硫酸；D3：硫酸镍.E为生产技术特征指标.E1：主体冶炼工艺；E2：制酸工艺；E3：生产规模.F为环境管理与劳动安全卫生指标.F1：环境法律法规标准；F2：组织机构；F3：环境审核；F4：原料用量及质量；F5：生产设备的使用、维护、检修管理制度；F6：生产工艺用水、电、气管理；F7：环保设施管理；F8：污染源监测系统；F9：相关方环境管理.2.2确定权重步骤2.2.1构建判断矩阵依据层次分析法，一级评价指标的重要性标度如表3所示.以某冶炼厂2012年的实际生产指标计算得出一级评价指标的重要性标度.表3一级评价指标的重要性标度Table 3The importance of first stage assessment index评价指标E1E2E3E4E5E6E1123567E21/212355E31/31/21234E41/51/31/2123E51/61/51/31/213E61/71/51/41/31/31相应的判断矩阵A为：A=1235671/2123551/31/212341/51/31/21231/61/51/31/2131/71/51/41/31/312.2.2计算重要性排序根据判断矩阵，求出其最大特征根λmax所对应的特征向量W，则AW=λmaxW.所求特征向量W经归一化，即为各评价因素的重要性排序，得到的行向量就是权重向量［7］.2.2.3判断矩阵一次性的检验以上得到的权重向量是否合理，是否满足传递性和一致性，还需要对判断矩阵进行一致性检验.检验的几个指标如下：判断矩阵的一致性指标：CI=λmaxn-1CI=0，有完全的一致性CI接近于0，有满意的一致性CI越大，不一致越严重CI为衡量 的大小，引入随机一致性指标RI，如表4.表4随机一次性指标RITable 4Random onetime index RIn123456RI000.580.901.121.24n7891011RI1.321.411.451.491.51定义一次性比率：CR=CIRI一般，当一次性比率CR=CIRI＜0.1时，认为A的不一致程度在范围之内，有满意的一致性，通过一致性验证.可用其归一化特征向量作为权向量，否则要重新构造成对比较矩阵A，对aij加以调整.2.3层次分析法的Excel计算示例在Excel表格B3:G8中输入表2判断矩阵的数据.a.计算判断矩阵每行元素的乘积Mi.在单元格J3中输入“=B*C*D*E*F*G”，按住填充柄拖动到J8，完成Mi的计算.b.计算Mi的n次方根，并求和.在单元格K3中输入“=J3^(1/6)”，按住填充柄拖动到K8.在单元格K10中，输入“=SUM(K3:K8)”，完成Wi的求和.c.权重的计算在单元格L3中输入“=K3/$K$10”，按住填充柄拖动到L8，完成各指标权重系数的计算.d.判断矩阵最大特征值λmax的计算.选中单元格区域B10:B15，在编辑栏中输入=“MMULT(B3:G8,L3:L8)”，先按“F2”键，再同时按“Ctrl+Shift+Enter”键.在单元格C10中，输入“=B10/L3/6” 按住填充柄拖动到C15.在单元格E10中，输入“=SUM(C10:C15)”，完成λmax的计算.e.一致性检验.在单元格E11中，输入“(E106)/(61)”，得CI=0.0204.查表，n=6时RI=1.24，CR=CI/RI=0.034/1.24=0.0274＜0.10，表明该判断矩阵具有满意的一致性，通过一致性验证［8］.（全部计算过程见图1）.则一级指标权重值如表5.图1计算过程Fig.1Process of calculation 表5一级指标权重值Table 5The weight of first assessment index项目ABCDEF权重值0.402 00.251 20.154 10.093 60.061 80.037 22.4二级指标权重系数的研究a. A资源与能源消耗指标.采用层次分析法对该一级指标下的7个二级指标进行分析，重要性标度如表6所示.利用Excel计算权重，如图2所示.表6二级指标A的重要性标度Table 6The importance of secondary stage assessment index A评价指标A1A2A3A4A5A6A7A11233445A21/2122334A31/31/212345A41/31/21/21234A51/41/31/31/2122A61/41/31/41/31/212A71/51/41/51/41/21/21图2二级指标A的计算过程Fig.2Process of calculation about the secondary assessment index ACR=CI/RI=0.044 8/1.32=0.033 9＜0.10，表明该判断矩阵具有满意的一致性，通过一致性验证.计算得到二级指标相对权重系数如表7所示.表7二级指标A的相对权重系数Table 7The relative weight coefficient of secondary assessment index A指标代号指标名称二级权重系数A1铜精矿耗量0.320 84A2石英石耗量0.209 14A3新水耗量0.174 17A4天然气耗量0.125 34A5煤耗量0.075 12A6重油耗量0.055 82A7综合能耗0.039 57b.B污染物产生指标.采用层次分析法对该一级指标下的3个二级指标进行分析，重要性标度如表8所示.利用Excel计算权重，如图3所示.表8二级指标B的重要性标度Table 8The importance of secondary stage assessment index B评价指标B1B2B3B1114B2113B31/41/31图3二级指标B的计算过程Fig. 3Process of calculation about the secondary assessment index BCR=CI/RI=0.004 6/0.58=0.007 9＜0.10，表明该判断矩阵具有满意的一致性，通过一致性验证.计算得到二级指标相对权重系数如表9所示.表9二级指标B的相对权重系数Table 9The relative weight coefficient of secondary assessment index B指标代号指标名称二级权重系数B1废水0.457 93B2废气0.416 06B3废渣0.126 01c. C资源综合利用指标.采用层次分析法对该一级指标下的3个二级指标进行分析，重要性标度如表10所示.利用Excel计算权重，如图4所示.表10二级指标C的重要性标度Table 10The importance of secondary stage assessment index C评价指标C1C2C3C1135C21/314C31/51/41图4二级指标C的计算过程Fig. 4Process of calculation about the secondary assessment index CCR=CI/RI=0.042 9/0.58=0.073 9＜0.10，表明该判断矩阵具有满意的一致性，通过一致性验证.计算得到二级指标相对权重系数如表11所示.表11二级指标C的相对权重系数Table 11The relative weight coefficient of secondary assessment index C指标代号指标名称二级权重系数C1粗铜单位产品综合耗能（折标煤）0.626 70C2粗铜冶炼回收率0.279 69C3单位产品新水耗量0.093 61d. D产品特征指标采用层次分析法对该一级指标下的3个二级指标进行分析，重要性标度如表12所示.利用Excel计算权重，如图5.表12二级指标D的重要性标度Table 12The importance of secondary stage assessment index D评价指标D1D2D3D1145D21/413D31/51/31图5二级指标D的计算过程Fig.5Process of calculation about the secondary assessment index D CR=CI/RI=0.047/0.58=0.081＜0.10，表明该判断矩阵具有满意的一致性，通过一致性验证.计算得到二级指标相对权重系数如表13所示.表13二级指标D的相对权重系数Table 13The relative weight coefficient of secondary assessment index D指标代号指标名称二级权重系数D1阴极铜0.717 24D2硫酸0.194 69D3硫酸镍0.088 07e. E生产技术特征指标.采用层次分析法对该一级指标下的3个二级指标进行分析，重要性标度如表14所示.表14二级指标E的重要性标度Table 14The importance of secondary stage assessment index E评价指标E1E2E3E1123E21/213E31/31/31利用Excel计算权重，如图6所示.图6二级指标E的计算过程Fig.6Process of calculation about the secondary assessment index E CR=CI/RI=0.026 81/0.58=0.046 22＜0.10，表明该判断矩阵具有满意的一致性，通过一致性验证.计算得到二级指标相对权重系数如表15所示.表15二级指标E的相对权重系数Table 15The relative weight coefficient of secondary assessment index E指标代号指标名称二级权重系数E1主体冶炼工艺0.527 83E2制酸工艺0.332 52E3生产规模0.139 65f. F环境管理与劳动安全卫生指标采用层次分析法对该一级指标下的9个二级指标进行分析，重要性标度如表16所示.利用Excel计算权重，如图7所示.表16二级指标F的重要性标度Table 16The importance of secondary stage assessment index F评价指标F1F2F3F4F5F6F7F8F9F11111/31/31/41/21/23F21111/31/31/31/41/23F31111/31/31/31/21/44F43331221/21/24F53331/2111/21/25F64331/2111/41/46F7242244125F82242441/213F91/31/31/41/41/51/61/51/31图7二级指标F的计算过程Fig.7Process of calculation about the secondary assessment index F CR=CI/RI= 0.131 71/1.45= 0.090 83＜0.10，表明该判断矩阵具有满意的一致性，通过一致性验证.计算得到二级指标相对权重系数如表17所示.2.5最终确定权重值整个指标体系由一级指标和二级指标构成，每个一级指标又包含若干二级指标.按照上述方法，已经计算了6个一级指标的权重值，并分析了其判断矩阵的一致性水平.用同样的方法可以分别计算每个一级指标其下属的二级指标的权重，并分别分析二级指标判断矩阵的一致性水平.假设第i个一级指标的权重等于ai，该指标下第j个二级指标相对于该一级指标下的其他二级指标的权重为bj，那么，该二级指标的总权重则等于ai×bj［9］.如表18所示.表17二级指标F的相对权重系数Table 17The relative weight coefficient of secondary assessment index F指标代号指标名称二级权重系数F1环境法律法规标准0.058 23F2组织机构0.055 67F3环境审核0.057 48F4原料用量及质量0.150 63F5生产设备的使用、维护、检修管理制度0.122 56F6生产工艺用水、电、气管理0.110 70F7环保设施管理0.231 27F8污染源监测系统0.187 32F9相关方环境管理0.026 14表18最终确定得到的权重系数Table 18The relative weight coefficient of the final index一级指标（i）一级权重值（ai）二级指标（j）二级权重值（bj）最终权重值A资源与能源消耗指标40.20铜精矿耗量0.320 8412.897 7石英石耗量0.209 148.407 4新水耗量0.174 177.001 6天然气耗量0.125 345.038 7煤耗量0.075 123.019 8重油耗量0.055 822.244 0综合能耗0.039 571.590 7B污染物产生指标25.12废水0.457 9311.503 2废气0.416 0610.451 4废渣0.126 013.165 4C资源综合利用指标15.41粗铜单位产品综合耗能（拆标煤）0.626 709.657 4粗铜冶炼回收率0.279 694.310 0单位产品新水耗量0.093 611.442 5D产品特征指标9.36阴极铜0.717 246.713 4硫酸0.194 691.822 3硫酸镍0.088 070.824 3E生产技术特征指标6.18主体冶炼工艺0.527 833.262 0制酸工艺0.332 522.055 0生产规模0.139 650.863 0F环境管理与劳动安全卫生指标3.72环境法律法规标准0.058 230.216 6组织机构0.055 670.207 1环境审核0.057 480.213 8原料用量及质量0.150 630.560 3生产设备的使用、维护、检修管理制度0.122 560.455 9生产工艺用水、电、气管理0.110 700.411 8环保设施管理0.231 270.860 3污染源监测系统0.187 320.696 8相关方环境管理0.026 140.097 2为了验证总权重计算结果是否也具有满意的一致性，需要计算总随机一致性指标，该指标的计算公式为：CR=Σni=1aiCIiΣni=1aiRIi其中：ai:第i个一级指标的权重；CIi:第i个一级指标的一致性指标值；RIi:第i个一级指标的平均随机一致性指标值.由计算结果可知，CR值等于0.040 37，该值小于0.1，因此最终权重计算的结果具有满意的一致性，通过一致性验证.3结语根据表18可以看出铜精矿耗量指标的最终权重值相对于其他各项指标的最终权重值是最高的，符合中央“十一五”规划目标中倡导的“节能降耗”；同时，废水与废气指标的最终权重值也相对较高，说明该厂围绕“减污”的目的，改进工艺，完善管理，为取得更高清洁生产水平奠定了基础.致谢非常感谢张建华工程师提供的数据资料以及在本论文的撰写过程给予的帮助和指导.